JPH081034B2 - 黒液の燃料方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、パルプ工場黒液の燃焼に関する。

［従来の技術］ 木材チップをセルロースに加工するクラフトプロセス
において、木材チップをNa₂Sを含有するアルカリ水溶液
中で加圧煮沸し、それによってセルロースを前記木材チ
ップのその他成分から化学的に分離する。古煮沸液を黒
液と称し、それを通常回収炉たとえば廃熱ボイラーで化
学価値を回収するような方法で処理する必要がある（カ
ーク・オーソマー（Kirk Othmer）第11巻、第575と576
頁の両頁参照）。

前記黒液を回収炉中に噴霧すると、黒液の中の水が蒸
発し、その黒液は、液滴が炉床に向って降下するに従い
直ぐに「乾燥」した。前記「乾燥」液滴は、少くとも部
分燃焼されるが、未燃焼残留物は最終的に、パルプ化プ
ロセスで可能性を秘めて有用な薬品を含む木炭（炭素）
の層とスルメトとを形成する。前記スルメトにあるわず
かなNa₂SO₄もそれが前記木炭に接触するとNa₂Sに還元さ
れ、それによって前記クラフトプロセス冷却液で必要な
薬品を再生する。

多数のクラフト工場において、回収ボイラーにくべる
ことができる黒液の量は回収ボイラーの容量により、す
なわち、安全に発生させ得る蒸気の最大量によって限定
される。回収ボイラーにくべて蒸気として回収される熱
を発生させ得る黒液の量もまた、上部における熱伝達面
の付着層生成速度により限定される。前記付着生成速度
は、前記上部における熱伝達面上の液滴の衝撃速度によ
りまた、液滴の物理的状態により測定される。衝撃速度
は液滴の大きさと、主炉空隙におけるガスの上昇速度と
の関数である。粒子がそれ自体、熱伝達面に付着する確
率はその状態による。液滴が半溶融（すなわち粘着性）
である時は、比較的冷い熱伝達面と接触すると直ぐ凝結
しようとするものである。上部熱伝達面に入る粒子の温
度が、半溶融状態に必要な温度またはそれ以上の場合、
付着が起こる。ボイラーに黒液を追加して注入する時、
空気を追加して注入する必要があり、放出されるエネル
ギー量は増加する。付着生成速度は特別の上昇ガス運動
量のため増加し、また熱伝達面に衝撃を与える粒子の温
度が前記粘着温度以上に上昇する場合、増加することが
ある。蒸気洗浄によるかまたはその他の手段によって付
着が除去できる速度に等しくなる時にボイラーの最高燃
焼速度（すなわち最大処理能力）に達する。

［発明が解決しようとする課題］ 黒液をその中に噴霧した燃焼炉の一次空気の酸素濃縮
を利用すると結果として、火炎温度、固体炭素質物質の
燃焼速度、熱分解速度、黒液液滴の乾燥速度、水搬送チ
ューブに伝達された温度を増加上昇させ、従って上部に
おける熱伝達面に入るガスの温度及び付着生成速度を減
少される一方、所定サイズの炉の黒液の燃焼に必要な炉
の処理量を増加させることになる。

この発明は、一次および二次両空気流の酸素濃縮を用
いる回収ボイラーの容量増加に関する。

［課題を解決するための手段］ 本発明者は、空気流へ容量比で最高５％酸素を添加す
ることにより一次空気を酸素富化することによってトム
リソン回収ボイラー装置の効率が上昇することを見出し
て本発明を完成するに至った。すなわち、本発明は、黒
液を炉の中に噴霧し、その炉の中で前記黒液を連続的に
乾燥、熱分解して固定炭素質残留物に転化し、一次空気
と二次空気を用いて該残留物を燃焼し溶融物に転化する
トムリソン回収ボイラー装置での黒液の燃焼方法におい
て、前記炉の火格子上に載置される前記固定炭素質残留
物に吹き付けられる前記一次空気に対して、容量比で最
高５％酸素を添加して、断熱火炎温度、固定炭素質材料
の燃焼速度、熱分解速度及び黒液液滴の乾燥速度を増加
し、炉の上部における熱伝達面に入るガスの温度及び付
着生成速度を減少し、黒液の燃焼量を、前記酸素の添加
なしに運転する同一炉における燃料量より増大させる黒
液の燃焼方法を要旨とするものでる。

酸素の一次空気への添加は次掲の二方法で灰化速度を
増大させる： 1.木炭燃焼速度は酸素濃縮の一次関数であるので、酸素
濃縮を上昇させて木炭燃焼速度を増大させる。

2.下部炉温度を上昇させて乾燥速度を、またあるいは木
炭の燃焼速度を増大させる。

［作用］ 先に注目したように、回収ボイラーで燃焼できる黒液
の量を、上部熱伝達面上の最大許容付着速度により測定
する。付着速度は、黒液液滴の下降運動量、燃焼ガスの
上昇運動量おもび液滴の物理的状態に左右される。酸素
濃縮は黒液粒子の運動量の増加を、灰化速度を増大させ
て可能にし、従って粒子質量の増加を可能にする。酸素
濃縮はまた、燃焼ガスの運動量を（増分二次空気・増分
酸素濃縮の一次空気に対する比率）として規定された比
率を変化させることで調節する機構を提供する。酸素濃
縮は上部熱伝達面に入るガスの温度を、主炉キャビティ
に水を搬送するチューブへの熱伝達速度を下部炉におけ
る断熱火災温度の上昇と上昇熱フラックスによって上昇
させることにより低下させる。正味効果は、どのような
他の方法によっても達成され得ない容量増加である。

クラフト工場における回収ボイラーは下記の機能を形
成する： ａ）組織的に結合したナトリウムと硫黄を再加工に適す
る形態に点火する ｂ）Na₂SO₄をNa₂Sに転化する ｃ）有機流出液（すなわち黒液）をクラフトプロセスか
ら灰化し、そして ｄ）灰化プロセスから放出されたエネルギーで蒸気を発
生させる。

黒液を、ボイラーの炉床の上の特定高さで液滴の形で
前記ボイラーに注入する。それは、液滴の降下に従っ
て、高温燃焼ガスにより乾燥されボイラーに注入された
二次空気で燃焼する。熱分割相が炉底に届きこの帯域に
注入された一次空気と反応した後に残留炭素が残った。

これらのプロセスに利用できる時間量を固定する。前
記プロセスの完成に必要な時間量は、乾燥、熱分解およ
び木炭燃焼の速度の関数で、特定液滴のサイズは、灰化
に利用できる時間が必要時間に等しくなるように現われ
る。

黒液の質量の流量が増加する時、燃料空気量は増加す
る必要がある。燃焼により発生したガスが上昇する間
に、粒子は降下しようとする。ボイラーの横断面面積は
不変であるので、上昇ガスの速度は、追加黒液の燃焼に
必要な追加量と、黒液質量の流量の増加に起因する横断
面面積の明白な減少のため増大する。追加黒液の燃焼で
放出されたエネルギーは、ガスと、上部熱伝達部に入る
液滴の温度上昇をきたす。

黒液液滴のいくつかは上昇ガスに連行され、上部炉の
熱伝達面に接触する。粒子は溶融または半溶融状態であ
る場合、それらは熱伝達面（すなわちチューブ）と接触
するとすぐ凝固して付着を形成する。この付着が形成す
る速度は、連行量と煙道ガスの温度とに左右される。

付着を高圧蒸気を熱伝達面に向けることによって除去
する。付着速度が除去速度よりも大きい場合、はボイラ
ーのガス通路に付着が生成し、結局はふさぐことにな
る。これが起こると、ボイラーを閉鎖し洗浄する必要が
ある。従って、回収ボイラーの最大燃焼速度は、付着生
成速度が除去速度と等しくなる数値である。

無機物のクラフトプロセスに適切な形態への転化は温
度に左右されること大である。ボイラーの下部温度が低
い場合、転化効率は低下し、硫黄化合物すなわち汚染物
質と考えられているSO₂およびH₂Sを発生させ、ボイラー
の煙道ガスによって大気に運び込まれる。

粒子連行速度は、粒子の質量とガス速度との関数であ
る。粒子の質量、それゆえに表面面積は、乾燥または
（および）熱分解または（および）木炭燃焼の速度が増
大する場合、増加できる。

平均ガス速度は燃焼速度の関数であるが、連行速度
は、ボイラー横断面を横切るガスを等速度を保証するこ
とにより減速できる。回収ボイラーの容量を増大させる
従来の試みは、次掲のうちの一つを必要とする： ａ）燃焼に先立って黒液から水の除去 ｂ）熱分解帯域において混合を増やして熱分解を増加
し、ガスの等速度を起こす ｃ）木炭燃焼速度を、その帯域にさらに空気を供給して
増加する これらの手段のおのおのは、灰化速度を増加し、従っ
て粒子質量の増加を可能にするが、おのおのは制限のあ
る適用性のあるものである。

理論的には、ボイラーの容量は、比較的多量の水を黒
液から除去してからそれをボイラーに供給するに従っ
て、増大することになる。現在利用できる商業装置を用
いて、黒液中にあって最小獲得可能量の水は30％で、そ
の濃度で黒液は噴霧には粘質すぎる。この方法だけで
は、これは可能な容量増加が制限することになる。

ガス混合または乱流はレイノルズ数（Re）で説明され
る。熱分解燃焼の速度は前記レイノズル数の関数であ
り、Reの平方根におおむね比例することがしばしばであ
る。従って、熱分解燃焼速度は増加Re数で増加される。
また、燃焼速度（熱フラックス）の増加のため、この層
における温度は上昇する。上昇温度は乾燥時間を減少さ
せる。最終成果は、大型粒子とを燃焼させ、連行の量を
増加させることなしに、その帯域への空気の量を増加さ
せる能力である。

到達できる乱流の量は実際的制限を受け易く、収穫逓
減の法則は、乱流が熱分解燃焼を増加させるので存在す
る。これらの束縛はこのアプローチからの利用できる容
量増加を制限する。

木炭層への空気供給は連行量が許容限度を超過する
か、前記層局部冷却が起こるまで増量してもよい。

この発明の実施にあたって、酸素を回収ボイラーに供
給された一次空気に注入する。結果として： −残留木炭の燃焼速度が増加する −下部炉の温度が上昇する −落下液滴への熱伝達が増加する −水搬送チューブへの熱伝達が増加する −乾燥時間が減少する −熱分解に利用できる時間が増加する −木炭層における炭素濃度が低下する −上部熱伝達面に入るガスの温度が低下する −黒液粒子の大きさおよび粒子の総質量を、木炭層に達
する木炭粒子の炭素濃度が木炭層の消費速度に調和する
レベルに上昇するまで増加させる −粒子連行速度を低下させる −付着生成の速度を低下させる −付着速度を低下させるので、黒液と燃焼空気の総量質
流量は、付着生成の速度が最初の付着速度と同値になる
まで増量できる。

プロセスは、増量二次空気のため連行の量が最初の連
行量と等値になるまで継続する。

第２図を参照して、第２図は、黒液の燃焼からの熱を
回収する普通のボイラーの略図であることがわかる。黒
液を、炉床または火格子の上ほぼ15乃至20フィートのボ
イラー内に噴霧する。一次空気を火格子の上にある残留
炭素分に吹き付け、二次空気を火格子のすぐ上にある帯
域に吹き込む。定常状態条件下、黒液液滴は乾燥、熱分
解して、最終的に多孔質残留炭素分となり、火格子に向
って落下する。熱分解生成物と木炭は、それらが二次ま
たは（および）一次空気と接触する時、下部炉の温度が
十分高い場合、反応（燃焼）する。これらの反応が起こ
る速度は、温度と酸素濃縮との関数である。放出された
エネルギーは、耐火物または水を搬送するチューブで裏
打ちした炉壁に幅射する。水は炉の上部層で蒸気に転化
し、後続プロセスで用いられる。

第２図に示す通り、黒液を炉に装填して燃焼の起こる
帯域の上の層に入るようにする。そこで黒液中の水を、
黒液の燃焼の準備に蒸発させる。その後、液滴は黒液を
熱分解する帯域に降下する。熱分解生成物を燃焼させて
黒液の熱分解後残る木炭は溶融層に落下し、このように
して黒液の燃焼で起こる工程を完了する。

［実施例］ この発明は、木炭燃焼速度、乾燥速度、熱分解速度お
よび、下部炉に水を搬送するチューブへの熱伝達速度の
増速を探求する。第１図に略図で示しているように、酸
素を第２図に示す先行技術装置に添加して達成される。
酸素の特定量の添加は、黒液の加熱、乾燥および熱分解
の後、また黒液から放出される揮発物の燃焼の後、出て
くる炭素質残留物（木炭）の燃焼に用いられる一次空気
に行われる。また多孔質木炭残留物の上の層に供給され
る二次空気に行ってもよい。また、この発明は、燃焼帯
域の酸素濃縮を増加させ、それによって熱分解燃焼速度
と、固体炭素質残留物の燃焼速度の両速を増速させるこ
とを探求する。

プロセス（すなわち、乾燥、熱分解および木炭燃焼）
のおのおのに必要な時間を、乱流、温度および酸素濃縮
とにより主として制御する。

乾燥速度は次に関数を条件とする： ［式中 Ds＝質量拡散率係数 Ns＝粒子の半径 λ＝ガスの熱伝導率 Pr＝プラントス数＝1.0 Re＝レイノルズ数 Cp＝ガスの比熱 式中Too＝周囲ガスの温度 Ts＝表面温度 Lv＝気化熱］ そして関数は： 乾燥速度αF_1-2E₁［T₂ ⁴−T₁ ⁴］ ［式中、F_1-2E₂は装置の輻射率、ガス特性および閉鎖容
器（炉特性）を説明する。

T₂＝燃焼ガス温度 T₁＝液滴表面温度］ 実際乾燥速度は、これらの乾燥の相対重要度により測
定される。酸素濃縮を採用し、燃焼ガス温度を上昇させ
る時、第一の方程式は対数的に増加し、第二の方程式は
４乗して増加する。

熱分解には、同様方程式が適用されるが、L_Vは熱分解
に必要なエネルギーであることと、Ｂを次のように規定
することを除く： ［式中、ｉ＝化学量論係数 mo＝周囲環境における酸素の濃度 Ｈ＝反応熱」 そしてimoHの作用はCp（Too−Ts）をしのぐ。

木炭燃焼速度は次の方程式で判断できる： 木炭燃焼αH_D［O₂］ ［式中、H_D＝温度および乱流に関連する対流質量移転係
数（すなわちレイノルズ数） ［O₂］＝酸素濃度 酸素の一次空気への添加は、木炭燃焼速度を、最小限
としての線形ベースで増加させる。次掲は、プロセス発
明を用いた時の、１ポンドの増分乾燥液固形分の燃焼の
化学天秤を示す。

第１表−酸素濃縮を用いる熱収支入力 BTU/固形物ポンド 黒液燃焼熱 6,600 黒液のエンタルピー 150 合 計： 6,750 出力 乾燥煙道ガスのエンタルピー 177 煙道ガス中の水分のエンタルピー 128 黒液中の水の潜熱 555 燃焼からの水の潜熱 360 スメルトのエンタルピー 230 硫化物形成熱 420 放射損失 0 合 計： 1,970 蒸気発生熱 4,870

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明による黒液燃焼用の炉の略図、第２
図は、従来技術の同一の炉の略図である。

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−83805（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−40423（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−41521（ＪＰ，Ａ) 村井 操 外１名著「製紙工学」第59頁 〜第66頁 昭和52年２月１日 工学図書株 式会社発行

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】黒液を炉の中に噴霧し、その炉の中で前記
   黒液を連続的に乾燥、熱分解して固定炭素質残留物に転
   化し、一次空気と二次空気を用いて該残留物を燃焼し溶
   融物に転化するトムリソン回収ボイラー装置での黒液の
   燃焼方法において、前記炉の火格子上に載置される前記
   固定炭素質残留物に吹き付けられる前記一次空気に対し
   て、容量比で最高５％酸素を添加して、断熱火炎温度、
   固定炭素質材料の燃焼速度、熱分解速度及び黒液液滴の
   乾燥速度を増加し、炉の上部における熱伝達面に入るガ
   スの温度及び付着生成速度を減少し、黒液の燃焼量を、
   前記酸素の添加なしに運転する同一炉における燃料量よ
   りも増大させることを特徴とする黒液の燃焼方法。