回収ボイラー

オリジナルの回収ボイラーのいくつかの特徴は、今日まで変わっていません。これは、すべての工程が単一の容器内で行われる最初の回収装置でした。黒液の乾燥、燃焼、そしてそれに続く反応はすべて、冷却された炉内で行われます。これがトムリンソンの研究の中心的な考え方です。

第二に、黒液を微細な液滴に噴霧することで燃焼が促進される。噴霧方向を制御することでプロセスを容易に制御できることが証明された。噴霧は初期の回転炉で使用され、HK Mooreによって固定炉にもある程度の成功を収めて応用された。第三に、一次空気レベルを炭層表面に設定し、その上にさらに複数のレベルを設けることで炭層を制御できる。多段式空気システムはCL Wagnerによって導入された。

回収ボイラーは溶融物の除去効率も向上させた。溶融物は溶鉱炉から直接、溶融物排出口を通って溶解槽に排出される。初期の回収装置の中には、粉塵回収にコットレル式電気集塵機を採用したものもあった。

バブコック＆ウィルコックス社は1867年に設立され、水管ボイラーで早くから名声を得ました。同社は1929年に世界初の黒液回収ボイラーを製造し、稼働させました。^{[ 2 ]}これに続いて、1934年にはウィンザーミルズに完全水冷式炉を備えたユニットが設置されました。反射炉や回転炉に続き、回収ボイラーが開発されました。

2番目の初期のパイオニアであるコンバッション・エンジニアリング社（現在のGE）は、1926年に直接液体噴霧方式で動作する3基の炉を設計したウィリアム・M・キャリーの研究と、アドルフ・W・ワーンとその回収装置の研究に基づいて、回収ボイラーの設計を行った。

回収ボイラーはすぐにスカンジナビアと日本でライセンス供与され、生産された。これらのボイラーは、ライセンサーの図面と指示に基づいて地元の製造業者によって製造された。初期のスカンジナビアのトムリンソンユニットの1つは、高さ8.0mの炉を採用しており、炉底は2.8×4.1mで、過熱器入口で4.0×4.1mに拡大していた。^{[ 3 ]}

この工場は毎週末、生産を停止していた。当初はエコノマイザーを毎日2回水洗する必要があったが、1940年代後半に煤吹き装置が導入されてからは、週末の定期停止時にエコノマイザーを清掃できるようになった。

採用された構造は非常に成功した。コルスネスにある初期のスカンジナビア製ボイラーの1つである160トン/日ボイラーは、ほぼ50年後も稼働していた。^{[ 4 ]}

クラフト回収ボイラーの使用は急速に広まり、機能的な化学回収によりクラフトパルプ製造は亜硫酸パルプ製造よりも経済的に優位になった。^{[ 5 ]}

初期の回収ボイラーは水平な蒸発面を備えており、その後、過熱器やさらに多くの蒸発面が設けられました。これらのボイラーは、約30年前の最先端ボイラーに似ていました。この傾向は今日まで続いています。生産ラインの停止には多額の費用がかかるため、回収ボイラーに採用される技術は保守的なものになりがちです。

最初の回収ボイラーは、汚れが付着するという深刻な問題を抱えていた。^{[ 6 ]}

石炭焚きボイラーの通常運転に必要な管間隔は、回収ボイラーではさらに広くする必要があった。これにより、水洗までの約1週間という満足のいく性能が得られた。機械式煤吹き装置もすぐに採用された。化学薬品の損失を抑え、購入する化学薬品のコストを削減するために、電気集塵機が追加された。排ガス中の粉塵損失を低減する取り組みは、60年以上の実績がある。

1940年型回収ボイラーの四角いヘッダーにも注目すべきである。回収ボイラーの空気レベルはすぐに2段階に標準化された。すなわち、炭化層レベルの一次空気レベルと、液噴射ガン上部の二次空気レベルである。

最初の数十年間は、炉の内張りは耐火レンガでできていた。しかし、溶融金属が壁面に流れ込むため、レンガの交換が頻繁に必要となり、やがてレンガを使用しない設計が開発された。

安定した運転と低排出ガスを実現するには、回収ボイラーの空気システムを適切に設計する必要があります。空気システムの開発は、回収ボイラーが存在する限り継続されています。^{[ 7 ]}空気システムに設定された目標が達成されるとすぐに、新しい目標が設定されます。現在、新しい空気システムは低NOxを実現していますが、汚れの低減に取り組んでいます。表1は、空気システムの開発を視覚化したものです。

表1：空気システムの発展。^{[ 7 ]}

1940年代と1950年代の第一世代空気システムは、還元ゾーンを維持するための一次空気と、最終酸化のための液ガン下の二次空気の2段階構成でした。^{[ 8 ]}回収ボイラーのサイズは1日あたり100～300 TDS（乾燥固形物トン）で、黒液濃度は45～55%でした。燃焼を維持するために補助燃料を頻繁に燃焼する必要がありました。一次空気は全空気の60～70%で、残りは二次空気でした。すべてのレベルで開口部は小さく、設計速度は40～45  m/sでした。両方の空気レベルは150℃で運転されました 。液ガンは振動していました。主な問題は、高いキャリーオーバー、目詰まり、および低い還元でした。しかし、黒液の燃焼という機能は満たされました。

第2世代の空気システムは、高還元を目指した。1954年、CEは二次空気を液銃の下約1mから約2m上に移動した。^{[ 8 ]}空気比と温度は同じままだったが、混合を増やすために50m  /sの二次空気速度が使用された。CEは当時、前壁/後壁二次空気を接線燃焼に変更した。接線空気システムでは、空気ノズルは炉の隅にある。好ましい方法は、炉のほぼ全幅の旋回流を作り出すことである。大型装置では、旋回流によって左右の不均衡が生じた。この種の空気システムは、乾燥固形分の増加により、炉の低い温度を上昇させ、妥当な還元率を達成することができた。B&Wは当時すでに3段階の空気供給を採用していた。

第三世代の空気システムは、3段階空気システムでした。ヨーロッパでは、液砲の下に一次空気と二次空気を供給する3段階空気システムの使用が1980年頃から始まりました。同時に、定置燃焼が普及しました。約50%の二次空気を使用すると、高温で安定した下部炉が得られるようでした。^{[ 9 ]}より高い黒液固形分65～70%が使用されるようになりました。より高温の下部炉と改善された還元が報告されました。3段階空気とより高い乾燥固形分により、硫黄排出量を抑えることができました。

第4世代の空気供給システムは、多段式空気供給システムと垂直式空気供給システムです。回収ボイラーへの黒液乾燥固形物の供給量が増加するにつれて、低硫黄排出量の達成はもはや空気供給システムの目標ではなくなりました。代わりに、低NOxと低キャリーオーバーが新たな目標となっています。

回収ボイラーの運転における主な危険の一つは、溶融水爆発です。これは、高温で少量の水が固体と混ざった場合でも発生する可能性があります。溶融水爆発は純粋に物理的な現象です。溶融水爆発現象はGraceによって研究されています。^{[ 15 ]} 液体-液体型の爆発メカニズムは、回収ボイラー爆発の主な原因の一つとして確立されています。

溶融水爆発では、わずか数リットルの水でも、溶融した溶融物と混ざると、わずか数十分の1秒で激しく蒸気に変化することがあります。蒸気層が熱伝達を抑制するため、炭化層と水は共存できます。何らかの引き金となる事象によってこのバランスが崩れ、水は溶融物と直接接触することで急速に蒸発します。この急激な蒸発により体積が増加し、10,000～100,000 Paの圧力波が発生します。この力は通常、炉壁全体を変形させるのに十分な大きさです。設備と人員の安全のため、炉内に水が浸入した可能性がある場合は、回収ボイラーを直ちに停止する必要があります。すべての回収ボイラーには、特別な自動停止シーケンスを装備する必要があります。

もう一つの爆発の種類は、可燃性ガス爆発です。この爆発が発生するには、着火前に燃料と空気が混合されている必要があります。典型的な状況としては、炉のパージを行わずにブラックアウト（炎の消失）が発生するか、または化学量論比以下の状態で連続運転が行われる場合が挙げられます。ブラックアウトを検出するために、炎監視装置が設置され、その後、連動したパージと起動が行われます。可燃性ガス爆発は、ボイラーでの油/ガス燃焼に関連しています。また、ほぼすべてのボイラーで連続的な酸素_濃度監視が実施されているため、非可燃性ガス爆発は非常にまれになっています。

現代の回収ボイラーは、垂直蒸気発生バンクと間隔の広い過熱器を備えた単胴設計です。この設計は、1973 年に Colin MacCallum が Götaverken (現在の Metso Power inc.) がスウェーデンの Skutskär のボイラー向けに 1 日あたり 4,000,000 ポンドの黒液固形分を処理できる大型回収ボイラーを提案した際に初めて提案されましたが、この設計は当時、将来の所有者によって先進的すぎるとして却下されました。MacCallum は BLRBAC でこの設計を発表し、1980 年 12 月に Tappi 誌に掲載された論文「放射回収ボイラー」で発表しました。この単胴設計の最初のボイラーは、1984 年に Götaverken がミシシッピ州リーフ リバーで販売しました。垂直蒸気発生バンクの構造は垂直エコノマイザーに似ています。垂直ボイラーバンクは清掃が容易です。過熱器パネル間の間隔は拡大し、300 mm 超 400  mm 未満で横ばいになった。過熱器の広い間隔は、汚れを最小限に抑えるのに役立つ。この配置は、淡水減温器と組み合わせることで、腐食に対する最大限の保護を保証する。腐食を抑制するために、回収ボイラー材料には数多くの改良が加えられてきた。^{[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]}

乾燥固形分濃度の上昇は、主要な運転変数に大きな影響を与えます。蒸気流量は、黒液乾燥固形分濃度の上昇に伴って増加します。パルプ工場の閉鎖度が上昇すると、炉内で利用できる黒液乾燥固形分単位当たりの熱量が減少します。排ガス流量が減少すると、排ガスの熱損失も減少します。回収ボイラーの容量は排ガス流量によって制限されることが多いため、黒液乾燥固形分濃度の上昇は特に有効です。

最新の回収ボイラーは、鋼管製の伝熱面、炉1、過熱器2、ボイラー発生バンク3、エコノマイザー4で構成されています。蒸気ドラム5は単胴式です。空気と黒液は、一次および二次空気ポート6、液噴射口7、三次空気ポート8を通して導入されます。燃焼残渣である溶融物は、溶融物排出口9を通して溶解槽10に排出されます。

公称炉負荷は過去 10 年間で増加しており、今後も増加し続けるでしょう。^{[ 20 ]}空気設計の変更により炉の温度が上昇しました。^{[ 21 ] [ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]}これにより、炉底熱放出率 (HHRR) の設計上の増加はわずかで、炉底固体負荷 (HSL) を大幅に増加させることが可能になりました。水蒸気が少なくなると、平均排ガス流量が減少します。そのため、炉下部の温度が上昇しても、垂直方向の排ガス速度を低下させることができます。

最も顕著な変化は、シングルドラム構造の採用です。この変化は、より信頼性の高い水質管理が部分的に影響しています。シングルドラムボイラーは、バイドラムボイラーと比較して、安全性と稼働率が向上しています。シングルドラムボイラーは、より高い圧力とより大きな容量で製造できます。設置時間の短縮により、コスト削減も実現できます。シングルドラム構造ではチューブの接合部が少ないため、起動曲線が改善されたドラムを製造できます。

垂直蒸気発生バンクの構造は垂直エコノマイザと似ており、経験上、清掃が非常に容易である。^{[ 25 ]}垂直の排ガス流路は、粉塵負荷が高い場合の清掃性を向上させる。 ^{[ 26 ]}詰まりのリスクを最小限に抑え、清掃効率を最大化するために、発生バンクとエコノマイザの両方が十分な側間隔で配置されている。2ドラムボイラーバンクの詰まりは、チューブ間の間隔が狭いことが原因であることが多い。

過熱器パネル間の間隔が広くなりました。すべての過熱器は、汚れの付着を最小限に抑えるため、広い間隔で配置されています。この配置は、淡水減温器との組み合わせにより、腐食に対する最大限の保護を保証します。間隔が広くなったことで、過熱器の目詰まりが起こりにくくなり、堆積物の除去が容易になり、煤吹き蒸気の消費量も減少します。過熱器の数が増えたことで、特に起動時における過熱器出口蒸気温度の制御が容易になります。

最も高温になる過熱器の下部ループは、耐食性に優れたオーステナイト系材料で作ることができます。最も高温になる過熱器チューブ内の蒸気速度は高く、チューブ表面温度を低下させます。チューブ表面温度を低く保つことは、過熱器の腐食を防ぐために不可欠です。高温の過熱器における蒸気側の圧力損失が大きいほど、チューブ要素内の蒸気の流れが均一になります。