JP2005525526A - パルプ・ミルにおけるエネルギー生成方法 - Google Patents

Abstract

パルプ・ミルにおいてエネルギーを生成する方法であって、パルプ化プロセスで生じた廃液を回収ボイラの炉内で燃焼させて煙道ガスを生成するステップと、回収ボイラ内で飽和蒸気および／または部分的に過熱された蒸気を生成することによって煙道ガスから熱を回収するステップと、木材、樹皮もしくは木材廃棄物をガス化装置内でガス化して可燃性ガスを生成するステップと、過熱ボイラ内で可燃性ガスの少なくとも一部を燃焼させるステップと、飽和し且つ部分的に過熱された蒸気を過熱ボイラ内で過熱して過熱蒸気を生成するステップとを含むエネルギー生成方法。

Description

化学パルプ・ミル（化学パルプ設備）では、最初に丸太から木材樹皮が除去された後、残った木材がチップに切断され、そして繊維へと化学処理（すなわち蒸解）される。アルカリ性の蒸解液内での蒸解の間、リグニンおよびいくつかの炭水化物材料が木材チップから溶解する。リグニンおよび炭水化物材料、および蒸解液の複数の成分が、黒液と呼ばれる廃液を形成する。木材から繊維への収量は通常５０％未満であり、典型的には４６％から４８％である。蒸解の後、黒液を単体もしくは他の「廃棄」流と共に回収ボイラ中で燃焼させることによって、黒液から化学物質が回収される。ボイラ内における燃焼プロセスは発熱であり、放出されるエネルギーは、加圧過熱蒸気として回収される。この加圧過熱蒸気のエネルギーが蒸気タービン内で回収され、必要な他のパルプ処理のための電力および低圧蒸気が生成される。

黒液および他の「廃棄」流は、代替燃料源であるバイオマス燃料として認められている。このような代替燃料源は、パルプ・ミルにおける石炭および油などの従来の燃料の必要性を減らし、それによって従来の燃料を使用したエネルギー生成によって生成される温室ガスの量を低減する。バイオマス燃料を用いて、発電効率の点で有利な高い活動圧力および温度で蒸気を提供することができる。

従来、エネルギーは、黒液を回収ボイラ内で燃焼させ、また木材廃棄物および樹皮を補助ボイラ内で燃焼させることによって、パルプ・ミル内で生成されている。通常、木材原料の樹皮と、生成された黒液の有機物質とが共にパルプ・ミルに必要なすべてのエネルギーを供給している。パルプ・ミルにさらにエネルギーを必要とする場合には、追加燃料を仕入れることができる。この追加燃料は木材樹皮と共に補助ボイラ内で燃焼される。パルプ・ミル内における従来のエネルギー生成方法は次のようにして行われる。回収ボイラおよび補助ボイラ、ここでミルからの廃棄木材樹皮が燃焼されて過熱高圧蒸気を生成する。生成された蒸気は１または複数の背圧蒸気タービンを強制的に通され、そして放出された蒸気がミルに必要な熱を提供するように用いられる。タービンおよびタービンに接続された発電機が、ミルに必要な電力を生成する。

木材には少量のカリウム（Ｋ）および塩素（Ｃｌ）が含まれている。これらの元素は蒸解の間に黒液中に残留する。これらの元素は、回収ボイラ内でフライ・アッシュ（飛灰）中に濃縮され、特に過熱器内における煙道ガスの腐食性が高められる。ＣｌおよびＫの腐食性は、温度と共に高く。ＣｌおよびＫのこの腐食性により、回収ボイラ内で生成される蒸気の温度には上限が余儀なくされている。過熱蒸気のこの上限は、塩素およびカリウムの含有量によって様々であるが、通常、４００℃ないし４９０℃である。ＣｌおよびＫの含有量が極めて少ない特殊な材料もしくは溶液に対しては、最大５２０℃の蒸気温度が使用されている。通常、ＣｌおよびＫの腐食性のために過熱蒸気の温度を比較的低い温度に保持する必要があるため、蒸気の圧力も小さくなっている。これらの温度制限により、石炭、天然ガスあるいは油を燃料とする通常の電力ボイラと比較すると、回収ボイラ内で生成される熱から産出される電力は少ない。

回収ボイラ内における蒸気に対するこのような温度制限は、丸太から得られる樹皮には厳密に有効ではないけれども、樹皮ボイラ内の樹皮の燃焼によって生じるフライ・アッシュにも塩素およびカリウムは含まれている。樹皮の硫黄含有量は極めて少ないので、樹皮ボイラ内でカリウムが塩素と反応してＫＣｌが形成され、それが過熱腐食の原因になることがある。また樹皮内の熱量流れは、黒液（廃棄液）流内の熱量流れよりはるかに小さい。これは樹皮内の質量流れ（マスフロー）が黒液流内の質量流れよりはるかに小さいためである。

従来の回収ボイラおよび蒸気タービン・サイクルに取って代わるべく開発された新しい発電サイクルが研究されており、「廃棄」液および樹皮の加圧ガス化に見込みがあるように思われる。しかしながら、これらの技術が必要な信頼性および性能を有するに到るまでには、さらに多くの開発が必要であるように思われる。石灰再燃焼高温炉（キルン）で使用する可燃性ガスを生成するために、パルプ・ミルでは、流動床ガス化装置内における木材および樹皮の大気ガス化が、化石燃料の代替として１９８３年以降商業的に使用されている。しかし本発明者らの知り得る知識では、パルプ・ミルの回収ボイラ・プラントで生成される過熱蒸気の温度および圧力を、腐食が生じないか、あるいは腐食速度が許容レベルである方法で高くするための有効な方法は開発されていない。したがってパルプ・ミルにおけるエネルギー生成の一環として産出される電力を、腐食の問題を生じることなく増大し、且つパルプ・ミルにおける化石燃料の必要性を最小化する方法が待望されている。

本発明の第１の実施例では、回収ボイラ内で、高温腐食が生じない程度の温度まで蒸気が加熱される。この蒸気は、５２０℃未満、最適には４８０℃から５００℃の間である温度に加熱された後、１または複数の過熱器内で、清浄な燃料を燃焼させる特別な燃焼プロセスで５００℃ないし６００℃（最適には５２０℃ないし５６０℃）に過熱され、それによって高温腐食が回避される。この清浄な燃料は、木材ベースの燃料を使用したガス化によって生成される。

本発明の一例は、パルプ・ミルでエネルギーを生成する方法であって、（ａ）パルプ化プロセスからの廃液（硫酸塩パルプ化における黒液など）を回収ボイラの炉内で燃焼させて煙道ガスを生成するステップと、（ｂ）回収ボイラ内で蒸気を生成することによって煙道ガスから熱を回収するステップと、（ｃ）木材、樹皮もしくは木材廃棄物をガス化装置内でガス化して可燃性ガスを生成するステップと、（ｄ）過熱ボイラ内で可燃性ガスの少なくとも一部を燃焼させるステップと、（ｅ）飽和され且つ部分的に過熱された蒸気を可燃性ガスの燃焼による熱エネルギーを使用して過熱ボイラ内で過熱するステップとを含むエネルギー生成方法である。

本発明によれば、可燃性ガスを生成するための公知のガス化方式を利用して、木材、木材チップ、樹皮チップ、製材屑、かんな屑、おが屑、木材ベースの森林残留物などの固体木材ベースの燃料を大気ガス化することができる。これらの可燃性ガスの少なくとも一部が個別の過熱ボイラ内で燃焼され、回収ボイラ内で生成される蒸気を過熱するべく使用される。

本発明の他の実施例では、回収ボイラの過熱器によって生成される飽和蒸気および／または部分的に過熱された蒸気は、その温度が、ボイラ腐食が生じないか、あるいは腐食速度が遅く許容可能であるレベルに制限される。この制限温度は回収ボイラ内の腐食条件によって様々である。スカンジナビアの条件の場合、典型的な温度制限の範囲は、４８０℃から５００℃である。実際には、黒液中のＣｌおよびＫのレベル、および結果として生じる「キャリーオーバー」と呼ばれる、木炭を含有したタイプのフライ・アッシュ中のＣｌおよびＫのレベルが変動するため、腐食温度制限の範囲はさらに広く、例えば４００℃から５２０℃である。最終過熱ステップは別個の過熱器内で実施され、蒸気の温度が最終レベル、すなわち典型的には４５０℃から６００℃、好ましくは５００℃から５６０℃、最も好ましくは５３０℃から５６０℃に達する。過熱器材料の開発に応じて、６００℃程度の高温が許容制限として可能である。

木材から生成される可燃性ガスには、ナトリウム化合物、カリウム化合物、およびＮａＣｌ、ＫＣｌなどのアルカリ性塩化物化合物を形成し得る塩素含有化合物などのアルカリ性化合物が含まれている。アルカリ性塩化物化合物は、過熱に用いられる高温での腐食の原因になることがある。樹皮あるいは木材のガス化によって得られる可燃性ガスは、硫黄もしくは硫黄を含有したガス、例えば蒸解もしくは汚れた凝縮物を除去することによって得られる非凝縮性ガスなどを添加すること、および硫黄を含有した油をガス化装置から流出する可燃性ガスに注入することによって非腐食性にすることができる。可燃性ガスの腐食性を緩和するためのもう１つの技法は、上で言及した硫黄含有燃料を過熱ボイラのガス・バーナー内で燃焼させることである。また過熱器内における燃焼に先立って行われる、可燃性ガスからアルカリ性粉末を除去するための浄化には、過熱器内におけるより高い金属温度で非腐食条件を提供しなければならない。可燃性ガスの中には、油およびガスなどの化石燃料に取って代わるべく石灰高温炉内で使用することができるものもあり、それによりミルの温室ガスの平衡が改善される。

本発明の他の実施例によれば、パルプ・ミルにおけるエネルギー生成のためのシステムが提供される。このシステムは、黒液を燃焼させ、それによって煙道ガスを生成するための炉を有する回収ボイラと、煙道ガスから熱を回収し、それによって蒸気を生成するための回収ボイラ内の熱表面と、回収ボイラの熱表面に接続された、蒸気を導くための過熱ボイラと、樹皮などの固体木材燃料をガス化し、それによって可燃性ガスを生成するためのガス化装置と、ガス化装置から過熱ボイラへ可燃性ガスを供給し、それによって過熱ボイラ内で可燃性ガスを燃焼させるための導管（ｃｏｎｄｕｉｔ）とを有している。

以下は、本発明によって達成されるいくつかの利点である（しかしそれらに限定されるものではない）。
（Ａ）過熱ボイラによって廃液回収プロセスで回収した蒸気の圧力および動作温度を高くすることにより、プラントの総合電気効率が改善され、蒸気中に回収された熱によってより多くの電力が発電される。
（Ｂ）樹皮もしくは他の木材廃棄物を熱源として使用する場合、天然ガスもしくは重燃料油などの化石燃料を使用する場合とは異なり、炭酸ガスは放出されない。知られているように、近代のパルプ・ミルは、樹皮および対応する木材廃棄物を利用しない場合であっても、エネルギーに関しては過剰自給型である。本発明によれば、パルプ・ミルで生成される木材樹皮のすべてもしくは一部を利用することができる。

以下、本発明について、パルプ・ミルの廃液からエネルギーを回収するためのユニットを略図で示した添付の図１を参照してより詳細に説明する。

図１は、廃液からエネルギーを回収するためのユニットを示したもので、ユニットは、ガス化装置１０、廃液回収ボイラ１４、廃液回収ボイラ１４に接続された熱回収セクション１６、個別過熱ボイラ１８、蒸気タービン２０、発電機２２および石灰再燃焼高温炉２４を備えている。黒液は、ノズル２６を介して回収ボイラ１４内に噴霧される。ライン２８を通してボイラの複数のレベルで燃焼空気が回収ボイラに供給される。溶融した無機物質（黒液の燃焼生成物）が回収ボイラの底に堆積した木炭床３０を通って出口３２へ流れ、出口３２から溶解タンク（図示せず）へ放出される。

回収ボイラ１４内および熱回収セクション１６内で、蒸発表面３４および水予熱器３６によって煙道ガスから熱が回収される。煙道ガスは、ダクト３８を通してボイラから放出される。蒸気は、回収ボイラ内で過熱表面４０によって部分的に加熱することができる。

ガス化する木材は乾燥させることが好ましい。乾燥した木材から生成されるガスには、湿った木材から生成されるガスより多くの可燃性成分が含まれている。ガス中の可燃性部分が多いほど燃焼効率が高くなる。木材は、回収ボイラもしくは石灰再燃焼高温炉からの煙道ガスによって乾燥させることができる。例えば石灰再燃焼高温炉からの煙道ガスを使用して木材樹皮を乾燥させることができる。参照により本明細書に組み込む米国特許第５，１０３，７４３号明細書には、このような乾燥プロセスが記載されている。

乾燥した樹皮などの木材燃料は、ライン１２を通してガス化ステージ１０に供給される。ガス化ステージ１０には、循環流動床（ＣＦＢ）ガス化装置を使用することができる。公知の他のガス化装置を適用することも可能である。ガス化装置内で生成された可燃性ガスは、ライン４４を通って過熱ボイラ１８へ流れるが、ライン４６を通して可燃性ガスの一部を石灰再燃焼高温炉２４へ流すこともできる。

過熱ボイラ内の熱表面４８の腐食は、硫黄燃料、好ましくは蒸解プラントからの非凝縮性ガスおよび／または汚れた凝縮物を除去するプロセスから得られる非凝縮性ガスを追加燃焼させることによって緩和される。硫黄燃料は、ライン５４を通して供給され、ライン４４内もしくはバーナ５６内の可燃性ガスの流れに添加される。硫黄と可燃性ガス中のアルカリの反応により、アルカリ性塩素化合物の形成が防止あるいは低減される。アルカリ性塩素化合物が形成されると、過熱ボイラが、特に高温で腐食する原因になる。

腐食を抑制するための燃料への硫黄の添加は、安価で且つ単純であるため、ボイラの腐食を緩和するための方法に主として使用される。公知の、より効率の高い他の腐食抑制方法を使用することも可能であるが、このような方法の場合、通常、煙道ガスを浄化する必要があり、浄化デバイスによってパルプ・プラントの資本コストが増加する。ガス化装置１０からの煙道ガスは、浄化ユニット４２内で浄化された後、過熱ボイラ１８もしくは石灰再燃焼高温炉２４に流れる。浄化ユニットによって、後続する腐食緩和プロセスに有害なアルカリ成分が煙道ガスから除去される。燃焼空気は、ライン４６を通して過熱ボイラに供給される。過熱器１８内での燃焼は、通常、過剰最適化空気を用いて実施されるが、当量燃焼（ｓｔｏｉｃｈｉｍｅｔｒｉｃ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ）もしくは還元燃焼（ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ）も可能であり、いくつかのアプリケーションではその方が好ましいこともある。

過熱表面４８は、回収ボイラから蒸気パイプ５２を通して供給される飽和蒸気および／または部分的に過熱された蒸気を過熱するための過熱ボイラ内に配置されている。過熱された蒸気は、ライン５０を通して蒸気タービン・プラントに導かれる。蒸気タービン・プラント内のタービン２０および発電機２２は、電力を生成する。

過熱ボイラ１８からのオフ・ガス（発生気体）は、回収ボイラ、好ましくは過熱器４０の入口に導かれ、ボイラ炉から供給される主煙道ガス流と混合される。オフ・ガス入口の他の配置可能な位置としては、炉の下部部分からエコノマイザー１６の入口までのすべての領域が含まれる。このオフ・ガスは、ライン５８および２８を通して炉に導くことができる。

過熱ボイラ１８からの煙道ガスを使用して、「ブル・ノーズ（ｂｕｌｌ ｎｏｓｅ）」１７を越えた回収ボイラの炉１５からの煙道ガスのフロー・パターンを整形し、それによってガス分布および過熱器への熱伝達を改善すること、あるいはＮＯｘの放出を少なくするための選択無触媒還元（ＳＮＣＲ）のための最適温度窓、もしくは微粒子（サイズが２．５マイクロメートル未満の微粒子）の放出を少なくするための粒子サイズ成長のための最適温度窓などの放出制御に必要な条件を作ることができる。もう１つの可能性として、空気もしくは空気との混合物の代わりに、欧州特許第６６８，９８３号（参照により本明細書に組み込む）に記載されているように、これらの煙道ガスを使用して炉１５内のフロー・パターンを整形し、それによって混合を改善することが挙げられ、例えば垂直に配置されたポートを介してこれらのガスの導入を改善することができる。

過熱ボイラ１８内における燃焼は、不足当量条件（ｓｕｂｓｔｏｉｃｈｉｍｅｔｒｉｃ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ）下でも実行することができる。それによって生成される還元ガスを炉１５から供給される煙道ガスに導入することにより、炉から供給される煙道ガス中への窒素酸化物の放出を少なくすることができる。ある種の燃料は、回収ボイラの炉から供給される煙道ガス中の窒素酸化物の含有量を少なくするための再燃焼効率が他の種類の燃料より高いことが知られている。また再燃焼燃料を、過熱ボイラから供給される１または複数の煙道ガスの流れに導入することによってガスの混合を改善することも可能である。

本発明は、添付の図面に示し且つ上で説明した実施例に何ら制限されることはなく、特許請求の範囲で定義される本発明の範囲および精神を逸脱することなく本発明を修正し、変更することができる。例えばガス化および過熱の両方を高い圧力で実行することができ、それによって加圧プラントにおける一般的な利点が達成される。

廃液からエネルギーを回収するためのユニットを示す図。

Claims (15)

1. ガス化装置と回収ボイラと過熱ボイラとを有するパルプ・ミルでエネルギーを生成する方法であって、
   （ａ）パルプ化プロセスで生じた廃液を前記回収ボイラの炉内で燃焼させて煙道ガスを生成するステップと、
   （ｂ）前記煙道ガスから熱を回収して前記回収ボイラ内に蒸気を生成するステップと、
   （ｃ）固体木材ベースの材料をガス化装置内でガス化して可燃性ガスを生成するステップと、
   （ｄ）前記過熱ボイラ内で前記可燃性ガスの少なくとも一部を燃焼させるステップと、
   （ｅ）前記蒸気を前記回収ボイラから前記過熱ボイラへ供給し、また該蒸気を前記過熱ボイラ内で過熱して過熱蒸気を生成するステップと
   を含むエネルギー生成方法。
2. 前記蒸気が摂氏４５０度から６００度までの範囲の温度に過熱されることを特徴とする請求項１に記載のエネルギー生成方法。
3. 前記蒸気が摂氏５００度から５６０度までの範囲の温度に過熱されることを特徴とする請求項１に記載のエネルギー生成方法。
4. 前記蒸気が摂氏５３０度から５６０度までの範囲の温度に過熱されることを特徴とする請求項１に記載のエネルギー生成方法。
5. ステップ（ｄ）の前に、ステップ（ｃ）で得られる前記可燃性ガスを浄化するステップをさらに含む、請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載のエネルギー生成方法。
6. ステップ（ｄ）において前記可燃性とともに硫黄含有燃料を燃焼させることを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載のエネルギー生成方法。
7. 前記硫黄含有燃料が、前記パルプ・ミルによって生成される非凝縮性ガスである、請求項６に記載のエネルギー生成方法。
8. 前記可燃性ガスを燃焼させる前記ステップが過剰当量条件下で実施される、請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載のエネルギー生成方法。
9. 煙道ガスがステップ（ｄ）で生成され、該煙道ガスが前記回収ボイラの炉に流入することを特徴とする請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載のエネルギー生成方法。
10. 前記煙道ガスが前記回収ボイラの前記炉に流入し、それによって前記炉内のガスの混合を増大させる、請求項９に記載のエネルギー生成方法。
11. 前記可燃性ガスを燃焼させるステップが過少当量条件下で実施され、そして煙道ガスが生成されて前記回収ボイラの炉に流入することを特徴とする請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載のエネルギー生成方法。
12. ステップ（ｄ）で生成される前記煙道ガスが、ステップ（ａ）で生成される煙道ガスと混合される、請求項９に記載のエネルギー生成方法。
13. 前記可燃性ガスの一部が石灰再燃焼プロセスで燃焼される、請求項１に記載のエネルギー生成方法。
14. 前記固体木材ベースの材料が、ガス化に先立って乾燥される、請求項１から請求項１３までのいずれか１項に記載のエネルギー生成方法。
15. 前記固体木材ベースの材料が樹皮である、請求項１から請求項１４までのいずれか１項に記載のエネルギー生成方法。

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