Регенерационный котел является частью крафт-процесса варки целлюлозы , где химикаты для белого щелока восстанавливаются и преобразуются из черного щелока , который содержит лигнин из ранее обработанной древесины. Черный щелок сжигается, вырабатывая тепло, которое обычно используется в процессе производства электроэнергии, как и на обычной паровой электростанции . Изобретение восстановительного котла Г. Х. Томлинсоном в начале 1930-х годов стало важной вехой в развитии крафт-процесса. [1]
Котлы-утилизаторы также используются в (менее распространенном) сульфитном процессе варки древесной целлюлозы; в данной статье рассматривается только использование котлов-утилизаторов в процессе сульфатной варки.
Концентрированный черный щелок содержит органические растворенные остатки древесины в дополнение к сульфату натрия из химикатов для варки, добавляемых в варочный котел. Сжигание органической части химикатов производит тепло. В котле-утилизаторе тепло используется для производства пара высокого давления, который используется для выработки электроэнергии в турбине. Выхлоп турбины, пар низкого давления используется для технологического нагрева.
Сжигание черного щелока в печи котла-утилизатора должно тщательно контролироваться. Высокая концентрация серы требует оптимальных условий процесса, чтобы избежать образования диоксида серы и снизить выбросы сернистого газа. Помимо экологически чистого сжигания, необходимо добиться снижения неорганической серы в слое угля.
В котле-утилизаторе происходит несколько процессов:
Некоторые особенности оригинального котла-утилизатора остались неизменными и по сей день. Это был первый тип оборудования для утилизации, где все процессы происходили в одном сосуде. Сушка, горение и последующие реакции черного щелока происходят внутри охлаждаемой печи. Это основная идея работы Томлинсона.
Во-вторых, горение облегчается распылением черного щелока на мелкие капли. Управлять процессом путем направления распыления оказалось легко. Распыление использовалось в ранних вращающихся печах и с некоторым успехом было адаптировано к стационарной печи HK Moore. В-третьих, можно управлять слоем угля, имея первичный уровень воздуха на поверхности слоя угля и несколько уровней выше. Многоуровневая воздушная система была представлена CL Wagner.
Котлы-утилизаторы также улучшили удаление плава. Он удаляется непосредственно из печи через желоба для плава в растворяющий бак. Некоторые из первых установок по утилизации использовали электростатический осадитель Коттрелла для улавливания пыли.
Компания Babcock & Wilcox была основана в 1867 году и приобрела раннюю известность благодаря своим водотрубным котлам . Компания построила и ввела в эксплуатацию первый в мире котел для регенерации черного щелока в 1929 году. [2] За этим вскоре последовала установка с полностью водоохлаждаемой печью на заводе Windsor Mills в 1934 году. После отражательных и вращающихся печей был запущен котел для регенерации.
Вторая первопроходец, компания Combustion Engineering (ныне GE), разработала конструкцию котла-утилизатора на основе работы Уильяма М. Кэри, который в 1926 году спроектировал три печи для работы с прямым распылением щелока, а также на основе работы Адольфа В. Вэрна и его установок по утилизации.
Котлы-утилизаторы вскоре были лицензированы и производились в Скандинавии и Японии. Эти котлы были построены местными производителями по чертежам и инструкциям лицензиаров. Один из ранних скандинавских агрегатов Томлинсона использовал топку высотой 8,0 м с топочным дном 2,8×4,1 м, которое расширялось до 4,0×4,1 м на входе в пароперегреватель. [3]
Этот блок останавливал производство на каждые выходные. В начале экономайзеры приходилось промывать водой дважды в день, но после установки дробеструйной продувки сажи в конце 1940-х годов экономайзеры можно было очищать во время регулярной остановки на выходные.
Использованная конструкция оказалась очень удачной. Один из первых скандинавских котлов производительностью 160 т/день в Корснесе, работавший почти 50 лет спустя. [4]
Использование котлов для восстановления крафт-целлюлозы быстро распространилось, поскольку функционирующая химическая регенерация дала крафт-варке экономическое преимущество над сульфитной варкой. [5]
Первые котлы-утилизаторы имели горизонтальные испарительные поверхности, за которыми последовали пароперегреватели и больше испарительных поверхностей. Эти котлы напоминали самые современные котлы примерно 30-летней давности. Эта тенденция сохранилась и по сей день. Поскольку остановка производственной линии будет стоить больших денег, принятая технология в котлах-утилизаторах, как правило, консервативна.
Первые котлы-утилизаторы имели серьезные проблемы с загрязнением . [6]
Расстояние между трубами, достаточно большое для нормальной работы угольного котла, должно было быть больше для котлов-утилизаторов. Это дало удовлетворительную производительность около недели до промывки водой. Механические сажеобдувочные аппараты также были быстро приняты. Для контроля потерь химикатов и снижения стоимости закупаемых химикатов были добавлены электростатические пылеуловители . Снижение потерь пыли в дымовых газах имеет более чем 60-летнюю практику.
Также следует отметить квадратные коллекторы в котле-утилизаторе 1940 года. Уровни воздуха в котлах-утилизаторах вскоре были стандартизированы до двух: первичный уровень воздуха на уровне слоя угля и вторичный над щелоковыми пушками.
В первые десятки лет футеровка печи была из огнеупорного кирпича. Течение расплава по стенам вызывает обширную замену, и вскоре были разработаны конструкции, исключающие использование кирпича.
Для достижения надежной работы и низкого уровня выбросов воздушная система котла-утилизатора должна быть правильно спроектирована. Разработка воздушной системы продолжается и продолжается с тех пор, как появились котлы-утилизаторы. [7] Как только цель, установленная для воздушной системы, была достигнута, были даны новые цели. В настоящее время новые воздушные системы достигли низкого уровня выбросов NOx, но все еще работают над снижением загрязнения. Таблица 1 наглядно демонстрирует разработку воздушных систем.
Таблица 1: Развитие воздушных систем. [7]
Воздушная система первого поколения в 1940-х и 1950-х годах состояла из двухуровневой компоновки: первичный воздух для поддержания зоны восстановления и вторичный воздух под пушками щелока для окончательного окисления. [8] Размер котла-утилизатора составлял 100–300 TDS (тонн сухих твердых веществ) в день, а концентрация черного щелока 45–55%. Часто для поддержания горения требовалось сжигание вспомогательного топлива. Первичный воздух составлял 60–70% от общего объема воздуха, а вторичный — остальное. На всех уровнях отверстия были небольшими, а расчетные скорости составляли 40–45 м/с. Оба уровня воздуха работали при 150 °C. Пушка или пушки щелока колебались. Основными проблемами были высокий унос , засорение и низкое восстановление. Но функция, сжигание черного щелока, могла быть выполнена.
Воздушная система второго поколения была нацелена на высокое восстановление. В 1954 году CE переместила свой вторичный воздух с примерно 1 м ниже щелоковых пушек на примерно 2 м выше них. [8] Соотношения воздуха и температуры остались прежними, но для увеличения скорости смешивания использовались вторичные скорости воздуха 50 м/с. В то время CE изменила свой вторичный обжиг передней/задней стенки на тангенциальный. В тангенциальной воздушной системе воздушные сопла находятся в углах печи. Предпочтительным методом является создание завихрения почти на всю ширину печи. В больших агрегатах завихрение вызывало дисбаланс слева и справа. Этот вид воздушной системы с увеличенным содержанием сухих твердых веществ смог повысить более низкие температуры печи и достичь разумного восстановления. К тому времени B&W уже приняла трехуровневую подачу воздуха.
Третье поколение воздушной системы представляло собой трехуровневую систему подачи воздуха. В Европе использование трехуровневой подачи воздуха с первичным и вторичным воздухом под щелоковыми пушками началось примерно в 1980 году. В то же время стационарный обжиг набирал силу. Использование примерно 50% вторичного воздуха, казалось, давало горячую и стабильную нижнюю печь. [9] Начали использоваться более высокие твердые частицы черного щелока 65–70%. Сообщалось о более горячей нижней печи и улучшенном восстановлении. С трехуровневым воздухом и более высокими сухими твердыми частицами выбросы серы могли оставаться на месте.
Четвертое поколение воздушных систем — это многоуровневый воздух и вертикальный воздух. Поскольку подача сухого остатка черного щелока в котел-утилизатор увеличилась, достижение низких выбросов серы больше не является целью воздушной системы. Вместо этого новыми целями являются низкий уровень NOx и низкий унос.
Трехуровневая воздушная система была значительным улучшением, но требовались лучшие результаты. Использование моделей CFD дало новое представление о работе воздушной системы. Первой, кто разработал новую воздушную систему, была компания Kvaerner (Tampella) с их многоуровневым вторичным воздухом 1990 года в Кеми, Финляндия, который позже был адаптирован к ряду больших котлов-утилизаторов. [10] Kvaerner также запатентовала четырехуровневую воздушную систему, где дополнительный уровень воздуха добавляется выше уровня третичного воздуха. Это обеспечивает значительное снижение выбросов NOx.
Вертикальное смешивание воздуха было изобретено Эриком Уппсту. [11] Его идея заключается в том, чтобы превратить традиционное вертикальное смешивание в горизонтальное. Близко расположенные струи образуют плоскую плоскость. В традиционных котлах эта плоскость была образована вторичным воздухом. Размещение плоскостей в 2/3 или 3/4 порядке улучшает результаты смешивания. Вертикальный воздух имеет потенциал для снижения NOx, поскольку ступенчатый воздух помогает в снижении выбросов. [12] При вертикальном смешивании воздуха подача первичного воздуха организована традиционно. Остальные воздушные отверстия размещены в чередующемся порядке 2/3 или 3/4.
Черный щелок после обжига представляет собой смесь органических веществ, неорганических веществ и воды. Обычно количество воды выражается как массовое отношение высушенного черного щелока к единице черного щелока до сушки. Это отношение называется сухими твердыми веществами черного щелока.
Если содержание сухих веществ в черном щелоке ниже 20% или содержание воды в черном щелоке выше 80%, то чистая теплота сгорания черного щелока отрицательна. Это означает, что все тепло от сгорания органических веществ в черном щелоке тратится на испарение содержащейся в нем воды. Чем выше содержание сухих веществ, тем меньше воды содержится в черном щелоке и тем выше адиабатическая температура сгорания.
Сухие твердые частицы черного щелока всегда были ограничены способностью к испарению. [13] Сухие твердые частицы первичного черного щелока в котлах-утилизаторах показаны как функция года покупки этого котла.
При рассмотрении сухого остатка черного щелока мы замечаем, что в среднем сухой остаток увеличился. Это особенно актуально для последних очень больших котлов-утилизаторов. Проектные сухие остатки для заводов с нуля составляли 80 или 85% сухого остатка. 80% (или до этого 75%) сухого остатка использовались в Азии и Южной Америке. 85% (или до этого 80%) использовались в Скандинавии и Европе.
Развитие котлов-утилизаторов по давлению и температуре основного пара в начале было быстрым. К 1955 году, менее чем через 20 лет после рождения котлов-утилизаторов, самые высокие давления пара составляли 10,0 МПа и 480 °C. Давления и температуры, которые тогда использовались, несколько снизились из-за безопасности. [14] К 1980 году в мире насчитывалось около 700 котлов-утилизаторов. [9]
Разработка давления, температуры и производительности котла-утилизатора.
Одной из основных опасностей при эксплуатации котлов-утилизаторов является взрыв расплавленной воды. Это может произойти, если даже небольшое количество воды смешивается с твердыми веществами при высокой температуре. Взрыв расплавленной воды — это чисто физическое явление. Явления взрыва расплавленной воды были изучены Грейсом. [15] К 1980 году в мире насчитывалось около 700 котлов-утилизаторов. [9] Механизм взрыва типа жидкость-жидкость был установлен как одна из основных причин взрывов котлов-утилизаторов.
При взрыве расплавленной воды даже несколько литров воды, смешанных с расплавленным расплавом, могут бурно превратиться в пар за несколько десятых секунды. Слой угля и вода могут сосуществовать, поскольку паровая подушка снижает теплопередачу. Некое пусковое событие нарушает равновесие, и вода быстро испаряется при прямом контакте с расплавом. Это внезапное испарение вызывает увеличение объема и волну давления около 10 000 – 100 000 Па. Силы обычно достаточно, чтобы заставить все стенки печи деформироваться. Безопасность оборудования и персонала требует немедленного отключения котла-утилизатора, если есть вероятность попадания воды в печь. Все котлы-утилизаторы должны быть оснащены специальной автоматической последовательностью отключения.
Другой тип взрывов — взрыв горючих газов. Для этого топливо и воздух должны смешаться перед зажиганием. Типичные условия — либо отключение (потеря пламени) без продувки печи, либо непрерывная работа в субстехиометрическом состоянии. Для обнаружения отключения устанавливаются устройства контроля пламени с последующей блокировкой продувки и запуска. Взрывы горючих газов связаны с сжиганием мазута/газа в котле. Поскольку также практически в каждом котле практикуется непрерывный мониторинг O 2 , взрывы негорючих газов стали очень редкими.
Современный котел-утилизатор имеет однобарабанную конструкцию с вертикальным парогенерирующим пучком и широко разнесенными пароперегревателями. Впервые эта конструкция была предложена Колином Маккаллумом в 1973 году в предложении Götaverken (теперь Metso Power inc.) для большого котла-утилизатора производительностью 4 000 000 фунтов твердого черного щелока в день для котла в Скутшере, Швеция, но эта конструкция была отклонена потенциальным владельцем как слишком передовая на тот момент. Маккаллум представил конструкцию на BLRBAC и в статье «The Radiant Recovery Boiler», напечатанной в журнале Tappi в декабре 1980 года. Первый котел этой однобарабанной конструкции был продан Götaverken в Лиф-Ривер в Миссисипи в 1984 году. Конструкция вертикального парогенерирующего пучка похожа на конструкцию вертикального экономайзера. Вертикальный котел-утилизатор легко содержать в чистоте. Расстояние между панелями пароперегревателя увеличилось и выровнялось на уровне более 300, но менее 400 мм. Большое расстояние в пароперегревателях помогает минимизировать загрязнение. Такое расположение в сочетании с пресноводными пароохладителями обеспечивает максимальную защиту от коррозии. Были проведены многочисленные усовершенствования в материалах котлов-утилизаторов для ограничения коррозии. [16] [17] [18] [19]
Эффект увеличения концентрации сухих веществ оказал значительное влияние на основные рабочие параметры. Расход пара увеличивается с увеличением содержания сухих веществ в черном щелоке. Увеличение закрытия целлюлозного завода означает, что в печи будет доступно меньше тепла на единицу сухих веществ черного щелока. Потери тепла дымовыми газами уменьшатся по мере уменьшения потока дымовых газов. Увеличение содержания сухих веществ в черном щелоке особенно полезно, поскольку производительность котла-утилизатора часто ограничивается потоком дымовых газов.
Современный котел-утилизатор состоит из теплообменных поверхностей, выполненных из стальных труб; топки-1, пароперегревателей-2, котлогенераторного пучка-3 и экономайзеров-4. Конструкция парового барабана-5 однобарабанного типа. Воздух и черный щелок вводятся через первичные и вторичные воздушные порты-6, щелоковые пушки-7 и третичные воздушные порты-8. Остатки сгорания, плав выходят через плавильные патрубки-9 в растворительный бак-10.
Номинальная загрузка печи увеличилась за последние десять лет и будет продолжать расти. [20] Изменения в конструкции воздуха привели к повышению температуры печи. [21] [22] [23] [24] Это позволило значительно увеличить загрузку твердых частиц в поду (HSL) при лишь скромном проектном увеличении скорости тепловыделения в поду (HHRR). Средний поток дымовых газов уменьшается по мере уменьшения количества водяного пара. Таким образом, вертикальные скорости дымовых газов могут быть снижены даже при повышении температуры в нижней части печи.
Наиболее заметным изменением стало принятие конструкции с одним барабаном. Это изменение частично было вызвано более надежным контролем качества воды. Преимуществами котла с одним барабаном по сравнению с двухбарабанным являются повышенная безопасность и доступность. Котлы с одним барабаном могут быть построены для более высокого давления и большей мощности. Экономия может быть достигнута за счет сокращения времени монтажа. В конструкции с одним барабаном меньше трубных соединений, поэтому можно построить барабаны с улучшенными кривыми запуска.
Конструкция вертикального парогенерирующего блока похожа на конструкцию вертикального экономайзера, который, как показывает опыт, очень легко содержать в чистоте. [25] Вертикальный путь потока дымовых газов улучшает очищаемость при высокой пылевой нагрузке. [26] Для минимизации риска засорения и максимизации эффективности очистки как парогенерирующий блок, так и экономайзеры расположены на большом расстоянии друг от друга. Засорение двухбарабанного котла часто происходит из-за тесного расстояния между трубами.
Расстояние между панелями пароперегревателя увеличилось. Теперь все пароперегреватели широко разнесены, чтобы минимизировать загрязнение. Такое расположение в сочетании с пресноводными пароохладителями обеспечивает максимальную защиту от коррозии. При широком расстоянии засорение пароперегревателей становится менее вероятным, очистка отложений облегчается, а расход пара для продувки сажи снижается. Увеличенное количество пароперегревателей облегчает контроль температуры пара на выходе пароперегревателя, особенно во время пусков.
Нижние контуры самых горячих пароперегревателей могут быть изготовлены из аустенитного материала с лучшей коррозионной стойкостью. Скорость пара в самых горячих трубах пароперегревателя высокая, что снижает температуру поверхности труб. Низкие температуры поверхности труб необходимы для предотвращения коррозии пароперегревателя. Высокая потеря давления на стороне пара над горячими пароперегревателями обеспечивает равномерный поток пара в элементах труб.
Котлы-утилизаторы были предпочтительным способом восстановления химикатов на крафт-фабриках с 1930-х годов, и этот процесс был значительно улучшен с момента появления первого поколения. Были попытки заменить котел-утилизатор Томлинсона системами восстановления, обеспечивающими более высокую эффективность. Наиболее перспективным кандидатом представляется газификация, [27] [28] где технология Chemrec для газификации черного щелока в потоке может оказаться сильным конкурентом. [29]
Даже если новая технология сможет конкурировать с традиционной технологией котлов-утилизаторов, переход, скорее всего, будет постепенным. Во-первых, можно ожидать, что производители котлов-утилизаторов, такие как Metso , Andritz и Mitsubishi , продолжат разработку своей продукции. Во-вторых, котлы-утилизаторы Tomlinson имеют длительный срок службы, часто около 40 лет, и, вероятно, не будут заменены до конца их экономической жизни, и в то же время могут модернизироваться с интервалом в 10–15 лет.
{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )[1]