ПАРОВОЙ КОТЕЛ-УТИЛИЗАТОР ДЛЯ СЖИГАНИЯ ОТРАБОТАННЫХ ЩЕЛОКОВ Российский патент 1999 года по МПК D21C11/12 F23G7/04 

Настоящее изобретение относится к устройству для сжигания отработанных щелоков, которые получают в связи с производством целлюлозы, начиная от древесной щепы или подобного материала, содержащего лигнин.

Паровые котлы-утилизаторы для сжигания отработанных щелоков обычно состоят из шахтной печи, стенки которой образованы с основном из труб, через которые проходит вода, причем печь также оснащена, в ее верхней части, системами трубопроводов для сквозного потока воды и охлаждения отходящих газов. Концентрированный отработанный щелок, который также называют черным щелоком, разбрызгивают через одно или более сопел в нижней части печи. Воздух для сжигания черного щелока вдувают на различных уровнях в качестве первичного, вторичного, третичного воздуха или также в качестве четвертичного воздуха на последнем этапе.

Помимо таких газов, как, например, двуокись углерода, различные окислы азота, окись углерода, соединения серы и вода в результате сжигания, также образуется расплавленный неорганический материал, состоящий в основном из солей натрия. Этот расплавленный материал собирается в нижней части котла, откуда он может проходить в контейнер и затем его можно повторно использовать. Температура в хоне горения в шахтной печи достигает 1000-1200^oC, а расплав, который удаляют, имеет температуру 700-900^oC. Отходящие газы охлаждают до 100-200^oC прежде, чем их выпустят из котла-утилизатора. Тепло, которое образуется и которое удаляют из отходящих газов, передается воде в системах трубопроводов, где образуется пар, который удаляют в паровом пространстве наверху котла, и после этого начинает действовать пароперегреватель котла для дальнейшего повышения температуры пара. Образующийся пар обычно имеет давление 40 - 100 бар и температуру 400-500^oC в зависимости от конструкции котла.

Вода в трубопроводах течет вверх благодаря пару, который образуется за счет тепла, передаваемого отходящими газами. Воду, которая остается после образования пара, отделяют от пара в паровом пространстве и возвращают в нижний конец трубопроводов.

Высота котлов-утилизаторов обычно составляет несколько десятков метров, например, 30-60 метров, а их окружность достигает 10-50 метров и по этой причине предусмотрено пространство для очень большого количества трубопроводов со значительной общей длиной вокруг шахты и вдоль основания. По причинам, связанным с технологий производства, котлы-утилизаторы конструируют таким образом, чтобы стенки для свода и основания состояли из труб, соединенных вместе для образования плоских поверхностей. Поскольку эти трубы будут соединяться друг с другом на определенном расстоянии, то это легко можно сделать автоматическим способом, если они должны образовывать плоские поверхности. Поэтому котлы-утилизаторы состоят, в большей части, из шахты квадратного сечения. Шахта обычно подвешена на стальной или бетонной конструкции и, таким образом, она висит над сборным контейнером для расплавленных неорганических химикатов.

Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является патент США N 4014296, кл. F 22 B 21/00, F 23 G 7/04, 1977 г., из которого известен котел-утилизатор для сжигания отработанных щелоков из процесса производства целлюлозы, содержащий печь, основание и стенки которой включают в себя множество охлаждаемых жидкостью труб, причем основание образует точку сбора неорганических веществ в расплавленной форме, воздух и отработанный щелок вводят в печь, а газы от горения передаются вверх в котле, при этом площадь поперечного сечения на первом нижнем уровне превышает площадь поперечного сечения печи на втором уровне, который является более высоким в печи.

Котлы-утилизаторы упомянутого типа существуют в течение продолжительного времени, и они сами по себе работают удовлетворительно, однако их можно улучшить дополнительно как в отношении из работы так и способов производства.

Так, на внутренней стороне, вдоль стенки шахты, отмечается неравномерный нагрев труб, поскольку трубы, которые расположены в углах или вблизи них, расположены на большом расстоянии от центральной печи, и они не доступны для такого же излучения тепла как и трубы, расположенные более центрально на стенке. Поэтому вода, которая находится в трубах, расположенных в углах, превращается в пар в меньшей степени, чем вода в других трубах, определенные трубы имеют ответвление на поверхности основания. Трубы, которые образуют ответвление угловых труб вдоль части основания, будут иметь более медленный сквозной поток воды, поскольку вода в угловых трубах циркулирует более медленно, чем в других трубах и поэтому в этих трубах основания возникают иногда повреждение из-за прожога, так называемые прогары.

Другой проблемой, связанной с известными котлами-утилизаторами, является то, что из-за большой скорости отходящих газов мелкие капли расплавленных неорганических химикалий могут легко проходить вверх в потоке отходящих газов. Может случиться так, что они затем будут осаждаться на нагреваемых поверхностях, ухудшать охлаждение газа и увеличивать сопротивление потоку газа.

Задачей настоящего изобретения является создание котла-утилизатора, в котором была бы обеспечена более низкая скорость газов с результирующим благоприятным отделением и осаждением расплавленных капель, равномерный и быстрый сквозной поток воды, а также повышена безопасность конструкции, при сохранении способов изготовления, включающих автоматическую сварку.

Поставленная задача решается тем, что в котле-утилизаторе для сжигания отработанных щелоков их процесса производства целлюлозы, содержащем печь, основание и стенки которой включают в себя множество охлаждаемых жидкостью труб, причем основание образует точку сбора неорганических веществ в расплавленной форме, воздух и отработанный щелок вводят в печь, а газы от горения передаются вверх в котле, при этом площадь поперечного сечения на первом нижнем уровнем превышает площадь поперечного сечения печи на втором уровне, который является более высоким в печи, согласно изобретению периметр поперечного сечения на двух уровнях является по существу одинаковым.

Целесообразно, чтобы количество труб на стенках на первом уровне (1) являлось по существу таким же, а предпочтительно идентичным, количеству труб на втором уровне (2), а поперечное сечение на втором уровне (2) являлось по существу прямоугольной предпочтительно квадратной формы и поперечное сечение на первом уровне (1) являлось многоугольным с более чем четырьмя, предпочтительно шестью или восемью сторонами. Трубы вдоль стенок могут проходить вертикально, и трубы, расположенные в углах (24) второго уровня (2), проходить на первом уровне (1), вдоль неразрушенной поверхности (26) на более коротком расстоянии от центральной линии, проходящей вертикально в печи, чем на втором уровне (2), при этом первый нижний уровень (1) желательно составляет примерно 1/4 от общей высоты котла-утилизатора, а основание (21) для сбора неорганических веществ в расплавленной форме имеет конфигурацию в виде открытого и направленного вверх V. Выпускные отверстие (22) из основания расположены на обоих концах V-образного основания, конечная часть охлаждения отходящих газов выполнена в виде двух этапов (11, 12), и отходящие газы на предспоследнем этапе (11) проходе по трубам в теплообменнике с вертикальными, заполненными водой трубами, тогда как на конечном этапе (12) они проходят через горизонтальные трубы в подобном теплообменнике, причем на конечном этапе (12) имеется впускное отверстие, соединенное непосредственно с выпускным отверстием на предпоследнем этапе (11).

Конечный этап выполнен в виде нескольких узлов труб, предпочтительно три или больше, которые расположены один после другого в направлении отходящих газов, и по крайней мере конечный этап (11, 12) поддерживается снизу, и, следовательно, он не подвешен.

На фиг. 1 показан схематически и частично в разрезе котел-утилизатор в соответствии с настоящим изобретением; на фиг. 2 показана схематически и в поперечном разрезе нижняя часть котла-утилизатора в увеличенном масштабе согласно фиг. 1; на фиг.3 представлен разрез в плоскости В-В фиг. 2; на фиг. 4 показан котел в разрезе на уровне, на котором впрыскивают черный щелок в котел; на фиг. 5 представлен вид в разрезе котла в направлении более высокой части, где последняя является квадратной и где показана самая нижняя часть каналов для отходящего дымового газа.

Фиг. 1 показывает, в разрезе, основные части предпочтительного котла-утилизатора в соответствии с настоящим изобретением. Котел состоит из шахтной печи, имеющей первый нижний уровень 1 и второй верхний уровень 2. Второй уровень 2 обычного типа, и он имеет на его верхнем конце сужение, так называемая горловина 3. На этом уровне расположен конечный комплект сопел 4 для впрыскивания четвертичного воздуха, но он не обязателен для настоящего изобретения. В данном случае верхняя часть 2, в форме шахты, котла выполнена квадратной. Трубы для сквозного потока воды и для поглощения тепла расположены на внутренней стороне всего котла, но на чертежах они не показаны для простоты.

Как видно на фигуре, нижний уровень 1 расширен относительно верхней части 2. Этот уровень 1 выполнен восьмиугольным в настоящем случае, хотя можно применять также шестиугольный или многоугольный с более, чем восемью углами, в этом отношении нижняя часть приближается к круглой форме, чем больше кромок она имеет. Важно то, что нижняя часть 1 имеет больше кромок, чем верхняя часть 2. Количество кромок можно выбрать свободно. Однако предпочтительным количеством является восемь, поскольку в этом случае стенки не будет образовывать чрезмерно малые плоские поверхности. Соответственно, площадь поперечного сечения этой нижней части 1 больше площади поперечного сечения верхней части 2, при этом периферия последней остается такой же. Благодаря тому факту, что площадь поперечного сечения больше, чем в верхней части 2, скорость газа в этой части будет ниже, и это, между прочим, имеет преимущество в том, что капли жидкости, частицы и т.п. не будет легко затягиваться потоками газа вверх. В нижней части также установлена группа сопел 5 для вторичного воздуха и группа 6 сопел для первичного воздуха. Расплавленные химикалии собираются на основании 7, и они могут проходить в один или более сборных баков 8 под котлом.

Черный щелок, который должен сжигаться, вводят в нижнюю часть 1 через сопла на уровне 17 над группой сопел 5 для вторичного воздуха.

На верхней частью 2 печи расположена система 9 охлаждения отходящих газов обычного типа. Эта система 9 состоит, с одной стороны, из подвешенных трубопроводов, через которые проходит пар из так называемого парового пространства 10, а с другой стороны, из подвешенных труб, по которым проходит вода или смесь воды и пара. Пар из трубопроводов в печи собирается в паровом пространстве 10. Вода в трубопроводах, предназначенная для образования пара (питающая вода), также подается в паровое пространство 10. Трубопроводы в системах охлаждения 9 подвешены обычным способом, причем они разделены на несколько узлов с воздуходувками для сдувания пыли, расположенными между узлами.

Когда отходящие газы проходят через систему охлаждения 9, газы охлаждаются. Система охлаждения 9 оканчивается продолговатым охлаждающим устройством 11, в котором отходящие газы могут проходит по трубопроводам. Охлаждающее устройство 11, которое будет охлаждать отходящие газы от температуры примерно 450^oC, образует предпоследнюю стадию всей системы охлаждения в котле. С предпоследней стадией 11 соединена непосредственно дополнительная и конечная стадия 12, которая состоит, в основном, из такого же теплообменника, как было указано выше, но с трубами, расположенными горизонтально несколькими группами, в котором газы проходят через трубы. Этот поперечный поток является более эффективным, чем продольный поток в отношении передачи тепла между отходящим газом и водой в трубах, и на этой конечной стадии 12 газ может охлаждаться до температуры 100-200^oC. На чертеже конечная стадия 12 состоит из трех групп труб, но можно применять большое количество. Причина, почему трубы расположены различными группами, заключается в том, что между этими группами труб можно разместить воздуходувки для удаления пыли. Неизбежно, что из печи будет уноситься некоторая пыль, которая будет оседать на трубах и ее необходимо удалять через регулярные интервалы для исключения плохой передачи тепла. Пыль из процесса сдувания пыли может падать прямо вниз в печи или она может собираться в воронках 13, 14 и 15 и затем падать вниз в контейнер 16, откуда этот материал возвращается в печь 1.

Целесообразно подсоединить впускное отверстие на конечной стадии 12 системы охлаждения непосредственно к предпоследней стадии 11. Охлаждающая среда на конечных стадиях 11 и 12 состоит из воды, так называемой питающей воды, которую подают в паровое пространство, когда она нагревается.

Конечную стадию 12 можно поддержать снизу и поэтому ее не следует подвешивать.

Обычно вся система котла подвешена, и она поддерживается колонками 18 или другой соответствующей конструкцией.

Фиг. 2 показывает нижний уровень 1 котла в соответствии с настоящим изобретением. В данном конкретном случае он является восьмиугольным. Охлаждающие трубы 19 в верхней части и в нижней части обозначены пунктирными линиями. Эти трубы, которые являются вертикальными на стенках, делают поворот на противоположных сторонах в нижней части почти в горизонтальное положение вдоль основания. Не все трубы могут поворачиваться таким образом и располагаться в одной плоскости, по этой причине некоторые трубы проходят вниз в распределительную трубу 20.

Как показано в поперечном разрезе, основание 21 является V-образным и оно имеет форму очень открытого, направленного вверх V. Поэтому расплавленный неорганический материал будет собираться в канале, который образован этим V. Этот расплавленный материал стекает с обеих сторон V через отверстия 22, которых в данном случае три на каждой стороне. Отверстия 22 расположены слегка над основанием в форме V, по этой причине ванна расплавленного материала специально оставляется в основании. Впрыск первичного и вторичного воздуха и также разбрызгиватели щелока имеют обозначения такие же, как на фиг. 1, тогда как инжекция третичного воздуха происходит на уровне 23.

Согласно настоящему изобретению трубы, которые расположены в углах верхней части 2 печи, не будут находиться в любом углу нижней части печи. Это четко показано на фиг. 3, которая представляет вид в поперечном разрезе в плоскости В-В фиг. 2. На этой фигуре угол в верхней части обозначен в позиции 24, а угол в нижней части - в позиции 25. Как это видно на этой фигуре, трубы из угла 24 поворачиваются внутрь и достигают нижней кромки 26. Они расположены не в углу, а примерно центрально на стороне. Однако восьмиугольник не является равносторонним, по этой причине трубы не поворачиваются на одинаковое расстояние. Таким образом трубы из углов 24 квадрата будут располагаться ближе к центру печи в нижней части восьмиугольника, чем в верхней части квадрата, тогда как трубы в углах 25 нижней части восьмиугольника будут расположены соответствующим образом ближе к центру печи в верхней квадратной части. Таким образом, угловые трубы будут более теплыми, чем если бы они оставались трубами, расположенными в углах и, следовательно, продолжение этих труб в горизонтальном направлении вдоль основания будет содержать воду, проходящую через него с большой скоростью, чем если бы везде была квадратная форма в поперечном сечении. Это исключает риск повреждения труб в основании из-за прожога или так называемых выгораний. Диаметр всех труб предпочтительно одинаковый.

Трубы на стенках и на днище предпочтительно соединены друг с другом, но отдельные трубы на стенках и на днище являются возможной альтернативой.

Расположение труб на основании показано в левой части фиг. 3. Вертикальные трубы вдоль сторон 27 и 28 изогнуты параллельно внутрь вдоль основания. Поскольку сторона 27 имеет определенный угол с трубами на основании, то эти трубы на основании, если они имеют одинаковый диаметр, будут располагаться ближе друг к другу с этой стороны, чем на стороне 28, где трубы изогнуты прямо наружу.

Фиг. 4 представляет вид в разрезе на уровне для впрыскивания щелока в верхней части первого нижнего уровня котла-утилизатора. Как можно увидеть, поперечное сечение является восьмиугольным с восемью группами сопел 17 для инжекции: по одной в середине каждой стороны. Стороны восьмиугольника необязательно должны быть идентичной длины и, как показано на этой фигуре стороны 26 и 27 слегка длиннее, чем стороны 28. Таким образом, не существует прямого угла в восьмиугольнике, где могут "спрятаться" вертикальные трубы, вместо этого все трубы фактически являются одинаковыми в отношении передачи тепла из печи воде в трубах.

Фиг. 5 представляет вид в разрезе верхней части 2 на уровне, расположенном непосредственно над точкой, где верхняя часть 2 начинает соединяться с нижней частью 1. Как можно увидеть, сечение печи является квадратным.

Нижняя часть 29 каналов для отходящих газов на конечной стадии охлаждении 12 показана на правой стороне фигуры. Канал 29 для отходящих газов может разделяться на две или большей частей от части 15 в форме воронки. В этой части 15 в форме воронки расположен горизонтально разгрузочный шнек 30 для удаления пыли и других веществ, отделенных от отходящих газов в собранных в воронке 15.

Итак, настоящим изобретением является котел-утилизатор, который имеет более лучшие характеристики, чем известные котлы-утилизаторы. Расширенная нижняя часть печи позволяет иметь более низкую скорость газов с результирующим благоприятным отделением и осаждением расплавленных капель, и кроме того трубы не размещаются в углу, в результате достигается более равномерной и более быстрый сквозной поток воды. Также, в результате более эффективного охлаждения отходящих газов, оставляющих котел, улучшаются экономические аспекты котла-утилизатора. Также, поскольку котел имеет более закругленную форму, чем известные котлы, воздух для горения можно добавлять равномерно. Более закругленная форма котла имеет особое преимущество, если необходимо, чтобы воздух для горения и газы в нижней части печи вращались для достижения, так называемого, горения с вращением.

V-образная конструкция основания, с распределительной коробкой или каналом в середине, означает то, что каждая отдельная труба соединена с основанием на коротком расстоянии. Эта также приводит к получению более безопасной конструкции с меньшим риском, так называемого, выжигания.

Основание охлаждается более значительным потоком воды, что также повышает безопасность. Это возможно благодаря тому факту, что с основанием соединена большая часть труб, расположенных на стенках, в сравнении с полностью квадратным котлом.

Настоящее изобретение не ограничено показанным исполнением, вместо этого его можно изменить различными путями в объеме формулы изобретения. Итак, одна предпочтительная конструкция может иметь полностью круглое поперечное сечение в нижней части 1.

Котел-утилизатор предназначен для использования в производстве целлюлозы для сжигания, например, древесной щепы или подобного материала, содержащего лигнин. Содержит печь, основание и стенки которой включают в себя множество охлаждаемых жидкостью труб и основание которой образует точку сбора неорганических веществ в расплавленной форме, при этом воздух и отработанный щелок вводят в печь, а газы от горения передаются вверх в котле. Площадь поперечного сечения печи на первом нижнем уровне превышает площадь поперечного сечения печи на втором уровне, который является более высоким в верхней части печи, а периметр поперечного сечения на двух уровнях является по существу одинаковым. Обеспечивается низкая скорость газов с результирующим благоприятным отделением и осаждением расплавленных капель, равномерный и быстрый сквозной поток воды, повышается безопасность конструкции при сохранении способов изготовления, включающих автоматическую сварку. 10 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Котел-утилизатор для сжигания отработанных щелоков из процесса производства целлюлозы, содержащий печь, основание и стенки которой включают в себя множество охлаждаемых жидкостью труб, причем основание 21 образует точку сбора неорганических веществ в расплавленной форме, воздух и отработанный щелок вводят в печь, а газы от горения передаются вверх в котле, при этом площадь поперечного сечения на первом нижнем уровне 1 превышает площадь поперечного сечения печи на втором уровне 2, который является более высоким в печи, отличающийся тем, что периметр поперечного сечения на двух уровнях 1, 2 является по существу одинаковым. 2. Котел-утилизатор по п. 1, отличающийся тем, что количество труб на стенках на первом уровне 1 является по существу таким же и предпочтительно идентичным количеству труб на втором уровне 2. 3. Котел-утилизатор по любому из п.1 или 2, отличающийся тем, что поперечное сечение на втором уровне 2 является по существу прямоугольной, предпочтительно квадратной формы и поперечное сечение на первом уровне 1 является многоугольным с более чем четырьмя, предпочтительно шестью или восемью, сторонами. 4. Котел-утилизатор по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что трубы вдоль стенок проходят вертикально, и трубы, расположенные в углах 24 второго уровня 2, проходят на первом уровне 1, вдоль неразрушенной поверхности 26 на более коротком расстоянии от центральной линии, проходящей вертикально в печи, чем на втором уровне 2. 5. Котел-утилизатор по любому из пп.1 - 4, отличающийся тем, что первый нижний уровень 1 составляет примерно 1/4 от общей высоты котла-утилизатора. 6. Котел-утилизатор по любому из пп.1 - 5, отличающийся тем, что основание 21 для сбора неорганических веществ в расплавленной форме имеет конфигурацию в виде открытого и направленного вверх V. 7. Котел-утилизатор по п.5, отличающийся тем, что выпускные отверстия 22 из основания расположены на обоих концах V-образного основания. 8. Котел-утилизатор по любому из пп.1 - 7, отличающийся тем, что конечная часть охлаждения отходящих газов выполнена в виде двух этапов 11, 12, отходящие газы на предпоследнем этапе 11 проходят по трубам в теплообменнике с вертикальными, заполненными водой трубами, тогда как на конечном этапе 12 они проходят через горизонтальные трубы в подобном теплообменнике. 9. Котел-утилизатор по п.8, отличающийся тем, что на конечном этапе 12 имеется впускное отверстие, соединенное непосредственно с выпускным отверстием на предпоследнем этапе 11. 10. Котел-утилизатор по любому из пп.8 и 9, отличающийся тем, что конечный этап выполнен в виде нескольких узлов труб, предпочтительно три или больше, которые расположены один после другого в направлении отходящих газов. 11. Котел-утилизатор по любому из пп.8 - 10, отличающийся тем, что по крайней мере конечный этап 11, 12 поддерживается снизу и следовательно он не подвешен.