(57)【要約】【課題】火炉壁に熱応力が繰り返し発生することを抑制して火炉壁の損傷を防止できるようにした、黒液回収ボイラを提供する。【解決手段】黒液１０を燃焼して黒液１０からエネルギーを回収する黒液回収ボイラ１であって、黒液１０が燃焼する火炉２と、火炉２を内包し、水管を並べて構成される火炉壁３と、筒状に形成され、外周面５ｃを、火炉壁３の周壁３ａとの間に隙間sを空けて対向させて、火炉壁３の底部３ｂに配置され、上端５ａが自由端となる、筒状壁５とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
黒液を燃焼して前記黒液からエネルギーを回収する黒液回収ボイラであって、
前記黒液が燃焼する火炉と、
前記火炉を内包し、水管を並べて構成される火炉壁と、
筒状に形成され、外周面を、前記火炉壁の周壁との間に隙間を空けて対向させて、前記火炉壁の底部に配置され、上端が自由端となる、筒状壁とを備えた
ことを特徴とする、黒液回収ボイラ。
【請求項２】
前記火炉壁の前記周壁に取り付けられ、前記火炉に連通するスメルトスパウトを備え、
前記筒状壁の高さを、前記スメルトスパウトの高さに揃えた
ことを特徴とする、請求項１記載の黒液回収ボイラ。
【請求項３】
前記筒状壁が円筒状に形成されている
ことを特徴とする、請求項１又は請求項２記載の黒液回収ボイラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、黒液を燃焼して黒液からエネルギーを回収する黒液回収ボイラに関する。
【背景技術】
【０００２】
パルプ製造プロセスで黒液と呼ばれる黒色の廃液が多量に生じる。従来、黒液回収ボイラ（以下、単に回収ボイラという）により、この黒液の含まれるエネルギーを回収するようにしている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭２０１４−１８５８１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
回収ボイラでは、運転時に800[℃]程度の溶融スメルト（液体ナトリウム、以下スメルトともいう）が炉内で発生する。スメルトの発生量は運転状態に依って変動するため、スメルトの液面高さも変動する。また、回収ボイラには炉内からスメルトを排出するためのスメルトスパウトが設けられており、特にスメルトスパウトと反対側にあるような箇所では、スメルトが生成され液面が上昇すると、スメルトがスメルトスパウトに向かって流動して液面高さが下がり、これを繰り返すのでスメルトの液面高さの変動が大きい。
スメルトの液面高さが変動すると、火炉壁に繰返し熱応力が発生し、この繰返し熱応力が火炉壁に損傷をもたらしている。
【０００５】
この理由を、図３及図４を参照して説明する。
図３は、火炉壁１００の高さに対応させて、火炉壁１００の温度（以下、炉壁温度という）tf及び火炉壁１００に生じる軸方向応力（以下、単に応力という）STａを示す図である。スメルトの液面高さがH1の場合における炉壁温度tf及び応力STａの分布をそれぞれ実線で示し、スメルトの液面高さがH2の場合における炉壁温度tf及び応力STａの分布を一点鎖線で示す。
【０００６】
図４は、スメルトの液面高さがH1の場合とH2の場合とを並べて示す図であって、スメルトの液面高さがH1の場合において曲げ応力の生じた火炉壁１００を実線で示すと共に、スメルトの液面高さがH2の場合において曲げ応力の生じた火炉壁１００を一点鎖線で示す図である。
【０００７】
図３に示すように、炉壁温度tfは、スメルトの液面以下では略一定であり、スメルトの液面よりも上になると（つまりスメルトから外れると）低下する。この結果、スメルトの液面を境にして火炉壁１００に温度差に起因した膨張差が生じる。このため、火炉壁１００には、膨張差に伴う応力STａがスメルトの液面付近を中心に発生する（液面付近で最大の応力STａが発生する）。
【０００８】
そして、図４に示すように、火炉壁１００は、破線で示す正常状態に対し、スメルトの液面高さがH1の場合には、軸応力STaの分布に応じて実線で示すように高さH1（つまりスメルトの液面）で折れ曲がりが生じる（炉外側で引張応力が生じ、炉内側で圧縮応力が生じる）。同様に、火炉壁１００は、破線で示す正常状態に対し、スメルトの液面高さがH2の場合には、軸応力STaの分布に応じて一点鎖線で示すように高さH2（つまりスメルトの液面）で折れ曲がりが生じる。
【０００９】
スメルトの液面高さの上下移動が例えばH1とH2との範囲内で繰り返されると、火炉壁１００は図４の左側の状態となったり右側の状態となったりすることが繰り返されることとなる。これは、火炉の特定の高さに着目すれば液面高さの変動に応じて繰り返し曲げ応力（熱応力）を受ける（折り曲げが繰り返される）こととなり、火炉壁が損傷してしまう。
【００１０】
本発明は、上記のような課題に鑑み創案されたもので、火炉壁に熱応力が繰り返し発生することを抑制して火炉壁の損傷を防止できるようにした、黒液回収ボイラを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
（１）上記の目的を達成するために、黒液を燃焼して前記黒液からエネルギーを回収する回収ボイラであって、前記黒液が燃焼する火炉と、前記火炉を内包し、水管を並べて構成される火炉壁と、筒状に形成され、外周面を、前記火炉壁の周壁との間に隙間を空けて対向させて、前記火炉壁の底部に配置され、上端が自由端となる、筒状壁とを備えたことを特徴としている。
【００１２】
（２）前記火炉壁の前記周壁に取り付けられ、前記火炉に連通するスメルトスパウトを備え、前記筒状壁の高さを、前記スメルトスパウトの高さに揃えることが好ましい。
【００１３】
（３）前記筒状壁が円筒状に形成されていることが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、黒液の燃焼の際に生じる高温の溶融スメルトは、先ずは火炉中央すなわち筒状壁の内側に溜まるようになる。スメルトの液面高さは、黒液回収ボイラの運転状態によって変動するが、溶融スメルトが筒状壁から溢れるまでは、火炉壁は高温の溶融スメルトと接触しないので、火炉壁に熱応力が繰り返し発生することを抑制して火炉壁の損傷を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態に係る黒液回収ボイラの要部構成を示す模式的な縦断面図である。
【図２】耐熱合金鋼のナトリウム中の腐食速度を示す図である。
【図３】従来の黒液回収ボイラの課題を説明するための模式図であって、スメルトの液面高さがH1，H2である場合における火炉壁の温度分布及び応力分布をそれぞれ示す図である。
【図４】従来の黒液回収ボイラの課題を説明するための模式図であって、スメルトの液面高さがH1，H2である場合における曲げ応力の生じた火炉壁を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
なお、以下に示す各実施形態はあくまでも例示に過ぎず、以下の実施形態で明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。以下の実施形態の各構成は、それらの趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができるとともに、必要に応じて取捨選択することができ、あるいは適宜組み合わせることが可能である。
【００１７】
［１．構成］
本発明の一実施形態に係る黒液回収ボイラ（以下、単に回収ボイラという）１は、図１に要部のみ示すが、火炉（燃焼室）２と、火炉２を内部に有する火炉壁３と、火炉２に燃料となる黒液１０を供給する黒液バーナ４と、火炉壁３の内部底面（底部、以下、炉底ともいう）３ｂに配置される筒状（ここでは円筒状）の筒状壁５と、火炉２で黒液が燃焼した際に生成する溶融スメルト（液体ナトリウム、以下スメルトともいう）１１を排出するためのスメルトスパウト６とを備えている。
【００１８】
火炉壁３は、給水が供給される水管（図示略）が複数並ぶ水冷壁として構成されている。黒液は硫黄や塩素などの腐食成分を有するため、水管には、例えば高クロム鋼（例えば２５クロム鋼）の肉盛溶接などの腐食対策が講じられている。
【００１９】
筒状壁５は、図１に示すように、その外周面５ｃを火炉壁３の内周壁３ａに対向させた姿勢（換言すれば円筒中心を上下方向に向けた姿勢）で炉底３ｂに載置されている。そして、筒状壁５は、火炉壁３の内周壁（周壁）３ａから所定の隙間sを空けて配置される。また、筒状壁５は、その上端５ａが自由端とされ、その下端５ｂは、炉底３ｂに載置されてはいるが炉底３ｂに固定されてはいない。これは、炉底３ｂの中央すなわち筒状壁５の内側に、黒液が燃焼した際に生じる残渣が積層して比較的硬いチャーベッド１２が形成されるため、筒状壁５がこのチャーベッド１２により位置を固定されるためである。
【００２０】
また、筒状壁５の高さH5は、スメルトスパウト６の高さにあわせて設定されている。つまり、筒状壁５の上端５ａの高さH5は、スメルトスパウト６の火炉壁３との接続部における内周面の最も下の位置の高さ（以下、スメルトスパウト６の高さという）H6と同じ高さに揃えられている。
【００２１】
筒状壁５の高さ・厚み及び材質の具体例を示す。設計条件は、黒液の処理量（燃焼量）が100[ton/day]の回収ボイラに筒状壁５を設置する場合を想定して、炉底３ｂからのチャーベッド高さH12を1000[mm]、及び、スメルト液面保持位置（すなわちスメルトスパウト６の高さH6）を1200[mm]とする。
【００２２】
筒状壁５の高さH5は、スメルト液面保持位置と一致させて1200[mm]に設定される。
筒状壁５の厚さ（以下、板厚ともいう）t5は、後述の耐熱合金鋼であればスメルト１１による腐食量（減肉量）は後述するように僅かであり、チャーベッド１２およびスメルト１１を内部に保持できる強度があれば十分と考えられる。具体的には筒状壁５の板厚t5は3mm以上あればよく、厚さ6mm以上のいわゆる厚板、または3mmから6mm未満のいわゆる中板を筒状壁５に採用することができる。このような板厚の耐熱合金鋼は一般的なのでメーカ標準の鋼材（鋼板）を採用することができる。
【００２３】
筒状壁５を形成する材料には、スメルト１１が高温（例えば800[℃]程度）であり且つその主成分がナトリウム化合物であることから、耐熱性且つナトリウム化合物に対する耐腐食性の高い合金鋼が使用される。使用可能な具体的な材料としては、JISG4312「耐熱鋼板及び鋼体」で規定されているSUS304,SUS316,Incoloy及びInconelなどの耐熱鋼やステンレス鋼が例示される。
【００２４】
図２（出典：吉田英一，材料分野におけるナトリウム技術報告，JAEA-Review2013-026）は、代表的な耐熱合金鋼のナトリウム中の腐食速度を示す図であり、絶対温度T[K]で1000を除した値(1000/T)を横軸とし、１年あたりの腐食量（Corrosion rate [μm/year]）を縦軸としたグラフに、各種耐熱合金鋼に関する実験データをプロットしたものである。
【００２５】
なお、図２のグラフ中の実線は「発電用原子力設備規格設計・建設規格（JSME S-NC-2-2005）」による発電用原子力設備に対する基準を示すものであり、本願発明のような黒液回収ボイラの関する基準を示すものではない。
【００２６】
図２に示されているように、SUS304,SUS316,Incoloy及びInconelでは、横軸(1000/T)が1.1すなわち温度が650[℃]程度の場合には、腐食量は最大100[μm/year]であるので、回収ボイラ１を累積で10年間運転したとしても減肉量は僅か1[mm]である。スメルト１１の温度が800[℃]程度であることを考慮しても、図２の左下に記載されているSUS304,SUS316,Incoloy及びInconelなどの材料は、筒状壁５の材料として十分な耐食性を有しているといえる。
【００２７】
［２．作用・効果］
本発明の一実施形態の回収ボイラによれば、以下のような作用・効果が得られる。
図１に示すように、黒液１０は火炉２の中心側に向けて供給されるので、黒液１０の燃焼の際に生じるスメルト１１は、先ずは筒状壁５の内側に溜まるようになる。
スメルト１１の液面高さは、回収ボイラの運転状態によって変動するが、スメルト１１が筒状壁５から溢れるまでは、火炉壁３はスメルト１１と接触しないので火炉壁３には熱応力が発生しない。したがって、繰り返し熱応力の発生を抑制して火炉壁の損傷を防止できる。
筒状壁５の内側ではスメルトの液面高さが変動するが、筒状壁５は上端が自由端とされているので筒状壁５の膨張は上方に逃がされる。このため筒状壁５で発生する熱応力は小さい。
【００２８】
また、スメルト１１が筒状壁５から溢れた場合には、スメルト１１は隙間sに流れ落ちる。筒状壁５から溢れるスメルト１１の量が増加して隙間sのスメルト１１の量が筒状壁５を超えるような量になると、スメルトスパウト６の高さが筒状壁５の上端５ａの高さと同じなので、スメルト１１は速やかにスメルトスパウト６から排出される。すなわち、以降は、スメルト１１に液面高さは高さH0に維持されるようになる。また、隙間sのスメルト１１は筒状壁５により流動が抑制されるので、スメルト１１の流動による液面高さの変動も少ない。
したがって、スメルト１１の液面高さの変動に起因する、繰り返し熱応力を抑制して火炉壁の損傷を防止できる。
【００２９】
さらに、筒状壁５は、円筒状に形成されているので熱応力の局所的な集中ひいては損傷が抑制される。
また、炉壁３をつたって炉底３bに落下する黒液１０やスメルト１４（以下、黒液１０等という）は隙間sに収容され、黒液１０等がこの隙間sから溢れるような場合には、この溢れた黒液１０等は、筒状壁５内又はスメルトスパウト６へと流れる。
【００３０】
［３．その他］
上記実施形態では、筒状壁５を円筒形として応力集中を抑制したが、そもそも筒状壁５は上端を自由端とされて応力の発生が抑制される構造となっているので、円筒形に限定されない。すなわち角筒形であっても良い。
【符号の説明】
【００３１】
１  回収ボイラ
２  火炉（燃焼室）
３  火炉壁
３ａ  火炉壁３の内周壁（周壁）
３ｂ  火炉壁３の内部底面（底部、炉底）
４  黒液バーナ
５  筒状壁
５ａ  筒状壁５の上端
５ｂ  筒状壁５の下端
５ｃ  筒状壁５の外周面
６  スメルトスパウト
１０  黒液
１１  溶融スメルト（スメルト）
１２  チャーベッド
H5  筒状壁５の高さ
H6  スメルトスパウト６の高さ
s  隙間
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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