DK150285B - Fremgangsmaade til reduktion af indholdet af nitrogenoxider i gasserne fra forbraending af kulholdigt braendsel i et fluidiseret leje - Google Patents

Description

150285 i

De luftkvalitetsstandarder, som opstilles fra myndighedernes side med hensyn til emissioner, har gjort det nødvendigt at søge efter metoder til renere forbrænding af kulholdigt brændsel. Såvel SC^ som Ν0χ er 5 underkastet lovgivningsmæssige bestemmelser. Disse forurenende gasser opfører sig forskelligt, og der er forskel på de bedst tilgængelige metoder til uafhængig eliminering af disse gasser. Det er derfor meget usandsynligt, at en eksisterende forbrændingsproces i et enkelt 10 trin vil kunne fjerne disse gasser samtidigt. En sådan samtidig fjernelse vil i det mindste være ineffektiv.

Man har for nyligt udviklet en metode i fluidiseret leje til forbrænding af kulholdigt brændsel, der tillige indeholder svovl. Udviklingen af denne proces 15 skyldes først og fremmest muligheden for at bringe reaktionsproduktet SO2 i kontakt med en svovl-sor-bent i et tidsrum, som er tilstrækkeligt til at fastholde en stor procentdel af svovldioxidet. Arbejdet med fjernelse af nitrogenoxid er ikke så fremskredent 20 som arbejdet med fjernelse af svovldioxid, fordi lovgivningen her er mindre streng.

Det er et formål med den foreliggende opfindelse at tilvejebringe en fremgangsmåde, ved hvilken man kan befri forbrændingsgasser for forurenende nitrogen-25 oxider.

Det er også et formål med den foreliggende opfindelse at tilvejebringe en sådan fremgangsmåde i et konventionelt forbrændingsanlæg indeholdende et fluidiseret leje bestående af forskellige faste stoffer.

30 Endvidere er det et formål at begrænse svovldioxid- emissionerne, som frigives under processen.

Endelig er det et formål at tilvejebringe en simpel 2 150285 metode til optimering af emissionerne af nitrogen-oxider og svovldioxid fra et forbrændingsanlæg indeholdende et fluidiseret leje bestående af flere forskellige faste stoffer.

5 I overensstemmelse med disse formål angår opfindelsen en fremgangsmåde til nedsættelse af indholdet af nitrogenoxider til et ønsket niveau, samtidig med, at man begrænser indholdet af svovldioxid i reaktions-gasserne fra forbrændingen af kulholdigt brændsel 10 i det fluidiserede leje. Forbrændingsanlægget består af et nedre tæt fluidiseret leje af relativt store partikler, et øvre dispergeret medført leje af relativt fine partikler, som recirkulerer igennem det tætte fluidiserede leje, og en svovl-sorbent, som fø-15 res med sammen med det dispergerede leje af fine partikler. Fremgangsmåden ifølge opfindelsen er ejendommelig ved, at man holder den nedre del af det fluidiserede leje under brændstofrige eller substøkiometriske betingelser, således at Ν0χ reduceres til det ønskede niveau, mens 20 man holder den øvre del af det fluidiserede leje over den substøkiometriske nedre del under oxiderende betingelser for at gøre forbrændingen af brændstoffet fuldstændig. Man recirkulerer i det mindste en del af de afkølede, relativt fine partikler fra det med-25 førte leje, idet recirkuleringen kun sker igennem den øvre del, som holdes under oxiderende betingelser.

Herved reduceres temperaturen af det oxiderende område til et niveau, hvor svovl-sorbenten har lettere ved at optage svovlet. Det substøkiometriske område 30 begrænses fortrinsvis til det tætte fluidiserede leje eller en væsentlig del deraf.

Det reducerende område holdes fortrinsvis under sådanne betingelser, at luftindholdet er omkring 40 - 60¾ af de støkiometriske krav, og det oxiderende område hol-35 des fortrinsvis ved et overskud af luft på omkring 18¾.

3 1S0285

Temperaturen i et sådant fluidiseret leje varierer i afhængighed af blandt andet det specifikke brændsel, som anvendes, men fortrinsvis holdes temperaturen på 5 et ensartet niveau på omkring 870 - 925° C for de fleste kultyper og på omkring 925 - 950° C for de fleste kokstyper.

Den luft, der indføres i det reducerende område, tilvejebringes fortrinsvis af den primære fluidiserings-10 gas, mens de oxiderende betingelser fortrinsvis tilvejebringes ved at indføre sekundær luft på et eller flere steder imellem et punkt i det tætte leje nær dettes øvre grænse og et punkt i det dispergerede medførte leje, der ligger et stykke oppe i forhold til 15 det tætte leje. Den position, hvor den sekundære luft indføres, påvirker den relative effektivitet af reduktionen af nitrogenoxid- og svovlindholdet.

Jo højere oppe tilførslen af sekundær luft finder sted, jo mere favorabel er begrænsningen af nitrogen-20 oxid i forhold til svovl. Gassens opholdstid i de to områder er en signifikant faktor til opnåelse af et fuldstændigt reaktionsforløb.

En del af de afkølede fine partikler i det medførte leje recirkuleres almindeligvis igennem det tætte 25 leje med henblik på at opnå en blanding med dette leje. Resten af de fine partikler recirkuleres igennem, det oxiderende område med henblik på at nedbringe temperaturen i dette område. En tilbageblanding af de sidstnævnte fine partikler med det tætte leje 30 undgås ved at opretholde en stor relativ forskel på størrelserne af de grove partikler i det tætte leje og de fine partikler i det medførte leje. Specielt foretrækkes det, at i det væsentlige alle partiklerne i det tætte leje.har en partikeldiameter på mindst 4 150285 4 gange partikeldiameteren af i det væsentlige alle partiklerne i det medførte leje. De specifikke størrelsesområder er ("U.S. Standard sieve sizes”) -4+16 svarende til -4,76 mm+1,19 mm (fortrinsvis -6+12 sva-5 rende til -3,36 mm+1,68 mm) for partiklerne i det tætte leje og -40 svarende til -0,42 mm (fortrinsvis -50+200 svarende til -0,30 mm+0,074 mm) for de medførte partikler.

Fluidiserede lejer, der består af faste stoffer med forskellige partikelstørrelser, har vist sig i stand 10 til at forbrænde svovlholdige brændstoffer på basis af kul under ringe forurening med SO2, når en svovl-sorbent såsom kalksten bringes i kontakt med reaktionsgasserne. Den metode, ved hvilken man driver et sådant fluidiseret leje, er beskrevet i detaljer i 15 USA patentskrift nr. 4 084 545. Det væsentlige træk ved apparaturet er, at det består af et tæt fluidiseret leje af grove partikler i den nederste ende samt et større medført leje af finere partikler, som overlapper det tætte leje og recirkulerer igennem 20 dette. Den fluidiserende gas trænger ind i appara turet igennem bunden, hvor den fluidiserer de grove partikler og medfører de fine partikler. Overlapningen imellem det tætte og det fine leje giver en grundig opblanding, som sikrer et mere fuldstændigt reak-25 tionsforløb, end der kan tilvejebringes i fluidise rede lejer, der kun består af en enkelt komponent.

I USA patentskrift nr. 4 154 581 beskrives driften af sådanne fluidiserede lejer med flere komponenter og med to forskellige temperaturzoner. I det tætte 30 leje findes en spredningsanordning, og man anvender recirkulationen af partikler fra det medførte leje til at påvirke temperaturen på det sted, hvor de trænger ind i det tætte leje, enten over eller under spredningsanordningen. I det ovennævnte patentskrift er den 35 foreslåede partikelstørrelse for de fine partikler 5 150285 større end den partikelstørrelse, der foretrækkes ifølge den foreliggende opfindelse.

Den foreliggende opfindelse indebærer en yderligere forbedring i driften af fluidiserede lejer af den ty-5 pe med flere komponenter, som kendes fra de ovennævn te USA patentskrifter. Den forbedrede drift af et sådant fluidiseret leje muliggør forbrænding af kul-stofholdige brændstoffer, der tillige indeholder svovl, samtidiq med, at emissionerne af NO og S0„ holdes 37 x 3 2 10 væsentligt under de lovgivningsmæssigt fastsatte ni veauer .

Fremgangsmåden ifølge opfindelsen kan bedst forklares under henvisning til den medfølgende figur, som skematisk viser et fluidiseret flerkomponentleje 1. Ved 15 konventionel drift leder man en fluidiserende gas el ler primær luft 2 ind i forbrændingsanlægget gennem dettes bund, hvor gassen passerer igennem fordelings-pladen 3. Brændstoffet samt eventuelt en svovl-sor-bent ledes ind igennem punktet 4. Brændstoffet er al-20 mindeligvis olie eller partikelformigt kul eller koks. Svovl-sorbenten er konventionel og kan f. eks. være kalk, kalksten eller dolomit. Svovl-sorbenten kan også ledes ind i punkterne 8 eller 9 sammen med den sekundære luft, således som det senere vil blive beskrevet. 1 2 3 4 5 6

Et groft partikelformigt materiale er til stede i for 2 brændingsanlægget og fluidiseres i området I vist på 3 figuren. Partikelstørrelsen af den grove komponent 4 ligger generelt i området -4+16 mesh (U.S. Standard) sva 5 rende til -4,76 mm+1,19 mm, fortrinsvis -6+12 U.S. mesh 6 svarende til -3,36 mm+1,68 mm. Som det er velkendt, er det nødvendigt, at der findes en balance imellem partikelstørrelsen og hastigheden af den fluidiserende gas for at holde lejet på fluidiseret form i området I. Overfladehastigheden af den primære gas ligger 6 150285 generelt på mellem 305 og 1830 cm/sekund. Den grove komponent bør være stabil og inert under driftbetingelserne. Til brug i det tætte leje har metaloxider vist sig at være ønskelige materialer. Man foretrækker 5 jernoxid, eksempelvis indeholdt i hæmatit, selv om man også kan anvende aluminiumoxid, siliciumoxid, nikkeloxid eller andre forbindelser.

Den primære luft 2 medfører også relativt fine partikler i områderne I og II i apparaturet. De med-10 førte fine partikler indfanges ovenover forbrændings anlægget ved hjælp af cyklonen 11 og recirkuleres til forbrændingsanlægget igennem recirkuleringsrøret 7 og (i denne opfindelse) tillige igennem recirkuleringsrøret 6. Varrtien fjernes fra de medførte fine partikler, enten 15 ved hjælp af en varmeveksler i området II i apparaturet eller fortrinsvis ved hjælp af en ekstern varmeveksler 12. En fluidiserende gas 5 bevirker, at de fine partikler tilbageholdes i den eksterne varmeveksler i en periode, som er tilstrækkelig til, at de kan af-20 give deres varme.

De fine partikler kan bestå af det samme materiale som de grove partikler, men det har vist sig, at siliciumoxid er et særligt anvendeligt partikelmateriale. Størrelsen af de fine partikler udvælges således, at de 25 bekvemt kan medføres ved hjælp af overfladehastigheden af den primære luft 2, men partikelstørrelsen vælges endvidere således, at man undgår en tilbageblanding i det tætte leje, når partiklerne recirkuleres igennem recirkuleringsrøret 6 på figuren. Som det senere 30 vil blive beskrevet, er en partikelstørrelse på -40 U.S. mesh (0,42 mm) ønskelig, og man foretrækker -50+200 U.S. mesh (-0,30 mm+0,074 mm), når størrelsen af de grove partikler er omkring -6+12 U.S. mesh (-3,36 mm+ 1,68 mm). Hvis de fine partikler er større, kan der 7 150285 ske en tilbageblanding, og hvis de fine partikler er mindre, kan de passere igennem cyklonerne uden at blive recirkuleret. Imidlertid kan man anvende fine partikler med en større partikelstørrelse, hvis de grove partikler 5 i det tætte leje også er større. Den relative størrelse er en vigtig faktor, når man skal undgå tilbageblanding.

Ued normal drift kan det beskrevne forbrændingsanlæg anvendes til fuldstændig forbrænding af svovlholdige brændstoffer i området I indeholdende det tætte leje 10 og til binding af svovldioxid med kalksten i området II, som også benævnes "freeboard"-området. I denne proces dannes der imidlertid uønskede nitrogenoxider i det tætte leje ved forbrændingen, og disse oxider udsendes i strømmen af spildgas. Det er kendt 15 at begrænse det overskydende oxygen eller at foretage forbrændingen under brændstofrige eller substø-kiometriske betingelser med henblik på at begrænse dannelsen af nitrogenoxider, men ved sådanne metoder har der vist sig adskillige problemer, ikke mindst 20 en begrænsning i tilbageholdelsen af svovl.

Med den foreliggende opfindelse reducerer man de problemer, som er forbundet med den samtidige fjernelse af Ν0χ og SO^ ved forbrændingsprocesser, idet man tilvejebringer to områder i et konventionelt fluidi-25 seret flerkomponentleje, således at det nederste område drives under brændstofrige betingelser, mens det øverste område drives under oxiderende betingelser. Den omhandlede fremgangsmåde omfatter også en recirkulering af i det mindste én del af de fine par-50 tikler, som er ført med op i det øverste oxiderende område med henblik på at nedsætte temperaturen i dette område. En tilbageblanding af sådanne recir-kulerede fine partikler i det nederste brændstofrige område kan undgås ved at opretholde en væsentlig stør-55 relsesforskel imellem de grove partikler og de fine med- 8 150285 førte partikler, hvilket eliminerer behovet for den perforerede plade, som omtales i det tidligere nævnte USA patentskrift nr. 4 154 581. Denne perforerede plade kan imidlertid anvendes, hvis man af andre grunde 5 finder en mindre størrelsesforskel imellem de grove og de fine partikler nødvendig.

Ved gennemførelsen af fremgangsmåden ifølge opfindelsen er det primære luftforhold og gassens opholdstid vigtige variable. Ved det primære luftforhold forstås 10 forholdet imellem den mængde luft, som indføres igen nem bunden af forbrændingsapparaturet for at fluidi-sere partiklerne (summen af den primære luft 2 og enhver anden mængde luft, som anvendes i forbindelse med brændstofindsprøjtningen og tilføringen af andre 15 stoffer i punktet 4 i det substøkiometriske område) og den beregnede støkiometriske luftmængde, som kræves til fuldstændig forbrænding af brændstoffet. Gassens opholdstid er det tidsinterval, hvorunder gassen bevæger sig imellem et lavt beliggende og et højt be-20 liggende punkt i forbrændingsapparaturet. Matematisk er gassens opholdstid lig med afstanden imellem disse to punkter divideret med gassens overfladehastighed.

Hvis det eneste formål med processen var at reducere Ν0χ under forbrændingen, ville det være ønskeligt 25 at arbejde under stærkt substøkiometriske betingel ser. Men i normale fluidiserede enkeltkomponentlejer ville dette føre til flere problemer. Et af disse problemer er reaktionen imellem svovl-sorbenten, eksempelvis kalksten, og svovlet, hvorved der dan-30 nes CaS. Under brændstofrige betingelser ville dette produkt kunne bortledes fra det fluidiserede leje i form af et fast affaldsprodukt. Uheldigvis er CaS et miljømæssigt uønsket affaldsprodukt, og det er i særdeleshed uegnet til udledning på landjorden.

9 150285

Desuden er en oxidation af CaS inden udledningen fra det fluidiserede leje utilstrækkelig på grund af en kort opholdstid og en dårlig blanding.

En oxidation i et konventionelt enkeltkomponentleje 5 kan også være katastrofal, eftersom uforbrændt brænd stof (specielt fine partikler) og carbonmonoxid fra den brændstofrige zone vil brænde ukontrollerbart i den oxiderende zone, hvorved der opstår voldsomme temperaturudsving. De høje temperaturer kan skade 10 konstruktionsmaterialerne, og de kan også hindre bindingen af svovldioxid, eftersom ethvert sulfat vil dekomponere til svovldioxid ved temperaturer på omkring 1040° C.

Med den foreliggende opfindelse begrænser man derfor 15 disse problemer på følgende måde: Det nederste område af forbrændingsapparaturet, som på figuren betegnes "reducerende område", drives under substøkiometriske betingelser på en sådan måde, at de nitrogenoxider, som frigøres under forbrændingen, reduceres til gas-20 formigt nitrogen ved hjælp af kul og carbonmonoxid ifølge reaktionsskemaerne: xC + 2Ν0χ-> xC02 + N2 2xC0 + 2Ν0χ -> 2xC02 + N2

Derefter indblæses sekundær luft i et på forhånd fast-25 lagt punkt, f. eks. i punktet 9, for at bringe oxygenindholdet op på det ønskede niveau (fortrinsvis et overskud på mellem 10 og 50?ί luft i forhold til den støkiometriske mængde) i det "oxiderende område". Svovl-sorbenten kan også indføres i punkterne 4, 8, 30 9 eller 10, eller den kan recirkuleres igennem recir kuleringsrørene 6 og 7 og reagere med svovl og oxygen i det oxiderende område under dannelse af sul- 150285 ίο fatprodukter, som kan udlades. Eksempelvis indfører man findelt kalksten i punktet 9 sammen med den sekundære luft, hvorefter denne kalksten reagerer med svovl under dannelse af gips.

5 Forbrændingen af ikke-omsat brændstof finder også sted i det øverst beliggende oxiderende område, men den temperaturstigning, som skyldes en sådan forbrænding, begrænses ved at recirkulere afkølede fine partikler fra det medførte leje igennem cyklonen 11, 10 den eksterne varmeveksler 12 og recirkuleringsrøret 6.

Det forneden beliggende reducerende område kan drives ved en så lav temperatur som muligt, der kan bevirke en forbrænding, typisk omkring 790° C for kul og omkring 900° C for koks. Dette gør det muligt at reducere 15 det primære luftforhold til så lidt som omkring 0,35.

Jo lavere det primære luftforhold er, jo lavere er emissionsniveauet for NO . Fortrinsvis indstilles det pri- x r mære luftforhold til en værdi på mellem ca. 0,4 og ca.

0,6 (dvs. ca. 40 - 60¾ af den teoretiske støkiome-20 triske luftmængde). Det foroven beliggende oxiderende område drives fortrinsvis ved en temperatur på omkring 870 - 925° C, men under alle omstændigheder ved en temperatur på under ca, 1040° C, hvor CaSO^ dekom-ponerer. 1 2 3 4 5 6 Højden af det reducerende område vælges således, at 2 der opnås en tilstrækkelig opholdstid til reduktion af 3 NO til det ønskede niveau. Jo højere den reducerende 4 zone er, jo længere bliver opholdstiden, og tilsva 5 rende mindre Ν0χ vil undslippe uden at reagere med 6 kul og carbonmonoxid. Generelt vælges højden af reduktionszonen således, at den svarer til højden af det tætte fluidiserede leje I (over fordelingspladen 3).

Det øverste recirkulerinsgrør 6 til transport af de 150285

II

medførte partikler og tilledningen 9 for den sekundære luft kan befinde sig i samme niveau lige over det tætte leje som vist på figuren. På samme måde kan den sekundære luft anvendes til indblæsning af de recir-5 kulerede partikler igennem røret 6 og derved tilveje bringe en bedre fordeling af de recirkulerede partikler i forbrændingsapparaturet.

Alternativt kan recirkuleringsrøret 6 og/eller tilledningen 8 for sekundær luft anbringes lige under 10 den øvre grænse af det tætte leje I, således at den herved opnåede bedre blanding anvendes til fordeling af de recirkulerede partikler. Om nødvendigt kan man, med henblik på at opnå en bedre reduktion af Ν0χ, anbringe tilledningen for den sekundære luft væsent-15 ligt højere oppe end det tætte leje, f. eks. som vist ved tallet 10 på figuren. Lufttilledningerne 8, 9 og 10 kan anvendes enkeltvis eller samlet til kontrol af højden af det reducerende område.

Højden af det oxiderende område vælges således, at der 20 opnås en tilstrækkelig opholdstid til at SO2 kan op fanges af sorbenten og oxideres. Det er klart, at hvis forbrændingsapparaturet har en fastlagt højde, må man finde en balance imellem højden af det reducerende område og højden af det oxiderende område ved pla-25 ceringen af tilledningen for den sekundære luft. Des uden kan man anvende to eller flere tilledninger for sekundær luft, f. eks. som vist ved placeringerne 8, 9 og 10 på figuren med henblik på bedre at kunne kontrollere temperaturen og oxidationsbetingelserne over et større 30 område.

Nogle af de medførte partikler recirkuleres igennem det tætte leje via recirkuleringsrøret 7 fra den eksterne varmeveksler 12. Som tidligere nævnt kan man imidlertid med fordel anvende de afkølede partikler 35 til at nedbringe de temperaturudsving i det oxide- 12 150285 rende område, som skyldes forbrændingen af carbon-monoxid og ikke-forbrændte findelte partikler fra re-dukstionszonen. Man recirkulerer en mængde fine partikler, som er tilstrækkelig til at holde temperaturen 5 på et tilfredsstillende niveau, således at man kan beskytte konstruktionsmaterialerne og fremme oxidationen af svovldioxid, fortrinsvis i temperaturområdet fra 870 - 925° C.

Opfindelsen illustreres nærmere ved de følgende eksempler.

10 EKSEMPEL 1

Trinvis forbrænding af petroleumskoks

Til demonstration af opfindelsen anvendtes en for-brændings-testenhed. Forbrændingskolon.nen er fremstillet af rustfrit stålrør type 304 med en vægtyk-15 kelse på '3,2 mm. Bundsektionen har en højde på 1,5 m (over fordelingspladen) og har en indre diameter på 16,2 cm, som forøges til 21 cm i de resterende 4,5 m af kolonnen, som udgør "freeboard"-området. Et rør med ensartet diameter har også været anvendt, men det 20 udvidede "freeboard"-område bevirker en længere op holdstid for gassen og en bedre omsætning af SO2· En termisk isolering rundt om forbrændingskolonnen begrænser varmetabet.

Tilledninger for sekundær luft er ført ind i forbræn-25 dingskammeret i vertikale højder på 0,685 m, 1,22 m, 1,78 m og 2,6 m, regnet i forhold til fordelingspladen. Recirkuleringssystemet for de medførte partikler omfatter en Cyklon med en diameter på 30,5 cm, en ekstern varmeveksler samt et nedre og et øvre fast re-30 cirkuleringsrør, eksempelvis som vist på figuren.

Recirkuleringsrørene er ført ind i forbrændingskammeret i vertikale højder på henholdsvis 5 cm og 1,22 m, 150286 13 regnet i forhold til fordelingspladen.

Andre cykloner er anbragt i serie til opsamling af flyveaske. Brændstoffet og kalkstenen (sorbent) kan enten blandes på forhånd i et fastlagt Ca/S-forhold inden 5 indføringen, eller disse bestanddele kan separat indføres i forbrændingskammeret i specifikke mængder.

Et pneumatisk indsprøjtningsrør med diameter 2,5 cm anvendes til at indføre brændstoffet og kalkstenen i forbrændingskammeret, og dette rør er anbragt om-10 kring 5 cm over fordelingspladen.

Petroleumskoks med forhøjet brændværdi på 15300 BTU/ lb svarende til 8500 kcal/kg anvendtes som brændstof.

Det indeholdt mindre end 3?ό fugtighed og blev sigtet til en partikelstørrelse på -8+50 U.S. mesh (-2,38 mm+0,30 mm) 15 inden anvendelsen. Den kemiske analyse var følgende:

Komponent Væqt-% (fri for fugtighed) C 89,50 H 3,90 0 1,82 20 N 2,64 S 1,82

Aske 0,32

Flygtige stoffer 10,5

Minus 325 Piqua kalksten anvendtes som svovl-sorbent.

25 Afrikansk jernmalm (-6+16 U.S. mesh, der svarer til -3,36 mm+1,19 mm, 4,99 g/cm^ massefylde) og kvartssand (-20+70 U.S. mesh, der svarer til -0,84 mm+0,21 mm, 2,59 g/cm^ massefylde) anvendtes som henholdsvis grove og fine partikler.

14 150285

Driftsbetingelserne var følgende: Fødehastighed for koks 8,15-21 kg/time.

Temperatur af tæt leje 915-950 °C.

Gastæthed i det tætte leje 2,5-4,3 m/sek 5 (trinvis), 7,6-9,2 m/sek (ikke trinvis).

Primært luftforhold under trinvis forbrænding 0,32-0,67 10 Ca/S forhold 0 eller 4,5 I dette forsøg foretog man ikke nogen recirkulering af afkølede medførte partikler gennem det øvre oxiderende område. Kulpartikler med en lav forbrændings-effektivitet ved en enkelt gennemføring blev recirkuleret 15 igennem det lavest beliggende recirkuleringsrør sammen med fine medførte partikler med henblik på at opnå en total forbrændingseffektivitet på mere end ca 93%. Resulaterne af svovldioxid- og nitrogenoxidemissionerne i flere forsøg fremgår af tabellerne 1 og 2.

20 TABEL 1 - Svovld ioxid-emissioner

Forsøg Forbrændings- Ca/S- Svovltil- SO^-emissions- 502-emissions-metode for- bagehold- niveau hastighed hold else (ppm)(a) (kg/million kcal) 0' _ /0 506 ikke trinvis 4,5 100 0 0 508 trinvis 4,5 73 320 1,134 509A trinvis 4,5 91 110 0,396 (a) Korrigeret til 18?ό overskydende luft 150285 15 TABEL 2 - Opholdstidens indvirkning på nitrogenoxidemissionen

Forsøg Primært Opholdstid Emissions- Emissionshastighed nr. luft- (sek) niveau (kg N^/million kcal) _forhold_(ppm NQ)^_ 1 1,08 0,0 325 0,954 2 0,53 0,54 222 0,558 3 0,47 1,04 100 0,252 4 0,44 1,08 136 0,342 5 0,46 1,15 110 0,270 6 0,54 1,47 43 0,108 (a)

Korrigeret til 18?ό overskydende luft

Det ses, at svovldioxid-emissionerne forøges noget ved trinvis forbrænding, men at nitrogenoxid-emis-sionerne kan reduceres fra omkring 325 ppm til mindre end 50 ppm ved at drive det nedre område under sub-5 støkiometriske betingelser og Ved at forøge gassens opholdstid i dette område gennem en nedsættelse af overfladehastigheden. Den sekundære luft blev i alle tilfælde indført i en højde på enten 1,78 m eller 2,6 m.

Virkningen af at variere det sted, hvor indføringen 10 af den sekundære luft sker, svarende til en variation af den relative højde og opholdstiden i de reducerende og oxiderende områder fremgår af tabel 3.

16 150285

TABEL 3 - Indvirkning af fordelingen af sekundær luft på emissionen af 5CL og NO

L· Λ

Lufthastigheder som brøkdel Forhold NO SO2 af støkiometrisk luft_ nedre luft/ emission emission

Forsøg primær nedre øvre total øvre luft ppm ppm nr. luft sekundær sekunder luft (70in) (105in) _l,78m 2,6m __ 508E 0,47 0 0,78 1,25 0 100 323 509A 0,53 0,29 0,52 1,34 0,56 222 110 509B 0,46 0 0,82 1,30 0 110 289 509C 0,48 0,14 0,70 1,32 0,2 175 129

Det er klart, at de relative størrelser af svovldioxid-og nitrogenoxid-emissionerne direkte påvirkes af højderne af de reducerende og oxiderende områder. Det fremgår også klart af tabellerne 1 - 3, at både nitrogen-oxid- og svovldioxid-emissionerne kan reduceres ved denne trinvise forbrænding og ved at forøge opholdstiden i de reducerende og oxiderende områder, enten gennem lave overfladehastigheder eller gennem forlæn-10 gede dimensioner af forbrændingskammeret.

EKSEMPEL 2

Trinvis forbrænding af kul

Der anvendtes et apparatur svarende til det i eksempel 1 beskrevne med den undtagelse, at forbrændingskammeret 15 var et ensartet rør med indre diameter 16,2 cm, og at cycklonen og den eksterne varmeveksler var erstattet med en 35,6 cm cyklon. Tilledningerne for sekundær luft var anbragt henholdsvis 71 cm, 1,1 m og 5,2 m over fordelingspladen. Som brændstof anvendtes Illinois 17 150285 kul (-6 U.S. mesh svarende til -3,36 mm), som indeholdt 4% svovl og 1,2¾ nitrogen, mens der som sorbent atter anvendtes -325 U.S. mesh (-0,044 mm) Piqua kalksten.

Resultaterne af et antal forsøg, som fremgår af tabel 5 4, viser den balance, som man kan anvende ved indførin gen af den sekundære luft til optimering af emissionerne af nitrogen og svovl. Under disse forsøg bemærkede man en overskydende forbrænding i det oxiderende område samtidig med høje temperaturudsving.

10 TABEL 4 - NO^-reduktion

Brøkdel af støkiometrisk luft NOx-emission tilbageholdt Primær 1 2 3 total korrigeret til svovl (¾)

Forsøg luft 28in 44in 202in 18¾ overskyden- nr. 0 71cm l,lm 5,2m de luft (ppm) 113A 1,32 0 0 0 1,32 168 100 113B 1,25 0 0 0 1,25 286 100 113C 1,03 0 0 0 1,03 209 95 1130 1,15 0 0 0 1,15 212 97 113E 0,42 0,32 0,18 0,19 1,11 105 96 113F 0,43 0,33 0,19 0,20 1,15 107 96 113G 0,54 0,17 0,16 0,17 1,04 79 79 EKSEMPEL 3

Trinvis forbrænding under recirkulering af afkølede fine partikler til det oxiderende område_

En overskydende forbrænding af carbonmonoxid og ikke-15 forbrændte kulpartikler i "freeboard"-området eller det oxiderende område kan bevirke forhøjede temperaturer og potentiel skade på materialerne, ligesom der kan ske en reduceret effektivitet med hensyn til bindingen 18 150285 af svovldioxidet til sorbenten. Med henblik på at nedbringe temperaturudsvingene foretog man i dette eksempel en recirkulering af afkølede medførte partikler direkte til det oxiderende område.

5 Apparaturet svarede til det i eksempel 1 beskrevne.

Brændstoffet var petroleumskoks, der tilførtes med en hastighed på 16,75 kg/time til det tætte leje i forbrændingsapparaturet.

Det tætte leje af grove partikler bestod af afrikansk 10 malm med en partikelstørrelse på -6+12 U.S. mesh (-3,36 mm+1,68 mm). Det medførte leje bestod af kvarts-sand med en partikelstørrelse på -40 U.S. mesh (-0,42 mm) og med følgende størrelsesfordeling: U.S. mesh_ Væqt-?0_ 15 -20+40 (-0,84+0,42 mm) 0,6 -40+70 (-0,42+0,21 mm) 16,4 -70+100 (-0,21+0,149 mm) 15,5 -100+200 (-0,149+0,074 mm) 43,2 -200+325 (-0,074+0,044 mm) 13,0 20 -325 (-0,044 mm) 11,3

De fine medførte partikler blev afkølet og recirkuleret til forbrændingsapparaturet igennem enten det øvre recirkuleringsrør 6 eller det nedre recirkuleringsrør 7 på figuren. Det øvre recirkuleringsrør 25 er ført ind i forbrændingskammeret i en højde på 1,22 m over fordelingspladen i det oxiderende område.

Forbrændingen blev inddelt i trin ved at drive det nedre område under substøkiometriske betingelser og derefter sætte sekundær luft til forbrændingskam-30 meret over det tætte leje med henblik på at gøre for brændingen fuldstændig og forøge tilbageholdelsen af 150285 19 svovl. Der anvendtes primær luft i en mængde på 17,4 1/sekund til at fluidisere lejet, og den sekundære luft blev tilsat som følger:

Indføringspunkt (højde over Luftvolumen fordelingsplade)_

47" (1,19 m) 16,6 SCFM

(7,85 1/sek)

70" (1,78 m) 18,0 SCFM

(8,5 1/sek)

105" (2,6 m) 18,5 SCFM

(8,75 1/sek)

Under de ovenfor beskrevne betingelser foregik der en 5 forbrænding af brændstoffet, og varmen blev fjernet i den eksterne varmeveksler. Temperaturerne af det tætte leje (40,6 cm over fordelingspladen) og af det oxiderende område (5,88 m over fordelingspladen) blev målt, mens man varierede den relative mængde af afkølede 10 fine partikler, der recirkuleredes til det tætte (reducerende) leje og til "freeboard"-området (det oxiderende ormåde). Resultaterne fremgår af tabel 5: 20 150285 TABEL 5 - Temperaturkontrol af "freeboard"-område 1 2 Åbning af recirkuleringsventiler

Nedre recirkuleringsr'ør 30¾ 25¾ Øvre recirkuleringsrør 12¾ 40¾

Temperatur af det tætte leje 1710° F 1711° F

(93Q°C) (930°C)

Temperatur i oxiderende område 1777° F 1624° F

(970°C) (885°C)

Resultaterne viser, at det tætte leje kan holdes på en konstant forbrændingstemperatur, mens temperaturen i "free-board"-området eller det oxiderende område kan kontrolleres over et stort område ved at kontrollere 5 de relative mængder findelte afkølede partikler, der recirkuleres igennem det tætte leje eller direkte igennem det oxiderende område. Ved at afbalancere disse mængder var det muligt at reducere temperaturen i det oxiderende område med omkring 83° C, samtidig med, 10 at der opretholdtes en konstant temperatur i det tætte leje. Denne kontrol kan beskytte konstruktionsmaterialerne i "freeboard"-området imod termisk ødelæggelse og kan samtidig sikre en mere effektiv binding af svovlet.

Claims (3)

150285

1. Fremgangsmåde til reduktion af indholdet af nitrogenoxider til et ønsket niveau og begrænsning af indholdet af svovldioxid i reaktionsgasserne fra forbræn- 5 ding af kulholdige brændstoffer i et fluidiseret leje, hvilket består af et nedre tæt fluidiseret leje af relativt store partikler, et øvre dispergeret medført leje af relativt fine partikler, som recirkuleres igennem det tætte leje, samt en medført svovl-sor-10 bent, kendetegnet ved, at man (A) driver det nedre område af det fluidiserede leje under substøkiometriske betingelser, således at Ν0χ reduceres til det ønskede niveau, (B) driver det øvre område af det fluidiserede leje, 15 som ligger over det substøkiometriske nedre område, under oxiderende betingelser for at gøre forbrændingen af brændstoffet fuldstændig, og (C) recirkulerer i det mindste en del af de relativt fine partikler fra det medførte leje igennem for- 20 trinsvis det øvre område, som drives under oxiderende betingelser, hvorved temperaturen i dette oxiderende område nedsættes til et niveau, som fører til en binding af svovl til svovl-sorbenten.

2. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet 25 ved, at man leder sekundær luft ind i forbrændings- apparaturet på et sted, som ligger imellem det nedre substøkiometriske område og det øvre oxiderende område .

3. Fremgangsmåde ifølge krav 2, kendetegnet 30 ved, at der indføres en yderligere mængde sekundær luft i forbændingsapparaturet i det oxiderende