FI100550B - Menetelmä ja laitteisto kasvisperäisen rouhemaisen polttoaineen poltta miseksi - Google Patents

Description

1 .100550

Menetelmä ja laitteisto kasvisperäisen rouhemaisen polttoaineen polttamiseksi

Keksinnön kohteena on menetelmä kasvisperäisen rou-5 hemaisen polttoaineen polttamiseksi, jossa menetelmässä polttoainetta poltetaan kattilassa, joka on mitoitettu polttamaan kuivaa polttoainetta, polttoainetta kuivataan kattilan savukaasuista saatavalla lämpöenergialla ja syötetään sen jälkeen poltettavaksi kattilan tulipesään.

10 Edelleen keksinnön kohteena on laitteisto kasvispe räisen rouhemaisen polttoaineen polttamiseksi, johon laitteistoon kuuluu kattila, joka on mitoitettu polttamaan kuivaa polttoainetta, syöttölaite polttoaineen syöttämiseksi kattilan tulipesään, kuivauslaite laitteistoon syö-15 tettävän polttoaineen kuivaamiseksi ja välineet kattilan savukaasujen lämpöenergian syöttämiseksi kuvauslaitteeseen .

Pienehköissä, tyypillisesti alle 2 MW kokoluokassa olevissa hakkeenpolttolaitoksissa on hankintahinnaltaan 20 edullisinta käyttää kattiloita, jotka on suunniteltu polttamaan kuivaa haketta. Tällaiset laitokset soveltuvat huonosti polttoaineen kosteuden vaihteluille eli niillä ei pystytä polttamaan esimerkiksi kasvutuoretta haketta, kuorta tai purua. Suunniteltaessa kattilat siten, että 25 niissä voidaan polttaa myös tuoretta polttoainetta nousee laitoksen hinta helposti korkeaksi. Hintaa lisäävinä tekijöinä ovat ensisijaisesti lisääntyneet tulipesän muuraukset, konvektio-osan kasvattaminen ja palamisilman esiläm-mittimet. Kostean polttoaineen polttoon suunniteltu laitos 30 soveltuu myös huonosti kuivalle polttoaineelle, koska kuivalla polttoaineella tulipesän lämpötila nousee korkeaksi ja laitteistossa tulee esimerkiksi kestävyysongelmia. Tarvittaessa kuivaa polttoainetta joudutaan jopa kastelemaan. Kostean polttoaineen polttoon suunniteltu laitos soveltuu 35 myös huonosti ajamaan pieniä tehoja tehonsäädön hankaluu- 2 100550 den vuoksi etenkin kuivaa polttoainetta käytettäessä.

FI-julkaisussa 780 822 on esitetty kattilan polttoaineen kuivauslaite. Kuivauslaitteeseen kuuluu polttoaine-säiliö, josta polttoaine kuljetetaan kattilan tulipesään.

5 Kattilasta tulevat savukaasut johdetaan polttoainesäiliön alapuolella olevaan suljettuun tilaan, jolloin savukaasut lämmittävät polttoainetta. Kyseisellä järjestelyllä saadaan kosteaa polttoainetta kuivattua ennen sen johtamista kattilaan, mutta syötettäessä polttoainesäiliöön valmiiksi 10 kuivaa polttoainetta kuivaavat savukaasut sitä edelleen täysin turhaan, jolloin esimerkiksi polttoainesäiliössä on palovaara.

FI-julkaisussa 60 435 on myös esitetty polttoaineen kuivauslaite. Kuivauslaitteessa on savukaasuilla lämmitet-15 ty pystysuunnassa pitkänomainen litteä kammio, jossa on vaakasuorassa olevia ruuvikuljettimia päällekkäin ja kyseisten ruuvikuljettimien alapuolella on kourut, joissa polttoaine kulkee ruuvikuljettimelta toiselle edestakaisin ja alaspäin. Savukaasut on johdettu kulkemaan kammiossa 20 ylöspäin, jolloin ne kuivaavat polttoainetta. Järjestely on hankala ja monimutkainen, eikä kuivaus tapahtumaa pystytä millään tavalla säätämään, jolloin esimerkiksi kuivaa polttoainetta syötettäessä sitä kuivataan turhaan ja palovaara kuivauslaitteessa on ilmeinen.

25 DE-julkaisussa 3 913 885 on esitetty kattilalait- teisto kostean polttoaineen polttamiseksi. Kyseiseen laitteistoon kuuluu viisto arina, jonka yläpäähän johdetaan polttoaine. Polttoaine kuivataan arinan yläosalla johtamalla kuivaukseen palokaasuja. Polttoaine kuivaa arinan 30 kuivausosalla ja se poltetaan arinan loppuosalla. Kyseinen laitteisto on rakenteeltaan suuri ja kallis, eikä se sovellu kuivan polttoaineen polttamiseen.

Tämän keksinnön tarkoituksena on saada aikaan menetelmä ja laitteisto, jossa edellä mainittuja epäkohtia ei 35 esiinny ja jolloin kosteudeltaan vaihtelevan kasvispe-

II

3 100550 räisen rouhemaisen polttoaineen polttaminen on mahdollista .

Keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista se, että käytetään polttoainetta, jonka kosteus voi vaih-5 della kuivan ja märän kosteustilan välillä, että savukaasut johdetaan lämmittämään ilmaa ja että kyseisen ilman lämpömäärä ja virtausmäärä mitoitetaan siten, että kyseinen ilma riittää kuivaamaan polttoaineen kaikissa polttoaineen kosteusolosuhteissa ja että lämmitettyä ilmaa ohja-10 taan siten, että se ilma, jota ei tarvita polttoaineen kuivaamiseen johdetaan kattilaan palamisilmaksi.

Edelleen keksinnön mukaiselle laitteistolle on tunnusomaista se, että laitteistoon kuuluu lämmönvaihdin ja ilmakanava, ja joka lämmönvaihdin on sovitettu lämmittä-15 mään ilmakanavassa virtaavaa ilmaa kattilan savukaasujen lämpöenergialla, että lämmönvaihdin ja ilman virtausmäärä on mitoitettu siten, että ilmakanavassa virtaava ilma riittää kuivaamaan polttoaineen kaikissa polttoaineen kosteusolosuhteissa ja että laitteistoon kuuluu välineet 20 polttoaineen kuivaukseen tarpeettoman ilmakanavassa vir-taavan ilman johtamiseksi kattilan palamisilmaksi.

Keksinnön olennainen ajatus on, että laitteistoon kuuluva kattila on mitoitettu polttamaan kuivaa polttoainetta ja syötettäessä laitteistoon kosteaa tai märkää 25 polttoainetta kattilan savukaasuista saatava lämpöenergia käytetään hyödyksi kuivattamaan polttoainetta ja se lämpö-energia, jota ei tarvita polttoaineen kuivaukseen johdetaan lämmittämään kattilan palamisilmaa. Edelleen erään sovellutusmuodon ajatuksena on, että savukaasut johdetaan 30 lämmönvaihtimeen, jolla lämmitetään ilmaa, joka johdetaan tarpeen mukaan joko kuivattamaan polttoainetta tai kattilan palamisilmaksi. Erään toisen edullisen sovellutusmuodon ajatuksena on, että polttoaine kuivataan viirakuivu-rilla, jonka viiran läpi savukaasujen lämpöenergialla läm-35 mitetty ilma johdetaan. Erään kolmannen edullisen sovellu- 100550 4 tusmuodon ajatuksena on, että kuivausilman lämmön talteenotto ja hakkeen läpi johdettava ilmavirta mitoitetaan siten, että hakkeen läpi poistuva ilma on olennaisesti vesihöyryllä kyllästynyttä. Vielä erään neljännen edulli-5 sen sovellutusmuodon ajatuksena on, että ilman jakoa joko kuivattamaan polttoainetta tai kattilan palamisilmaksi säädetään kattilan lämpötilan perusteella.

Keksinnön etuna on, että laitteistoon voidaan syöttää poltettavaksi kosteudeltaan vaihtelevaa polttoainetta.

10 Edelleen etuna on, että kattila mitoitetaan käyttämään kuivaa polttoainetta, jolloin polttotapahtuma on teknisesti helppo toteuttaa ja kattila saadaan rakenteeltaan edulliseksi. Tällöin on mahdollista käyttää esimerkiksi useita erilaisia vaihtoehtoisia arinaratkaisuja, tulipesän lämpö-15 tila saadaan korkeaksi, jolloin lämpöenergiasta saadaan suuri osa talteen säteilylämpönä, kattilassa tarvitaan vähän muurauksia, polttoaine saadaan poltettua tarkasti, jolloin tulee pienet päästöt ja edelleen pystytään välttämään kondensio- ja syöpymisongelmia. Edelleen savukaasujen 20 lämpötila voi olla varsin korkea, jolloin kattilan konvek-tio-osa voidaan mitoittaa pieneksi ja kattilan ikääntyminen ei ole merkittävää. Vielä käytettäessä kuivaa polttoainetta savukaasujen lämpöenergia saadaan talteen pala-misilman kautta takaisin systeemiin ja hyödyksi. Edelleen 25 laitteiston hyötysuhde on varsin korkea polttoaineen kos-teusarvoista riippumatta. Vielä on laitteisto mahdollista rakentaa kokonaishinnaltaan edullisesti. Samoin varsin tehokkaat laitteet pystytään toteuttamaan siten, että ne pystytään esimerkiksi sijoittamaan siirrettäviin konttei-30 hin.

Keksintöä selitetään tarkemmin oheisessa kuviossa, joka esittää kaavamaisesti erästä keksinnön mukaista laitteistoa .

Kuviossa on esitetty kattila l, jossa on tulipesä 35 la ja konvektio-osa Ib sinänsä täysin tunnetulla tavalla.

Il s .100550

Edelleen kuviossa on kaavamaisesti esitetty polttoaineen 18 syöttölaitteisto 2. Polttoaine 18 voidaan syöttää kattilaan 1 esimerkiksi ruuvikuljettimella tai sitten voidaan käyttää esimerkiksi niin sanottua stokeri-polttoa tai jo-5 tain muuta sinänsä täysin tunnettua ratkaisua. Koska polttoaineen 18 syöttölaitteisto 2 on sinänsä täysin tunnettu, ei sitä tässä yhteydessä ole käsitelty sen tarkemmin. Kattilasta 1 savukaasut johdetaan ulos savukaasukanavaa 3 pitkin. Savukaasut johdetaan nuolien A mukaisesti lämmön-10 vaihtimen 4 läpi. Lämmönvaihtimella 4 lämmitetään ilma-kanavassa 5 virtaavaa ilmaa. Ilma virtaa ilmakanavassa 5 nuolien B mukaisesti. Lämmönvaihtimella 4 lämmitetty ilma johdetaan kuivaus ilmakanavaa 6 pitkin kuvauslaitteeseen 7 kuivaamaan kosteaa polttoainetta 18. Lämmönvaihdin 4 voi 15 olla joko erillinen lämmönvaihdin tai elimillinen osa kattilaa 1.

Kuivauslaitteeseen 7 kuuluu ilmaa läpäisevä viira 8, joka muodostaa päättymättömän silmukan ja on sovitettu-kiertämään telojen 9a ja 9b ympäri. Viiran 8 muodostaman 20 silmukan keskelle on sovitettu kammio 10. Lämmitetty ilma johdetaan kuivausilmakanavalla 6 kammioon 10. Lämmennyt ilma puhalletaan kammiosta 10 viiran 8 yläpuolisen osan läpi, jolloin ilma samalla kulkeutuu viiran 8 yläpuolella olevan polttoaineen 18 läpi nuolien C ja D mukaisesti.

25 Polttoaine 18 syötetään viiran 8 päälle esimerkiksi syöt-tökanavaa 11 pitkin. Polttoaine 18 voi olla esimerkiksi kuivaa tai kasvutuoretta haketta, kuorta, purua, viljan lajittelujätettä, puusepänteollisuuden jätettä, palatur-vetta tai jotain muuta sopivaa kasvisperäistä rouhemaista 30 polttoainetta. Kammio 10 tiivistetään edullisesti alku-päästään ensimmäistä telaa 9a vasten ja loppupäästään viiraa 8 vasten. Lämmin ilma kulkiessaan polttoaineen 18 läpi poistaa siitä kosteutta. Edullisimmin kuivausilman lämpötila ja viiran 8 nopeus mitoitetaan siten, että polttoai-35 neen 18 läpi poistuva ilma on olennaisesti vesihöyryllä 100550 6 * kyllästynyttä. Telojen 9a ja 9b pyöriminen eli viiran 8 liike voi olla joko jatkuvaa tai jaksottaista ohjattuna esimerkiksi askelmoottorilla. Oleellisinta kuitenkin on, että kuivausilman lämpötila ja puhallusnopeus sekä viiran 5 8 liike ja pinta-ala mitoitetaan siten, että polttoaine 18 saadaan kuivattua riittävän kuivaksi.

Oheisen kuvion osoittamassa tapauksessa syötetään keksinnön mukaisen laitteiston kuvauslaitteelle kosteata polttoainetta 18, jolloin kuivausilmakanavan 6 säätöpellin 10 12 ja palamisilmakanavan 13 säätöpellin 14 avulla kaikki lämmönvaihtimella 4 lämmitetty ilma johdetaan kuivaamaan polttoainetta 18. Tällöin palamisilmakanavaa 13 pitkin johdetaan kattilaan palamisilmaa apuilmakanavasta 15. Oheisessa kuviossa on palamisilman johtaminen esitetty yk-15 sinkertaistettuna, mutta luonnollisesti kattilaan voidaan johtaa sekä primääri- että sekundääripalamisilmaa sinänsä täysin tunnetulla tavalla. Silloin, kun polttoaine 18 ei ole niin märkää, että kaikki lämmönvaihtimella 4 lämmitetty ilma täytyisi johtaa kuivaamaan polttoainetta 18, sul-20 jetaan kuivausilmakanavan 6 säätöpeltiä 12 ja avataan palamisilmakanavan 13 säätöpeltiä 14, jolloin osa lämmitetystä ilmasta johdetaan kattilan palamisilmaksi. Edelleen syötettäessä laitteistoon niin kuivaa polttoainetta 18, että sitä ei tarvitse kuivata ollenkaan suljetaan kui-25 vausilmakanavan 6 säätöpelti 12 kokonaan ja avataan palamisilmakanavan 13 säätöpelti 14 siten, että kaikki lämmönvaihtimella 4 lämmitetty ilma johdetaan palamisilmaksi. Selvyyden vuoksi ei oheisessa kuviossa ole esitetty kanavastojen ilman liikuttamiseen tarvittavia puhaltimia.

30 Säätöpeltejä 12 ja 14 voidaan säätää säätölaitteis- tolla 17. Säätölaitteistoon 17 johdetaan anturin 16 tieto tulipesän la lämpötilasta. Kun polttoaine 18 muuttuu kosteammasta kuivemmaksi, menee polttoaine kuivauslaitteen 7 jälkeen tulipesään la entistä kuivempana ja tulipesän la 35 lämpötila nousee. Tämän lämpötilan nousun anturi 16 ha-

II

7 100550 vaitsee, jolloin säätölaitteisto 17 ohjaa säätöpeltejä 12 ja 14 siten, että lämmönvaihtimella 4 lämmitetystä ilmasta aikaisempaa suurempi osa menee palamisilmaksi. Lämpötilan edelleen noustessa sulkee säätölaitteisto 17 kuivausilma-5 kanavan 6 säätöpellin 12 kokonaan ja koko palamisilma voi olla esilämmitettyä. Kun polttoaine muuttuu aikaisempaa kosteammaksi, tulipesän la lämpötila alkaa pudota ja säätölaitteisto 17 ohjaa lämmönvaihtimella 4 lämmitettyä ilmaa säätöpeltien 12 ja 14 avulla aikaisempaa enemmän kui-10 vattamaan polttoainetta 18. Säätöpeltien 12 ja 14 ohjaus voidaan suorittaa myös esimerkiksi kuivausilman poistoläm-pötilan tai poistokosteuden perusteella tai jonkun muun sopivan lähtötiedon perusteella.

Keksinnön mukaisen laitteiston kattila 1 mitoite-15 taan kuivalle polttoaineelle, mikä tässä yhteydessä tarkoittaa sitä, että kattilan 1 rakenteessa ei tarvitse huomioida kostean polttoaineen polttamisessa tarvittavia erikoisratkaisuja. Esimerkiksi polttoaineen syöttö- ja arinaratkaisu voivat olla hinnaltaan edullisia toiminta-20 varmuuden silti kärsimättä. Mitoituksen lähtökohtana voi esimerkiksi olla, että kuivaa polttoainetta on sellainen polttoaine, jonka kosteus on aina 35 % tai sitä vähemmän. Tällöin kattilan rakenteissa voidaan helposti ottaa huomioon myös se, että laitteistoon syötetään esimerkiksi polt-2 5 toainetta, jonka kosteus on 10 % tai jopa täysin rutikuivaa polttoainetta. Tehdyissä laskelmissa on todettu, että laitteistoon syötettävän polttoaineen kosteus voi olla esimerkiksi 60 % ja silti laitoksen hyötysuhde saadaan pysymään varsin hyvänä. Luonnollisesti tätä kuivem-30 millä polttoaineilla hyötysuhde on vielä parempi. Kuivempaa polttoainetta käytettäessä tulipesän la lämpötila kohoaa, jolloin lämmön siirtyminen kattilaan tehostuu.

Savukaasut voidaan poistaa kattilasta 1 varsin kuumina, esimerkiksi noin 300 - 400, edullisesti 350 - 400 35 asteisina. Tällöin kattilan konvektio-osa Ib saadaan pie- β 100550 neksi ja samalla pienennetään laitteiston likaantumisongelmia. Lämmönvaihtimella 4 savukaasujen lämpötila saadaan pudotettua alaspäin esimerkiksi noin 100 asteeseen. Tällöin lämmönvaihtimella 4 saadaan ilmakanavassa 5 kulkevaa 5 ilmaa lämmitettyä varsin hyvin.

Kuvio ja siihen liittyvä selitys on tarkoitettu vain havainnollistamaan keksinnön ajatusta. Yksityiskohdiltaan keksintö voi vaihdella patenttivaatimusten puitteissa. Niinpä esimerkiksi polttoaineen varastoinnissa ja 10 kuivauslaitteeseen syötössä voidaan käyttää tunnettua tekniikkaa .

Il

Claims (8)

9 . 100550

1. Menetelmä kasvisperäisen rouhemaisen polttoaineen polttamiseksi, jossa menetelmässä polttoainetta (18) 5 poltetaan kattilassa (1) , joka on mitoitettu polttamaan kuivaa polttoainetta, polttoainetta (18) kuivataan kattilan (1) savukaasuista saatavalla lämpöenergialla ja syötetään sen jälkeen poltettavaksi kattilan (1) tulipesään (la) , tunnettu siitä, että käytetään polttoainet- 10 ta, jonka kosteus voi vaihdella kuivan ja märän kosteustilan välillä, että savukaasut johdetaan lämmittämään ilmaa ja että kyseisen ilman lämpömäärä ja virtausmäärä mitoitetaan siten, että kyseinen ilma riittää kuivaamaan polttoaineen (18) kaikissa polttoaineen (18) kosteusolosuh- 15 teissä ja että lämmitettyä ilmaa ohjataan siten, että se ilma, jota ei tarvita polttoaineen (18) kuivaamiseen johdetaan kattilaan (l) palamisilmaksi.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että polttoaine (18) kuivataan 20 syöttämällä se ilmaa läpäisevälle viiralle (8) ja puhaltamalla viiran (8) ja polttoaineen (18) läpi savukaasujen lämpöenergialla lämmitettyä ilmaa.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ilman lämmitys savukaasuilla 25 ja polttoaineen (18) läpi johdettava ilmavirta mitoitetaan siten, että polttoaineen (18) läpi poistuva ilma on olennaisesti vesihöyryllä kyllästynyttä.

4. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kattilan (l) savu- 30 kaasut poistetaan kattilasta (l) 300 - 400 asteen lämpöisinä.

5. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kattilan (l) tu-lipesän (la) lämpötila mitataan ja mittauksen perusteella 3. ohjataan savukaasujen lämpöenergialla lämmitetty ilma tar- 10 1005bCJ peen mukaan kuivaamaan polttoainetta (18) ja kattilan (1) palamisilmaksi.

6. Laitteisto kasvisperäisen rouhemaisen polttoaineen polttamiseksi, johon laitteistoon kuuluu kattila (1), 5 joka on mitoitettu polttamaan kuivaa polttoainetta, syöttölaite (2) polttoaineen (18) syöttämiseksi kattilan (1) tulipesään (la), kuivauslaite (7) laitteistoon syötettävän polttoaineen (18) kuivaamiseksi ja välineet kattilan (l) savukaasujen lämpöenergian syöttämiseksi kuivauslaittee-10 seen (7), tunnettu siitä, että laitteistoon kuuluu lämmönvaihdin (4) ja ilmakanava (5), ja joka lämmönvaihdin (4) on sovitettu lämmittämään ilmakanavassa (5) virtaavaa ilmaa kattilan (1) savukaasujen lämpöenergialla, että lämmönvaihdin (4) ja ilman virtausmäärä on mitoitettu siten, 15 että ilmakanavassa (5) virtaava ilma riittää kuivaamaan polttoaineen (18) kaikissa polttoaineen (18) kosteus-olosuhteissa ja että laitteistoon kuuluu välineet polttoaineen (18) kuivaukseen tarpeettoman ilmakanavassa (5) virtaavan ilman johtamiseksi kattilan (1) palamisilmaksi.

7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että kuivauslaite (7) käsittää ilmaa läpäisevän viiran (8) , välineet polttoaineen (18) syöttämiseksi viiran (8) yläpuolelle ja välineet lämpimän ilman johtamiseksi viiran (8) läpi polttoaineen (18) kui-25 vaamiseksi.

8. Patenttivaatimuksen 6 tai 7 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että laitteistoon kuuluu säätöpel-lit (12, 14) lämmönvaihtimella (4) lämmitetyn ilman virtauksen säätämiseksi kuivaamaan polttoainetta (18) ja kat-30 tilan (1) palamisilmaksi, anturi (16) kattilan (1) tuli- pesän (la) lämpötilan mittaamiseksi ja säätölaitteisto (17) säätöpeltien (12, 14) ohjaamiseksi anturin (16) mittaustuloksen perusteella. I! -100550 11