FI104980B - Petimateriaali ja polttomenetelmä - Google Patents

Description

104980 PETIMATERIAALI JA POLTTOMENETELMÄ

Esillä olevan keksinnön kohteena on patentti-* vaatimuksen 1 johdanto-osassa määritelty petihiekka ja 5 patenttivaatimuksen 8 johdanto-osassa määritelty polttomenetelmä.

Energiantuotannossa käytettävissä polttomenetelmissä (pölypoltto, leijukerrospoltto, poltto arina-kattilassa jne.) käytetään erilaisia kiinteitä poltto-10 aineita, esim. kivihiiltä, turvetta ja biopolttoaineita, kuten kuoriketta, haketta, sahanpurua tai vastaavaa. Leijukerrospolttoprosessien yleistyttyä on ns. alkaalipitoisten polttoaineiden käyttö lisääntynyt. Alkaalipitoisia polttoaineita ovat esimerkiksi laji-15 teltu (RDF tai PDF) tai lajittelematon yhdyskuntajäte, puujäte, lastulevy- ja vanerijäte sekä yksivuotiset kasvit kuten olki tai muut vastaavat polttoaineet.

Alkaalipitoisella polttoaineella tarkoitetaan tässä yhteydessä polttoainetta, joka sisältää esim. 20 Na, K, Ca tai muita alkaali- tai maa-alkaalimetalleja tai muita vastaavia aineita polttoon vaikuttavissa määrin.

Leijukerrospolttoprosesseissa (BFB, CFB) käytettävistä petimateriaaleista luonnonhiekka eli kvart->t):' 25 sihiekka on yleisin. Leijukerrospolton lämpötila pyri- tään pitämään normaalisti tasolla 750 - 900 °C.

• · .'.J Leijukerrospolttoprosessin suurimpia ongelmia · ovat petimateriaalin agglomeroituminen eli partikkeli- • · · en yhteensulautuminen ja sitä seuraava pedin defluidi- • · · * 30 saatio eli leijumisen loppuminen käytettäessä alkaali pitoisia polttoaineita. Agglomeroitumisen seurauksena • · · petimateriaalin partikkelikoko kasvaa partikkelien yh- • · · V ’ teensulautumisen tai pinnoittumisen takia ja syötettä- V. väliä lei jutusilmalla ei pystytä leijuttamaan kasva- 35 neita partikkeleita/partikkeliryhmiä, jolloin leijumi- • · • nen hidastuu olennaisesti ja/tai pysähtyy kokonaan.

9 • f · • · * • * 9 « • · * * · • · 2 104980

Yksivuotiset kasvit, kuten olki, sekä lastulevy- ja vanerijäte sisältävät runsaasti maa-alkaalimetalleja, jolloin näiden polttoaineiden polttaminen leijukerrosprosessissa käytettäessä petimate-5 riaalina tunnettua petihiekkaa on ongelmallista. Etenkin polttoaineiden sisältäessä suuria pitoisuuksia al-kaalisia aineita niiden käyttö on hankalaa. Petimate-riaali voidaan joutua vaihtamaan päivittäin, mikä lisää kustannuksia. Toisaalta seospolttoa käytettäessä 10 pystytään polttamaan vain pieniä määriä, 0 - 10 % ko-konaispolttoainemäärästä, alkaalipitoisia polttoaineita ja tällöinkin petimateriaalin vaihtotiheys on suuri .

Leijukerrospoltossa lämpötilan noustessa yli 15 950 °C:een tunnetun petimateriaalin agglomeroituminen kasvaa voimakkaasti. Toisaalta polttoaineen alkaali-kuormituksen kasvaminen pedissä laskee agglomeroitu-mislämpötilaa. Agglomeroitumiseen vaikuttavat siis pääasiassa pedin lämpötila ja polttoaineen alkaali-20 kuormitus. Edelleen ongelmana on polttoaineen kosteuden vaihtelu, sillä kuiva polttoaine saattaa aiheuttaa pedin lämpötilan äkillisen nousun ja siten prosessin alasajon.

Edelleen normaalin leijukerrospolton ongelma-25 na on tuhkakerrostumien muodostuminen kattilan seinä- i * mille ja konvektiopinnoille.

Poltossa syntyvän tuhkan sulaminen osittain ;Y: tai kokonaan leijupolton lämpötiloissa, voi aiheuttaa • · .‘Γ. sulan aineksen takertumisen petimateriaaliin ja siten 30 lisätä agglomeroitumista. Epähomogeenisen polttoai- . neen, esim', turpeen ja yhdyskuntajätteen, käyttäminen • · · *.I lisää sulan tuhkan muodostumista.

« · · Y Leijukerrospolttoprosessissa petimateriaalin agglomeroitumistaipumusta voidaan vähentää syöttämällä •:"i 35 polttoaineen mukana lisäaineita, kuten kaoliinia, sha- mottimurskaa, dolomiittia tai alumiinioksidia, esim.

I · · noin 1-5 paino-%. Lisäaineen syötön haittana on pro- • · « · I · 3 104980 sessin taloudellisuuden heikentyminen johtuen lisäaineen määrästä suhteessa polttoaineen määrään ja lisä-ainesyöttöä varten vaadittavien laitteiden investoin-^ tikulut.

5 Pölypolttolaitoksen ongelmana on, ettei siel lä voida hyödyntää laaja-alaisesti erilaisia polttoaineita. Arinakattilatekniikan on todettu olevan leiju-kerrospolttoa olennaisesti kalliimpi ratkaisu, etenkin yli 5 MW:n kattilaluokassa.

10 Tunnettuja polttomenetelmiä ei voida pitää taloudellisina ratkaisuina vahvasti alkaalipitoisten polttoaineiden polttamiseksi. Petimateriaalin vaihto-tiheys, esim. leijukerrospoltossa, on suuri pedin nopeasta agglomeroitumisesta johtuen. Pahimmillaan vaih-15 totiheys on vain muutamia tunteja. Tällöin laitoksen toistuvista alasajoista syntyy huomattavia taloudellisia menetyksiä.

Keksinnön tarkoituksena on poistaa edellä mainitut ongelmat ja tuoda esiin uusi käyttökelpoinen 20 ja taloudellinen petimateriaali ja polttomenetelmä erilaisten polttoaineiden polttamiseksi, etenkin alkaalipitoisten polttoaineiden polttamiseksi. Erityisesti keksinnön tarkoituksena on tuoda esiin petihiek-ka ja polttomenetelmä, joiden avulla pedin agglomeroi-25 tumisongelma on ratkaistavissa.

Keksinnön mukaiselle petihiekalle ja poltto-menetelmälle on tunnusomaista se, mikä on esitetty pa- • · ·''· tenttivaatimuksissa.

• · · • ·

Keksintö perustuu siihen, että sinänsä tunne- 30 tussa polttoprosessissa käytettävä petimateriaali si- sältää ainakin kahta oksidikomponenttia A1203, Fe203,

Si02, CaO ja/tai MgO, jolloin CaO-komponentin pitoi- * · · P · · \ suus petimateriaalissa on välillä 5-60 paino-% ja kahden tai useamman oksidikomponentin yhteispitoisuus 35 petimateriaalissa on välillä 50 - 100 paino-%, ja pe timateriaali on olennaisesti agglomeroitumaton poltto- I i i aineen alkaalikuormituksen vaikutuksesta. Luonnolli- • « 4 104980 sesti petimateriaali voi sisältää mitä tahansa oksidi-komponentteja ja muita tavanomaisia petimateriaaleja.

Keksinnön eräässä sovellutuksessa petimateriaali sisältää vähintään kolme oksidikomponenttia.

5 Keksinnön eräässä sovellutuksessa oksidikom- ponentteja on vähintään 60 % koko petimateriaalista. Vaihtoehtoisessa sovellutuksessa oksidikomponentteja on vähintään 80 % koko petimateriaalista.

Keksinnön eräässä sovellutuksessa oksidikom-10 ponentit on esisulatettu olennaisesti petimateriaalin valmistuksen yhteydessä. Eräässä sovellutuksessa esi-sulatetuista oksidikomponenteista muodostettuun peti-materiaaliin on lisätty AI2O3, Fe2<03, S1O2, CaO ja/tai

MgO tai muita vastaavia oksidikomponentteja myöhäisem-15 mässä vaiheessa.

Keksinnön eräässä sovellutuksessa petimateriaalin ominaispaino on välillä 0,8 - 1,1 kg/dm3.

Keksinnön eräässä sovellutuksessa polttopro-sessiin syötetään alkaalipitoista polttoainetta 0 - 20 100 % kokonaispolttoainemäärästä.

Keksinnön mukaisen petimateriaalin etuna on sen resistiivisyys eli vastustuskykyisyys polttoaineen alkaalikuormituksen suhteen so. petimateriaali ei agg-lomeroidu alkaalikuormituksen vaikutuksesta.

25 Tällöin keksinnön mukaisen polttomenetelmän

« I I

'1 etuna on, että esim. leijukerrosprosessissa voidaan • · · *· “ käyttää alkaalipitoisia polttoaineita, kuten yhdyskun- • · *.V tajätettä, olkea, puu- ja vanerijätettä tai vastaavaa, ··· · koska petimateriaali ei agglomeroidu alkaalien vaiku- 30 tuksesta. Edelleen kyseisessä polttomenetelmässä voi-daan polttaa olennaisesti suurempia määriä alkaalipi- • · toisia polttoaineita kuin ennestään tunnetuissa mene- t · « telmissä.

« r <

Edelleen keksinnön etuna on, että polttomene-'·" 35 telmässä saavutetaan pienempi energiankulutus petima- ; . teriaalin pienemmän ominaispainon ansiosta. Keksinnön II· mukaisen petimateriaalin ominaispaino on välillä 0,8 - • # 5 104980 1,1 kg/dm3, kun tunnettujen petihiekkojen ominaispaino on tavallisesti 1,3 - 1,6 kg/dm3. Tällöin keksinnön mukaisessa polttomenetelmässä tarvitaan vähemmän primääri-ilmaa petimateriaalin leijuttamiseksi esim. lei-5 jukerroskattilassa, mikä pienentää prosessin sähkönkulutusta .

Edelleen keksinnön ansiosta voidaan poltto-prosessissa käyttää korkeampia lämpötiloja, jopa yli 950 °C lämpötiloja, sillä petimateriaali ei agglome-10 roidu korkeissakaan lämpötiloissa. Lämpötilan noustessa prosessin hyötysuhde paranee ja tietyt päästöt, esim. CO, pienenevät.

Keksinnön mukaisessa polttomenetelmässä ei polttoaineen sekaan tarvitse lisätä lisäaineita, mikä 15 lisää menetelmän taloudellisuutta tunnettuun tekniik kaan verrattuna. Edelleen keksinnön etuna on, ettei polttomenetelmä ole herkkä polttoaineen kosteudelle, joten kosteus saa vaihdella.

Edelleen keksinnön mukaisen polttomenetelmän 20 etuina ovat polttoprosessin tasaisuus, so. toiminta häiriöitä on vähemmän, sekä petimateriaalin pitkät vaihtovälit ilman jaksottaista vaihtoa tai prosessin alasajoa. Edelleen keksinnön etuna on, ettei kattilan ' _ pinnoille synny tuhkakerrostumia samalla tavoin kuin ··; 25 tunnetuissa menetelmissä.

V,:. Keksinnön mukainen petimateriaali ja poltto- • · :/·· menetelmä parantavat nykyisten kattilalaitosten käy- :V: tettävyyttä ja edelleen uusien kattilalaitosten sovel- tuvuutta eri tarkoituksiin. Keksinnön mukaista petima- * 30 teriaalia ja polttomenetelmää voidaan käyttää erilai- sinä sovellutuksina monilla eri aloilla, esim. energi- • · · antuotannossa, kuten sähkön-, höyryn- tai lämmöntuo- · · · ·, tannossa, yhdyskuntien jätehuollossa, maa- ja metsäta- f » < t loudessa tai muilla vastaavilla aloilla.

35 Keksintöä selostetaan seuraavassa yksityis- kohtaisten sovellutusesimerkkien avulla.

• 4 t 6 104980

Esimerkki 1 Tässä polttomenetelmäsovellutuksessa käyte-5 tään joko pelkästään alkaalipitoista polttoainetta, esim. vanerijätettä, tai polttoaineseosta, joka sisältää alkaalipitoista polttoainetta, esim. puuhake - vaneri jäteseosta . Polttoaine poltetaan sinänsä tunnetussa polttoprosessissa, kuten edullisesti leijukerros-10 kattilassa, jossa petimateriaalina käytetään AI2O3-,

Fe203-, S1O2-/ CaO- ja/tai MgO -komponenteista koostuvaa petimateriaalia. Petimateriaali koostuu edullisesti noin 100 prosenttisesti kyseisistä oksideista, joista pääoksidikomponenttina on CaO n. 5 - 60 paino-% 15 osuudella koko petimateriaalista. Petimateriaalin ominaispaino on välillä 0,8 - 1,1 kg/dm3.

Tässä polttomenetelmäsovellutuksessa prosessin lämpötila on edullisesti alle 950 °C. Lämpötila on mahdollista nostaa uuden petimateriaalin ansiosta jopa 20 yli 950 °C:een.

Pedin lämpötilaan voidaan vaikuttaa sinänsä tunnetuilla tavoilla, kuten syötettävän polttoaineen kosteudella, primääri-ilman ja kiertokaasun suhteella ja mahdollisella esilämmityksellä sekä kattilan vuora-25 uksella. Käytettäessä kuivempaa polttoainetta lämpöti- « · !,’*· la pyrkii prosessissa nousemaan. Kiertokaasun määrän :*·.! lisääminen vähentää syötettävän kaasun happipitoisuut- •Y: ta ja siten hidastaa palamistapahtumaa, so. kiertokaa- • · su toimii inerttinä kaasuna.

1 » · 30 Polttoaineen kosteus voi olennaisesti vaih della jatkuvatoimisen prosessoinnin aikana. Polttoai- • · · neen mukana ei tarvitse syöttää lisäaineita leijuker- • · · ’·* * roskattilaan.

r ; Polttomenetelmäsovellutuksessa leijukerros- 35 kattilassa olevaa petimateriaalia voidaan vaihtaa, so.

lisätä/poistaa, tasaisesti prosessoinnin aikana ja/tai ''l prosessikatkojen aikana. Petimateriaalin lisäys/poisto IM" I · 104980 7 voi tapahtua esim. jatkuvatoimisesti. Eräässä sovellutuksessa petimateriaalia voidaan myös kierrät-tää/käyttää uudelleen samassa ja/tai eri prosessissa, koska se ei agglomeroidu eikä siten muutu millään ta-5 voin.

Keksinnön mukainen polttomenetelmä antaa mahdollisuuden uuden petimateriaalin ansiosta suuremman pelkistävän ja/tai hapettavan alueen liikkumavaraan prosessissa kuin tunnetuissa menetelmissä.

10

Esimerkki 2

Suoritetussa koeajossa tutkittiin polttoai- 15 neen alkaalikuormituksen vaikutusta petimateriaaliin.

Koeajossa käytettiin petimateriaalia, joka sisälsi A1203, Fe203, Si02, CaO ja MgO yhteispitoisuudeltaan noin 90 - 100 paino-% ja CaO edullisesti noin 45 - 55 paino-% ja MgO noin 5-15 paino-%, esim. noin 10 pai- 20 no-%. Koeajon aikana poltettiin puhdasta alkaalipi- toista vanerijätettä 4,5 MW:n leijukerroskattilassa kaukolämmöin tuottamiseksi.

Polttoainetta so. 100 % vanerijätettä syötet- ' , tiin polttokattilaan koeajon aikana yhteensä noin 760 ';,:t 25 m3. Viiden käytetyn polttoaine-erän kosteudet vaihte- '· livat välillä 7,8 - 22,4 %.

• · '·.*·: Vanerijäte syötettiin polttokattilaan jatku- • · vatoimisesti. Palamisen aikana polttokattilaan syötet-tiin primääri-ilmaa noin 0,3 - 0,6 m3/s nopeudella.

30 Pedin lämpötila koeajon aikana oli keskimää- rin noin 750 °C, vaihdellen välillä 650 - 920 °C. UI- 9 9 » koilman lämpötila oli koeajon aikana noin välillä 9,0 *’! - 26,5 °C.

I I i ί'...! Koeajon aikana syötettiin polttokattilaan li- 35 säksi noin 225 kg kiinteää vaneriliimaa vanerijätteen . .·. seassa. Ns. liimakoe kesti 36 tuntia, ja se suoritet- • « « tiin koeajon 18. - 20. vuorokauden kohdalla. Liiman » 8 104980 syötöstä polttoprosessiin ei havaittu olevan minkäänlaista havaittavaa haittaa prosessille eikä petimate-riaalille.

Koeajo kesti yhteensä noin 32,5 vuorokautta 5 käsittäen joitakin koeajoista riippumattomia katkoja, jotka kestivät muutamasta tunnista muutamaan päivään, jolloin polttoprosessi oli ilman polttoainesyöttöä. Petimateriaalia ei vaihdettu kyseisten häiriöiden aikana .

10 Koeajon aikana tai jälkeen ei havaittu min- käänasteista petimateriaalin agglomeroitumista.

Keksinnön mukainen petihiekka ja polttomene-15 telmä soveltuvat erilaisina sovellutuksina minkä tahansa polttoaineen polttamiseksi missä tahansa poltto-prosessissa, erityisesti alkaalipitoisten polttoaineiden polttamiseksi leijukerroskattilassa.

Keksinnön sovellutukset voivat vaihdella 20 oheisten patenttivaatimusten puitteissa.

t I < * « · • * • · • · · • ·· • · • · • · · • · · • · ··· • · · • * · • · • · · • · · • · • · · • · · • « · rt' '

Claims (15)

1. Petimateriaali käytettäväksi polttoproses-sissa, tunnettu siitä, että petimateriaali si-sältää olennaisesti ainakin kahta oksidikomponenttia

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen petimateriaali, tunnettu siitä, että petimateriaali sisältää vähintään kolme oksidikomponenttia.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen peti- materiaali, tunnettu siitä, että oksidikompo-nentteja on vähintään 60 % petimateriaalista.

4. Jonkin patenttivaatimuksista 1-3 mukainen petimateriaali, tunnettu siitä, että oksidi- 20 komponentteja on vähintään 80 % petimateriaalista.

5. Jonkin patenttivaatimuksista 1-4 mukainen petimateriaali, tunnettu siitä, että oksidi-komponentit on esisulatettu olennaisesti petimateriaa- ' , Iin valmistuksen yhteydessä. 11« y' 25

6. Jonkin patenttivaatimuksista 1-5 mukai- ’· '· nen petimateriaali, tunnettu siitä, että esisu- · latetuista oksidikomponenteista muodostettuun petima- • · :.V teriaaliin on lisätty A1203, Fe203, Si02, CaO ja/tai MgO.

5 AI2O3, Fe203, Si02, CaO ja/tai MgO, jolloin CaO-kompo- nentin pitoisuus petimateriaalissa on välillä 5-60 paino-% ja kahden tai useamman oksidikomponentin yh-teispitoisuus petimateriaalissa on välillä 50 - 100 paino-%, ja petimateriaali on olennaisesti agglomeroi- 10 tumaton polttoaineen alkaalikuormituksen vaikutuksesta .

7. Jonkin patenttivaatimuksista 1-6 mukai- j·.*· nen petimateriaali, tunnettu siitä, että petima- • · * teriaalin ominaispaino on välillä 0,8 - 1,1 kg/dm .

« · · .*· 8. Polttomenetelmä polttoaineiden polttami- seksi petimateriaalia sisältävässä polttoprosessissa, 35 tunnettu siitä, että menetelmässä petimateriaa- . .·. Iina käytetään olennaisesti ainakin kahta oksidikompo- nenttia A1203, Fe203, Si02, CaO ja/tai MgO sisältävää 10 104980 petimateriaalia, jossa CaO-komponentin pitoisuus on välillä 5-60 paino-% ja kahden tai useamman oksidi-komponentin yhteispitoisuus on välillä 50 - 100 paino-% ja joka on olennaisesti agglomeroitumaton syötettä-5 vän polttoaineen alkaalikuormituksen vaikutuksesta. ψ

9. Patenttivaatimuksen 8 mukainen polttomenetelmä, tunnettu siitä, että menetelmässä käytetään petimateriaalia, joka sisältää vähintään kolme oksidikomponenttia.

9 104980

10. Patenttivaatimuksen 8 tai 9 mukainen polttomenetelmä, tunnettu siitä, että menetelmässä käytetään petimateriaalia, jossa oksidikompo-nentteja on vähintään 60 % petimateriaalista.

11. Jonkin patenttivaatimuksista 8-10 mu- 15 kainen polttomenetelmä, tunnettu siitä, että menetelmässä käytetään petimateriaalia, jossa oksidikom-ponentteja on vähintään 80 % petimateriaalista.

12. Jonkin patenttivaatimuksista 8-11 mukainen polttomenetelmä, tunnettu siitä, että me- 20 netelmässä käytetään petimateriaalia, jossa oksidikom-ponentit on esisulatettu olennaisesti petimateriaalin valmistuksen yhteydessä.

13. Jonkin patenttivaatimuksista 8-12 mukainen polttomenetelmä, tunnettu siitä, että me- ·;·: 25 netelmässä käytetään esisulatetuista oksidikomponen- *. '1 teista muodostettua petimateriaalia, johon on lisätty • · ·,1·· AI2O3, Fe2C>3, S1O2, CaO ja/tai MgO. • · it!e!

14. Jonkin patenttivaatimuksista 8-13 mu- kainen polttomenetelmä, tunnettu siitä, että me- « 30 netelmässä käytetään petimateriaalia, jonka ominais-paino on välillä 0,8 - 1,1 kg/dm3. • 1

15. Jonkin patenttivaatimuksista 8-14 mu- I t · kainen polttomenetelmä, tunnettu siitä, että • 1 « ·...' polttoprosessiin syötetään alkaalipitoista polttoai- 35 netta 0 - 100 % kokonaispolttoainemäärästä. • • t I • « · • « « f 104980