FI108809B - Menetelmä leijukerrospoltossa muodostuvien typenoksidipäästöjen vähentämiseksi - Google Patents

Description

108809

Menetelmä leijukerrospoltossa muodostuvien typenoksidipäästöjen vähentämiseksi Tämän keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 johdannon 5 mukainen menetelmä leijukerrospoltossa muodostuvien typenoksidipäästöjen (NOx) vähentämiseksi.

Leijukerroksella tarkoitetaan hiukkasista koostuvan petima-teriaalin ja kaasun seosta, jossa petimateriaalin leijumi-10 nen saadaan aikaan johtamalla kaasua petimateriaalin sekaan alhaalta ylöspäin sopivalla nopeudella. Energiantuotannossa leijukerrostekniikkaa käytetään pääasissa kiinteiden polttoaineiden, kuten hiilen, turpeen ja hakkeen polttamisessa. Polttoaine syötetään petimateriaalin joukkoon leijukerros-15 kattilan tulipesän alaosaan. Polttoaineen tarvitsema pala-misilma syötetään tulipesän pohjasta ylöspäin, jolloin se toimii myös pedin leijutuskaasuna. Jos leijukerroskattilas-sa käytetään palamisilman syötön vaiheistusta, käytetään primääri-ilmaa leijutuskaasuna ja loppuosa palamisilmasta 20 syötetään korkeammalta tasolta petiin tai pedin yläpuolelle yhdessä tai useammassa eri vaiheessa.

* · · · * · « • t · · ·*· Leijukerrospoltto soveltuu useille eri polttoaineille, ja * · * · ·;··: sitä voidaan käyttää myös huonolaatuisten polttoaineiden :***: 25 polttamiseen. Savukaasujen sisältämää rikkiä voidaan pois- : taa tehokkaasti syöttämällä kalkkia petimateriaalin jouk koon. Muita leijukerrospolton hyviä ominaisuuksia ovat mm.

• · hyvä polttoaineen palamishyötysuhde, hyvä käytettävyys sekä ‘...· tehokas lämmön siirtyminen pedin ja tulipesän seinämien vä- ·;·· 30 Iillä. Lisäksi lei jukerrospolton typenoksipäästöt ovat al- haisen palamislämpötilan ansiosta pieniä.

« · * » » » • » .··, Typenoksidipäästöt muodostuvat typpeä sisältäviä polttoai- M t neita poltettaessa pääasiassa kahdella eri tavalla. Toises-35 sa mekanismissa typenoksideja syntyy palamisilman ja polt- 2 108809 toaineen mukana tulevasta molekylaarisesta typestä, joka hapettuu korkeassa lämpötilassa typenoksideiksi. Tällä mekanismilla syntyneistä typenoksideista käytetään nimitystä terminen-NOx, koska ne vaativat muodostuakseen korkean läm-5 pötilan. Leijukerrospoltossa palamislämpötila on alhainen, noin 800-900 °C, minkä takia termisiä typenoksideja ei juurikaan muodostu. Toisessa typenoksidien muodostumismekanis-missa polttoaineen sisältämä orgaaninen typpi hapettuu typenoksideiksi, jolloin niistä käytetään nimitystä polttoai-10 ne-ΝΟχ. Leijukerrospoltossa muodostuneet typenoksidit ovat pääasiassa tällä mekanismilla syntyneitä.

Typenoksidipäästöjen vähentämiskeinot voidaan jakaa polttoteknisiin ja sekundäärisiin menetelmiin. Polttoteknisillä 15 menetelmillä, kuten palamislämpötilan laskemisella, estetään typenoksidien muodostuminen tai konvertoidaan aiemmissa palamisvaiheissa muodostuneita typenoksideja polttotek-nisesti muiksi yhdisteiksi. Sekundäärisillä menetelmillä muodostuneet typenoksidit puolestaan poistetaan savukaa-.·. 20 suista. Esimerkiksi typenoksideja pelkistävien yhdisteiden ruiskutus savukaasujen sekaan on sekundäärinen menetelmä.

Yksi polttotekninen keino typenoksidipäästöjen vähentämi- ;**. seksi on niin sanottu reburning-tekniikka, jossa typenoksi- » · 25 deja pelkistetään polttoteknisesti molekyylitypeksi useassa eri vyöhykkeessä polttoaineen ja palamisilman syöttöä vai-:*·.· heistamalla. Ensimmäisessä vyöhykkeessä poltetaan pääosa **": polttoaineesta. Loppuosa polttoaineesta syötetään toiseen, niin sanottuun reburning-vyöhykkeeseen ja poltetaan vähän .··. 30 happea sisältävässä ympäristössä, jolloin lisäpolttoaineen . palaessa muodostuvat hiilivetyradikaalit konvertoivat en- simmäisessä vyöhykkeessä muodostuneita typenoksideja syani-vedyksi (HCN). Edellä kuvattu reburning-reaktio tapahtuu tehokkaimmin ympäristössä, jossa on vähän happea ja korkea 3 108809 lämpötila. Kolmannessa vaiheessa prosessiin lisätään pala-misilmaa, jolloin vielä palamaton polttoaine poltetaan loppuun ja reburning-reaktiossa muodostuneet syanivetymolekyy-lit (HCN) konvertoidaan molekylaaritypeksi (N2) . Reburning-5 vaiheessa poltettavan polttoaineen määrä on noin 10-20 % prosessiin syötettävästä kokonaislämpömäärästä. Reburning-tekniikkaa käytetään typenoksidipäästöjen vähentämiseen esimerkiksi energiantuotantolaitosten kattiloiden low-NOx-polttimissa. Menetelmän avulla on saavutettu parhaimmillaan 10 savukaasuissa olevien typenoksidien määrän 50-80 % väheneminen lähtötasoon verrattuna. Esimerkiksi patenttijulkaisussa US 5 139 755 on kuvattu reburning-tekniikkaa, jossa prosessiin syötetään reburning-polttoaineen lisäksi typenoksideja savukaasuista pelkistäviä yhdisteitä.

15

Julkaisussa FI 102411 leijukerroskattilan tulipesään muodostetaan sekundääri-ilmansyöttöä suuntaamalla neljä pyörrettä leijupedin yläpuolelle. Pyörteiden avulla polttoaine, palamisilma ja palamiskaasu pyritään sekoittamaan mahdolli-I t 20 simman tehokkaasti, jotta tulipesän palamislämpötila olisi j ··· tasainen ja palamisessa muodostuisi vähän typenoksideja.

·· Lisäksi pyörteiden aiheuttaman keskipakovoiman avulla este- 1 ’ % tään leijupedistä nousevien polttoainehiukkasten kulkeutu-minen kattilan tulistimeen erottamalla ne tulipesän seinä- : 25 mille.

'/·] Julkaisussa WO 93/18341 leijukerroskattilan tulipesään lei- jupedin yläpuolelle muodostetaan sekundääri-ilmaa suuntaa-·:·· maila pyörre. Sekundääri-ilman joukkoon syötetään palamis- 30 kaasuista rikkiä sitovaa sorbenttia, joka myös edesauttaa ; leijupedissä muodostuneen typpioksiduulin hajoamista mole- * ♦ * .· ·. kulaaritypeksi ja hapeksi.

i 1 ' 1 4 108809

Julkaisussa EP 082673 on esitetty leijukerrosreaktori, jossa tulipesään leijupedin yläpuolelle syötetään sekundääri-ilmaa tangentiaalisesti, jolloin tulipesään muodostuu tur-bulenttinen pyörre. Pyörre lisää reaktorin reaktionopeutta, 5 alentaa reaktiolämpötilaa ja lisää lämmönkehitystä reaktorissa.

Julkaisussa US 4,867,079 leijukerroskattilan tulipesään muodostetaan sekundääri-ilmansyöttöä suuntaamalla pyörre.

10 Leijupedistä nousevien kaasujen joukossa olevia hiukkasia siirtyy pyörteen aiheuttaman keskipakovoiman takia tulipe-sän seinämille ja putoaa takaisin leijupetiin. Lisäksi pyörre tehostaa palamista tulipesässä.

15 Tämän keksinnön tarkoituksena on saada aikaan uudentyyppinen menetelmä, jolla leijukerrospoltossa syntyvien typenok-| sidipäästöjen vähentämiseen voidaan käyttää reburning- tekniikkaa.

20 Keksintö perustuu siihen, että leijukerroskattilaan muodos- • * · tetaan reburning-olosuhteet koko tulipesän mittakaavassa. Keksinnössä leijukerroskattilan tulipesään luodaan pala- • · · · ·;·: misilmansyöttöä uudelleen vaiheistamalla ja suuntaamalla vyöhykkeitä, joissa polttoaineen ja palamisilman määrät | 25 vaihtelevat siten, että reburning-reaktio voi tapahtua. Ta vanomaisessa leijukerrospoltossa polttoaine ja palamisilma pyritään sekoittamaan mahdollisimman tehokkaasti ja tasai-' sesti jokaisella ilman syöttötasolla, jotta palamislämpöti- • ;..j la ja savukaasujen typenoksidipitoisuus pysyisivät alhaisi- 30 na.

• »» .···, Täsmällisemmin sanottuna keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista se, mikä on esitetty patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.

5 108809

Keksinnön avulla saavutetaan huomattavia etuja.

Keksinnön mukaista menetelmää käyttämällä leijukerrospol-5 tossa muodostuvia typenoksidipäästöjä voidaan vähentää nykyiseltä tasoltaan huomattavasti. Vaikka suuri osa käytössä olevista leijukerroskattiloista alittaakin nykyisin voimassaolevat typenoksidien päästörajat, tultaneen päästörajoja tulevaisuudessa tiukentamaan, minkä takia päästöjen vähen-10 tämiseen tarkoitettuja uusia menetelmiä tai laitteita on otettava käyttöön. Keksintö on kustannuksiltaan edullinen verrattuna muihin typenoksidipäästöjen vähentämisratkaisui-hin, joilla saavutettaisiin vastaava typenoksidien päästötaso kuin keksinnön mukaisella ratkaisulla. Keksinnössä 15 tarvittavat ilmansyöttötasot ovat jo käytössä monissa lei-jukerroskattiloissa, minkä takia kattiloihin ei yleensä j tarvitse tehdä suuria muutostöitä. Tavallisesti riittää, että tulipesään syötettävä palamisilma ainoastaan vaiheistetaan ja suunnataan uudestaan. Keksinnön mukaisessa rat-20 kaisussa ei välttämättä tarvitse käyttää erillistä rebur-: ning-polttoainetta, koska polttoaineen kaasuuntuessa vapau- tuvaa pyrolyysikaasua voidaan käyttää reburning- » ··! polttoaineena. Lisäksi keksinnön mukainen ratkaisu soveltuu ' * erityyppisille ja -laatuisille polttoaineille, kuten tavan- * · 25 omainen leijukerrospolttokin.

Keksintöä ryhdytään seuraavassa tarkastelemaan oheisten • * · piirustusten mukaisten esimerkkien avulla.

‘ * 30 Kuvio 1 esittää kaaviollisesti leijukerroskattilan tulipe- ·;·* sän halkileikkausta.

i » · · i l l , 108809

Kuvio 2 esittää kaaviollisesti kuviossa 1 esitetyn leiju-kerroskattilan poikkileikkausta sekundääri-ilmansyötön kohdalta.

5 Kuviossa 1 tulipesän 11 pohjasta 12 syötetään ylöspäin primääri-ilmaa 1, jota käytetään myös petimateriaalin leiju-tusilmana. Primääri-ilman 1 määrä on noin 30 % kattilaan syötettävästä kokonaisilmamäärästä. Polttoaine syötetään petimateriaalin joukkoon, jolloin se kuivuu ja kaasuuntuu 10 pedin 2 yläosassa 5. Polttoaineen kaasuuntuessa muodostuneet pyrolyysikaasut reagoivat osittain primääri-ilman 1 sisältämän hapen kanssa ja nousevat tulipesässä 11 ylöspäin. Kaasuuntumaton osa polttoaineesta palaa sekä pedissä 2 että hiukkaskoon pienentyessä pedin 2 yläpuolella. Kaa-15 suuntumattoman polttoaineen palaminen pedissä 2 ja pyro-lyysikaasujen riittävä reagoiminen hapen kanssa varmistetaan primääri-ilman 1 virtauksen määrää säätämällä.

Leijupedin 2 yläpuolelle syötetään sekundääri-ilmaa 3, jon- .*. 20 ka määrä on noin 50 % kattilaan syötettävästä kokonaisilma- • · · « ··. määrästä. Sekundääri-ilman 3 syöttötasolla olevassa liekki- ··· vyöhykkeessä 6 poltetaan osa pedistä 2 nousevista pyro- y·· lyysikaasuista, kaasuuntumaton osa petiin syötetystä polt- toaineesta eli koksi ja koksin palamisreaktioissa syntynyt 25 hiilimonoksidi. Palamislämpötila liekkivyöhykkeessä 6 on noin 1100-1400 °C, mikä on huomattavasti korkeampi kuin ta- 1 · vanomaisessa leijukerroskattilassa. Pedin 2 keskiosasta j ’...· ylöspäin nouseva osa pyrolyysikaasuista ainoastaan lämpenee ·:·· liekkivyöhykkeen 6 vaikutuksesta, jolloin muodostuu erit- 30 täin reaktiivisia hiilivetyradikaaleja. Sekundääri-: ilmansyötön 3 ilmasuihkuja esimerkiksi tangentiaalisesti suuntaamalla tulipesään 11 muodostetaan palamisvyöhykkeen 6 palamiskaasuja ja pyrolyysikaasuista muodostuneita hiilivetyradikaaleja sisältävä, tulipesässä 11 ylöspäin nouseva 7 108809 pyörre 4 siten, että sekundääri-ilman 3 sisältämä happi ei tunkeudu pyörteen 4 keskiosiin. Sekundääri-ilmansyötön 3 ilmasuikujen suuntausta on kuvattu tarkemmin kuviossa 2. Pyörteen 4 keskellä on vähähappinen, hiilivetyradikaaleja 5 sisältävä vyöhyke ja reunoilla puolestaan runsashappinen vyöhyke. Näiden rajavyöhykkeellä tapahtuu reburning-reaktio, jossa savukaasujen sisältämät typenoksidit konvertoituvat syanivedyksi (HCN). Keksinnön mukaisessa ratkaisussa erillisen reburning-polttoaineen syöttö kattilan tu-10 lipesään 11 korvataan muodostamalla pyörteen 4 sisään vähähappinen, runsaasti hiilivetyradikaaleja sisältävä vyöhyke.

Sekundääri-ilmansyötön 3 yläpuolelle tulipesään 11 syötetään tertiääri-ilmaa 7, jolla pyörteen 4 sisältämä syanive-15 ty konvertoituu molekylaariseksi typeksi (N2) . Tertiääri-ilman 7 määrä on noin 20 % palamiseen tarvittavasta koko-naisilmamäärästä. Tertiääri-ilman 7 syöttömäärää muuttamalla voidaan syanivedyn konversiota molekylaaritypeksi säädellä. Tertiääri-ilmansyötön 7 suihkujen suuntausta on ku-.·, 20 vattu tarkemmin kuviossa 3. Savukaasujen viipymäajan sekun- dääri- 3 ja tertiääri-ilmansyöttöjen 7 välillä on oltava riittävän pitkä, jotta reburning-reaktio ehtii tapahtua en- * ·« · ...j nen tertiääri-ilmansyöttöä 7.

25 Tertiääri-ilmansyötön 7 jälkeen savukaasuissa vielä mahdollisesti jäljellä oleva polttoaine poltetaan loppuun yläil-matilaan suunnattavilla ilmasuihkuilla 8.

Kuviossa 2 pääosa sekundääri-ilmasta 3 syötetään tulipesään 30 11 seinämän keskikohtaan sijoitetusta pääilmansyötöstä 9, . jolloin tulipesään muodostuu kaksi ylöspäin nousevaa pyör-

* 1 I

rettä 4. Pyörteiden 4 muodostumista voidaan tarvittaessa tehostaa tulipesän 11 nurkkiin sijoitetuilla lisäilman-syötöillä 10.

8 108809

Keksinnöllä voi olla myös edellä kuvatusta poikkeavia so-vellusmuotoja.

5 Pyörteitä 4 voidaan muodostaa sekundääri-ilmansyöttöä 3 suuntaamalla ainoastaan yksi tai useampi kuin esimerkissä esitetty kaksi. Samoin kuviossa 2 esitetyt sekundääri-ilmansyötöt 9, 10 voidaan myös sijoittaa ja suunnata edellä esitetystä poikkeavasti; ilmansyöttökohdat voidaan sijoit-10 taa esimerkiksi ainoastaan tulipesän 11 nurkkiin tai seinämien keskelle, jolloin ilmansyöttöä tangentiaalisesti suuntaamalla tulipesään 11 muodostetaan pyörre 4. Keksintö voidaan myös toteuttaa siten, että tulipesään 11 muodostetaan reburning-olosuhteet sisältävä pyörre 4, minkä lisäksi se-15 kundääri-ilmansyöttötasolle 3 syötetään reburning-reaktion tehostamiseksi myös erillistä reburning-polttoainetta. Eri palamisvyöhykkeisiin syötettävän palamisilman osuudet kattilaan syötetystä kokonaisilmamäärästä riippuvat mm. kattilan kuormituksesta, minkä takia ilmanjako eri vyöhykkeiden 20 kesken saattaa poiketa huomattavasti edellä esitetyistä arvoista. Osakuormaolosuhteissa primääri-ilman 1 määrä pide-tään lähes samana kuin täydellä kuormalla, ja sekundääri- 3 ja tertiääri-ilman 7 määriä vähennetään, jolloin keksinnön t · mukaista ratkaisua voidaan käyttää noin 70 %:n osakuormalle * · · 25 asti. Energiantuotantolaitosten leijukerroskattiloiden li-säksi keksinnön mukainen menetelmä soveltuu käytettäväksi myös muissa leijukerrostekniikkaa hyödyntävissä polttoso-velluksissa.

Claims (5)

1. I (3, 9, 10) virtausta tangentiaalisesti suuntaa-'·“ ' 30 maila ainakin yksi palamiskaasuja sisältävä pyörre (4), jonka keskellä on vähähappinen, [•'il runsaasti hiilivetyradikaaleja sisältävä vyöhy- » I :,’·ί ke ja reunoilla runsashappinen vyöhyke, 10 1 08809 konvertoidaan palamiskaasujen typenoksideja sy-anivedyksi pyörteessä (4) vähä- ja runsashappisen vyöhykkeen rajavyöhykkeellä, ja suunnataan tertiääri-ilmaa (7) pyörteeseen (4) 5 syanivedyn konvertoimiseksi molekylaaritypeksi.

1. Menetelmä tulipesässä (11) tapahtuvassa leijukerrospol-tossa muodostuvien typenoksidipäästöjen vähentämiseksi, 5 jossa menetelmässä syötetään primääri-ilmaa (1) tulipesän (11) pohjasta (12) ylöspäin leijupedin (2) petimate-riaalin leijuttamiseksi, syötetään polttoainetta leijupetiin (2), 10. kaasutetaan polttoainetta pyrolyysikaasuksi ja poltetaan kaasuuntumatonta polttoainetta leiju-pedissä (2) petiin (2) syötetyllä primääri-ilmalla (1), - syötetään sekundääri-ilmaa (3, 9, 10) tuli- 15 pesään (11) välimatkan päähän leijupedin (2) yläpuolelle, ja ! - syötetään tertiääri-ilmaa (7) tulipesään (11) sekundääri-ilmansyötön (3, 9, 10) yläpuolelle, 20 tunnettu siitä, että • · • « · · - poltetaan osa pyrolyysikaasusta sekundääri- I ilmansyötön (3, 9, 10) läheisyyteen sovitetussa ' * palamisvyöhykkeessä (6), • i · * · 25. lämmitetään osaa pyrolyysikaasusta palamis- • > ’·*·* vyöhykkeellä (6) hiilivetyradikaalien muodosta miseksi, ! ... - muodostetaan tulipesään (11) sekundääri-ilman

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että johdetaan palamisilmaa välimatkan päähän 10 tertiääri-ilmansyötön (7) yläpuolelle sovitettuun yläil- matilaan (8) palamiskaasuissa tertiääri-ilmansyötön (7) jälkeen olevan polttoaineen polttamiseksi.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu 15 siitä, että tulipesään (11) muodostetaan sekundääri- ilmansyöttöä (3, 9, 10) tangentiaalisesti suuntaamalla kaksi savukaasuja sisältävää pyörrettä (4).

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu 20 siitä, että tulipesään (11) syötetään erillistä rebur- ning-polttoainetta. * 1 · » ♦ « 1 ·

5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että sekundääri-ilman (3) syöttötason läheisyy-25 teen sovitetun liekkivyöhykkeen (6) lämpötila on 1100- ,···. 1400 °C. 30 · n 108809