FI112444B - Menetelmä lentotuhkan käsittelemiseksi sekä menetelmässä käytettävä laite - Google Patents

Description

112444

Menetelmä lentotuhkan käsittelemiseksi sekä menetelmässä käytettävä laite 5 Keksintö koskee menetelmää sellaisista palamisprosesseista peräisin olevan lentotuhkan käsittelemiseksi, joissa syntyy mm. kalsiumoksidia ja runsaasti rikkiä sisältäviä polttoaineita poltettaessa myös kalsiumsulfaattia sisältävää tuhkaa, tuhkan muuntamiseksi helpos-10 ti käsiteltävään ja varastoitavaan muotoon mainittua kalsiumoksidia sammutettaessa. Keksintö koskee myös menetelmän toteuttamisessa käytettävää laitetta.

FB-tyyppisiä (fluidiserande bädd) lämmityskattiloita, 15 eli sellaisia lämmityskattiloita, jotka käyttävät lei-juarinaa, käytetään esimerkiksi lämpövoimalaitoksissa. Palaminen tapahtuu niissä siten, että polttoainehiukka-set ovat hienosta hiekasta koostuvassa pedissä, joka pidetään leijuvana puhaltamalla sisään ilmaa suurella 20 nopeudella. Peti saa tällöin nestettä muistuttavia ominaisuuksia.

Yksi merkittävä leijupedissä tapahtuvaan polttamiseen -;· liittyvä etu on, että samassa kattilassa voidaan polt- ; j‘. 25 taa polttoaineita, joilla on eri ominaisuudet. FB-kat- . tiloissa poltetaan siten esimerkiksi hiiltä, puuta, ''Jt turvetta ja muita kiinteitä polttoaineita, kuten ros- kia, joko erikseen tai eri yhdistelminä.

* > · '·’ 30 Toinen merkittävä leijupedissä tapahtuvaan polttamiseen liittyvä etu on, että rikki- ja typpioksidipäästöjä : *,* voidaan rajoittaa yksinkertaisemmin kuin muuntyyppisis- ί,.,ί sä polttolaitoksissa. Erityisesti hiili ja turve sisäl- rr, tävät rikkiä, jolloin rikki voidaa sitoa lisäämällä _ 35 petiin jauhettua kalkkikiveä. Kalkkikivi reagoi muodos- ’! tuneen rikkidioksidin kanssa kalsiumsulfaatiksi.

Ilman typen hapettuminen typpioksidiksi on riippuvaista lämpötilasta. FB-kattiloiden suhteellisen alhaisen 40 palamislämpötilan, 800 - 900 °C, ansiosta typpioksidi- 2 112444 päästöt voidaan pitää vähäisinä. Normaali palamislämpö-tila muuntyyppisissä kattiloissa on yli 1000 °C.

Suuria kattiloita käytettäessä syntyy kuitenkin suuria 5 määriä lentotuhkaa, josta on huolehdittava, mikä aiheuttaa nykyisin sekä käytännön ongelmia että työympäristöongelmia.

Rikkiä sisältäviä polttoaineita poltettaessa lentotuh-10 kaan jää siten kalsiumsulfaattia, lisätyn kalkin jäännöstä CaC03:n muodossa sekä tulipesässä palanutta kalkkia, CaO:ta. Kuten yllä on mainittu, kalkkikiveä lisätään rikkipäästöjen minimoimiseksi. Kalkkikiven määrä määräytyy polttoaineen rikkipitoisuuden ja Ca/S-suhteen 15 perusteella ja on tavallisesti 1,5 - 3. Jos polttoaineeseen tai polttoaineseokseen itseensä sisältyy suuri osuus kalkkia, lisäkalkin syöttöä voidaan vähentää. Samoin matalan rikkipitoisuuden omaavat polttoaineet vaativat vähemmän tai ei ollenkaan lisäkalkkia. Lisä-20 kalkkina on CaC03. Kun CaC03:a kuumennetaan yli 800 °C:n lämpötiloihin, siihen kohdistuu kalsinointiprosessi. Reaktion kulku on seuraava:

CaC03(s) ------> CaO(s) + C02(g) .

25

Kalsinoinnissa muodostunut kalsiumoksidi voi hapen läsnäollessa reagoida rikkidioksidin kanssa kalsiumsulfaatiksi: 30 CaO(s) + S02(g) + %02------> CaS04(s) .

·' Tätä reaktiota kutsutaan sulfatoimiseksi.

Rikinpoistoprosessiin liittyy monia parametreja. Tämän 35 vuoksi prosessiin tuotua kalkkikiveä ei voida hyödyntää ·, 100-prosenttisesti, vaan tavallisesti ainoastaan 20 - 60 -prosenttisesti. Yksi tärkeimmistä ohjausparamet-reistä on tulipesän lämpötila, joka voi vaihdella vä- 112444 3

Iillä 800 - 900 °C.

Rikinpoistoaste voidaan nähdä kilpailuna kahden kilpailevan prosessin välillä, nimittäin yllä mainitun hapen-5 vähennysprosessin, josta saadaan kalsiumsulfaattia, ja seuraavassa esitetyn, tätä tasapainottavan reaktion välillä:

CaS04(s) + C0/H2(g) ------> CaO(s) + S02(g) + C02/H20(g).

10

Molempia prosesseja voidaan tarkastella stabiiliusdia-grammeista.

Mikäli prosessiin tuodun kalkkikiven hyödyntämisaste on 15 matala, suuri määrä poltettua kalkkia erottuu savukaasuista kattilan sähkösuodattimessa ja päätyy siten lentotuhkaan. Lentotuhka voi sisältää myös CaO:ta, joka on peräisin polttoaineessa luontaisesti esiintyvästä kalsiumista. Poltettu kalkki sammutetaan myöhemmin 20 ulossyötön yhteydessä tuhkaa kostutettaessa. Kemiallinen reaktio poltettua kalkkia sammutettaessa on seuraa-va:

CaO + H20------> Ca(0H)2.

. .'.25 Tämän reaktion yhteydessä tapahtuu voimakasta lämmönke-hitystä, mikä aiheuttaa niin käsittely- kuin työympä-ristöongelmiakin.

30 Lentotuhkan CaO-pitoisuutta pitää näin ollen rajoittaa.

. : Toisaalta pyritään pitkälle menevään rikin poistami seen, mistä johtuen kalkkikiven lisäys tavallisesti yliannostellaan, jolloin saadaan tuloksena myös CaO-jäännös.

Nykyisin sähkösuodattimessa erottunut lentotuhka, joka on noin 85 % tuhkan kokonaismäärästä, kuljetetaan tavallisesti pneumaattisen kuljetusjärjestelmän avulla . 35 112444 4 yhteen tai useampaan siiloon. Sieltä se kuormataan usein siipipyöräannostimen ja kostuttimen kautta kuorma-autoihin. Kostutin voi koostua pitkänomaisesta altaasta, joka on varustettu melasekoittimella, joka se-5 koittaa tuhkan suuttimista ruiskutettuun veteen ja kuljettaa seoksen syöksykouruun, josta se kuormataan kuorma-auton lavalle taikinamaisena massana.

Kun lasti on purettu, tuotteelta vaaditaan, että työym-10 päristöllisistä syistä se ei pölyä sekä että se ei ole liian ’'vetinen", koska tällöin syntyy suuria ongelmia massan tarttuessa lavan pintoihin tai tuhkansekaisen veden vuotaessa kuormalavalta. Eri polttoaineista peräisin olevilla tuhkilla on aivan erilainen vedensito-15 miskyky, mistä seuraa, että on vaikea saada aikaan massoja, joilla on "oikea" koostumus.

Pölyämisen vähentämiseksi tarpeellisen veden lisäämisen seurauksena lentotuhkan sisältämä poltettu kalkki ja 20 kalsiumsulfaatti aiheuttavat kemiallisia reaktioita, kuten poltetun kalkin sammuttamisen voimakkaan lämmön-kehityksen ja kipsinmuodostuksen kera, millä tässä yh-·. teydessä tarkoitetaan vesimolekyylien kiteistä sitoutu- ,·;·. mistä CaS04-molekyyleihin.

, , .25 j Kalkinsammutus ja kipsinmuodostus saavat aikaan sen, ; että massa liimautuu ja tarttuu kiinni lavaan, mistä ;;; seuraa suuria ongelmia lavaa tyhjennettäessä, sekä ker- '·' ' rostuu sekoitinaltaaseen ja siihen sisältyvään melase- 30 koittimeen. Tästä aiheutuu merkittävän manuaalisen työ-panoksen tarve työympäristöllisesti vaikeissa olosuh- :: teissä, koska tarttuvaa materiaalia poistettaessa on käsiteltävä raskaita työkaluja ja samalla työskenneltä-. essä syntyy voimakasta pölyämistä.

. 35

Sammutusprosessin aikana syntyvästä lämmön kehittymi-: i sestä, joka on huipussaan 5-8 minuuttia veden lisää misen jälkeen, on nykyisin käytettävien menetelmien 112444 5 yhteydessä tietyissä tapauksissa seurauksena, että lavalla olevan vetisen massan sisällä muodostuu höyrykup-lia, jotka nousevat ylöspäin ja aiheuttavat purkauksen, jolloin suuria osia kuormasta sinkoutuu pois kuorma-5 auton lavalta. Tästä aiheutuu vakavia onnettomuusriskejä ja myös ympäristöongelmia.

Tämän keksinnön päätarkoitus on saada aikaan menetelmä kulloinkin kyseessä olevan kaltaisen lentotuhkan käsitit) telemiseksi siten, että kemiallisten reaktioiden ei- toivotut seuraukset eliminoituvat ja reaktioita voidaan sen sijaan hyödyntää edullisella tavalla tuhkan muuntamiseksi helposti käsiteltävään ja varastoitavaan muotoon, jollon mm. yllä mainitut ympäristöriskit poistu-15 vat.

Keksintö perustuu siihen oivallukseen, että tämä päämäärä voidaan saavuttaa käsittelemällä lentotuhkaa ennen sen kuljetusta eteenpäin siten, että se on kuivas-20 sa rakeisessa muodossa, jolloin se ei tartu niihin pintoihin, joiden kanssa se joutuu kosketuksiin ja jolloin lämmönkehitys ei voi aiheuttaa räjähdysalttiiden kup-lien muodostumista sen sisään. Sen sijaan kuumat höyry-: : : virrat pääsevät ongelmitta kulkemaan rakeisen materiaa- : 25 Iin läpi. Rakeisen materiaalin suurempi kosketuspinta * > * ympäröivään ilmaan saa myös aikaan materiaalin tehok-kaamman jäähtymisen, mikä pienentää ongelmia edelleen.

Rakeisen materiaalin muodostamiseksi voidaan hyödyntää 30 reaktiota, joka syntyy, kun lentotuhkaan sekoitetaan vettä kalkkia sammutettaessa, sekä kipsinmuodostusvai- ‘ kutusta, joka tällöin ilmenee, mikäli tuhka sisältää kalsiumsulfaattia.

< · 35 Tunnetun tekniikan mukaista lentotuhkan ja veden al-' ‘ taassa tai vastaavassa olevaa seosta käytettäessä ei saada aikaan rakeistumista. Tähän vaaditaan esillä olevan keksinnön mukaan, että lentotuhka alistetaan nk.

112444 6 pudotussekoituskäsittelyyn, jolloin lisätään vettä suhteessa tuhkamäärään niin, että tuhkaan sisältyvä kal-siumoksidi sammuu, ja mikäli tuhkassa on kalsiumsulfaattia, muodostuu kipsiä, jotka reaktiot pudotussekoi-5 tuksen seurauksena saavat aikaan tuhkan rakeistumisen.

Säätelemällä vesimäärää tarkasti voidaan tällä tavoin siis saada aikaan tuhkan rakeistuminen, minkä jälkeen rakeistetun tuhkan siirtäminen ja varastoiminen on 10 helppoa. Tuhkan muusta kemiallisesta koostumuksesta riippuen tuhka voidaan mahdollisesti palauttaa luontoon tai sitä voidaan hyödyntää esim. rakennusmateriaaleissa.

15 Lentotuhkan ja veden sekoittaminen voidaan suorittaa annos kerrallaan, jolloin seoksen koostumusta mitataan ja veden lisäämistä ohjataan siitä riippuvasti.

Menetelmän toteuttamisessa käytettävälle laitteelle on 20 erityisesti tunnusomaista se, mikä käy ilmi oheisista patenttivaatimuksista.

:· Keksintöä on alla kuvattu lähemmin oheisessa piirustuk- ;‘: sessa kaavamaisesti esitetyn suoritusmuodon avulla, . ,’.25 joka esimerkinomaisesti kuvaa laitetta lentotuhkan kä-sittelemiseksi.

t

Numeroilla 1 ja 2 on merkitty kahta siiloa, jotka vas-’ * taanottavat lentotuhkan suuresta kiinteälle polttoai- 30 neelle tarkoitetusta kattilasta (ei kuvattu tässä), joka voi esimerkiksi olla CFB-tyyppinen (cirkulerande, fluidiserande bädd) eli käyttää kiertoleijupetiä. Kuivassa tilassa lentotuhkan hienousaste vastaa suunnilleen sementtiä, jonka neliömassa on 400 m2/kg. Tuhka 35 sisältää polttoaineisiin sisältyvien mineraalien lisäksi myös hiekkaa leijupedistä sekä, mikäli rikinpoistoa varten on lisätty kalkkia, CaO:ta ja CaS04:ä. Tuhkan koostumus vaihtelee erittäin merkittävästi riippuen 112444 7 siitä, mitä polttoainetta tai mitä polttoaineyhdistel-miä käytetään. Kun käytetään puupolttoainetta, joka sisältää vähän rikkiä, tarvitaan vain vähän tai ei lainkaan lisäkalkkia. Polttoaine sisältää kuitenkin 5 itsessään melko suuria alkalimetallipitoisuuksia, mistä syystä myös puupolttoaineesta peräisin olevaan tuhkaan jää kalsiumia.

Poltettaessa turvetta, jolla on korkea rikkipitoisuus, 10 lisätään runsaasti kalkkikiveä, jolloin tuhkaan jää suuri määrä kalsiumia polttoaineen sisältäessä jo itsessään kalsiumia. Rikinpoistotuotteena tuhkaan jää myös CaS04:ä. Tämä koskee myös hiiltä, jonka rikkipitoisuus on korkea ja vaatii suurta määrää kalkkikiveä.

15

Mainituista siiloista lentotuhka kuljetetaan siihen liittyvän kuljettimen 3, 4 kautta vaajalle 5, joka punnitsee ennalta määrätyn annoksen lentotuhkaa. Tämä kuljetetaan vielä yhden kuljettimen 6 kautta sekoittimeen 20 7, joka on liitetty vedensyöttöjohtoon 8.

Sekoitin 7 voi periaatteessa olla toteutettu betonin-valmistuksessa käytettävän pudotussekoittimen tavoin, eli se voi käsittää pyörivän rummun, joka on varustettu 25 meloilla, jotka nostavat massan ja antavat sen pudota vapaasti alas. Tavanomainen betonisekoitin voidaan · muuntaa käytettäväksi tähän tarkoitukseen poistamalla • '· poikittaismelat ja päällystämällä rumpu sisäpuolelta ' synteettisellä materiaalilla. Melat on tällöin to- 30 teutettu niin, että massa sekoittuu niiden pyöriessä , yhteen suuntaan ja toiseen suuntaan pyöriessään ne , : ; syöttävät massan ulostuloaukon läheisyydessä sijaitse- ' . ville tyhjennysmeloille.

35 Edellytyksenä vedellä kastellun massan muuntamiselle ϊ ' : rakeistettuun muotoon sekoittimessa on, että vesisyöt- ; i töä säädetään tarkasti kulloinkin kyseessä olevan len- totuhkan ominaisuuksista riippuen.

δ 112444 Näin ollen sekoitin voidaan käynnistää, kun on lisätty tietty määrä ensimmäisellä vesilisäyksellä läpikostu-tettua lentotuhkaa. Sen jälkeen vettä lisätään erittäin hitaasti ja tarkkaillen samalla massan koostumuksen 5 muuntumista. Tämä tapahtuu sopivasti tallentamalla käyttömomentti, jolla sekoitinta kulloinkin käytetään ja joka on massan kulloisenkin koostumuksen mitta. Kun massa alkaa rakeistua muuntuakseen vähitellen kokonaan kuivaksi granulaatiksi, noteerataan lisätyn veden koko-10 naismäärä.

Tällaisen ajon jälkeen voidaan tulevat annokset ajaa automaattisesti ensimmäisestä ajosta saaduilla arvoilla ohjelmoidulla pienoistietokoneella. Sekoittimesta saatu 15 materiaali koostuu siten kuivasta lentotuhkagranulaa-tista, joka voidaan kipata suoraan kuorma-auton lavalle, ja joka voidaan helposti kipata pois lavalta, kun se on kuljetettu haluttuun varastointipaikkaan. Kuormauksen yhteydessä kuljettaja voi tällöin syöttää halu-20 tun kuormapainon prosessin ohjaamiseksi käytettyyn pie noistietokoneeseen, minkä jälkeen tämä punnitsee sopivan lentotuhka-annoksen ja syöttää vettä massan koostu-. muksesta, yleensä siis ilmaistusta käyttömomentista, * riippuen. Kun annos on muutettu kuivaksi, rakeistetuksi ; ; ,*25 materiaaliksi, se kipataan automaattisesti alas laval-le, minkä jälkeen seuraava kuorma-auto voi ajaa vuoroon ja ohjelmoida uuden kuormamäärän.

Kun siiloissa oleva lentotuhka muuttaa luonnettaan, 30 saattaa tietty pienoistietokoneen uudelleenohjelmointi olla tarpeen, jotta saavutetaan oikeat tuhkan ja veden : ’ suhteet kuivan granulaatin saamiseksi. Kuten yllä on ; ’ esitetty, rakeistus on seurausta niistä reaktioista, : joita aiheutuu sammutettaessa lentotuhkassa olevaa pol- 35 tettua kalkkia, ja rikkipitoisia polttoaineita poltettaessa myös siitä kipsinmuodostuksesta, jota tapahtuu, kun kalsiumsulfaattia sekoitetaan veteen.

112444 9

Suoritetuissa kokeissa, joissa käytettiin modifioitua pudotustyyppistä betonisekoitinta, on kyetty muuntamaan eri tuhkia kuivaan rakeistettuun muotoon. Poltettaessa hiili- ja turvepolttoaineita lisättiin kalkkia rikin 5 poistamiseksi, jolloin tuhkaan jäi tietty kalkkijään- nös, saavutettiin voimakas läramönkehitys, joka oli huipussaan noin viiden minuutin kuluttua veden lisäämisestä. Sekoittimessa saatu rakeistettu materiaali kovettui ja kuivui nopeasti. Materiaali voitiin tämän jälkeen 10 seuloa kokolajittelua varten. Puupolttoaineesta saadulla tuhkalla, jossa oli myös hiukan turvetuhkaa, ei esiintynyt lainkaan tai esiintyi hyvin pientä lämmönke-hitystä. Rakeistettu materiaali kuivui tässä tapauksessa hitaammin kuin puhtaan turvetuhkan ollessa kyseessä, 15 mutta kovettui riittävästi, jotta se tietyn kuivu-misajan jälken voitiin seuloa seulalla.

Vaikka prosessia on yllä kuvattu annossekoittimen käytön avulla, se voidaan tietenkin myös toteuttaa jatku-20 vana pudotussekoitusprosessina edellyttäen, että massan koostumus voidaan ilmaista lisäysveden tarvittavaa annostelua varten.

' * t

1' t I

• I » » t

Claims (7)

10 112444

1. Menetelmä sellaisista palamisprosesseista peräisin olevan lentotuhkan käsittelemiseksi, joista saadaan mm. 5 kalsiumoksidia sisältävää tuhkaa ja rikkipitoisia polttoaineita poltettaessa kalsiumsulfaattia, tuhkan muuntamiseksi helposti käsiteltävään ja varastoitavaan muotoon mainittua kalsiumoksidia sammutettaessa, tunnettu siitä, että tuhka alistetaan nk. pudotusse-10 koitukseen ja samanaikaisesti lisätään vettä suhteessa tuhkamäärään, niin että kalsiumoksidi sammuu ja esiintyvä kalsiumsulfaatti saa aikaan kipsinmuodostusta, mitkä reaktiot pudotussekoituksen seurauksena saavat aikaan tuhkan rakeistumisen. 15

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että tuhkan ja veden sekoittaminen tapahtuu annoksittain.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että seoksen koostumus ilmaistaan ja veden syöttöä ohjataan siitä riippuvasti. :' 4. Laite sellaisista palamisprosesseista peräisin ole- : ; 25 van lentotuhkan käsittelemiseksi, joista saadaan mm. kalsiumoksidia sisältävää tuhkaa ja rikkipitoisia polttoaineita poltettaessa kalsiumsulfaattia, tuhkan muun- ‘ ^ tamiseksi helposti käsiteltävään ja varastoitavaan muo- • * · toon mainittua kalsiumoksidia sammutettaessa, t u n -30 n e t t u siitä, että se käsittää sekoittimen (7) nk. pudotussekoitusta varten ja elimet (5) lentotuhkan ja ' veden syöttämiseksi sekoittimeen sellaisissa suhteissa, että mainittu kalsiumoksidi sammuu ja esiintyvä kalsiumsulfaatti saa aikaan kipsinmuodostusta, mitkä reak-35 tiot pudotussekoituksen seurauksena saavat aikaan tuhkan rakeistumisen.

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen laite, t u n - 112444 11 n e t t u siitä, että se käsittää pudotussekoittimen (7) lentotuhkan ja veden annoksittaista sekoittamista varten.

6. Patenttivaatimuksen 4 tai 5 mukainen laite, tunnettu siitä, että se käsittää elimet seoksen koostumuksen ilmaisemiseksi ja elimet vesisyötön ohjaamiseksi siitä riippuvasti.

7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen laite, tun nettu siitä, että mainitut koostumusta ilmaisevat elimet käsittävät elimet sekoittimeen vaikuttavan käyt-tömomentin ilmaisemiseksi. 12 112444