FI114737B

FI114737B - Menetelmä biomassaa polttavien höyrykattiloiden höyrytulistimien asettelemiseksi ja höyrykattila

Info

Publication number: FI114737B
Application number: FI20020787A
Authority: FI
Inventors: Tom Blomberg
Original assignee: Tom Blomberg
Priority date: 2002-04-24
Filing date: 2002-04-24
Publication date: 2004-12-15
Also published as: FI20020787A; FI20020787A0; US20030200938A1; US6672259B2

Description

1 1 4737

Menetelmä biomassaa polttavien höyrykattiloiden höyrytulistimien asettele-miseksi ja höyrykattila Tämän keksinnön kohteena on menetelmä biomassaa polttavien höyrykatti-5 loiden höyrytulistimien asettelemiseksi höyrytulistinpintojen korroosion minimoimiseksi korkeassa lämpötilassa.

Tämän keksinnön kohteena on myös biomassaa polttoaineena käyttävä höyrykattila, johon kuuluu tulipesä, savukaasukanava, höyrypiiri ja tulistimet, 10 jotka on aseteltu korroosion minimoimiseksi korkeassa lämpötilassa.

Fossiilisten polttoaineiden käyttö energiatuotannossa pyritään tulevaisuudessa korvaamaan entistä enemmän uusiutuvien luonnonvarojen käytöllä. Erilaisten biomassojen, kuten puun, oljen, pajun, mustalipeän ym. käyttö ener-15 gialähteenä pienentäisi C02-päästöjä verrattuna fossiilisiin polttoaineisiin. Siirryttäessä polttamaan biomassoja on kuitenkin havaittu, että höyrykattiloiden lämmönsiirtopinnat likaantuvat ja korrodoituvat ennenaikaisesti kuumien , v savukaasujen vaikutuksesta käytettäessä biomassaa polttoaineena. Alkalime- • '·· tallisulfaattien ja erityisesti alkalimetallikloridien on arveltu olevan syynä :; 20 lämmönsiirtopintojen kiihtyneeseen likaantumis- ja korroosionopeuteen. On :arveltu, että polttoaineessa oleva alkali, rikki ja kloridi vapautuu polttoainees- • · ·' ta ainakin osittain kaasumaisena alkalisulfaattina ja -kloridina polttolaitoksen tulipesässä ja kondensoituu sitten kylmemmille lämmönsiirtopinnoille tulistin-;, ‘: alueella aiheuttaen liiallista likaantumista ja korroosiota.

:·* 25

On tunnettua että voimalaitoskattilan sähköntuoton hyötysuhde on sitä pa-' *; ·' rempi, mitä suuremmassa paineessa, ja täten myös lämpötilassa, höyrytur- ,.; · * biiniin syötettävä vesihöyry on. On siis edullista että höyry voidaan tulistaa :. i niin kuumaksi kuin mahdollista riskeeraamatta kuitenkaan laitoksen kestä- 30 vyyttä. Pelkällä hiilellä toimivat kattilalaitokset saavuttavat yli 550 °C:n höy-rynlämpötilan ilman mainittavia korroosioriskejä tulistinalueella. Biomassoja 2 1U737 poltettaessa on havaittu voimakasta korroosiota jopa alle 500 °C:n tulistus-lämpötiloilla.

Sekapoltolla on havaittu olevan positiivinen vaikutus höyrykattilan kestävyy-5 teen biomassoja poltettaessa. Poltettaessa 30 % tai enemmän esim. turvetta biomassan kanssa, on korroosio- ja likaantumisongelma saatu merkittävästi vähenemään. Tämä on selitetty sillä, että biomassasta irtautuva kaasufaasis-sa oleva KCI reagoi savukaasuissa olevan S02:n kanssa muodostaen foSO^a, joka korkeamman sulamispisteensä johdosta ei muodosta sulaa faasia tulis-10 tinpinnoilla, eikä täten tahmaa tai korrodoi tulistinpintoja siinä määrin kuin KCI.

Koska sekapoltto lisää rikkidioksidipäästöjä, ja koska osittainenkin fossiilisten polttoaineiden käyttö ei ole CC>2-päästöjen kannalta suotavaa, on esim. Ruot-15 sissa turpeen käyttäminen polttoteknisistäkin syistä kiellettyä. On ilmeistä, että yhä tiukentuvat päästörajoitukset ja yleinen vastustus tulevat vaikeuttamaan turpeen tai hiilen käyttämistä sekapoltossa muissakin maissa.

» · , ’Tämä keksintö mahdollistaa korkeiden höyryarvojen (korkean lämpötilan ja : 20 paineen) saavuttamisen puhtaasti biomassaa polttavissa laitoksissa, ilman : '.: että höyrykattilan tulistinpintojen korroosio- ja likaantumisriski kasvaa.

Tämän aikaansaamiseksi keksinnön mukaiselle höyrykattilalle ja menetelmäl-’·: le on tunnusomaista se, mitä patenttivaatimuksissa 1 ja 3 on määritelty. Kek- • 25 sinnön edullisia sovellutusmuotoja on esitetty epäitsenäisissä patenttivaati- muksissa 2 ja 4.

··· Seuraavaksi selitetään esillä olevan keksinnön taustaa ja itse keksintöä selos- tetaan myöhemmin viittaamalla oheiseen kuvioon 1.

30

Niin sanotut biomassat ja fossiiliset polttoaineet eroavat toisistaan alkalime-tallipitoisuuksien suhteessa Cl- ja S-pitoisuuksiin. Biomassoilla suhteet ovat 3 114737 yleensä suuremmat kuin fossiilisilla polttoaineilla. Etenkin rikkipitoisuus kasvaa siirryttäessä nuoremmista, kasviperäisistä polttoaineista vanhempiin. Vapaan alkalin määrää polttoaineessa voidaan kuvata vapaa alkali-indeksillä: (Na + K - (2 S + Cl))

Af = LHV

5 Af = vapaa alkali indeksi, mol/MJ

Na = polttoaineen natriumpitoisuus, mol/g K = polttoaineen kaliumpitoisuus, mol/g S = polttoaineen rikkipitoisuus, mol/g Cl = polttoaineen klooripitoisuus, mol/g 10 LHV = polttoaineen alempi lämpöarvo, MJ/g

Taulukossa 1 on esitetty alkali-indeksit laskettuna eri polttoaineiden keskimääräisille pitoisuuksille1.

15 Taulukko 1.

Πζ Tn^ |“ö Vs, Flhv, TkT Na, To [s, ppm ppm ppm % MJ/kg mol/kg mol/kg mol/kg mol/kg mol/MJ

·.·. Olki (vehnä) 10910 “230 2890 ÖÖ8 ΪΛ2 0^279 0,010 0,082 0^025 0,0092 ; ' Metsähake 2ΪΪ0 Π0 240 Ö^Ö4 19J 0,054 0,005 0,007 0,012 0,0014

Eukalyptus 89Ö 670 940 ÖÖ2 18^5 ÖÖ23 0,029 0,027 0,006 0,0007

Kuori (mänty) ΓΪ20 50 Π0 0,03 20,1 0,029 0,002 0,003 0,009 0,0004 , : 20 Sahajauho 5ÖÖ 40 ‘“Ϊ5 ÖÖl 19fl 0,013 0,002 0,000 0,003 0,0004 * (mänty)

Hake (mänty) 1060 30 75 0^03 18^9 0,027 0,001 0,002 0,009 0,0004

Turve, pinta 69Ö 380 18Ö Ö4Ö 1^5 0,018 0,017 0,005 0,031 -0,0018 . Turve, Carex 44Ö 33Ö 27Ö 0,20 21,0 0,011 0,014 0,008 0,062 -0,0051 1 1 ___ _ '· Rheinin Ϊ40 300 250 0,30 24,1 0,004 0,013 0,007 0,094 -0,0074 : ruskohiili

Iowan Rawhide ^570 1140 ~25 0,50 26,0 0,015 0,050 0,001 0,156 -0,0096 25 hij|i

Puolalainen Ϊ420 "~45Ö 76Ö Ö7Ö 29^2 0,036 0,020 0,021 0,218 -0,0138 bituminen hiili [f Kolumbialainen 2600 440 13Ö 1,00 28,4 0,066 0,019 0,004 0,312 -0,0191 . ; bituminen hiili

Illinois no 6, 3610 142Ö Ϊ2Ϊ0 2,90 25,2 ÖÖ92 5^062 0,034 0^905 -0,0670 bituminen hiili 1 Kurkela, E., Formation and removal of biomass-derived contaminants in fluidized-bed gasification processes, VTT publications 287, Espoo 1996.

4 114737

Omien tutkimuksien! perusteella olen tullut siihen johtopäätökseen, että poltettaessa biomassoja vapaa alkali muodostaa alkalimetallihydroksideja. Biomassojen vapaa alkali-indeksit ovat niin suuria, että polttoaineen rikki ja 5 kloori eivät pysty sitomaan kaikkea alkalia sulfaateiksi ja klorideiksi. Ylimäärä alkali muodostaa hydroksideja, jotka kondensoituessaan muodostavat tah-maavan ja korrodoivan sulafaasin tulistinpinnoille. Etenkin kaasufaasissa oleva KOH näyttää olevan merkittävä tekijä kasvaneen likaantumis- ja korroosionopeuden aiheuttaja tulistinpinnoilla. Kondensoituessaan kylmille läm-10 mönsiirtopinnoille se voi muodostaa sulan paljon alemmissa lämpötiloissa kuin KCI tai K2SO4. Yleensä biomassat sisältävät moninkertaisesti enemmän kaliumia kuin natriumia, joten KOH on yleensä merkittävämpi korroosion ja likaantumisen aiheuttaja.

15 Sekapolton positiivinen vaikutus perustuukin omien johtopäätöksien! perusteella pääosin siihen että lisäämällä savukaasujen S02-pitoisuuksia, sitoutuu savukaasuissa oleva KOH sulfaateiksi ja vähentää näin ollen likaantumista ja V; korroosiota tulistinalueella.

20 Kemialliset tasapainolaskut osoittavat, että alkalihydroksidit alkavat reagoida savukaasussa olevan hiilidioksidin kanssa muodostaen alkalimetallikarbonaat-.teja, jos savukaasujen lämpötila on alle 900 °C. Tasapainolaskujen mukaan lämpötilan ollessa 750 °C on lähestulkoon kaikki hydroksidi reagoinut kar-·! bonaateiksi. Alkalimetallikarbonaattien sulamispisteet ovat 851 °C (Na2C03) : · ’ 25 ja 891 °C (K2C03), joten tulistinpintojen lämpötilat voivat olla huomattavasti , korkeammat sen jälkeen kun savukaasujen lämpötila on laskenut alle :J 750 °C:n.

KOH:n ja C02:n välisen reaktion kinetiikkaa ei tietääkseni ole selvitetty. On 30 mahdollista että reaktionopeus on niin hidas, että reaktio saavuttaa tasapainotilan vasta käytännössäkin merkittävän ajan kuluttua siitä kun savukaasujen lämpötila on saavuttanut 750 °C:n lämpötilan. Tarvittavan viipymäajan 5 114737 takaamiseksi, voidaan tulistimet asentaa savukaasukanavaan siten että 750 °C:n savukaasujen suunnittelulämpötila-alueen jälkeen jätetään kanavaan riittävän pitkä tyhjä alue ennen seuraavaa tulistinta.

5 Eräs keksinnön edullinen suoritusmuoto on esitetty kuviossa 1. Siinä on esitetty kaaviollisesti höyrykattila, johon kuuluu tulipesä 1, höyrytulistimet 2-5 savukaasukanavassa 6, sekä höyrypiiri 7. Tulipesässä 1 poltettavasta biomassasta syntyvät savukaasut kulkevat kaasukanavan 6 läpi, samalla jäähtyen, kaasukanavassa olevien höyrytulistimien 2, 3, 4 ja 5 ohitse. Kuviossa 1 10 esitetyn biomassaa polttoaineena käyttävän höyrykattilan höyrytulistimien 2-5 asettelu savukaasukanavaan 6 ja sarjoitus höyrypiiriin 7 tehdään siten että yli 750 °C:n savukaasujen alueella olevan tulistimen 2 lämmönsiirtopinnan pintalämpötila pysyy alle KOH:n sulamispisteen, 406 °C (vastaa höyrynläm-pötilaa noin 350-380 °C). Ohitettuaan tulistimen 2 savukaasujen lämpötila on 15 laskenut alle 750 °C:n. Alle 750 °C:n savukaasujen alueella olevalla tulistimel-la 3 tehdään höyryn lopputulistus korkeampaan lämpötilaan kasvattamatta merkittävästi tulistinpintojen likaantumis- ja korroosioriskiä. Tarvittavan vii-V: pymäajan takaamiseksi, tulistin 3 asennetaan savukaasukanavaan 6 siten että 750 °C:n savukaasujen suunnittelulämpötila-alueen jälkeen jää kana-20 vaan 6 riittävän pitkä tyhjä alue (a) ennen tulistinta 3. Edempänä savukaasu-'·: kanavassa savukaasujen virtaussuunnassa asennetaan tulistimet 3 ja 4. Höy ry kulkee siis siten että se tulee sisään höyrykattilassa olevaan höyrypiiriin viileimmän tulistimen 5 kautta ja kulkee siitä eteenpäin tulistimeen 4, josta ' » höyry kulkee tulistimeen 2, joka on savukaasujen virtaussuunnassa ensim-;·* 25 mäisenä, ja viimeisenä höyry tulee ulos kuumimman tulistimen 3 kautta. Tu- . !: ’ listimien 2 ja 3 halutut pintalämpötilat ja savukaasun haluttu jäähtyminen .saadaan aikaan savukaasun ja höyryn suhteellisten virtausmäärien ja läm-mönvaihdinpintojen mitoituksilla.

30

Claims

6 114737 1. Menetelmä biomassaa polttavien höyrykattiloiden höyrytulistimien (2, 3, 4, 5. asettelemiseksi, jossa menetelmässä rajoitetaan höyrytulistinpintojen läm-5 pötilaa höyrytulistinpintojen korroosion minimoimiseksi, tunnettu siitä, että höyrykattilaan asetellaan vähintään kaksi tulistinta (2, 3,4, 5), joiden asettelu savukaasukanavaan (6) ja sarjoitus höyrypiiriin (7) tehdään siten että tulistunen tai tulistimien lämmönsiirtopinnan pintalämpötila pysyy alle KOH:n sulamispisteen, 406 °C (vastaa höyrynlämpötilaa noin 350-380 °C), siihen saak-10 ka savukaasukanavaa (6) kunnes savukaasujen lämpötila on laskenut 750 °C:seen ja että savukaasujen ollessa alle 750 °C:n alueella höyryn lopputulis-tus tehdään korkeampaan lämpötilaan kasvattamatta merkittävästi tulistin-pintojen likaantumis- ja korroosioriskiä. 2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että tarvitta van viipymäajan takaamiseksi, tulistimet asennetaan savukaasukanavaan (6) siten, että 750 °C:n savukaasujen suunnittelulämpötila-alueen jälkeen jätetään kanavaan (6) riittävän pitkä tyhjä alue (a) ennen seuraavaa tulistinta (3). 20 3. Biomassaa polttoaineena käyttävä höyrykattila, johon kuuluu tulipesä (1), : ’· savukaasukanava (6), höyrypiiri (7) ja höyrytulistimet (2, 3,4, 5), joiden * * * höyrytulistinpintojen lämpötila on rajoitettu höyrytulistinpintojen korroosion '· '> minimoimiseksi, tunnettu siitä, että höyrykattilalla on vähintään kaksi tulis- 25 tinta (2, 3,4, 5), joiden asettelu savukaasukanavaan (6) ja sarjoitus höyrypiiriin (7) on tehty siten että tulistimen tai tulistimien lämmönsiirtopinnan pinta-: lämpötila pysyy alle KOH:n sulamispisteen, 406 °C (vastaa höyrynlämpötilaa • t • « noin 350-380 °C), siihen saakka savukaasukanavaa (6) kunnes savukaasujen * * '* ) lämpötila on laskenut 750 °C:seen ja että savukaasujen ollessa alle 750 °C:n 30 alueella höyryn lopputulistus on tehty korkeampaan lämpötilaan kasvatta-’: ‘ ’: matta merkittävästi tulistinpintojen likaantumis- ja korroosioriskiä. < *» 114737 4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen höyrykattila, tunnettu siitä, että tarvittavan viipymäajan takaamiseksi, tulistimet on asennettu savukaasukanavaan (6) siten että 750 °C:n savukaasujen suunnittelulämpötila-alueen jälkeen jää kanavaan (6) riittävän pitkä tyhjä alue (a) ennen seuraavaa tulistinta (3). 5 »» > l » t > · > ' » 114737

1. Förfarande för placering av ängöverhettare (2, 3, 4, 5) i ängpannor som bränner biomassa, i vilket förfarande ängöverhettarytornas temperatur be-5 gränsas för minimering av korrosion av ängöverhettarytorna, kännetecknat därav, att i ängpannan placeras minst tvä överhettare (2, 3,4, 5), vars placering i rökgaskanalen (6) och seriesättning i ängkretsen (7) görs sä att yt-temperaturen pä överhettarens eller överhettarnas värmeöverföringsyta hälls under smältpunkten för KOH, 406 °C (motsvarar en ängtemperatur pä ca 10 350-380 °C), sä iängt i rökgaskanalen (6) tills rökgasernas temperatur har sjunkit tili 750 °C och att ängans slutöverhettning görs vid en högre temperatur dä rökgaserna är i omrädet under 750 °C utan att märkbart öka risken för nedsmutsning och korrosion av överhettarytoma. 15

2. Förfarande enligt patentkravet 1, kännetecknat därav, att överhettarna för säkerställande av en tillräcklig uppehällstid instaileras i rökgaskanalen (6) sä att det efter det planerade 750 °C:iga temperaturomrädet för rökgaserna lämnas ett tillräckligt Iängt tomt omräde (a) i kanalen (6) före följande överhettare (3). .· 20

3. Ängpanna som använder biomassa som bränsle, vilken ängpanna uppvisar ': ett förbränningsrum (1), en rökgaskanal (6), en ängkrets (7) och ängöver- : · hettare (2, 3,4, 5), vilkas ängöverhettarytors temperatur är begränsad för att minimera korrosion av ängöverhettarytorna, kännetecknad därav, att 25 ängpannan uppvisar minst tvä överhettare (2, 3, 4, 5), vilkas placering i rök-’ gaskanalen (6) och seriesättning i ängkretsen (7) är gjord sä att yttempera- turen pä överhettarens eller överhettarnas värmeöverföringsyta hälls under smältpunkten för KOH, 406 °C (motsvarar en ängtemperatur av ca 350-380 :: °C), sä Iängt i rökgaskanalen (6) tills rökgasernas temperatur har sjunkit tili .,; - * 30 750 °C och att ängans slutöverhettning är gjord vid en högre temperatur dä ':: rökgaserna är i omrädet under 750 °C utan att märkbart öka risken för ned smutsning och korrosion av överhettarytoma. 114737

4. Ängpannan enligt patentkravet 3, kännetecknad därav, att överhettarna för säkerställning av tillräcklig uppehällstid är installerade i rökgaskanalen (6) sä att det efter det planerade 750 °C:iga temperaturomrädet för rökgaserna äterstär ett tillräckligt längt tomt omräde (a) i kanalen (6) före följande över-5 hettare (3). 10