FI123354B

FI123354B - Järjestely ja menetelmä kiinteän polttoaineen kaasuttamiseksi

Info

Publication number: FI123354B
Application number: FI20106344A
Authority: FI
Inventors: Eero Berg
Original assignee: Foster Wheeler Energia Oy
Priority date: 2010-12-20
Filing date: 2010-12-20
Publication date: 2013-03-15
Also published as: CA2813363C; FI20106344A; US9296963B2; ES2690202T3; EP2655568B1; FI20106344A0; EP2655568A1; DK2655568T3; WO2012085345A1; EP2655568A4; CA2813363A1; US20130263509A1

Description

JÄRJESTELY JA MENETELMÄ KIINTEÄN POLTTOAINEEN KAASUTTAMISEKSI

5 [001] Keksintö kohdistuu patenttivaatimuksen 1 johdanto-osan mukaiseen järjes telyyn kiinteän polttoaineen kaasuttamiseksi.

[002] Keksintö kohdistuu myös patenttivaatimuksen 9 johdanto-osan mukaiseen menetelmään kiinteän polttoaineen kaasuttamiseksi.

10 [003] Tietyissä teollisissa prosesseissa käsiteltävät kuumat kaasut sisältävät komponentteja, joilla on pyrkimys tarttua lämpöpinnoille. Tarttuvia yhdisteitä saattaa syntyä myös jäähdytyksen seurauksena. Tämä vaikeuttaa kaasujen sisältämän lämmön talteenottoa tai kaasun jäähdytystä.

15 [004] Myös kaasutusprosesseissa ilmenee ongelmia lämmönsiirtopinnoille tarttuvan aineen vuoksi. Kiinteän hiilipitoisen aineen kaasuttamisella tai polttamisella kiertoleijupetireaktorissa (circulating fluidized bed reactor), jossa ylläpidetään niin korkea kaasunvirtausnopeus, että huomattava osa kiintoainespartikkeleista pois- 20 tuu kaasun kuljettamana reaktorikammiosta ja partikkelierotuksen jälkeen pääosiltaan palautetaan leijupetiin, on todettu olevan monia etuja tavanomaisiin kaasutus-tai polttomenetelmiin verrattuna.

[005] Kaasutettaessa hiilipitoisia polttoaineita, esimerkiksi biopolttoaineita tai 25 jäteperäisiä polttoaineita, kaasutusreaktoriin syötetään yleensä ilmaa ja/tai happea o sekä vesihöyryä, jolloin tavoitteena on synnyttää tuotekaasua, jonka tärkeimmät c\i c(j komponentit ovat hiilimonoksidi CO, vety H2 ja hiilivedyt CxHy. Kaasutusreaktorista o ^ poistuva tuotekaasu kuljettaa yleensä mukanaan tuhkahiukkasia ja jäännöshiiltä, o jotka on konseptista riippuen mahdollisesti erotettava hiukkaserottimella, esimer- £ 30 kiksi suotimella, ennen tuotekaasun jatkokäyttöä. Kaasutussysteemin tehokkuus ^ pyritään yleensä optimoimaan siten, että polttoaineen hiilikonversio on mahdolli- co § simman suuri, ts. laitteistosta poistettavan tuhkan jäännöshiilipitoisuus on mahdol- ^ lisimman pieni.

2 [006] Erityisesti biopolttoaineesta peräisin olevissa kaasutuskaasuissa lämmön talteenottoa ja myös mahdollisesti kaasun jatkokäyttöä vaikeuttavat olennaisesti biopolttoaineissa olevat komponentit, joilla on pyrkimys tarttua pinnoille. Tarttuvia yhdisteitä saattaa syntyä myös jäähdytyksen seurauksena.

5 [007] Kaasutusreaktorista lähtevä tuotekaasu sisältää yleensä myös tuhkahiuk-kasia, jotka on poistettava esimerkiksi hiukkassuotimella ennen tuotekaasun jatko-käyttöä. Koska korkeassa lämpötilassa toimivat kaasun hiukkassuotimet ovat kalliita ja alttiita vaurioitumaan, tuotekaasu yleensä jäähdytetään ennen suodatus- 10 ta. Erityisesti jätemateriaaleja ja biomassaa kaasutettaessa voi syntyä huomattavia määriä tervayhdisteitä, joilla tarkoitetaan yhdisteitä tai komponentteja, jotka ovat kaasutuslämpötilassa kaasumaisia, mutta tiivistyvät matalammissa lämpötiloissa helposti tarttuviksi pisaroiksi ja edelleen jopa kiinteiksi partikkeleiksi, jotka voivat muodostaa esimerkiksi kaasunjäähdyttimen lämmönvaihtopinnoille ja suo-15 timeen vaikeasti poistettavia kerrostumia. Siten tervayhdisteet mm. laskevat läm-mönvaihtopintojen lämmönvaihtokykyä heikentäen laitteiston toimintaan ja tukkivat suotimen suodatuselementtejä lisäten painehäviötä.

[008] Tervayhdisteiden määrää voidaan vähentää termisellä krakkauksella. 20 Tällöin terveyhdisteitä hajotetaan termisellä krakkauksella ja lopputuotekaasun tervayhdisteiden määrä pienenee. Tuotekaasun terminen krakkaus toteutetaan nostamalla kaasun lämpötila kaasutuksen jälkeen riittävän korkeaksi, jolloin muodostuneet tervat hajoavat yksinkertaisimmiksi yhdisteiksi. Yksinkertaisimmin tämä onnistuu tuomalla tuotekaasuun joko erillisessä yksikössä happea tai ilmaa. Täl-25 löin osa kaasun palavista komponenteista palaa ja lämpötila nousee. Tervayhdis- δ teiden lakkautumiseen vaadittava lämpötila on noin 1000 - 1200 °C. Palamiseen c\j ^ kulutettu tuotekaasu kompensoituu termisellä krakkauksella syntyneillä yhdistellä, o i

CO

o [009] Julkaisussa JP 11043681 on esitetty biopolttoaineen kaasutusta leijupeti- | 30 reaktorissa. Leijupetireaktorista saatava tuotekaasu johdetaan leijupetireaktoria ^ korkeammassa lämpötilassa toimivaan hapetusuuniin, jossa tapahtuu toisiokaasu- 2 tus. Hapetusuunissa lämpötila on 1200 - 1600 °C, jolloin tapahtuu mm. tervan o g hajoamista. Hapetusuunin alaosassa on jäähdytysosa, jossa kaasu ja muodostu en nut sulamateriaali jäähdytetään johtamalla ne veteen. Veden aikaansaama nopea 3 jäähdytys kiinteyttää sulamateriaalin ja näin granuloitunut materiaali poistetaan jäähdyttimestä, ja kaasu ohjataan edelleenkäsittelyyn.

[0010] Julkaisussa US 2007/0175095 on esitetty biomassan kaasutuslaitteisto, 5 jossa varsinaisen kaasutusvaiheen tuotekaasu johdetaan sitä seuraavaan refor- meriosaan, jossa tuotekaasun tervakomponentit hajotetaan termisellä krakkauk-sella. Reformeriosaan johdetaan happea, jolloin tapahtuu polttoaineen hapettumista, mikä nostaa lämpötilan terminen krakkauksen vaatimalle tasolle. Tämä aiheuttaa tervakomponenttien hajoamista. Reformeriosan jälkeen kaasu 10 jäähdytetään ja johdetaan käytettäväksi. Tässä kaasutusvaiheen sulamateriaali johdetaan polttoaineeksi kaasutukseen lämpöä tuovaan erilliseen lämmityslaittee-seen. Julkaisun esittämässä menetelmässä jää kokonaan avoimeksi varsinaisessa termisessä krakkauksessa syntyvien sulien komponenttien käsittely. Siten ratkaisu on altis erityisesti reformeriosan jälkeisten lämpöpintojen tukkeutumiselle.

15

[0011] Keksinnön tarkoituksena onkin aikaansaada järjestely ja menetelmä kiinteän polttoaineen kaasuttamiseksi, joilla edellä kuvattuja tunnetun tekniikan ongelmia saadaan minimoitua.

20 [0012] Keksinnön tavoitteet saavutetaan järjestelyllä kiinteän polttoaineen kaasut tamiseksi, joka järjestely käsittää kaasutusreaktorin, joka on järjestetty tuottamaan kiinteästä polttoaineesta edelleen hapetettavissa olevaa tuotekaasua, ja kaasun käsittelyreaktorin järjestettynä seuraamaan tuotekaasun virtaussuunnassa kaasu-tusreaktoria, joka kaasun käsittelyreaktori käsittää elimet happipitoisen kaasun 25 syöttämiseksi kaasun käsittelyreaktoriin tuotekaasun osittaishapettamiseksi ja sen

CO

£ termiseksi krakkaamiseksi. Keksinnölle on pääasiassa tunnusomaista se, että ^ kaasun käsittelyreaktorin jälkeen kaasun virtaussuunnassa on järjestettynä tuote- C\l S5 kaasun säteilylämmönsiirtojäähdytin tuotekaasun sisältämien sulakomponenttien co ° kiinteyttämiseksi, ja että säteilylämmönsiirtojäähdyttimen alaosaan on sovitettu | 30 poistoyhde kiinteytettyjen sulakomponenttien poistamiseksi säteilylämmönsiirto-

Tt jäähdyttimestä.

co

CO

5 [0013] Tällaisella järjestelyllä ei tarvita katalyyttejä kaasutuskaasun tervakompo- o ^ nenttien hajottamiseen, jolloin järjestetyn toimintavarmuus on hyvä. Samalla saa- 4 daan luotettavalla tavalla jäähdytettyä termisen krakkauksen tuottamaa, tarttuvia ja/tai sulia komponentteja sisältävää kaasua niin, että mainittujen komponenttien käsittely on luotettavaa. Järjestely on myös energiatehokas, koska tarttuvista ja/tai sulista komponenteista on otettu lämpöä talteen merkittävissä määrin ennen nii-5 den poisto kiinteässä muodossa.

[0014] Keksinnön edullisen suoritusmuodon mukaan säteilylämmönsiirtojäähdytin muodostuu seinämistä, jotka rajaavat säteilylämmönsiirtojäähdyttimen kaasuthan, ja jotka seinämät käsittävät lämmönsiirtopintoja, ja että kaasutila on oleellisesti 10 vapaata tilaa.

[0015] Tällä tavoin minimoidaan jäähdyttimen tukkeutumisriski ja aikaansaadaan toimintavarma jäähdytys ja tarttuvien ja/tai sulien komponenttien muuttuminen ei-tarttuviksi ennen niiden poistoa jäähdyttimestä.

15

[0016] Edullisesti kaasun käsittelyreaktori on pystysuuntainen reaktori, jonka yläosaan on järjestetty sisääntulo tuotekaasun syöttämiseksi kaasun käsittelyreak-toriin, ja jonka alaosaan on järjestetty mainittu säteilylämmönsiirtojäähdytin.

20 [0017] Säteilylämmönsiirtojäähdyttimen alaosaan on järjestetty edelleen kaasun virtauksen kääntökammio, josta kaasun poistoaukko avautuu niin, että kaasun virtaussuunta oleellisesti muuttuu, ja jonka kääntökammion alaosa on varustettu poistoyhteellä tuotekaasusta erotetun kiinteän aineen poistamiseksi. Kaasun poistoaukko avautuu edullisesti niin, että kaasun virtaussuunta oleellisesti muuttuu 25 vähintään 90°. co ° [0018] Edullisesti kaasun käsittelyreaktori käsittää sen yläosassa tulenkestävän, o kuten muuratun pinnoitteen.

co o x 30 [0019] Erään edullisen suoritusmuodon mukaan poistoyhde on yhdistetty konvek- 0_ tiokattilaan, jonka kaikki pääasialliset lämmönvaihtimet on tuettu horisontaalisesti peräkkäin. Konvektiokattilan kukin lämmönvaihdin on järjestetty suoraan sen co ° pohjaosan yläpuolelle ja konvektiokattilan pohjaosalle on järjestetty kiinteän βί ο

CVJ

5 neen kuljetin. Kuljetin on edullisesti yhteydessä säteilylämmönsiirtojäähdyttimen alaosaan järjestetyn kaasun virtauksen kääntökammion alaosaan.

[0020] Kaasutusreaktori on edullisesti kiertoleijupetireaktori, joka käsittää kiintoai-5 neen erottimen, jonka poistoyhteeseen kaasun käsittelyreaktori on sovitettu.

[0021] Keksinnön tavoitteet saavutetaan myös menetelmällä kiinteän polttoaineen kaasuttamiseksi kaasutusreaktorissa, jossa kiinteästä polttoaineesta tuotetaan edelleen hapetettavissa olevaa tuotekaasua, joka johdetaan kaasutusreaktorista 10 kaasun käsittelyreaktoriin, johon kaasun käsittelyreaktoriin syötetään happipitoista kaasua ja osittaishapetetaan tuotekaasua ja nostetaan sen lämpötilaa, jolloin aikaansaadaan tuotekaasun komponenttien termistä krakkautumista. Menetelmälle on pääasiassa tunnusomaista se, että menetelmässä sulatetaan ja/tai pehmen-netään tarttuviksi tuotekaasun kiintoainekomponentteja muodostaen 15 sulakomponentteja, jonka jälkeen kaasu johdetaan säteilylämmönsiirtojäähdytti-meen, jossa tuotekaasun lämpötilaa lasketaan säteilylämmönsiirrolla siten, että tuotekaasun sisältämiä sulakomponentteja kiinteytyy, ja että kiinteytyneitä komponentteja poistetaan säteilylämmönsiirtojäähdyttimestä sen alaosaan järjestetyn poistoyhteen kautta kiinteässä muodossa.

20

[0022] Edullisesti tuotekaasu johdetaan virtaamaan kaasun käsittelyreaktorissa oleellisesti pystysuunnassa ylhäältä alas, ja säteilylämmönsiirtojäähdyttimen alaosassa tuotekaasuvirran suuntaa muutetaan, jonka jälkeen tuotekaasuvirta ohjataan konvektiokattilaan. Edullisesti tuotekaasuvirran suuntaa muutetaan 90-180 ” 25 astetta.

o c\j i

CVJ

9 [0023] Menetelmässä tuotetaan kiinteästä polttoaineesta edelleen hapetettavissa

CO

o olevaa tuotekaasua leijupedissä, jolloin leijupedin materiaalikoostumusta ohjataan | ainakin osittain käsittelyreaktorissa tapahtuvan kaasun komponenttien sulatus- tai 30 pehmennyskäyttäytymisen perusteella.

co co o g [0024] Muut keksinnölle ominaiset lisätunnuspiirteet käyvät ilmi oheisista patentti en vaatimuksista ja seuraavasta kuvioiden suoritusmuotojen selityksestä.

6

[0025] Seuraavassa keksintöä ja sen toimintaa selostetaan viittaamalla oheiseen kaaviomaiseen piirustukseen, joissa kuvio 1 esittää kaaviomaisesti erästä suoritusmuotoa keksinnön mukaises- 5 ta järjestelystä, ja kuvio 2 esittää kaaviomaisesti erästä toista suoritusmuotoa keksinnön mukaisesta järjestelystä.

[0026] Kuviossa 1 on esitetty eräs keksinnön mukainen suoritusmuoto järjestelys-10 tä kiinteän polttoaineen kaasuttamiseksi 10. Kuvion 1 suoritusmuoto käsittää kaasutusreaktorin 12’, jossa polttoainetta kaasutetaan siten, että tuotekaasuna syntyy edelleen hapetettavissa olevaa tuotekaasua. Järjestely käsittää edelleen kaasutusreaktorin 12’ yhteyteen kytketyn käsittelyreaktorin 20 kaasun termisen krakkauksen aikaansaamiseksi ja siihen kuuluvan tai sen yhteyteen järjestetyn 15 kaasun säteilylämmönsiirto jäähdyttimen 41. Tällä kokonaisuudella saadaan aikaiseksi järjestely edelleen hapetettavissa olevan tuotekaasun valmistamiseksi kiinteästä polttoaineesta, jolla samanaikaisesti saadaan tuotettua hyvälaatuista tuotekaasua luotettavalla tavalla termistä krakkausta hyödyntäen ja huolehdittua termisen krakkauksen aikaansaamista sulakomponenteista toimintavarmalla taval-20 la oleellisesti kiinteyttämällä ei-tarttuviksi ne ja käsittelemällä ne ei-tarttuvassa muodossa.

[0027] Kaasutusreaktorissa siis tuotetaan tuotekaasua, joka johdetaan kaasutus-reaktoria 12’ kaasun virtaussuunnassa seuraavaan kaasun käsittelyreaktoriin 20 25 oleellisesti jäähdyttämättömänä. Kaasun käsittelyreaktorin 20 yhteydessä on ^ kaasun säteilylämmönsiirtojäähdytin 41, joka tässä suoritusmuodossa on edelleen

CVJ

9 yhdistettynä esimerkiksi konvektiokattilaan 40 tuotekaasun jäähdyttämiseksi edel- co o leen.

X

cc

CL

30 [0028] Käsittelyreaktori 20 on edullisesti pystysuuntainen reaktori, jossa kaasu on 2 järjestetty virtaamaan oleellisesti ylhäältä alas. Sen yläosaan on järjestetty sisään- o g tulo 26 tuotekaasun syöttämiseksi reaktoriin 20. Käsittelyreaktori käsittää elimet 22

CVJ

happipitoisen kaasun syöttämiseksi edullisesti järjestettynä sisääntulon yhteyteen.

7

Elimet 22 on yhteydessä kaasun lähteeseen 24, joka sisältää edullisesti joko happea tai hapen ja vesihöyryn seosta. Elimet 22 happipitoisen kaasun syöttämiseksi reaktoriin voivat käsittää myös erilliset kanavat happipitoiselle kaasulle ja vesihöyrylle, jolloin elimet 22 on yhteydessä sekä happipitoisen kaasun lähtee-5 seen että vesihöyryn lähteeseen (ei esitetty). Tuotekaasun käsittelemiseksi tehokkaasti on elimet 22 happipitoisen kaasun syöttämiseksi edullisesti järjestetty sisääntuloon 26 sen keskilinjalle ja siten, että happipitoista kaasua ja vesihöyryä voidaan johtaa reaktoriin niin, että näiden päävirtaus suuntautuu oleellisesti myötävirtaan tuotekaasun virtaussuuntaan nähden. Sisääntulon yhteyteen muodostuu 10 hapetusvyöhyke 27 laitteiston ollessa käytössä. Sisääntulon alue käsittelyreaktorin yläosassa on varustettu sisäpuolisella tulenkestävällä vuorauksella 34, kuten muurauksella. Muurauksella on pinnoitettu oleellisesti kaikki pinnat yläosassa. Muuraus jatkuu sisääntulosta etäisyyden päähän siten, että se ulottuu ainakin niin pitkälle, että käsittelyreaktorin hapetusvyöhyke on muurauksen alueella. Muuraus 15 toimii lämpöeristeenä ja tällä tavoin rakenne sallii kaasun lämpötilan nostamiseksi riittävän korkeaksi termisen krakkauksen aikaansaamiksi. Muurauksen ulkopuolinen rakenne voi sinänsä olla rakenteen kestävyyden takia jäähdytettyä rakennetta. Edullisesti käsittelyreaktorin 20 yläosassa ylläpidetään n. 1100 - 1400 °C lämpötila. Vaikka tässä yhteydessä puhutaan hapetusvyöhykkeestä, tulee ymmärtää, että 20 tuotekaasu hapetetaan vain osittain tässä vaiheessa ja myös lopullinen tuotekaasu on edelleen hapetettavissa olevaa kaasua. Korkeassa lämpötilassa tuotekaasun tervayhdisteitä hajotetaan termisellä krakkauksella ja tuotekaasun tervayhdisteiden määrä pienenee. Tuotekaasuun muodostuneet tervat hajoavat yksinkertai-simmiksi yhdisteiksi. Tällöin osa tuotekaasun palavista komponenteista hapettuu 25 elimien 22 kautta tuodun hapen kanssa ja kaasun lämpötila nousee. Palamiseen ^ kulutettu tuotekaasu kompensoituu termisellä krakkauksella syntyneillä yhdistellä.

CVJ

o i

CO

o [0029] Käsittelyreaktorissa 20 ylläpidettävä korkea lämpötila ainakin pehmentää | tai jopa sulattaa erottimen 14 läpi käsittelyreaktoriin 20 tulevan kiintoaineen, jota 30 voidaan myös lentotuhkaksi kutsua. Pehmentyneitä lentotuhkapartikkeleita myös 2 tarttuu ympäröiviin pintoihin, jolloin ne voidaan poistaa nuohoamalla. Järjestely o g käsittääkin nuohoimia 44. Muuratun käsitettyreaktorin pinnan yhteyteen on järjes-

CVJ

8 tetty korkeapainevesiruiskutuslaitteet, jolloin muuratulta pinnalta tarttunutta tuhkaa voidaan nuohota menestyksellä esimerkiksi korkeapainevesiruiskutuksella.

[0030] Muuratun osan alapuolella sen välittömässä läheisyydessä alkaa säteily-5 lämmönsiirtojäähdytin 41. Toisin sanoen käsittelyreaktorin 20 alaosan seinämät 21 toimivat säteilylämmönsiirtiminä, jotka jäähdyttävät tuotekaasua. Säteilylämmön-siirtojäähdytin muodostuu seinämistä 21, jotka rajaavat säteilylämmönsiirtojääh-dyttimen kaasuthan, joka kaasutila on oleellisesti vapaata tilaa. Toisin sanoen kaasutilaan ei ole sovitettu kaasun virtaukseen vaikuttavia lämmönsiirrinrakenteita. 10 Tällöin pehmentynyttä ja/tai sulanutta lentotuhkaa tarttuu myös käsittelyreaktorin 20 alaosan seinämiin. Käsittelyreaktorin alaosan seinämien yhteydessä on nuo-hoimet 44, joiden avulla seinämille kertynyttä kovettunutta materiaalia voidaan irrottaa. Nuohoimet 44 ovat vasara-tyyppisiä nuohoimia, joilla on aikaansaatavissa iskuja säteilylämmönsiirrin seinämään sen ulkopuolelta. Nuohoimia on sijoitettu 15 vaikuttamaan säteilylämmönsiirtojäähdyttimen kaikkiin pintoihin.

[0031] Käsittelyreaktorin alaosaan on järjestetty kaasun virtauksen kääntökammio 28, josta avautuu kaasun poistoaukko 30 konvektiokattilaan 40. Myös kääntö-kammion 28 seinämät toimivat samalla säteilylämmönsiirtiminä. Kääntökammion 20 alaosassa on poistoyhde 46 tuotekaasusta erottuneen kiintoaineen poistamiseksi kiinteässä muodossa. Käsittelyreaktorin 20 alaosan seinämiltä irrotettu kiintoaine johdetaan reaktorin ja kääntökammion 25 seinämiä pitkin poistoyhteeseen 46 kuljetettavaksi edelleen käsiteltäväksi.

25 [0032] Erityisesti biopolttoaineet sisältävät tuhkaa, jossa on aikalisiä komponentte- S ja, kuten kaliumia ja natriumia. Alkaliset komponentit sulavat termisen krakkauk- cvj sen korkeissa lämpötiloissa. Kloorin ja muiden tuhkakomponenttien läsnä ollessa o ^ natrium- ja kaliumsuolat muodostavat sulafaasissa hyvin vahvasti korrodoivan o seoksen, joka on hyvin tuhoisaa monille muurausmateriaaleille ja paineastiateräk-

CC

30 sille. Tätä voidaan erään keksinnön suoritusmuodon mukaan merkittävästi vähen- ^ tää lisäämällä kaasuttimen polttoaineen joukkoon sopiva määrä turvetta tai muuta co § polttoainetta, joka sisältää happamia komponentteja kuten esimerkiksi piitä ja ° rikkiä. Tällöin termisessä krakkauksessa syntyvän sulan tuhkan korrodoiva vaiku tus pienenee oleellisesti.

9

[0033] Kuviossa 2 on esitetty eräs toinen keksinnön mukainen suoritusmuoto järjestelystä kiinteän polttoaineen kaasuttamiseksi 10. Kuvion 2 suoritusmuoto käsittää kiertoleijupetireaktorin 12, joka tässä toimii kaasutusreaktorina, ja johon 5 muodostetussa nopeassa leijupedissä polttoaine kaasutetaan siten, että tuotekaa-suna syntyy edelleen hapetettavissa olevaa tuotekaasua. Järjestely käsittää edelleen kiertoleijupetireaktorin 12 yhteyteen kytketyn, reaktorissa tuotetun kaasun käsittelyreaktorin 20 ja siihen kuuluvan tai sen yhteyteen järjestetyn kaasun jääh-dyttimen 41.

10

[0034] Järjestely on erityisen edullinen, kun käytettävä polttoaine on biomassaa. Kiertoleijupetireaktori 12 on rakenteeltaan ja perustoiminnaltaan sinänsä tunnettu. Kiertoleijupetireaktori käsittää mm. leijutuskaasun syöttölaitteet 16 ja polttoaineen ja/tai petimateriaalin syöttölaitteet 18. Kiertoleijupetireaktori 12 käsittää lisäksi 15 kiintoaineen erotuslaitteiston 14, kuten yhden tai useamman syklonin, jossa tuote-kaasusta erotetaan kiintoainetta, erityisesti petimateriaalia ja palautetaan ns. ulkoisena kiertona takaisin reaktoriin. Kiertoleijupetireaktorin 12 erotuslaitteistosta 14 tuotekaasu johdetaan sitä kaasun virtaussuunnassa, joka on kuvattu nuolella A, seuraavaan kaasun käsittelyreaktoriin 20 oleellisesti jäähdyttämättömänä. Kaasun 20 käsittelyreaktorin 20 yhteydessä on kaasun jäähdytin 41, joka tässä suoritusmuodossa on edelleen yhdistettynä konvektiokattilaan 40, joka ns. vaakakattila. Vaa-kakattilassa kaikki pääasialliset lämmönvaihtimet 42 on tuettu horisontaalisesti peräkkäin. Kaasun jäähdytin 41 muodostuu pääasiassa säteilylämmönsiirrinpin-noista 21.

” 25 o ^ [0035] Käsittelyreaktori 20 on tässäkin edullisesti pystysuuntainen reaktori, jossa c\j 9 kaasu on järjestetty virtaamaan oleellisesti ylhäältä alas. Sen yläosaan on järjes tö o tetty sisääntulo 26 tuotekaasun syöttämiseksi reaktoriin 20. Kaasun käsittelyreak- | tori 20 käsittää elimet 22 happipitoisen kaasun syöttämiseksi reaktoriin, ^ 30 järjestettynä, edullisesti sisääntulon 26 yhteyteen. Elimet 22 on yhteydessä kaa- 't g sun lähteeseen 24, joka sisältää edullisesti joko happea tai hapen ja vesihöyryn o 5 seosta. Elimet 22 happipitoisen kaasun syöttämiseksi reaktoriin voivat käsittää

CM

myös erilliset kanavat happipitoiselle kaasulle ja vesihöyrylle, jolloin elimet 22 on 10 yhteydessä sekä happipitoisen kaasun lähteeseen että vesihöyryn lähteeseen (ei esitetty). Tuotekaasun käsittelemiseksi tehokkaasti on elimet 22 happipitoisen kaasun syöttämiseksi edullisesti järjestetty sisääntuloon 26 sen keskilinjalle ja siten, että happipitoista kaasua ja vesihöyryä voidaan johtaa reaktoriin niin, että 5 näiden virtaus suuntautuu oleellisesti myötävirtaan tuotekaasun virtaussuuntaan nähden. Sisääntulon yhteyteen muodostuu hapetusvyöhyke 27 laitteiston ollessa käytössä. Sisääntulon alue käsittelyreaktorin yläosassa on varustettu sisäpuolisella tulenkestävällä vuorauksella 34, kuten muurauksella. Muurauksella on pinnoitettu oleellisesti kaikki pinnat yläosassa. Muuraus jatkuu sisääntulosta etäisyyden 10 päähän siten, että se ulottuu ainakin niin pitkälle, että käsittelyreaktorin hapetus-vyöhyke on muurauksen alueella. Muuraus toimii lämpöeristeenä ja tällä tavoin rakenne sallii kaasun lämpötilan nostamisen riittävän korkeaksi termisen Pakkauksen aikaansaamiksi. Muurauksen ulkopuolinen rakenne voi sinänsä olla rakenteen kestävyyden takia jäähdytettyä rakennetta. Edullisesti käsittelyreaktorin 20 15 yläosassa ylläpidetään n. 1100 - 1400 °C lämpötila. Vaikka tässä yhteydessä puhutaan hapetusvyöhykkeestä, tulee ymmärtää, että tuotekaasu hapetetaan vain osittain tässä vaiheessa ja myös lopullinen tuotekaasu on edelleen hapetettavissa olevaa kaasua. Korkeassa lämpötilassa tuotekaasun tervayhdisteitä hajotetaan termisellä Pakkauksella ja tuotekaasun tervayhdisteiden määrä pienenee. Tuote-20 kaasuun muodostuneet tervat hajoavat yksinkertaisimmiksi yhdisteiksi. Tällöin osa tuotekaasun palavista komponenteista hapettuu elimien 22 kautta tuodun hapen kanssa ja kaasun lämpötila nousee. Palamiseen kulutettu tuotekaasu kompensoituu termisellä Pakkauksella syntyneillä yhdistellä.

25 [0036] Kun kuvion 2 esittämässä suoritusmuodossa ajetaan kiertoleijupetireakto- ^ ria 12 erään suoritusmuodon mukaan niin, että reaktorissa kaasutuslämpötilaa c\j 9 lasketaan, jolloin kiinteän hiilen ja/tai hiilivetyjen määrä kaasutinreaktorista 12 co o erottimen 14 lävitse käsittelyreaktoriin 20 kasvaa. Tällöin käsittelyreaktorin osit- | taishapetus muuttuu niin, että sen yhteydessä muodostuva liekki on edullisempi ^ 30 säteilylämmönsiirron kannalta ja näin saadaan käsittelyreaktorissa säteilylämmön- 2 siirron tehokkuutta nostettua o δ

CVJ

11

[0037] Käsittelyreaktorissa 20 ylläpidettävä korkea lämpötila ainakin pehmentää tai jopa sulattaa erottimen 14 läpi käsittelyreaktoriin 20 tulevan kiintoaineen, jota voidaan myös lentotuhkaksi kutsua. Pehmentyneitä lentotuhkapartikkeleita myös tarttuu ympäröiviin pintoihin, jolloin ne voidaan poistaa nuohoamalla. Järjestely 5 käsittääkin nuohoimia 44. Muuratun käsitettyreaktorin pinnan yhteyteen on järjestetty korkeapainevesiruiskutuslaitteet, jolloin muuratulta pinnalta tarttunutta tuhkaa voidaan nuohota menestyksellä esimerkiksi korkeapainevesiruiskutuksella.

[0038] Muuratun osan alapuolella käsittelyreaktorin 20 alaosan seinämät 21 toimi-10 vat säteilylämmönsiirtiminä, jotka jäähdyttävät tuotekaasua. Säteilylämmönsiirto- jäähdytin muodostuu seinämistä, jotka rajaavat säteilylämmönsiirtojäähdyttimen kaasutilan, joka kaasuilla on oleellisesti vapaata tilaa. Toisin sanoen kaasuillaan ei ole sovitettu kaasun virtaukseen vaikuttavia lämmönsiirrin rakenteita. Kuten kuvioista on nähtävissä, säteilylämmönsiirrin ts. jäähdytetty seinämä käsittää lämmön-15 siirtokanavia, kuten putkia. Kuvioissa jäähdytetyn seinämän putkien kokoojayhteitä on esitetty viitenumeroilla 23. Kuvioissa säteilylämmönsiirtojäähdyttimen lämmön-siirtokanavat ulottuvat vain muuratun osan alapuolelle tai sen alareunaan, mitä erityisesti kuvataan viitenumeroilla 23. Tällöin yläosan rakenne voidaan liittää säteilylämmönsiirtojäähdyttimeen niin, että säteilylämmönsiirtojäähdyttimen yhtey-20 teen järjestettyjen nuohoimien 44 käyttö ei aiheuta muurauksen keston kannalta haitallisten nuohousiskujen merkittävää välittymistä muuraukseen. Kuviossa 2 on esitetty lisäksi, kuinka yläosan muuraus voi olla erillisesti jäähdytettyä rakennetta, mikä on esitetty kokoojayhteillä 23’.

co 25 [0039] Kaasun jäähdytettäessä pehmentynyttä ja/tai sulanutta lentotuhkaa myös ° tarttuu jonkin verran myös käsittelyreaktorin 20 alaosan seinämiin ja kovettuu sen i pinnalle. Tätä varten käsittelyreaktorin alaosan seinämien yhteydessä on nuohoi- i g met 44, joiden avulla seinämille kertynyttä kovettunutta materiaalia voidaan irrotin taa. Nuohoimet 44 ovat vasara-tyyppisiä nuohoimia, joilla on aikaansaatavissa

CL

30 iskuja säteilylämmönsiirrin seinämään sen ulkopuolelta, co g [0040] Käsittelyreaktorin alaosaan on järjestetty kaasun virtauksen kääntökammio g 28, josta kaasun poistoaukko 30 avautuu konvektiokattilaan 40 oleellisesti ylös päin. Myös kääntökammion 28 seinämät toimivat samalla säteilylämmönsiirtiminä.

12 Kääntökammion alaosassa on poistoyhde 46 tuotekaasusta erottuneen kiintoaineen poistamiseksi. Käsittelyreaktorin 20 alaosan seinämiltä irrotettu kiintoaine johdetaan reaktorin ja kääntökammion 25 seinämiä pitkin poistoyhteeseen 46 kuljetettavaksi edelleen käsiteltäväksi.

5

[0041] Kuvion 2 suoritusmuodossa kääntökammio 28 on muodostettu käsittelyre-aktoriin 20 siten, että se käsittää konvektiokattilan 40 kanssa yhteisen seinämän 32, jonka alapuolelta kaasu on järjestetty kulkemaan. Tällä tavoin käsittelyreaktorin alaosassa tuotekaasuvirran suuntaa muutetaan 90 - 180 astetta, jonka jälkeen 10 tuotekaasuvirta ohjataan konvektiokattilaan 40. Edullisesti tuotekaasuvirran suuntaa muutetaan 135- 180 astetta.

[0042] Kaasua johdetaan kääntökammiosta 28 konvektiokattilaan 40. Sen kaasuillaan on järjestetty lämmönvaihtimia 42, jotka kaikki on tuettu horisontaalisesti 15 peräkkäin. Myös konvektiokattilan lämmönvaihtimien pintaa tarttuu tuotekaasusta kiintoainetta, jota täytyy poistaa pinnoilta. Kun lämmönvaihtimet on järjestetty horisontaalisesti peräkkäin, ts. ei päällekkäin, voidaan kaasun virtaussuunnassa ensin olevasta lämmönvaihtimesta irrotetun kiintoaineen kulkeutuminen seuraavan lämmönvaihtimen pinnoille estää.

20

[0043] Lämmönvaihdinten 42 alapuolelle on järjestetty kiintoaineen keräystilat 48. Ensimmäinen lämmönvaihdin on kuitenkin osittain kääntökammion 28 poistoaukon yläpuolella 30. Ensimmäisen lämmönvaihtimen pintaan kertyy enemmän kiintoainetta kuin konvektiokattilan muihin lämmönvaihtimiin 42 ja siten on edullista, että 25 ensimmäisestä lämmönvaihtimesta irrotettu kiintoaine voi pudota gravitaationa δ vaikutuksesta suoraan kääntökammion 28 alaosaan poistettavaksi. Konvektiokatti- c\j ^ lan muiden, ensimmäisen lämmönvaihtimen jälkeisten lämmönvaihtimien alapuoli- o ^ sen keräystilan yhteydessä on kuljetin 50, kuten ruuvikuljetin, jonka avulla näistä o lämmönvaihtimista erotettu kiintoaine johdetaan niin ikään kääntökammion 28 £ 30 alaosaan niitä yhdistävän kanavan 52 kautta.

2 [0044] Konvektiokattilasta 40 jäähdytetyt kaasut johdetaan mahdollisien suodatus- o ^ laitteen 55 kautta käytettäväksi.

CVJ

13

[0045] Sekoittamalla turvetta biopolttoaineiden joukkoon voidaan samalla vaikuttaa tuhkan käyttäytymiseen siten, että tuhkan tarttuvuus kaasun käsittelyreaktorin muurauksiin mahdollisesti vähenee tai tuhka voidaan helpommin nuohota muura- 5 tuilta pinnoilta.

[0046] Erään keksinnön suoritusmuodon mukaan kaasutettava polttoaine on biopolttoainetta, jolloin polttoaineen ja/tai petimateriaalin joukkoon annostellaan ennalta määrätty määrä turvetta. Tällöin menetelmä kiinteän polttoaineen kaasut- 10 tamiseksi käsittää vaiheen, jossa määritetään käsittelyreaktorissa syntyvän sulan ja/tai tarttuvan materiaalin määrää ja/tai laatua ja säädetään turpeen määrää polttoaineessa siten, että käsittelyreaktorissa syntyvän sulan ja/tai tarttuvan materiaalin määrä ja/tai laatu on ennalta määrätyn asetusarvoalueen sisällä. Näin myös konvektiokattilan likaantumista voidaan vähentää ja tuhkan nuohoamista lämpö-15 pinnoilta helpottaa lisäämällä turvetta biopolttoaineiden joukkoon. Leijupetikaasut-timessa käytettävällä petimateriaalilla tai petimateriaaliseoksella voidaan myös vaikuttaa tuhkan tarttuvuuteen tai nuohottavuuteen.

[0047] On huomattava, että edellä on esitetty vain joitakin keksinnön edullisimpia 20 suoritusmuotoja. Siten on selvää, että keksintö ei ole rajoitettu edellä esitettyihin suoritusmuotoihin, vaan sitä voidaan soveltaa monin tavoin. Järjestely voidaan toteuttaa myös siten, että kaasutusreaktorina käytetään ns. hidasta leijupetiä. Eri suoritusmuotojen yhteydessä esitettyjä piirteitä voidaan keksinnön perusajatuksen puitteissa niin ikään käyttää muiden suoritusmuotojen yhteydessä ja/tai yhdistellä 25 esitetyistä piirteistä erilaisia kokonaisuuksia, mikäli niin halutaan ja tekniset mah-S dollisuudet tähän ovat olemassa.

CvJ

CVJ

cp co o

X

Q.

CO

o δ

CvJ

Claims

14 Patenttivaati m u kset

1. Järjestely (10) kiinteän polttoaineen kaasuttamiseksi, joka järjestely käsittää kaasutusreaktorin (12,12’), joka on järjestetty tuottamaan kiinteästä 5 polttoaineesta edelleen hapetettavissa olevaa tuotekaasua, ja kaasun käsittely-reaktorin (20) järjestettynä seuraamaan tuotekaasun virtaussuunnassa kaasu-tusreaktoria, joka kaasun käsittelyreaktori käsittää elimet happipitoisen kaasun syöttämiseksi kaasun käsittelyreaktoriin (20) tuotekaasun osittaishapettamisek-si ja sen termiseksi krakkaamiseksi, tunnettu siitä, että kaasun käsittelyreakto-10 rin jälkeen kaasun virtaussuunnassa on järjestettynä tuotekaasun säteilylämmönsiirtojäähdytin (41) tuotekaasun sisältämien sulakomponenttien kiinteyttämiseksi, ja että säteilylämmönsiirtojäähdyttimen alaosaan on sovitettu poistoyhde (46) kiinteytettyjen sulakomponenttien poistamiseksi säteilyläm-mönsiirtojäähdyttimestä (41).

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että säteilylämmönsiirtojäähdytin (41) muodostuu seinämistä (21), jotka rajaavat säteily-lämmönsiirtojäähdyttimen kaasutilan, ja jotka seinämät käsittävät lämmönsiirtopintoja, ja että kaasuilla on oleellisesti vapaata tilaa. 20

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että kaasun käsittelyreaktori (20) on pystysuuntainen reaktori, jonka yläosaan on järjestetty sisääntulo (26) tuotekaasun syöttämiseksi reaktoriin, ja jonka alaosaan on kytketty mainittu säteilylämmönsiirtojäähdytin (41). ” 25 ° 4. Patenttivaatimuksen 1, 2 tai 3 mukainen järjestely, tunnettu siitä, i että säteilylämmönsiirtojäähdyttimen alaosaan on järjestetty kaasun virtauksen i g kääntökammio (28), josta kaasun poistoaukko avautuu (40) niin, että kaasun x virtaussuunta oleellisesti muuttuu, ja jonka kääntökammion alaosa on varustet- CL 30 tu poistoyhteellä (46) tuotekaasusta erotetun kiinteän aineen poistamiseksi, co

5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että poises toyhde (46) on yhdistetty konvektiokattilaan (40), jonka kaikki pääasialliset lämmönvaihtimet (42) on tuettu horisontaalisesti peräkkäin. 15

6. Patenttivaatimuksen 1 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että kaasun käsittelyreaktori (20) käsittää sen yläosassa tulenkestävän, kuten muuratun pinnoitteen (34). 5

7. Patenttivaatimuksen 5 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että kukin konvektiokattilan lämmönvaihdin (42) on järjestetty suoraan sen pohjaosan yläpuolelle ja että konvektiokattilan pohjaosalle on järjestetty kiinteän aineen kuljetin (50), joka on yhteydessä säteilylämmönsiirtojäähdyttimen alaosaan 10 järjestetyn kaasun virtauksen kääntökammion (28) alaosaan.

8. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen järjestely, tunnettu siitä, että kaasutusreaktori (12) on kiertoleijupetireaktori, joka käsittää kiintoaineen erottimen (14), jonka poistoyhteeseen kaasun käsittelyreaktori (20) on 15 sovitettu.

9. Menetelmä kiinteän polttoaineen kaasuttamiseksi kaasutusreakto-rissa (12.12’), jossa kiinteästä polttoaineesta tuotetaan edelleen hapetettavissa olevaa tuotekaasua, joka johdetaan kaasutusreaktorista kaasun käsittelyreakto- 20 riin (20), johon kaasun käsittelyreaktoriin syötetään happipitoista kaasua ja osittaishapetetaan tuotekaasua ja nostetaan sen lämpötilaa, jolloin aikaansaadaan tuotekaasun komponenttien termistä krakkautumista, tunnettu siitä, että menetelmässä sulatetaan ja/tai pehmennetään tarttuviksi tuotekaasun kiinto-ainekomponentteja muodostaen sulakomponentteja, jonka jälkeen kaasu joh-25 detaan säteilylämmönsiirtojäähdyttimeen (41), jossa tuotekaasun lämpötilaa ” lasketaan säteilylämmönsiirrolla siten, että tuotekaasun sisältämiä sulakom- O ^ ponentteja kiinteytyy, ja että kiinteytyneitä komponentteja poistetaan säteily- c\j 9 lämmönsiirtojäähdyttimestä sen alaosaan järjestetyn poistoyhteen (46) kautta co 0 kiinteässä muodossa. 1 30

10. Patenttivaatimuksen 9 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että tuotekaasu johdetaan virtaamaan kaasun käsittelyreaktorissa (20) oleellisesti co ° pystysuunnassa ylhäältä alas, ja että säteilylämmönsiirtojäähdyttimen alaosas- δ C\l 16 sa tuotekaasuvirran suuntaa muutetaan, jonka jälkeen tuotekaasuvirta ohjataan konvektiokattilaan (40).

11. Patenttivaatimuksen 9 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että 5 kiinteästä polttoaineesta tuotetaan edelleen hapetettavissa olevaa tuotekaasua leijupedissä, jolloin leijupedin materiaalikoostumusta ohjataan ainakin osittain käsittelyreaktorissa tapahtuvan kaasun komponenttien sulatus- tai pehmennys-käyttäytymisen perusteella.

12. Patenttivaatimuksen 9 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että tuotekaasu johdetaan säteilylämmönsiirtojäähdyttimestä konvektiokattilaan (40), jonka lämmönvaihtimiin (42) mainittuja sulatettuja tai tarttuviksi pehmennettyjä tuotekaasun hajoamattomia kiintoainekomponentteja saatetaan edelleen tarttumaan, ja että lämmönvaihtimiin (42) tarttuneet kiintoainekomponentit 15 irrotetaan kustakin lämmönvaihtimesta ja ohjataan kunkin lämmönvaihtimen alapuolella olevalle pohjaosalle poistettavaksi konvektiokattilasta (40). CO δ C\l CM O CO o X IX o. ''t CO CO o δ CM 17