FI125314B - Menetelmä typenoksidipäästöjen ja korroosion vähentämiseksi kerrosleijukattilassa ja kerrosleijukattila - Google Patents

Description

Menetelmä typenoksidipäästöjen ja korroosion vähentämiseksi kerrosleijukattilas-sa ja kerrosleijukattila

Keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 johdannon mukainen menetelmä typenoksidipäästöjen ja korroosion vähentämiseksi biopolttoainetta tai jätettä polttavassa kerrosleijukattilassa. Keksinnön kohteena on myös patenttivaatimuksen 4 mukainen kerrosleijukattila.

Kerrosleijukattiloita käytetään yleisesti energian tuottamiseen erilaisista biopolttoaineista (turve, puu, teollisuuden jätelietteet, yms.) ja öljyperäisistä jätteistä (esim. muovijäte). Tämäntyyppisille polttoaineille on ominaista, että haihtuvien aineiden osuus polttoaineen kuiva-aineesta on suuri.

Leijukerrospoltossa typenoksideja (NOx) syntyy pääasiallisesti polttoaineen orgaanisen typen hapettumisen seurauksena. Kerrosleijukattiloita koskevat typenoksidien päästörajat tulevat merkittävästi tiukentumaan lähivuosina. Typenoksidien määrää voidaan vähentää mm. polttoteknisillä menetelmillä, injektoimalla ammoniakkia tulipesään ja savukaasujen katalyyttisellä puhdistuksella. Polttoteknisillä menetelmillä estetään typenoksidien muodostuminen tai konvertoidaan aiemmissa palamisvaiheissa syntyneitä typenoksideja muiksi yhdisteiksi. Esillä oleva keksintö koskee polttoteknistä menetelmää ja siihen liittyvää laitekonstruktiota.

Kerrosleijukattilassa tulipesän alaosassa sijaitsee kupliva leijukerros eli leijupeti, joka koostuu hienojakoisesta palamattomasta materiaalista, kuten hiekasta, joka saadaan leijumaan syöttämällä siihen alapuolelta leijutuskaasua. Leijutuskaasu voi koostua yksinomaan primääri-ilmasta tai se voi olla primääri-ilman ja inertin kaasun, kuten savukaasun seosta. Leijutuskaasun virtausnopeus asetetaan sellaiseksi, että leijukerroksen partikkelit eivät karkaa kaasuvirtauksen mukana kattilan yläosaan vaan pysyvät tulipesän alaosassa muodostaen jatkuvassa liikkeessä olevan ja tehokkaasti petimateriaalia ja siihen syötettyä polttoainetta sekoittavan leijuker-roksen.

Polttoaineen palamiseen tarvittava palamisilma syötetään yleensä vaiheittain ja useassa eri osassa kattilan tulipesään niin, että osan palamisilmasta muodostaa leijutuskaasun mukana puhallettava primääri-ilma eli leijuilma, osan muodostaa leijukerroksen yläpuolelle syötettävä sekundääri-ilma ja loput palamisilmasta syötetään tulipesän yläosaan tertiääri-ilmana.

Kerrosleijukattilan tulipesä voidaan korkeussuunnassa jakaa kolmeen peräkkäiseen palamisvyöhykkeeseen eri vyöhykkeisiin syötettävän palamisilman perusteella. Leijukerros ja sen yläpuolinen tila aina sekundääri-ilmasuuttimien alapuolelle asti muodostaa ensimmäisen palamisvyöhykkeen (I), johon tuodaan primääri-ilmaa lähinnä leijukerrokseen alapuolelta syötettävän leijutuskaasun mukana, minkä lisäksi pieni määrä primääri-ilmaa tulee polttoaineen syötön yhteydessä kantoilmana sekä käynnistyspolttimien jäähdytysilmana. Toinen palamisvyöhyke (II) sijaitsee sekundääri-ilman syöttötason ja tertiääri-ilman syöttötason välisellä alueella. Toiseen palamisvyöhykkeeseen (II) syötetään sekundääri-ilmaa lähinnä vyöhykkeen alaosassa olevien sekundääri-ilmasuuttimien kautta. Jos tulipesässä on kuormapolttimet, pieni osa sekundääri-ilmasta syötetään kuormapolttimien jäähdytysilmana. Kolmas palamisvyöhyke (III) alkaa tertiääri-ilman syöttötasolta ja siihen tuodaan palamisilmaa tertiääri-ilmasuuttimien kautta.

Polttoaine syötetään leijukerroksen päälle kantoilman avulla, jonka tehtävänä on mm. estää polttoaineen syöttötorvien tukkeutuminen. Leijukerroksessa ja sen yläpuolella tapahtuu polttoainepartikkeleiden kuivuminen, haihtuvien aineiden vapautuminen eli pyrolyysi ja jäljelle jääneen hiiltojäännöksen palaminen. Kuivuminen ja pyrolyysi ovat hyvin nopeita tapahtumia. Pyrolyysissä vapautuvat haihtuvat aineet ovat pääosin metaania CH4 ja hiilimonoksidia CO sekä ammoniakkia NH3 ja syaanivetyä HCN. Haihtuvat aineet nousevat tulipesässä ylöspäin ja palavat saavuttaessaan happipitoisen alueen. Vaiheistetulla ilmansyötöllä varustetussa leijukerroskattilassa haihtuvien aineiden palaminen tapahtuu pääosin sekundääri-ilman ja osaksi myös tertiääri-ilman vaikutuksesta. Polttoainepartikkelin hiilto-jäännöksen palaminen tapahtuu primääri-, sekundääri- ja tertiääri-ilman vaikutuksesta.

Vaiheistetun ilmansyötön avulla on mahdollista vähentää typenoksidien muodostumista kerrosleijukattilassa. Hapen läsnäollessa NH3 ja HCN reagoivat typpi-monoksidiksi NO. Ilmansyötön vaiheistuksella kerrosleijukattilan tulipesään saadaan muodostumaan pelkistäviä ali-ilmaisia alueita. Näillä alueilla polttoaineesta muodostuneet NH3 ja HCN pelkistyvät molekyylitypeksi reaktioyhtälöiden (1) ja (2) mukaisesti:

Lisäksi typenoksidit pelkistyvät sisäisen rebuming-reaktion avulla, jossa pyrolyy-sissä muodostuneet h i i 1 i vctyradikaal it osallistuvat typenoksidien vähentämiseen. Esimerkki tällaisesta reaktiosta on kuvattu reaktioyhtälössä (3), jossa hiilivetyra-dikaalina toimii -CHp

Yleensä pelkistävät alueet on muodostettu primääri- ja sekundääri-ilman määrää säätämällä. Tulipesä pidetään tertiääri-ilmansyöttöön asti hapen suhteen alistö-kiömetrisenä, jolloin maksimoidaan reaktioihin (1) ja (2) käytettävissä oleva vii-pymäaika ja minimoidaan NH::n ja HCN:n määrä ennen tertiääri-ilmatasoa. NOx-päästöjen kannalta optimaalinen kokonaisilmakerroin SRtot ennen tertiääri-ilmansyöttöä on palamislämpötilasta riippuen hieman alle 1. Haihtuvien aineiden ja hiiltojäännöksen loppuunpalamiseen tarvittava ilma tuodaan tulipesään tertiää ri-ilmana. Savukaasuihin jäljelle jääneet NH3 ja HCN hapettuvat tertiääri-ilman syötön jälkeen typenoksideiksi. Näillä perinteisillä vaiheistetun ilmansyötön mukaisilla toimenpiteillä voidaan typenoksidipäästöjä pienentää noin 30 % verrattuna vaiheistamattomaan ilman-syöttöön. Ongelmallisia ovat hienojakoiset ja kevyet polttoaineet, koska osa polt-toainepartikkeleista ei päädy leijukerrokseen, vaan tempautuu leijutuskaasun ja sekundääri-ilman mukana tulipesän yläosiin. Tällaisille polttoaineille on siten miltei mahdotonta saada aikaan hallittuja ja typenoksidien vähentämiselle otollisia poltto-olosuhteita tulipesässä. WO-hakemusjulkaisussa 2006084954 AI on kuvattu ratkaisu, jossa pyritään vähentämään kerrosleijukattilan typenoksidipäästöjä käyttämällä vaiheistettua il-mansyöttöä siten, että osa primääri-ilmasta syötetään tulipesään polttoaineen syötön yhteydessä samansuuntaisesti kuin itse polttoaine. Tätä osaa primääri-ilmasta kutsutaan julkaisussa haihtuvien aineiden polttoilmaksi. Näin oleellisesti kaikki tulipesään syötetty polttoaine pakotetaan leijukerroksen pinnalle, jolloin polttoaine saadaan sekoittumaan leijukerrokseen ja kuivumaan nopeasti. Kuivumista seu-raava pyrolyysi ja pyrolyysissä vapautuvien haihtuvien aineiden palaminen tapahtuvat myös miltei välittömästi polttoaineen sekoituttua leijukerrokseen. Polttoaineen ja hapen nopean sekoittumisen ansiosta suurin osa polttoaineesta vapautuvista haihtuvista aineista saadaan poltettua leijukerroksen yläpuolella ennen sekundääri-ilman syöttötasoa. Haihtuvien aineiden palaminen saa aikaan korkean lämpötilan, mikä maksimoi polttoaineesta muodostuvien hii 1 ivctyradikaalien syntymisen ja edistää vapautuneiden typenoksidien pelkistymistä.

Julkaisun WO 2006084954 AI mukaisesti polttoaineen syötön yhteydessä syötettävän haihtuvien aineiden polttoilman määrä säädetään sellaiseksi, että kulloinkin poltettavasta polttoaineesta pyrolyysissä vapautuvien haihtuvien aineiden palaminen tapahtuu haihtuvien aineiden suhteen alistökiömetrisissä olosuhteissa. Ilma-kerroin haihtuvien aineiden suhteen eli SRvoi primääri-ilmavyöhykkeessä on täi- löin mahdollisimman suuri, kuitenkin alle 1, edullisesti välillä 0,75 - 0,97 ja sopi-vimmin välillä 0,90 - 0,95. Kokonaisilmakerroin eli SRtot samalla tulipesän korkeudella vaihtelee välillä 0,50 - 0,80, ollen edullisesti 0,65. Ratkaisussa ei muuteta tulipesään syötettävän ilman määrää eikä kokonaisilmakerrointa, vaan siinä muutetaan ilmanjakoa kattilassa, jotta ilmakerroin polttoaineen haihtuvien aineiden suhteen saadaan mahdollisimman korkeaksi mahdollisimman alhaalla tuli-pesässä ja mahdollisimman pitkäksi aikaa ennen sekundääri-ilman syöttö tasoa.

Ilmakerroin eli stökiömetrinen suhde SR kertoo, miten paljon palamiseen on käytettävissä ilmaa verrattuna polttoaineen täydelliseen palamiseen tarvittavaan teoreettiseen (stökiömetriseen) ilmamäärään. Ali-ilmaisessa poltossa ilmakerroin SR on alle 1 ja yli-ilmaisessa poltossa ilmakerroin SR on yli 1.

Kun pyritään vähentämään typenoksidipäästöjä polttoteknisin keinoin olemassa olevissa kattiloissa, ei savukaasujen lämpötila yleensä saisi nousta nykyisistä arvoista kattilan tulipesän nokalla. Jos savukaasun lämpötila polttoteknisten muutosten yhteydessä nousee liian korkeaksi tai jos savukaasun lämpötilajakauma on kovin epätasainen, seurauksena on kattilan toisen vedon lämmönsiirtopintojen likaantuminen, erityisesti poltettaessa paljon alkalimetalleja sisältäviä polttoaineita. Toisaalta korkeat savukaasun lämpötilat voivat aiheuttaa klooripitoisilla polttoaineilla voimakasta tulistinalueen korroosiota.

Kerrosleijukattiloita valmistetaan tyypillisesti erilaisille tulipesärasituksille. Erään luokituksen mukaan alhainen tulipesärasitus on noin 90 - 110 kW/m3, keskinkertainen tulipesärasitus on noin 110 - 130 kW/m3 ja korkea tulipesärasitus on noin 130 - 150 kW/m3. Korkean tulipesärasituksen kattiloissa polttolämpötila on korkea, jolloin leijukerroksen lämpötilat voivat helposti ylittää tuhkan pehmenemisen kannalta sallitut lämpötilat. Tyypillisesti leijukerroksen lämpötila tulisi pitää alueella 800 - 900 °C. Jos pedin lämpötila nousee paljon yli 900 °C ja polttoaine sisältää runsaasti alkalimetalleja, voi seurauksena olla tuhkapartikkeleiden agglo-meroitumista leijukerroksessa.

Keksinnön päämääränä on saada aikaan polttotekninen menetelmä ja leijukerros-kattila, jolla voidaan vähentää typenoksidipäästöjä biopolttoaineen tai jätteen poltossa ja samalla ehkäistä tulipesän ja tulistinalueen korroosiota.

Keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista se, mitä on esitetty patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.

Vastaavasti keksinnön mukaiselle kerrosleijukattilalle on tunnusomaista se, mitä on esitetty patenttivaatimuksen 4 tunnusmerkkiosassa.

Keksintö koskee menetelmää typenoksidipäästöjen ja korroosion vähentämiseksi biopolttoainetta ja/tai jätettä polttavassa kerrosleijukattilassa. Tässä menetelmässä kattilan tulipesään syötetään polttoaineen palamiseen tarvittavaa ilmaa vaiheiste-tusti siten, että saadaan syntymään ainakin kaksi ali-ilmaista vyöhykettä (I) ja (II), joiden yhtenä tavoitteena on vähentää typenoksidien muodostumista, sekä ainakin yksi yli-ilmainen vyöhyke (III), jossa palaminen viedään loppuun. Palamis-vyöhykkeet käsittävät ensimmäisen palamisvyöhykkeen (I), joka alkaa primääri-ilman syöttösuuttimien korkeustasolta ja ulottuu leijukerroksen yläpuolella sekun-dääri-ilmasuuttimien korkeustason alapuolelle asti; toisen palamisvyöhykkeen (II) , joka alkaa sekundääri-ilmasuuttimien korkeustasolta ja ulottuu tertiääri-ilmasuuttimien korkeustason alapuolelle asti; ja kolmannen palamisvyöhykkeen (III) , joka alkaa tertiääri-ilmasuuttimien korkeustasolta.

Keksinnön mukaisessa menetelmässä ensimmäisen palamisvyöhykkeen (I) pituutta optimoidaan sijoittamalla sekundääri-ilmasuuttimet sellaiselle korkeudelle hs kuplivan leijukerroksen yläpinnasta, joka korkeus hs lasketaan kaavasta:

missä: hs = sekundääri-ilmatason korkeus kuplivan leijukerroksen yläpinnasta [m]

Qf = kattilan täysi polttoaineteho [MW] A = kattilan poikkipinta-ala [m2] qf = kattilan täysi tulipesärasitus nokan alapuolella [kW/m3] LHVref = polttoaineen alempi lämpöarvo [MJ/kg]

Pref = polttoaineen tiheys [kg/m3] qf,ref = tulipesärasitus [kW/m3] fa,ref = polttoaineen haihtuvien aineiden ilmantarve [kg ilmaa/kg polttoainetta] hef = viipymäaika (normaalitilassa NTP; T = 0 °C, p = 1 atm) [s] SRvoi,ref = ilmakerroin polttoaineen haihtuvien suhteen ensimmäisessä palamis-vyöhykkeessä (I), missä kaavassa osa muuttujista on tulipesäkohtaisia muuttujia, osa muuttujista on referenssiarvoja ja siten vakioita, ja osa muuttujista on mitoituspistekohtaisia refe-renssiarvoja, jotka valitaan kerrosleijukattilan tulipesärasituksen perusteella.

Osa laskennassa käytettävistä muuttujista, kuten kattilan täysi polttoaineteho Qf, kattilan poikkipinta-ala A ja kattilan täysi tulipesärasitus nokan alapuolella qf, on tulipesäkohtaisia muuttujia.

Referenssiarvot, joita ovat polttoaineen alempi lämpöarvo LHVref, polttoaineen tiheys pref, tulipesärasitus qf,ref ja polttoaineen haihtuvien aineiden ilmantarve fa,ref, ovat empiirisesti valittuja vakioita.

Viipymäaika tref ja ilmakerroin SRvoi,ref polttoaineen haihtuvien suhteen ensimmäisessä palamisvyöhykkeessä (I) ovat mitoituspistekohtaisia referenssiarvoja. Kulloinkin käytettävä mitoituspiste valitaan tulipesäkohtaisen harkinnan perusteella. Tyypillisesti korkean tulipesärasituksen kattilassa viipymäaika tref on lyhyempi ja haihtuvien ilmakerroin SRvoi,ref on matalampi kuin matalan tulipesärasituksen kattilassa.

Edullisesti mitoituspistekohtaiset referenssiarvot tref ja SRvoi,ref valitaan kattilan tulipesärasituksen perusteella siten, että korkean tulipesärasituksen kattilassa käytetään arvoja tref = 6 s ja SRvoi,ref = 0,7 ja matalan tulipesärasituksen kattilassa käytetään arvoja tref = 7 s ja SRvoi,ref = 0,9.

Keksinnön erään suoritusmuodon mukaisesti korkean tulipesärasituksen kattilana pidetään kattilaa, jossa qf > 130 kW/m3 ja matalan tulipesärasituksen kattilana pidetään kattilaa, jossa qf < 130 kW/m3. Esitetystä raja-arvosta 130 kW/m3 voidaan tarvittaessa poiketa esimerkiksi kattilassa pääasiallisesti käytettävän polttoaineen ollessa erityisen kuivaa tai erityisen märkää.

Keksinnön kohteena on myös kerrosleijukattila, joka käsittää tulipesän, jonka alaosassa on leijukerros, johon syötetään primääri-ilmaa leijukerroksen alapuolella olevien primääri-ilmasuuttimien kautta ja polttoainetta tulipesän seinillä olevien polttoaineen syöttöaukkojen kautta, jotka polttoaineen syöttöaukot on sijoitettu ensimmäiselle korkeudelle leijukerroksen pinnan yläpuolelle. Tulipesässä on myös joukko sekundääri-ilmasuuttimia, jotka on sijoitettu toiselle korkeudelle leijukerroksen pinnan yläpuolelle, ja joukko tertiääri-ilmasuuttimia, jotka on sijoitettu kolmannelle korkeudelle leijukerroksen pinnan yläpuolelle. Tällöin kerroslei-jukattilan tulipesään muodostuu ensimmäinen palamisvyöhyke (I), joka käsittää leijukerroksen ja sen yläpuolella olevan tilavuuden aina sekundääri-ilmasuuttimien korkeustason alapuolelle asti, toinen palamisvyöhyke (II), joka ulottuu sekundääri-ilmasuuttimien korkeustasolta tertiääri-ilmasuuttimien korkeustason alapuolelle asti, ja kolmas palamisvyöhyke (III), joka alkaa tertiääri-ilmasuuttimien korkeustasolta. Mainitut ensimmäinen palamisvyöhyke (I) ja toinen palamisvyöhyke (II) on järjestetty toimimaan ali-ilmaisina siten, että kokonai-silmakerroin SRtot on alle 1 kummassakin vyöhykkeessä.

Keksinnön mukaisessa kerrosleijukattilassa sekundääri-ilmasuuttimet on sijoitettu tietylle korkeudelle kuplivan leijukerroksen yläpinnasta, joka korkeus on laskettu seuraavan kaavan avulla:

missä: hs = sekundääri-ilmatason korkeus kuplivan leijukerroksen yläpinnasta [m]

Qf = kattilan täysi polttoaineteho [MW] A = kattilan poikkipinta-ala [m2] qf = kattilan täysi tulipesärasitus nokan alapuolella [kW/m3] LHVref = polttoaineen alempi lämpöarvo [MJ/kg]

Pref = polttoaineen tiheys [kg/m3] qf,ref = tulipesärasitus [kW/m3] fa,ref = polttoaineen haihtuvien aineiden ilmantarve [kg ilmaa/kg polttoainetta] W = viipymäaika (normaalitilassa NTP; T = 0 °C, p = 1 atm) [s] SRvoi,ref = ilmakerroin polttoaineen haihtuvien suhteen ensimmäisessä palamis-vyöhykkeessä (I), missä kaavassa osa muuttujista on tulipesäkohtaisia muuttujia, osa muuttujista on referenssiarvoja ja siten vakioita, ja osa muuttujista on mitoituspistekohtaisia refe-renssiarvoja, jotka on valittu kattilan tulipesärasituksen perusteella.

Jos halutaan poltto teknisesti minimoida typenoksidien päästöt ja samalla minimoida savukaasujen lämpötila tulipesän nokalla, kerrosleijukattilaa olisi aina käytettävä niin, että ensimmäisessä palamisvyöhykkeessä (I) ilmakerroin haihtuvien aineiden suhteen eli SRvoi on alueella 0,9 - 1,0. Jos SRvoi nostetaan lähelle arvoa 1,0 syöttämällä ensimmäiseen palamisvyöhykkeeseen (I) haihtuvien aineiden palamiseen tarvittava teoreettinen määrä happea, seurauksena on palamislämpötilan nousu leijukerroksen yläosassa. Näin myös lisääntynyt lämpösäteily nostaa leiju- kerroksen lämpötiloja tyypillisesti noin 20 - 50 °C. Jos kerrosleijukattila on tehty korkealla tulipesärasituksella ja jos polttoaine on erityisen kuivaa (vesipitoisuus alle 45 paino-%), seurauksena voi olla leijukerroksen lämpötilan nousu sallittujen lämpötilarajojen yläpuolelle.

Eräs tapa alentaa kerrosleijukattilan leijukerroksen lämpötilaa on kattilan muurauspinnan vähentäminen primääri-ilmatason ja sekundääri-ilmatason välisellä alueella. Nykyisin tyypillisissä kerrosleijukattiloissa tulipesän alaosa on muurattu noin 2,5 - 5 metrin korkeuteen kuplivan leijukerroksen pinnasta. Muurauksen tarkoituksena on suojata kattilan vesiputkia korroosiolta ja likaantumiselta, mutta samalla se myös nostaa leijukerroksen yläpuolisen osan lämpötiloja, koska muuraus estää säteilylämmönsiirron tulipesää reunustaviin vesiputkiin.

Keksinnön mukaisessa ratkaisussa suositellaan etenkin korkean tulipesärasituksen omaavissa kattiloissa siirtymistä muurauskorkeuteen 1,8 - 2,4 metriä leijukerrok-sen pinnasta, edullisesti 1,8 - 2,0 metriä leijukerroksen pinnasta.

Jos vielä tämänkin jälkeen leijukerroksen lämpötilat olisivat liian korkeita, typenoksideja voidaan vähentää pitämällä haihtuvien aineiden ilmakerroin SRvoi ensimmäisessä palamisvyöhykkeessä (I) matalana, esim. lähellä arvoa 0,7, ja vii-pymäaika ensimmäisessä palamisvyöhykeessä (I) lyhyenä. Lyhyt viipymä saadaan aikaan sijoittamalla sekundääri-ilman syöttötaso suhteellisen lähelle leijukerrok-sen pintaa sen yläpuolelle, joka optimaalinen etäisyys on laskettavissa patenttivaatimuksissa esitetyn matemaattisen kaavan avulla. Ensimmäistä palamisvyöhykettä (I) seuraava toinen palamisvyöhyke (II) voi sitten olla viipymältään pidempi, jolloin polttoaineen haihtuvien aineiden palaminen ja typenoksidien määrää minimoivat reaktiot saadaan vietyä loppuun toisessa palamisvyöhykkeessä (II).

Keksintö käsittää kaksi vaihtoehtoista tapaa typenoksidien vähentämiseksi kerros-leijukattilan savukaasuissa. Kulloinkin käytettävä tapa valitaan ensisijaisesti kattilan tulipesärasituksen perusteella. Kun kerrosleijukattilan tulipesärasitus on kor- -5 kea (esim. yli 130 kW/m ) ja etenkin poltettaessa kuivaa polttoainetta (esim. kosteus alle 45 paino-%), keksinnön mukaisesti ensimmäisessä palamisvyöhykkeessä (I) ei hyödynnetä polttoaineen haihtuvien aineiden optimaalista ilmakerrointa SRvoi = 0,9 - 1,0 vaan toimitaan matalammalla SRvoi-alueella 0,65 - 0,75. Sen sijaan kun kattilan tulipesärasitus on matala (esim. alle 130 kW/m3), ensimmäisessä palamisvyöhykkeessä (I) käytetään typenoksidien reduktion kannalta optimaalista SRvoi-aluetta, joka on 0,9 - 1,0. Haihtuvien aineiden ilmakerrointa SRvoi ensimmäisessä palamisvyöhykkeessä (I) voidaan kasvattaa esimerkiksi julkaisussa WO 2006084954 AI esitettyyn tapaan syöttämällä ensimmäiseen palamisvyöhyk-keeseen (I) polttoaineen syötön mukana haluttu määrä palamisilmaa, joka edullisesti on otettu sekundääri-ilmarekisteristä, jossa ilman lämpötila on 165 - 330 °C. WO 2006084954 AI määrittelee ilmakertoimet eri palamisvyöhykkeitä varten, mutta se ei ota kantaa koko ilmanjakojäqesteinään suunnitteluperusteisiin ja laitteiden optimaaliseen sijoitteluun. Julkaisu ei myöskään ota kantaa polttoteknisen menetelmän rajoitteisiin, kuten korkeaan tulipesärasitukseen. Näin ollen julkaisussa WO 2006084954 AI määritellyt ilmakertoimet kahdelle eri menetelmälle eivät pidä sisällään riittävän yksityiskohtaista suunnittelun perustietoutta.

Keksinnön mukaisessa kerrosleijukattilassa voidaan käyttää polttoaineena mm. turvetta, puuta, teollisuuden lietteitä, klooripitoista muovijätettä sekä niiden seoksia. Optimaalinen ilmakerroin polttoaineen haihtuvien suhteen eli SRvoi ensimmäisessä palamisvyöhykkeessä (I) riippuu käytettävästä polttoaineesta. Esimerkiksi turpeella optimaalinen ilmakerroin on SRvoi =1,0 ja puulla SRvoi = 0,9.

Myös polttoaineen syöttö aukkojen etäisyydellä kuplivan leijukerroksen pinnasta on merkitystä. Kun ensimmäinen palamisvyöhyke (I) toimii alueella SRvoi = 0,9 -1,0 ja polttoaineen mukana syötetään haihtuvien aineiden polttoilmaa, polttoaineen syöttöaukot eivät saisi olla liian lähellä kuplivan leijukerroksen pintaa eikä polttoaineen vertikaalinen syöttökulma saisi olla liian jyrkkä, jotta vältetään vaara, että polttoaineen mukana syötettävä haihtuvien aineiden polttoilma tempaa leiju- kerroksesta mukaansa partikkeleita, jotka kulkeutuvat savukaasun mukana kattilan ulostuloon asti.

Edullisesti polttoaineen syöttöaukot on sovitettu matalan tulipesärasituksen kattilassa 2,0 - 2,6 metrin korkeudelle leijukerroksen pinnasta ja korkean tulipesärasituksen kattilassa 1,8 - 2,0 metrin korkeudelle leijukerroksen pinnasta. Polttoaine-torvien vertikaalinen syöttökulma, jolla tässä yhteydessä tarkoitetaan polttoaine-torven ja tulipesän seinän normaalin välistä kulmaa, voi matalan tulipesärasituksen kattilassa olla noin 25° - 35° ja korkean tulipesärasituksen kattilassa noin 35° -40°.

Polttoaineen syöttötorvia ja syöttöaukkoja on yleensä leijukerroskattilan toisella tai molemmilla sivuseinillä kaksi tai kolme kappaletta rinnakkain samalla korkeudella. Syöttötorvet on yleensä sovitettu päältä katsottuna kohtisuorasti kyseiseen seinään nähden, jolloin polttoainevirtaus lähtee polttoaineen syöttöaukosta seinän normaalin suuntaisesti. Tällöin on olemassa riski, että reunimmaisista eli lähimpänä viereistä tulipesän etu- tai takaseinää olevista polttoaineen syöttö aukoista voi polttoaine levitä tulipesän etu- tai takaseinälle. Tämä vaara voidaan välttää kääntämällä reunimmaisia polttoaineen syöttötorvia horisontaalisuunnassa siten, että syöttöaukoista purkautuvan polttoaineen liikesuunta on 5 - 15° poispäin syöttö-aukkoa lähimpänä olevasta kattilan sivuseinästä. Tästä kulmasta käytetään nimitystä polttoainetorven horisontaalinen syöttökulma. Polttoainevirran ohjaus poispäin viereisestä seinästä on erityisen tärkeätä silloin, kun poltetaan kloori- tai rikkipitoista polttoainetta.

Eräässä keksinnön edullisessa suoritusmuodossa tulipesän ensimmäisellä seinällä olevan polttoainetorven ja sen vieressä olevan toisen seinän väliin on asennettu sivuilmasuutin, jonka kautta on puhallettavissa ilmavirtaus tulipesään estämään polttoainetorvesta vapautuvan polttoaineen kiinnittyminen toiseen seinään.

Eräässä keksinnön edullisessa suoritusmuodossa sekundääri-ilmasuuttimet ja/tai tertiääri-ilmasuuttimet on järjestetty kahteen vastakkaiseen riviin tulipesän kahdelle vastakkaiselle seinälle ja kussakin rivissä on pienen ilmasuihkun puhaltavia suuttimia, keskisuuren ilmasuihkun puhaltavia suuttimia ja ison ilmasuihkun puhaltavia suuttimia. Suuttimet on järjestetty vuorottelemaan siten, että joka toinen suutin on pienen ilmasuihkun puhaltava suutin ja joka toinen suutin on keskisuuren tai ison ilmasuihkun puhaltava suutin. Lisäksi suuttimet on järjestetty lomittain siten, että kutakin pienen ilmasuihkun puhaltavaa suutinta vastapäätä on vastakkaisella seinällä keskisuuren tai ison ilmasuihkun puhaltava suutin. Kunkin rivin laitimmaisista suuttimista ainakin yksi on ison ilmasuihkun puhaltava suutin ja kunkin rivin keskiosan alueella olevista suuttimista ainakin yksi on keskisuuren ilmasuihkun puhaltava suutin. Laitimmaisten ilmasuihkujen avulla ”pyyhitään” viereisiä seiniä ja synnytetään happirikas alue näiden ilmasuutinseiniin nähden kohtisuorien seinien läheisyyteen. Pienillä ilmasuihkuilla on heikko tunkeuma, mutta niiden tarkoituksena onkin pyyhkiä ilmasuutinseinää ja synnyttää happirikas alue ilmasuutinseinän läheisyyteen.

Kun kerrosleijukattilassa on tarkoitus polttaa runsaasti klooria ja/tai rikkiä sisältävää polttoainetta, polttoaineen ja palamisilman syöttö on edullisesti järjestetty tavalla, jolla estetään tehokkaasti polttoaineen syöttöön nähden viereisten tulipesän seinien likaantuminen ja korroosio. Tällöin kattilassa on edullisesti käytössä kaikki kolme edellä esitettyä ratkaisua: reunimmaiset syöttötorvet on käännetty 5-15° poispäin polttoaineen syöttökohtaan nähden viereisestä sivuseinästä, reunimmaisten syöttötorvien ja sivuseinän välissä on sivuilmasuuttimet ja sekundääri-ja/tai tertiääri-ilmasuuttimet on järjestetty puhaltamaan edellä kuvattuun tapaan erisuuruisia ilmapuhalluksia siten, että tulipesän seinien läheisyyteen saadaan muodostumaan niiden korroosiota ja likaantumista ehkäisevät olosuhteet.

Typenoksidien vähentäminen kaksivaiheisella ali-ilmaisella poltolla, jonka jälkeen seuraa vielä tertiääri-ilman käyttö kolmannessa palamisvyöhykkeessä, saa aikaan ali-ilmaiset olosuhteet tulipesän seinien läheisyyteen. Jos polttoaineessa on paljon klooria ja/tai rikkiä, seurauksena on höyrystinseinien voimakas korroosio. Keksinnön mukaisella menetelmällä voidaan vähentää typenoksidien määrää savukaasussa pitäen kuitenkin samalla sekä tulipesän että toisen vedon tulistinpinto-jen korroosio sallituissa rajoissa.

Edullisesti tertiääri-ilmasuuttimet on sijoitettu 2-4 metriä tulipesän nokan alapuolelle.

Nykyisin leijukerrokseen sen alapuolelta syötettävä primääri-ilma jaetaan tasaisesti koko leijukerroksen alueelle. Varsinkin karkea puupolttoaine lentää polttoaineen syöttötorvesta hyvin pistemäisesti leijukerrokseen ja näin muodostuu toisaalta alueita, joissa on paljon polttoainetta ja vähän ilmaa ja toisaalta alueita, joissa on paljon ilmaa ja vähän polttoainetta. Tästä on seurauksena epätasainen poltto ja korkeat typenoksidien päästöt. Primääri-ilma voitaisiin edullisesti jakaa leijukerrokseen niin, että polttoainerikkaille alueilla syötettäisiin keskimääräistä enemmän primääri-ilmaa ja vastaavasti polttoaineköyhille alueille syötettäisiin keskimääräistä vähemmän primääri-ilmaa. Primääri-ilman syötön epätasaisuus ei kuitenkaan saisi aiheuttaa leijumateriaalin epätasaista leijumista.

Seuraavaksi keksintöä selostetaan viittaamalla oheisissa kuvioissa esitettyihin esimerkkeihin, joiden esittämiin suoritusmuotoihin keksintöä ei kuitenkaan ole tarkoitus ahtaasti rajoittaa.

Kuvio 1 on kaaviomainen perspektiivikuva kerrosleijukattilasta.

Kuvio 2 on kaaviomainen perspektiivikuva kerrosleijukattilan alaosasta.

Kuvio 3 on kaaviomainen leikkauskuva korkealle tulipesärasitukselle mitoitetun kerrosleijukattilan tulipesästä edestäpäin katsottuna.

Kuvio 4 on kaaviomainen leikkauskuva matalalle tulipesärasitukselle mitoitetun kerrosleijukattilan tulipesästä edestäpäin katsottuna.

Kuvio 5 on pelkistetty leikkauskuva tulipesästä polttoaineen syöttötorvien korkeudelta poikkileikattuna.

Kuvio 6 on sivukuva tulipesään syötettävistä ilmasuihkuista.

Kuvio 7 on kaaviomainen leikkauskuva tulipesästä ilmasuihkujen korkeudelta.

Kuviossa 1 on esitetty kaavamaisesti kerrosleijukattila ja sen tulipesä 1. Tulipesän 1 alaosa on varustettu muurauksella 8, joka suojaa tulipesän 1 seinillä A, B olevia vesi-höyrypiirin putkia (ei esitetty) ylikuumenemiselta. Polttoaine syötetään tuli-pesään 1 sen kahdella vastakkaisella seinällä A olevien polttoaineen syöttöaukko-jen 5 kautta. Polttoaineen palamiseen tarvittavaa ilmaa syötetään tulipesän pohjalla olevien primääri-ilmasuuttimien (ei esitetty) kautta ja tulipesän 1 seinillä B olevien sekundääri-ilmasuuttimien 6 ja tertiääri-suuttimien (ei esitetty) kautta. Tuli-pesän 1 yläosassa on kattilan virtauspoikkipinta-alaa supistava nokka 9, jonka jälkeen savukaasujen virtaus kääntyy kattilan yläosassa olevien tulistimien (ei esitetty) kautta savukaasukanavaan 13. Kuviossa 1 on esitetty myös käynnistys-polttimet 10 lähellä polttoaineen syöttökorkeutta sekä kuormapolttimet 11 ylempänä tulipesän 1 seinällä B.

Kuviossa 2 on esitetty suurennettuna osa kerrosleijukattilan tulipesän 1 alaosasta. Polttoaineen syöttöaukot 5 on sovitettu tulipesän seinälle A. Kunkin polttoaineen syöttöaukon 5 ja sitä lähinnä olevan seinän B väliin on seinälle A sovitettu si-vuilmasuutin 12, josta on puhallettavissa ilmaa polttoainevirran ja sivuseinän B väliin sivuseinän B suuntaisesti. Sivuilmasuuttimia 12 käytetään ehkäisemään sivuseinien B korroosiota ja likaantumista erityisesti silloin, kun polttoaine sisältää runsaasti rikkiä tai klooria.

Kuvioissa 3 ja 4 on esitetty periaatteellisesti kerrosleijukattilan tulipesä 1 edestä päin katsottuna. Kuviossa 3 on kyse korkealle tulipesärasitukselle mitoitetusta kerrosleijukattilasta ja kuviossa 4 matalalle tulipesärasitukselle mitoitetusta ker-rosleijukattilasta. Huomattakoon, että kuviot ovat vain periaatteellisia eikä niiden ole tarkoitus esittää kerrosleijukattilaa oikeassa mittakaavassa.

Tulipesän 1 alaosassa on leijukerrosmateriaalista koostuva leijukerros 2, johon syötetään tulipesän 1 pohjalle järjestettyjen suuttimien 3 kautta leijutuskaasua, joka saa leijukerrosmateriaalin leijumaan ja kuplimaan. Leijutuskaasu voi olla yksinomaan ilmaa tai se voi olla ilman ja kiertokaasun seosta. Leijukerroksen korkeus hn on yleensä noin 800 mm, ts. kuplivan leijukerroksen 2 yläpinnan etäisyys primääri-ilmasuuttimien 3 korkeustasosta on noin 800 mm.

Polttoaine syötetään leijukerroksen 2 pinnan yläpuolelle polttoaineen syöttöväli-neillä 4, 5, jotka käsittävät viistosti alaspäin suuntautuvan polttoaineen syöttötor-ven 4, joka päättyy tulipesän seinässä A olevaan syöttöaukkoon 5. Polttoaineen mukana kattilaan tuodaan yleensä myös pieni määrä kantoilmaa, jonka ensisijaisena tehtävänä on estää syöttötorven 4 tukkeutuminen. Polttoaineen syöttöaukot 5 on sijoitettu optimaaliselle korkeudelle hi leijukerroksen 2 yläpinnasta, joka optimaalinen korkeus hF on määritettävissä kerrosleijukattilan tulipesärasituksen ja eräiden muiden muuttujien perusteella.

Yleisimmin polttoaineen syöttöaukkojen 5 ja leijukerroksen 2 yläpinnan välinen etäisyys hF on korkean tulipesärasituksen kattiloissa alueella 1,8 - 2,0 metriä. Polttoaineen syöttötorven 4 ja tulipesän seinän A normaalin N väliin muodostuu terävä kulma a, joka korkean tulipesärasituksen kattilassa on noin 35° - 40°. Tätä kulmaa nimitetään vertikaaliseksi syöttökulmaksi a. Muuraus 8 ulottuu leijukerroksen pinnalta korkeudelle Iir, joka korkeus on korkean tulipesärasituksen kattilassa alueella 1,8 - 2,0 metriä.

Sekundääri-ilmaa syötetään tulipesään 1 polttoaineen syöttötason yläpuolella korkeustasolla hs sijaitsevista sekundääri-ilmasuuttimista 6. Sekundääri-ilmasuuttimien 6 etäisyys hs leijukerroksen 2 yläpinnasta on optimoitavissa ker-rosleijukattilan tulipesärasituksen ja eräiden muiden muuttujien perusteella.

Primääri-ilmasuuttimien 3 korkeustason ja sekundääri-ilmasuuttimien 6 välille jäävä alue, joka sisältää leijukerroksen 2 ja sen yläpuolisen tilavuuden aina sekun-däärisuuttimien 6 alapuolelle asti, muodostaa ensimmäisen palamisvyöhykkeen (I). Ensimmäiseen palamisvyöhykkeeseen (I) syötetään syöttö aukkojen 5 kautta polttoainetta, jonka mukana tulee pieni määrä kantoilmaa, sekä primääri-ilmasuuttimien 3 kautta leijutuskaasua, joka voi olla esimerkiksi ilmaa tai ilman ja savukaasun seosta.

Tertiääri-ilmaa syötetään sekundääri-ilmasuuttimien 6 yläpuolelle tulipesän 1 yläosaan järjestettyjen tertiääri-ilmasuuttimien 7 kautta. Myös tertiääri-ilmasuuttimien 7 etäisyys hr leijukerroksen 2 yläpinnasta on optimoitavissa tulipesärasituksen ja eräiden muiden muuttujien perusteella. Tertiääri-ilmasuuttimet 7 on yleensä sijoitettu 2-4 metriä tulipesän nokan 9 alapuolelle.

Sekundääri-ilmasuuttimien 6 ja tertiääri-ilmasuuttimien 7 välille jäävä alue, joka alkaa sekundääri-ilmasuuttimien 6 korkeustasolta hs ja päättyy tertiääri-ilmasuuttimien 7 alapuolelle, muodostaa toisen palamisvyöhykkeen (II). Toiseen palamisvyöhykkeeseen (II) syötetään sekundääri-ilmasuuttimien 6 kautta sekundääri-ilmaa, joka sekoittuu ensimmäisestä palamisvyöhykkeestä (I) ylöspäin nousevaan savukaasuvirtaukseen, joka sisältää myös polttoaineesta peräisin olevia palamatta jääneitä kaasuja ja partikkeleita, joiden palaminen jatkuu toisessa pala-misvyöhykkeessä (II).

Polttoaineen palaminen jatkuu edelleen tertiääri-ilmasuuttimien 7 korkeustasolta hr alkavassa kolmannessa palamisvyöhykkeessä (III). Ensimmäinen palamis-vyöhyke (I) ja toinen palamisvyöhyke (II) ovat ali-ilmaisia kolmannen palamis- vyöhykkeen ollessa yli-ilmainen, ts. kokonaisilmakerroin SRtot kolmannessa pa-lamisvyöhykkeessä (III) on yli 1.

Leijukerrokseen 2 syötetty hienojakoinen polttoaine kuivuu välittömästi joutuessaan kosketuksiin kuuman leijukerrosmateriaalin kanssa ja pyrolysoituu olennaisesti kokonaan. Pyrolyysin yhteydessä polttoaineesta vapautuneet haihtuvat aineet palavat leijukerroksen 2 pinnassa ja pinnan yläpuolella primääri-ilman avulla. Haihtuvien aineiden palaminen tapahtuu ensimmäisessä palamisvyöhykkeessä (I) haihtuvien aineiden ilmakertoimen SRvoi suhteen alistökiömetrisissä olosuhteissa. Mitä korkeampi on ilmakerroin SRvoi haihtuvien aineiden suhteen, sitä nopeammin haihtuvat aineet palavat synnyttäen samalla korkean paikallisen lämpötilan ja muodostaen maksimaalisen määrän hiilivetyradikaaleja, joita tarvitaan polttoaineesta muodostuneiden typenoksidien pelkistämiseen.

Polttoaineesta muodostuneiden typenoksidien pelkistäminen molekylaariseksi typeksi suoritetaan pääosin kahdessa vaiheessa. Ensimmäisessä ali-ilmaisessa palamisvyöhykkeessä (I) poltetaan suuri osa polttoaineen haihtuvista aineista ja osa hiiltojäännöksestä. Tämä tapahtuu polttoaineen haihtuvien aineiden ilmakertoimen SRvoi suhteen alistökiömetrisissä olosuhteissa, jolloin tuloksena on runsaasti hiilivetyradikaaleja. Tähän vaiheeseen tarvittava primääri-ilma tuodaan tu-lipesään kuvion 3 mukaisessa suoritusmuodossa (korkean tulipesärasituksen kattila) pääosin primääri-ilmasuuttimien 3 kautta leijutuskaasuna. Pieni määrä ilmaa tulee ensimmäiseen palamisvyöhykkeeseen (I) polttoaineen syötön yhteydessä syöttötorvien 4 kautta sekä käynnistyspolttimicn jäähdytysilmana.

Toisessa palamisvyöhykkeessä (II) tulipesään syötetään palamisilmaa sekundääri-ilmasuuttimista 6 sen verran, että alistökiömetriset palamisolosuhteet säilyvät, jolloin kokonaisilmakerroin SRtot toisessa palamisvyöhykkeessä (II) on alueella 0,75 - 0,85, edullisesti noin 0,8.

Kuviossa 4 on esitetty matalan tulipesärasituksen leijukerroskattila. Tässä suoritusmuodossa primääri-ilmaa syötetään ensimmäiseen palamisvyöhykkeeseen (I) pääasiallisesti kahdessa vaiheessa: toisaalta leijuilmana primääri-ilmasuuttimien 3 kautta ja toisaalta polttoaineen syötön yhteydessä haihtuvien aineiden polttoilma-na. Polttoaineen syötön yhteydessä ensimmäiseen palamisvyöhykkeeseen (I) johdettava ilma on edullisesti otettu sekundääri-ilmarekisteristä, jolloin se vähentää toiseen palamisvyöhykkeeseen (II) syötettävän ilman määrää. Suurempi ilman-syöttö ensimmäiseen palamisvyöhykkeeseen (I) saa aikaan sen, että lämpötilat ensimmäisessä palamisvyöhykkeessä (I) ovat korkeampia kuin kuviossa 3 esitetyssä korkean tulipesärasituksen kattilassa. Kun tulipesään 1 syötetään ilmaa polttoaineen syötön mukana, polttoaine saadaan syttymään nopeasti ja pääosa polttoaineen haihtuvista aineista saadaan poltettua ennen toista palamisvyöhykettä (II).

Matalan tulipesärasituksen leijukerroskattilassa polttoaineen syöttöaukkojen 5 etäisyys hi leijukerroksen 2 yläpinnasta on edullisesti 2,0 - 2,6 metriä ja muurauksen 8 korkeus hR on edullisesti 2,5 - 4,0 metriä. Vaikka tulenkestävä muuraus 8 on kuvioissa 3 ja 4 esitetty ulottuvaksi suunnilleen polttoaineen syöttöaukkojen 5 korkeudelle asti, näin ei tarvitse välttämättä olla, vaan muurauksen 8 korkeus hR voi olla erilainen kuin polttoaineen syöttökorkeus hi . Polttoaineen syöttötorven 4 ja tulipesän 1 seinän A normaalin N väliin muodostuva vertikaalinen syöttökulma a on matalan tulipesärasituksen kattilassa suuruudeltaan noin 25° - 35°. Kun polttoaineen mukana leijukerrokseen syötetään haihtuvien aineiden polttamiseen tarkoitettua ilmaa, suurempi polttoaineen syöttökorkeus h ja loivempi syöttökulma a varmistavat, että partikkeleita ei karkaa leijukerroksesta 2 ilman ja polttoaineen seoksen osuessa kuplivan leijukerroksen 2 yläpintaan.

Sekundääri-ilmasuuttimien 6 optimaalinen korkeustaso hs lasketaan kattilan tulipesärasituksen ja eräiden muiden parametrien perusteella aikaisemmin esitetyn kaavan avulla.

Matalan tulipesärasituksen kattilassa ilmakerroin SRvoi polttoaineen haihtuvien aineiden suhteen on ensimmäisessä palamisvyöhykkeessä (I) alueella 0,9 - 1,00, edullisesti noin 0,95. Kokonaisilmakerroin SRtot on toisessa palamisvyöhykkeessä (II) noin 0,8 eli olennaisesti samaa suuruusluokkaa kuin korkean tulipesärasituksen kattilassa. Kolmannessa palamisvyöhykkeessä (III) kokonaisilmakerroin SRtot on noin 1,15 riippumatta siitä, onko kyseessä matalan tulipesärasituksen kattila vai korkean tulipesärasituksen kattila.

Keksinnön mukaisessa ratkaisussa pyritään optimoimaan polttoaineen haihtuvien aineiden palaminen tulipesän kahdessa ensimmäisessä ali-ilmaisessa palamisvyöhykkeessä (I) ja (II). Matalan tulipesärasituksen kattilassa ensimmäinen pala-misvyöhyke (I) on pidempi ja toimii korkeammalla haihtuvien aineiden ilmaker-toimella SRvoi kuin vastaava vyöhyke (I) korkean tulipesärasituksen kattilassa. Toinen palamisvyöhyke (II) on matalan tulipesärasituksen kattilassa lyhyempi kuin korkean tulipesärasituksen kattilassa, mutta toisen palamisvyöhykkeen (II) kokonaisilmakerroin SRtot on kummassakin kattilassa olennaisesti sama, noin 0,8. Käytännössä tämä tarkoittaa sitä, että matalan tulipesärasituksen kattilassa ensimmäinen palamisvyöhyke (I) toimii typenoksidien vähentämisen kannalta optimaalisella alueella SRvoi = 0,95 - 1,00, jolloin pääosa polttoaineen haihtuvista aineista palaa jo ensimmäisessä palamisvyöhykkeessä (I). Korkean tulipesärasituksen kattilassa joudutaan rajoittamaan ensimmäisen palamisvyöhykkeen (I) lämpötilaa, minkä vuoksi haihtuvien aineiden ilmakerroin pyritään pitämään alueella SRvoi = 0,65 - 0,75. Jotta typenoksidien vähentämiseen tähtäävät reaktiot saadaan vietyä loppuun ennen yli-ilmaisena toimivaa kolmatta palamisvyöhykettä (III) , toisen palamisvyöhykkeen (II) pituutta (hr - hs) kasvatetaan verrattuna vastaavaan pituuteen matalan tulipesärasituksen kattilassa.

Kuviossa 5 on esitetty kerrosleijukattilan tulipesä 1 läheltä polttoaineen syöttö-korkeutta poikkileikattuna. Tulipesän kahdella ensimmäisellä seinällä A on kummallakin kolme polttoaineen syöttötorvea 4, 4a, 4b. Kukin polttoaineen syöttötor-vi 4, 4a, 4b päättyy polttoaineen syöttöaukkoon 5, josta purkautuu polttoainevirta- us F tulipesään. Keskimmäiset polttoaineen syöttötorvet 4 on sovitettu päältä katsottuna kohtisuoraan seinää A vasten, jolloin polttoainevirtaus F lähtee syöttöau-koista 5 seinän A normaalin N suuntaisesti. Lähimpänä sivuseinää B olevat polttoaineen syöttötorvet 4a ja 4b on asennettu normaalista N poikkeavaan kulmaan β ensimmäiseen seinään A nähden. Tämän ns. horisontaalisen syöttökulman β suuruus on 5-15°, edullisesti noin 10°. Kulman β tarkoituksena on kääntää lähimpänä tulipesän sivuseinää B olevista polttoaineen syöttötorvista 4a, 4b purkautuvat polt-toainevirtaukset F poispäin viereisestä seinästä B, millä pyritään vähentämään sivuseinien B likaantumista ja/tai korroosiota. Tämä on erityisen tärkeää silloin, kun poltetaan runsaasti klooria ja/tai rikkiä sisältävää polttoainetta.

Viistoon asennettujen polttoaineen syöttötorvien 4a, 4b lisäksi kuvion 5 tulipesä on varustettu kuviosta 2 tuttuun tapaan sivuilmasuuttimilla 12, joista kukin on sovitettu reunimmaisen polttoaineen syöttötorven 4a, 4b ja sivuseinän B väliin. Sivuilmasuuttimet 12 on sovitettu puhaltamaan ilmaa sivuseinän B suuntaisesti lähellä polttoaineen syöttökorkeutta, jolloin ne estävät polttoaineen syöttötorvesta 4a, 4b purkautuvan polttoainevirtauksen päätymisen sivuseinälle B. Sivuilmasuuttimet 12 on myös mahdollista suunnata puhaltamaan ilmaa viistosti alaspäin kohti leijupetiä sopivalla vertikaalikulmalla (ei esitetty). Ratkaisu on edullinen erityisesti silloin, kun kerrosleijukattilassa poltetaan runsaasti klooria ja/tai rikkiä sisältävää polttoainetta.

Kolmas tapa vähentää tulipesän seinien likaantumista on säätää sekundääri- ja/tai tertiääri-ilmasuuttimista 6, 7 puhallettavien ilmasuihkujen liikemäärät siten, että lähimpänä polttoaineen syöttöseinää A olevista suuttimista puhalletaan ilmavirtaukset keskimäärin suuremmalla liikemäärällä kuin lähimpänä ilmasuuttimilla 6, 7 varustetun seinän B keskiosaa olevista suuttimista. Kuviot 6 ja 7 havainnollistavat tätä periaatetta.

Kuviossa 6 on esitetty tulipesän 1 kahdella vastakkaisella seinällä Bi ja B2 olevista sekundääri- tai tertiääri-ilmasuuttimista puhallettavat ilmasuihkut S, L sivulta eli seinän A suunnasta katsottuna. Kuviossa 7 on esitetty vastaavat ilmasuihkut S, M, L päältä katsottuna.

Tulipesän 1 kahdella vastakkaisella seinällä Bi ja 1¾ on kummallakin yhteen riviin Ri, R2 asennettuina kahdeksan ilmasuutinta, joista osa on pienen ilmasuihkun S puhaltavia suuttimia 6s, osa on keskisuuren ilmasuihkun M puhaltavia suuttimia 6m ja osa on ison ilmasuihkun S puhaltavia suuttimia 6l. Eri suuttimista 6s, 6m, 6l puhallettavien ilmasuihkujen S, M ja L erilaiset liikemäärät ovat saatavissa aikaan sinänsä tunnetulla tekniikalla, esimerkiksi venttiilien (ei esitetty) avulla. Eri positioissa olevista suuttimista lähtevillä ilmasuihkuilla on keskenään erilaiset liikemäärät siten, että pienen liikemäärän ilmasuihkut S vuorottelevat isomman liikemäärän suihkujen M, L kanssa. Tulipesän vastakkaisella seinällä on kutakin pienen liikemäärän ilmasuihkua S vastassa jompikumpi isomman liikemäärän il-masuihku M tai L. Laitimmaisissa eli lähimpänä viereistä seinää A olevissa positioissa käytetään ison liikemäärän ilmasuihkuja L ja seinän B keskiosan lähellä olevissa positioissa käytetään keskisuuren liikemäärän ilmasuihkuja M. Näin suu-tinseinillä Bi, B2 olevista ilmasuuttimista purkautuvat ilmasuihkut pyyhkivät tehokkaasti sekä suutinseinien Bi, B2 että viereisten seinien A pintaa. Laitimmaisten isojen ilmasuihkujen L avulla synnytetään happirikas alue suutinseiniin Bi ja B2 nähden kohtisuorien seinien A lähelle. Pienten ilmasuihkujen S heikon tunkeuman avulla synnytetään happirikas alue suutinseinien Bi, B2 lähelle. Pienten ilmasuihkujen S nopeus on edullisesti alle 15 m/s.

Korroosion ja likaantumisen kannalta vaikeita polttoaineita poltettaessa voidaan samassa tulipesässä käyttää kuviossa 5 esitetysti laitimmaisten polttoainetorvien horisontaalista kallistusta kulman β verran ja sivuilmapuhaltimia 12 sekä kuvioissa 6 ja 7 esitettyä ilmasuihkujen lomittamista, jolla saadaan luotua happirikas vyöhyke tulipesän seinien A, B lähelle.

Seuraavaksi keksintöä selostetaan viittaamalla taulukoissa 1 ja 2 esitettyihin esimerkkeihin. Taulukoissa on esitetty vaiheittain kokonaisilmakertoimet SRtot kor kean tulipesärasituksen kattilassa (taulukko 1) ja matalan tulipesärasituksen kattilassa (taulukko 2) käytettäessä polttoaineena turvetta tai puuta. Kokonaisilmaker-roin SRtot kasvaa tulipesän korkeussuunnassa sitä mukaa kuin tulipesään johdetaan lisää ilmaa.

Taulukko 1. Kokonaisilmakertoimet SRtot korkean tulipesärasituksen leijukerros-kattilassa.

Tulipesän ensimmäiseen palamisvyöhykkeeseen (I) johdetaan ilmaa lähinnä leiju-tuskaasun mukana leijuilmana ja polttoaineen syötön yhteydessä kantoilmana. Käynnistyspolttimien jäähdytykseen käytettävä pieni ilmamäärä vaikuttaa vain vähän ensimmäisen palamisvyöhykkeen (I) kokonaisilmakertoimeen SRtot.

Sekundääri-ilman lisäys toisen palamisvyöhykkeen (II) alussa ja tertiääri-ilman lisäys kolmannen palamisvyöhykkeen (III) alussa kasvattavat selvästi kokonaisil-makerrointa SRtot.

Korkean tulipesärasituksen kattilassa polttoaineen syöttöaukot sijoitetaan edullisesti noin 1,8 - 2,0 metrin korkeudelle kuplivan leijukerroksen pinnasta ja polttoaineen syöttötorvien vertikaalinen syöttökulma on 35° - 40°.

Taulukon 1 mukainen ilmanjako soveltuu käytettäväksi korkean tulipesärasituk-sen omaavissa kattiloissa ja polttoaineen ollessa erityisen kuivaa (alle 45 paino-% vettä polttoaineessa). Tässä ilmanjaossa ensimmäisen palamisvyöhykkeen (I) il-makerroin polttoaineen haihtuvien aineiden suhteen eli SRvoi on alueella 0,65 -0,75, jolloin palamislämpötilat tulipesän alaosassa ovat alhaisia.

Taulukossa 2 on kuvattu ilmanjako matalan tulipesärasituksen kerrosleijukattilas-sa, jossa kattilan tulipesään syötetään polttoaineen syötön yhteydessä sekundääri-ilmarekisteristä otettua lisäilmaa, joka on tarkoitettu polttoaineen haihtuvien aineiden polttoon ensimmäisessä palamisvyöhykkeessä (I). Haihtuvien aineiden ilmakerroin SRvoi pyritään pitämään typenoksidien vähentämisen kannalta optimaalisella alueella, joka on välillä 0,9 - 1,0.

Taulukko 2. Kokonaisilmakertoimet SRtot matalan tulipesärasituksen leijukerros-kattilassa.

Tässä tapauksessa polttoaineen syötön yhteydessä tulipesän ensimmäiseen pala-misvyöhykkeeseen (I) syötettävä haihtuvien aineiden polttoilma kasvattaa selvästi kokonaisilmakerrointa. Sekundääri-ilman syötön jälkeen kokonaisilmakerroin on kuitenkin samalla tasolla kuin taulukossa 1. Kerrosleijukattilaan syötettävä koko-naisilmamäärä on siis sama kuin taulukon 1 tapauksessa, mutta ilmanjako on eri lainen, kun osa taulukon 1 sekundääri-ilmasta syötetään taulukon 2 mukaisessa ratkaisussa ensimmäiseen palamisvyöhykkeeseen (I) polttoaineen syötön mukana.

Matalan tulipesärasituksen kattilassa polttoaineen syöttöaukot sijoitetaan edullisesti noin 2,0 - 2,6 metrin korkeudelle kuplivan leijukerroksen pinnasta ja polttoaineen syöttötorvien vertikaalinen syöttökulma on 25° - 35°. Riittävällä syöttö-aukkojen etäisyydellä leijukerroksesta ja riittävän loivalla syöttökulmalla varmistetaan, ettei haihtuvien aineiden polttoilma tempaa mukaansa partikkeleita leiju-kerroksesta.

Polttoaineen syötön yhteydessä tulipesään syötettävä haihtuvien aineiden polttoilma otetaan edullisesti sekundääri-ilmasta, jolloin syötettävän ilman lämpötila on välillä 165 - 330 °C. Riittävän korkea haihtuvien aineiden polttoilman lämpötila pitää polttoaineen syöttötorven kuivana ja puhtaana eikä syöttötorvessa tarvita erillisiä torven puhdistamiseen käytettäviä "fluidisointi-ilmoja". Haihtuvien aineiden polttoilman virtausnopeus polttoaineen syöttötorvissa on optimaalisesti tasolla 10-15 m/s. Tämä riittävän alhainen nopeus estää myös osaltaan haihtuvien aineiden polttoilman aggressiivisen törmäämisen leijukerrokseen ja sen seurauksena hiekan karkaamisen.

Tertiääri-ilmasuuttimet sijoitetaan edullisesti noin 2-4 metriä tulipesän nokan alapuolelle.

Matalan tulipesärasituksen kattiloille tarkoitetun menetelmän käyttö typenoksidien vähentämiseen on suositeltavaa aina kun se on mahdollista.

Keksinnön monet erilaiset muunnokset ovat mahdollisia seuraavaksi esitettävien patenttivaatimuksien määrittelemän suojapiirin puitteissa.

Claims (15)

1. Menetelmä typenoksidipäästöjen ja korroosion vähentämiseksi biopolttoainetta ja/tai jätettä polttavassa kerrosleijukattilassa, jossa menetelmässä kattilan tuli-pesään (1) syötetään polttoaineen palamiseen tarvittavaa ilmaa vaiheistetusti siten, että saadaan syntymään ainakin kaksi ali-ilmaista vyöhykettä (I), (II), joiden yhtenä tavoitteena on vähentää typenoksidien muodostumista, ja ainakin yksi yli-ilmainen vyöhyke (III), jossa palaminen viedään loppuun, jotka palamisvyöhyk-keet käsittävät: ensimmäisen palamisvyöhykkeen (I), joka alkaa primääri-ilman syöt-tösuuttimien (3) korkeustasolta ja ulottuu leijukerroksen (2) yläpuolelle päättyen sekundääri-ilmasuuttimien (6) korkeustason (hs) alapuolelle; - toisen palamisvyöhykkeen (II), joka alkaa sekundääri-ilmasuuttimien (6) korkeustasolta (hs) ja päättyy tertiääri-ilmasuuttimien (7) korkeustason (hT) alapuolelle; ja kolmannen palamisvyöhykkeen (III), joka alkaa tertiääri-ilmasuuttimien korkeustasolta (hT), tunnettu siitä, että ensimmäisen palamisvyöhykkeen (I) pituutta optimoidaan sijoittamalla sekundääri-ilmasuuttimet (6) tietylle korkeudelle (hs) kuplivan leijukerroksen (2) yläpinnasta, joka korkeus (hs) lasketaan kaavasta:

<img img-format="tif" img-content="drawing" file="FI125314BC00281.tif" id="icf0001" />

missä: hs = sekundääri-ilmatason korkeus kuplivan leijukerroksen yläpinnasta [m] Qf = kattilan täysi polttoaineteho [MW] A = kattilan poikkipinta-ala [m2] qf = kattilan täysi tulipesärasitus nokan alapuolella [kW/m3] LHVref = polttoaineen alempi lämpöarvo [MJ/kg] Pref = polttoaineen tiheys [kg/m3] n qf,ref = tulipesärasitus [kW/m ] fa,ref = polttoaineen haihtuvien aineiden ilmantarve [kg ilmaa/kg polttoainetta] W = viipymäaika (normaalitilassa NTP) [s] SRvoi,ref = ilmakerroin polttoaineen haihtuvien aineiden suhteen ensimmäisessä palamisvyöhykkeessä (I), missä kaavassa osa muuttujista on tulipesäkohtaisia muuttujia, osa muuttujista on referenssiarvoja ja siten vakioita, ja osa muuttujista on mitoituspistekohtaisia refe-renssiarvoja, jotka valitaan kattilan tulipesärasituksen perusteella.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mitoituspiste-kohtaiset referenssiarvot tref ja SRvoi,ref valitaan kattilan tulipesärasituksen perusteella siten, että korkean tulipesärasituksen kattilassa, jonka tulipesärasitus qf on yli 130 kW/m3, käytetään arvoja tref = 6 s ja SRvoi,ref = 0,7, ja matalan tulipesärasituksen kattilassa, jonka tulipesärasitus qf on alle 130 kW/m3, käytetään arvoja tref = 7 S ja SRv0l,ref= 0,9.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että korkean tulipesärasituksen kattilassa haihtuvien aineiden ilmakerroin SRvoi ensimmäisessä palamisvyöhykkeessä (I) pidetään alueella 0,65 - 0,75, edullisesti noin arvossa 0,7, säätämällä primääri-ilman syöttöä.

4. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että matalan tulipesärasituksen kattilassa haihtuvien aineiden ilmakerroin SRvoi ensimmäisessä palamisvyöhykkeessä (I) pidetään alueella 0,9 - 1,0, edullisesti alueella 0,95 - 1,0 syöttämällä ensimmäiseen palamisvyöhykkeeseen (I) primääri-ilman lisäksi polttoaineen haihtuvien aineiden polttoon tarkoitettua lisäilmaa, joka syötetään tuli-pesään polttoaineen syötön yhteydessä ja joka edullisesti otetaan sekundääri-ilmarekisteristä.

5. Biopolttoaineen ja/tai jätteen polttoon soveltuva kerrosleijukattilajoka käsittää tulipesän (1)Jossa on leijukerros (2) johon syötetään primääri-ilmaa leijukerroksen alapuolella olevien primääri-ilmasuuttimien (3) kautta ja polttoainetta tulipesän (1) seinillä olevien polttoaineen syöttöaukkojen (5) kautta, jotka polttoaineen syöttöaukot (5) on sijoitettu ensimmäiselle korkeudelle (hF) leijukerroksen (2) pinnan yläpuolelle, - joukko sekundääri-ilmasuuttimia (6), jotka on sijoitettu toiselle korkeudelle (hs) leijukerroksen (2) pinnan yläpuolelle, - joukko tertiääri-ilmasuuttimia (7), jotka on sijoitettu kolmannelle korkeudelle (hT) leijukerroksen (2) pinnan yläpuolelle, jolloin kerrosleijukattilan tulipesään (1) muodostuu ensimmäinen palamisvyöhyke (I), joka käsittää leijukerroksen (2) ja sen yläpuolella olevan tilavuuden sekundääri-ilmasuuttimien (6) korkeustason (hs) alapuolelle asti, - toinen palamisvyöhyke (II), joka ulottuu sekundääri-ilmasuuttimien (6) korkeustasolta (hs) tertiääri-ilmasuuttimien (7) korkeustason (hT) alapuolelle asti, kolmas palamisvyöhyke (III), joka alkaa tertiääri-ilmasuuttimien (7) korkeustasolta (hT), jotka ensimmäinen palamisvyöhyke (I) ja toinen palamisvyöhyke (II) on järjestetty toimimaan ali-ilmaisina siten, että kokonaisilmakerroin SRtot on alle 1 kummassakin vyöhykkeessä, tunnettu siitä, että sekundääri-ilmasuuttimet (6) on sijoitettu tietylle korkeudelle (hs) kuplivan leijukerroksen (2) yläpinnasta, joka korkeus on laskettu seuraavan kaavan avulla:

<img img-format="tif" img-content="drawing" file="FI125314BC00301.tif" id="icf0002" />

missä: hs = sekundääri-ilmatason korkeus kuplivan leijukerroksen yläpinnasta [m] Qf = kattilan täysi polttoaineteho [MW] A = kattilan poikkipinta-ala [m2] qf = kattilan täysi tulipesärasitus nokan alapuolella [kW/m3] LHVref = polttoaineen alempi lämpöarvo [MJ/kg] Pref = polttoaineen tiheys [kg/m3] qf,ref = tulipesärasitus [kW/m3] fa,ref = polttoaineen haihtuvien aineiden ilmantarve [kg ilmaa/kg polttoainetta] W = viipymäaika (normaalitilassa NTP) [s] SRVoi,ref = ilmakerroin polttoaineen haihtuvien aineiden suhteen ensimmäisessä palamisvyöhykkeessä (I), missä kaavassa osa muuttujista on tulipesäkohtaisia muuttujia, osa muuttujista on referenssiarvoja ja siten vakioita, ja osa muuttujista on mitoituspistekohtaisia referens si arvoja, jotka on valittu kattilan tulipesärasituksen perusteella.

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen kerrosleijukattila, tunnettu siitä, että sekundääri-ilmatason korkeus hs on laskettu käyttäen arvoja tref = 6 s ja SRvoi,ref = 0,7, kun on kyseessä korkean tulipesärasituksen kattila, jonka tulipesärasitus on yli 130 kW/m3.

7. Patenttivaatimuksen 5 mukainen kerrosleijukattila, tunnettu siitä, että sekundääri-ilmatason korkeus hs on laskettu käyttäen arvoja tref = 7 s ja SRvoi,ref = 0,9, kun on kyseessä matalan tulipesärasituksen kattila, jonka tulipesärasitus on alle 130 kW/m3.

8. Jonkin patenttivaatimuksista 5-7 mukainen kerrosleijukattila, tunnettu siitä, että tulipesän (1) alaosa on varustettu muurauksella (8), joka ulottuu 1,8 - 2,4 metrin korkeudelle leijukerroksen (2) pinnasta, edullisesti 1,8 - 2,0 metrin korkeudelle leijukerroksen (2) pinnasta.

9. Patenttivaatimuksen 7 mukainen matalan tulipesärasituksen kerrosleijukattila, tunnettu siitä, että polttoaineen syöttöaukot (5) on sovitettu 2,0 - 2,6 metrin korkeudelle (hF) leijukerroksen (2) pinnasta ja polttoainetorvien (4) vertikaalinen syöttökulma (a) on 25° - 35°.

10. Patenttivaatimuksen 6 mukainen korkean tulipesärasituksen kerrosleijukattila, tunnettu siitä, että polttoaineen syöttöaukot (5) on sovitettu 1,8 - 2,0 metrin korkeudelle (hF) leijukerroksen (2) pinnasta ja polttoainetorvien (4) vertikaalinen syöttökulma (a) on 35° - 40°.

11. Jonkin patenttivaatimuksista 5-10 mukainen kerrosleijukattila, tunnettu siitä, että polttoaineen syöttötorvet (4, 4a, 4b) on sijoitettu tulipesän ensimmäisen seinän (A) yhteyteen ja että lähimpänä tulipesän toista, ensimmäisen seinään (A) nähden kohtisuorassa olevaa seinää (B) olevat polttoaineen syöttötorvet (4a, 4b) on horisontaalisuunnassa käännetty poispäin kyseisestä toisesta seinästä (B) horisontaalisen syöttökulman (β) verran, joka horisontaalinen syöttökulma (β) on suuruudeltaan 5-15°, edullisesti noin 10°.

12. Jonkin patenttivaatimuksista 5-11 mukainen kerrosleijukattila, tunnettu siitä, että tulipesän ensimmäisellä seinällä (A) olevan polttoaineen syöttötorven (4a, 4b) ja sitä lähinnä olevan toisen seinän (B) väliin on asennettu sivuilmasuutin (12), jonka kautta on puhallettavissa ilmavirtaus tulipesään (1) estämään polttoaineen syöttötorvesta (4a, 4b) vapautuvan polttoaineen kiinnittyminen lähimpään toiseen seinään (B).

13. Jonkin patenttivaatimuksista 5-12 mukainen kerrosleijukattila, tunnettu siitä, että - sekundääri-ilmasuuttimet (6) ja/tai tertiääri-ilmasuuttimet (7) on järjestetty kahteen vastakkaiseen riviin (Ri, R2) tulipesän (1) kahdelle vastakkaiselle seinälle (Bi, B2), - kussakin rivissä (Ri, R2) on pienen ilmasuihkun (S) puhaltavia suuttimia (6s), keskisuuren ilmasuihkun (M) puhaltavia suuttimia (6m) ja ison ilmasuihkun (L) puhaltavia suuttimia (6L), jotka suuttimet on järjestetty vuorottelemaan siten, että joka toinen suutin on pienen ilmasuihkun (S) puhaltava suutin (6s) ja joka toinen suutin on keskisuuren (M) tai ison ilmasuihkun (L) puhaltava suutin (6M, 6L), - suuttimet on järjestetty lomittain siten, että kutakin pienen ilmasuihkun (S) puhaltavaa suutinta (6s) vastapäätä on vastakkaisella seinällä (Bi, B2) keskisuuren (M) tai ison ilmasuihkun (L) puhaltava suutin (6M, 6L), - kunkin rivin (Ri, R2) laitimmaisista suuttimista ainakin yksi on ison ilmasuihkun (L) puhaltava suutin (6L) ja kunkin rivin (Ri, R2) keskiosan alueella olevista suuttimista ainakin yksi on keskisuuren ilmasuihkun (M) puhaltava suutin (6M).

14. Patenttivaatimuksen 5 mukainen kerrosleijukattila, tunnettu siitä, että käsittää patenttivaatimuksissa 11 kuvatulla tavalla sisäänpäin kallistetut laitimmaiset polttoaineen syöttötorvet (4a, 4b), patenttivaatimuksessa 12 kuvatulla tavalla sijoitetut sivuilmasuuttimet (12) ja patenttivaatimuksessa 13 kuvatulla tavalla sijoitetut sekundääri- ja/tai tertiääri-ilman syöttösuuttimet (6, 7), jolloin kattila soveltuu erityisen hyvin klooria ja/tai rikkiä sisältävän polttoaineen polttoon.

15. Jonkin patenttivaatimuksista 5-14 mukainen kerrosleijukattila, tunnettu siitä, että tertiääri-ilmasuuttimet (7) on sijoitettu 2-4 metriä tulipesän (1) nokan (9) alapuolelle.