FI128351B - Combustion plant, method for energy production in a combustion plant, and manufacture of a combustion plant - Google Patents

Combustion plant, method for energy production in a combustion plant, and manufacture of a combustion plant Download PDF

Info

Publication number
FI128351B
FI128351B FI20165098A FI20165098A FI128351B FI 128351 B FI128351 B FI 128351B FI 20165098 A FI20165098 A FI 20165098A FI 20165098 A FI20165098 A FI 20165098A FI 128351 B FI128351 B FI 128351B
Authority
FI
Finland
Prior art keywords
combustion
cab
catalyst
fuel
combustion plant
Prior art date
Application number
FI20165098A
Other languages
Finnish (fi)
Swedish (sv)
Other versions
FI20165098A (en
Inventor
Reijo Lylykangas
Original Assignee
Vocci Oy
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Vocci Oy filed Critical Vocci Oy
Priority to FI20165098A priority Critical patent/FI128351B/en
Publication of FI20165098A publication Critical patent/FI20165098A/en
Application granted granted Critical
Publication of FI128351B publication Critical patent/FI128351B/en

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C13/00—Apparatus in which combustion takes place in the presence of catalytic material

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Catalysts (AREA)

Description

Polttolaitos, menetelmä energian tuottamiseksi polttolaitoksessa ja polttolaitoksen valmistusIncineration plant, method of producing energy in the incineration plant and manufacture of the incineration plant

Keksinnön kohteena on menetelmä energian tuottamiseksi katalyyttisessä poltossa polttolaitoksessa korkealla hyötysuhteella ja erittäin alhaisilla päästöillä. Keksinnön kohteena on myös tähän menetelmään soveltuva polttolaitteista sekä tällaisen polttolaitteiston valmistus.The invention relates to a method for producing energy in catalytic combustion in a combustion plant with high efficiency and very low emissions. The invention also relates to combustion devices suitable for this method and to the manufacture of such combustion devices.

Energian tuottamisessa syntyviä typenoksidi-, häkä-, hiilidioksidi- ja hiilivetypäästöjä ollaan rajoittamassa maailmalla kasvihuoneilmiön hillitsemiseksi. Euroopassa on tehty useita tähän tavoitteeseen tähtääviä direktiivejä lämpökattiloille, prosessilaitteille, tulisijoille jne. Niissä on määritelty päästörajoja kasvihuonekaasuille joko suoraan tai välillisesti hyötysuhteen avulla. Yhdysvalloissa EPÄ ja erityisesti CARB ovat asettaneet tiukkoja rajoja typen oksideille ja hiilivedyille osin yhdisteittäin. Hiilidioksidipäästöjä valvotaan kattiloiden ja tulisijojen hyötysuhteiden avulla. Kiinassa on menossa vastaava kehitys. Pekingissä kattiloiden typenoksidien raja-arvoksi on asetettu 30 mg/Nm3 ja häkäkaasulle 80 mg/Nm3. Nämä rajat ovat niin tiukat, ettei niitä nykyisillä tavanomaisilla termisillä polttolaitteilla ilman jälkikäsittelyä voida saavuttaa. Sama voimakkaasti kiristyvä trendi tulee jatkumaan muillakin Kiinan teollistuneilla alueilla.Emissions of nitrogen oxides, carbon monoxide, carbon dioxide and hydrocarbons from energy production are being limited worldwide to curb the greenhouse effect. In Europe, a number of directives have been adopted to this end for boilers, process equipment, fireplaces, etc. They set emission limits for greenhouse gases, either directly or indirectly through efficiency. In the United States, EPÄ, and CARB in particular, have set strict limits for nitrogen oxides and hydrocarbons, in part by compound. Carbon dioxide emissions are controlled through the efficiency of boilers and fireplaces. A similar trend is underway in China. In Beijing, the limit value for nitrogen oxides in boilers has been set at 30 mg / Nm 3 and for carbon monoxide at 80 mg / Nm 3 . These limits are so strict that they cannot be achieved with current conventional thermal incinerators without after-treatment. The same sharply tightening trend will continue in other industrialized areas of China.

Euroopassa NOx- päästörajat ovat myös kiristymässä. EU:n raja-arvot (IED) on asetettu polttoaine- ja laitoskokokohtaisesti. IED- rajat kattiloille vaihtelevat alueella 200 - 600 mg/Nm3, mutta ne ovat alenemassa paras käytettävissä oleva tekniikka (BAT) periaatteiden mukaisesti.In Europe, NOx emission limits are also tightening. EU limit values (IEDs) are set for each fuel and plant size. IED limits for boilers range from 200 to 600 mg / Nm3, but are declining in line with best available techniques (BAT) principles.

Muille NOx:lle kuin N2O on määritetty epäsuora GWP arvo, joka on 40. Metaanille se on 25 ja muille hiilivedyille epäsuora arvo on noin 11. Tämä selittää sen, miksi erityisesti NOx- päästörajat ovat kaikkialla kiristymässä.An indirect GWP value of 40 has been set for NOx other than N2O, which is 25 for methane and about 11 for other hydrocarbons. This explains why NOx emission limits in particular are tightening everywhere.

Svenskt Gastekniskt Center on arvioinut, että Euroopassa tarvitaan noin 5-7 miljoonaa energiaa tuottavaa poltinta vuosittain.The Svenskt Gastekniskt Center has estimated that around 5-7 million energy-producing burners are needed in Europe each year.

Kaupalliset UltraLow NOx ja No NOx -poltinten valmistajat käyttävät savukaasun jälkikäsittelyn asemesta savukaasun takaisinkierrätystä, vesiemulsioita ja kaasun esilämmitystä tehokkaasti sekoittavissa polttimissaan. No NOx -nimestään huolimatta ei yksikään termisen polton valmistaja ole päässyt nolla NOx- päästöihin. Alhaisin ilmoitettu arvo on 5 ppm (noin 12 mg/m3) happitasolla 3 %.Commercial manufacturers of UltraLow NOx and No NOx burners use flue gas recirculation, water emulsions and gas preheating in their efficient mixing burners instead of flue gas aftertreatment. Despite its name No NOx, no manufacturer of thermal combustion has achieved zero NOx emissions. The lowest reported value is 5 ppm (approximately 12 mg / m 3 ) at an oxygen level of 3%.

20165098 prh 21 -02- 201820165098 prh 21 -02- 2018

Toinen vaihtoehto on savukaasujen puhdistaminen. Typenoksidien poistamiseen käytetään yleisesti selektiivisiä tai ei-selektiivisiä katalysaattoreita (SCR, NSCR). Parhaimmillaan niillä saavutetaan noin 300 °C:een lämmössä n. 98 %:n puhdistusaste. SCR- katalysaattorit tarvitsevat kuitenkin erillisen selektiivisen pelkisti5 men, urean tai ammoniakin, mistä aiheutuu lisäkuluja vastaten noin 4 %:n polttoaineen lisäkulutusta. Niillä saavutettava NOx- päästötaso on noin 5 - 20 ppm. Lisäksi CO:n päästörajat vaativat erillisen hapetuskatalysaattorin.Another option is flue gas cleaning. Selective or non-selective catalysts (SCR, NSCR) are commonly used to remove nitrogen oxides. At their best, they achieve a degree of purification of about 98% at a temperature of about 300 ° C. However, SCR catalysts require a separate selective reducing agent, urea or ammonia, which incurs additional costs corresponding to an additional fuel consumption of about 4%. They achieve a NOx emission level of about 5 to 20 ppm. In addition, CO emission limits require a separate oxidation catalyst.

Uutena tuotteena markkinoille on tullut 3-toimikatalysaattori, joka sijoitetaan kattilan sisään. Katalysaattorin nimi johtuu siitä, että sillä voidaan stoikiometrisissä olo10 suhteissa samanaikaisesti pelkistää NOx- päästöt typeksi ja hapeksi sekä hapettaa häkä (CO) hiilidioksidiksi (CO2) ja hiilivedyt vedeksi (H2O) ja hiilidioksidiksi. Se ei tarvitse pelkistimiä, mutta polttimen ilma/polttoaine- suhteen säätämiselle 3toimikatalysaattori asettaa tiukat vaatimukset. Tällä tekniikalla voidaan saavuttaa nykyiset tiukimmatkin NOx- ja CO- raja-arvot.A new product is the 3-way catalyst, which is placed inside the boiler. The name of the catalyst is due to the fact that under stoichiometric conditions it can simultaneously reduce NOx emissions to nitrogen and oxygen and oxidize carbon monoxide (CO) to carbon dioxide (CO2) and hydrocarbons to water (H2O) and carbon dioxide. It does not need reducing agents, but the 3-way catalyst sets strict requirements for adjusting the air / fuel ratio of the burner. This technology can achieve the current strictest NOx and CO limit values.

Vastaavaan tulokseen voidaan päästä ajamalla poltinta rikkaalla seoksella ja pelkistämällä kaasussa olevat NOx:t palladiumia ja/tai rhodiumia sisältävällä katalysaattorilla. Sen jälkeen pakokaasuun lisätään ilmaa ja hapetetaan häkä ja hiilivedyt erillisellä katalysaattorilla.A similar result can be achieved by running the burner with a rich mixture and reducing the NOx in the gas with a catalyst containing palladium and / or rhodium. Air is then added to the exhaust gas and the carbon monoxide and hydrocarbons are oxidized with a separate catalyst.

Yhteenvetona edellisestä voidaan todeta, ettei termisellä poltolla ja siihen liitettävil20 lä savukaasujen puhdistusmenetelmillä ei ole kuitenkaan mahdollista tuottaa käytännöllisesti katsoen päästötöntä (NOx, VOC ja CO) lämpöenergiaa.In summary, however, it is not possible to produce virtually emission-free (NOx, VOC and CO) thermal energy by thermal combustion and associated flue gas cleaning methods.

Kasvit ovat noin 100 kertaa herkempiä typenoksideille (NOx), rikin oksideille (SOx), rikkivedylle (H2S) ja etyleenille (C2H4) kuin ihmiset (ks. ao. taulukko). Alla olevassa taulukossa on verrattu ihmisille työskentelytilassa sallittuja tärkeimpien haitallis25 ten kaasujen pitoisuuksia (htp 8h) kasveille sallittuihin pitoisuuksiin.Plants are about 100 times more sensitive to nitrogen oxides (NOx), sulfur oxides (SOx), hydrogen sulfide (H2S) and ethylene (C2H4) than humans (see the relevant table). The table below compares the concentrations of the main harmful gases (htp 8h) permitted for humans in the workplace with the concentrations allowed for plants.

Kaasu Gas Ihmiset/ ppm People / ppm Kasvit/ ppm Plants / ppm Kasvit/ppm käaikainen tuminen) Plants / ppm early growth) (pitaltis- (pitaltis- hiilidioksidi CO2 carbon dioxide CO2 5000 5000 4550 4550 1600 1600 hiilimonoksidi CO carbon monoxide CO 47 47 100 100 — - rikkidioksidi SO2 sulfur dioxide SO2 3,5 3.5 0,1 0.1 0,015 0,015 rikkivety H2S hydrogen sulfide H2S 10,5 10.5 0,01 0.01 — - etyleeni C2H4 ethylene C2H4 5,0 5.0 0,01 0.01 0,020 0,020 typpioksidi NO nitric oxide NO 5,0/5,2 5.0 / 5.2 0,01-0,1/0,5 0.01-0.1 / 0.5 0,250 0,250 typpidioksidi NO2 nitrogen dioxide NO2 5,0 5.0 0,2-2,0 0.2-2.0 0,100 0,100

20165098 prh 21 -02- 201820165098 prh 21 -02- 2018

Hiilidioksidilannoitus on hyödyllisintä vihannesten viljelyssä. Suomessa on 990 kasvihuonetta vihannesviljelyssä ja niistä n. 330 käyttää lannoitukseen neste- tai kaasumaista hiilidioksidia yhteensä n. 5 milj. kg/vuosi. Hintahaitari on suuri: suu5 rimmissa erissä nestemäinen CO2 maksaa n. 0,10 e/kg ja pullotettu CO2 n. 1,5 e/kg. Maailman kulutuksen arvioidaan olevan yli 200-kertainen Suomen kulutukseen verrattuna. Kasvihuonekäytössä CCtem markkinat ovat suuruusluokkaa 300 milj. e/vuosi, mutta potentiaalia on runsaasti enempään, mikäli pienten kasvihuoneiden käyttämä kaasumainen CO2 ei olisi niin kallista. Hiilidioksidi lannoituksella 10 voidaan nopeuttaa kasvunopeutta jopa 40 %:lla, mikä merkitsee merkittävää energian säätöä ja kasvihuonekaasujen vähentämistä kasvien tuotannossa.Carbon fertilization is most useful in vegetable growing. There are 990 greenhouses in vegetable growing in Finland, of which about 330 use liquid or gaseous carbon dioxide for fertilization, a total of about 5 million. kg / year. The price gap is high: in the largest batches, liquid CO2 costs about 0.10 e / kg and bottled CO2 about 1.5 e / kg. World consumption is estimated to be more than 200 times that of Finland. In greenhouse use, the CCtem market is in the order of 300 million. e / year, but there is much more potential if the gaseous CO2 used by small greenhouses is not so expensive. Carbon dioxide fertilization 10 can accelerate the growth rate by up to 40%, which means significant energy regulation and reduction of greenhouse gases in plant production.

Keksinnön kuvausDescription of the invention

Nyt on keksitty menetelmä energian tuottamiseksi polttolaitoksessa korkealla hyötysuhteella ja erittäin alhaisilla päästöillä. Keksinnön kohteena on myös tähän me15 netelmään soveltuva laitteisto ja tällaisen laitteiston valmistus ja käyttö. Tavoitteiden saavuttamiseksi keksinnölle ovat tunnusomaisia seikat, jotka on esitetty itsenäisissä patenttivaatimuksissa. Muissa patenttivaatimuksissa on esitetty keksinnön eräitä edullisia sovellusmuotoja.A method has now been invented to produce energy in a combustion plant with high efficiency and very low emissions. The invention also relates to an apparatus suitable for this method and to the manufacture and use of such an apparatus. In order to achieve the objects, the invention is characterized by the features set out in the independent claims. Other preferred embodiments of the invention are set out in the other claims.

Keksinnön mukaan menetelmä/laitteisto sisältää ainakin seuraavat vaiheet/yksiköt: 20 - syötetään polttoainetta Fu1 ja poltossa tarvittava ilmaa Air sekä jäähdytysvettäAccording to the invention, the method / apparatus comprises at least the following steps / units: 20 - fuel Fu1 and the air Air required for combustion as well as cooling water are supplied

Wcool polttolaitoksen CAB alkuosaan Csta,Wcool incinerator CAB to the beginning of Csta,

- syötetään polttoaine Fu1, ilma Air ja jäähdytysvesi Wcool ainakin yhteen katalysaattoriin Cat, jossa virtausnopeus on vähintään 5 m/s, edullisesti vähintään 10 m/s, ja Sherwoodin luku on vähintään 8, edullisesti vähintään 12,- feeding fuel Fu1, air Air and cooling water Wcool to at least one catalyst Cat with a flow rate of at least 5 m / s, preferably at least 10 m / s and a Sherwood number of at least 8, preferably at least 12,

20165098 prh 21 -02- 201820165098 prh 21 -02- 2018

- säädetään katalysaattorin Cat lämpötilaa syötettävän jäähdytysveden Wcool määrällä lämpötilaan 700-1.150 °C, edullisesti lämpötilaan 850-1.050 °C, ja poltto suoritetaan ajassa 0,01-0,1 s, ja pidetään katalyyttisessä polttovaiheessa polttoaine/ilmasuhde laihana jäännöshapen ollessa 1-6 %, edullisesti 2-4 %,- adjusting the temperature of the Cat catalyst with the amount of cooling water Wcool to 700-1.150 ° C, preferably 850-1.050 ° C, and the combustion is carried out in a time of 0.01-0.1 s, and the fuel / air ratio in the catalytic combustion stage is kept lean with residual oxygen 1-6 %, preferably 2-4%,

- jäähdytetään pakokaasua ainakin yhdessä lämmönsiirtimessä (Hei, He2), edullisesti jäähdytetään lämpötilaan 50-80 °C,- cooling the exhaust gas in at least one heat exchanger (Hey, He2), preferably cooled to a temperature of 50-80 ° C,

- poistetaan poltossa syntyviä pakokaasuja polttolaitoksen CAB loppuosasta lämmönsiirtimen/lämmönsiirtimien Hei, He2 jälkeen, jolloin katalyyttisestä poltosta poistuvan pakokaasun (EG) typen oksidien (NOx) 10 pitoisuus on järjestetty jäämän keskimäärin alle 1 ppm, hään (CO) pitoisuus on järjestetty jäämän keskimäärin alle 1 ppm ja haihtuvien hiilivetyjen (VOC) pitoisuus on järjestetty jäämän keskimäärin alle 1 ppm.- removal of combustion exhaust gases from the remainder of the combustion plant CAB after the heat exchanger (s) Hei, He2, whereby the concentration of oxides of nitrogen (NOx) 10 in the exhaust gas from the catalytic combustion is on average less than 1 ppm, the concentration of h (CO) is below 1 ppm and the volatile hydrocarbon (VOC) content is arranged to be below 1 ppm on average.

Keksityssä laitteistossa hapetetaan katalyyttisesti edullisesti yhdessä vaiheessa kaasu- tai nestemäisiä polttoaineita ja poltossa syntyvä lämpöenergia siirretään 15 hyötykäyttöön. Hapetuslämpötilojen säilyttämiseksi alueella, joissa ei synny lainkaan typenoksideja, käytetään lämmön sidontaan ja siirtämiseen vettä tai muuta väliainetta.In the apparatus according to the invention, gaseous or liquid fuels are preferably catalytically oxidized in one step and the thermal energy generated in the combustion is transferred to utilization. To maintain oxidation temperatures in an area where no nitrogen oxides are formed, water or another medium is used to bind and transfer heat.

Julkaisusta JP2004185988 tunnetaan polttokenno, jossa käytetyssä katalyyttisessä poltossa ovat olosuhteet samankaltaiset kuin edellä olevassa, energian tuotan20 toon tarkoitetussa polttolaitoksessa. Ko julkaisussa kuvatussa polttokennossa on kuitenkin lämpötila enintään 600 °C polttotapahtumassa kun keksinnössä lämpötila on säädetty yli 700 °C:een..JP2004185988 discloses a fuel cell in which the conditions of the catalytic combustion used are similar to those of the above-mentioned combustion plant for energy production. However, the fuel cell described in this publication has a temperature of up to 600 ° C in the combustion event when the temperature in the invention is set above 700 ° C.

Keksinnön erään kohteen mukaan jäähdytysvesi syötetään polttolaitoksen alkuosaan erikseen, edullisesti vesisumuna, ja/tai polttoaineen seassa, edullisesti ve25 siemulsiona tai vesiliuoksena. Nämä kaikki ovat teknisesti ja taloudellisesti edullisia tapoja lisätä tarvittava jäähdytysvesi ja samalla monipuolistavat keksinnön käytettävyyttä.According to an object of the invention, the cooling water is fed to the initial part of the combustion plant separately, preferably as an aqueous mist, and / or among the fuel, preferably as an aqueous seed emulsion or an aqueous solution. These are all technically and economically advantageous ways to increase the required cooling water and at the same time diversify the applicability of the invention.

Keksinnön erään kohteen mukaan katalysaattorissa käytetään platinaryhmän metalleja kuten Pd, Pt, ja Rh ja perusmetallien oksideja sekä niiden sekaoksideja, 30 kuten perovskiittejä, ja joissa voi olla mukana myös jalometalleja, edullisesti palladiumia ja/tai rhodiumia.According to one aspect of the invention, platinum group metals such as Pd, Pt, and Rh and oxides of parent metals and their mixed oxides, such as perovskites, are used in the catalyst, and noble metals, preferably palladium and / or rhodium, may also be present.

Keksinnön erään kohteen mukaan pakokaasua jäähdytetään ainakin kahdessa lämmönsiirtimessä, joiden vesikierrot ovat toistensa suhteen sarjassa tai rinnan. Tämä tehostaa laitteiston toimintaa edelleen. Edullisesti lämmönsiirtimet ovat sar5According to one aspect of the invention, the exhaust gas is cooled in at least two heat exchangers whose water circulations are in series or in parallel with respect to each other. This further enhances the performance of the hardware. Preferably, the heat exchangers are sar5

20165098 prh 21 -02- 2018 jassa, jolloin pakokaasua jäähdytetään ensin 1. lämmönsiirtimessä, edullisesti lämpötilaan 120-200 °C, ja pakokaasua jäähdytetään sitten 2. lämmönsiirtimessä edelleen, edullisesti 50-80 °C:een, ja pakokaasussa oleva vesihöyry lauhdutetaan edullisesti lauhdevedeksi.20165098 prh 21 -02-20188, wherein the exhaust gas is first cooled in the 1st heat exchanger, preferably to a temperature of 120-200 ° C, and then the exhaust gas is further cooled in the 2nd heat exchanger, preferably to 50-80 ° C, and the water vapor in the exhaust gas is preferably condensed into condensate. .

Lämmönsiirtimien veden paine voi olla erilainen kahdessa lämmönsiirtimessä. Ensimmäisessä siirtimessä voidaan lämmittää korkeapaineista kaukolämpövettä esim. 170 °C:een. Lauhduttimessa voi olla matalampi paine, jossa lämmitetään käyttövettä. Molempiin siirtimiin syötetään silloin kylmää vettä, esim. n. 10 °C vettä, sisään. Lämmönsiirtimet ovat tässä mielessä rinnan kytkettynä.The water pressure in the heat exchangers may be different in the two heat exchangers. In the first exchanger, high-pressure district heating water can be heated to e.g. 170 ° C. There may be a lower pressure in the condenser where the hot water is heated. Cold water, e.g. approx. 10 ° C water, is then fed into both transducers. In this sense, the heat exchangers are connected in parallel.

Lämmönsiirtimet voivat keksinnön erään kohteen mukaan eri kytkennöissä olla samalla paikalla. Lämmitettävän veden vesikierto voi keksinnön erään kohteen mukaan vaihtoehtoisesti olla kytkettynä sarjaan tai rinnan eli erillinen kierto molemmissa lämmönsiirtimissä tai yksi kierto molempien läpi. Sitä varten laitteistossa voi edullisesti olla erillinen vesikierron säätökytkentä. Lauhduttimen lämpötiloihin se ei vaikuta lainkaan. Ensimmäinen lämmönsiirrin voidaan suunnitella myös korkeampiin lämpötiloihin kaukolämpöä varten. Silloin paine voi nousta esim. 8 bariin. Lauhduttimen geometrisen pinta-alan voi olla noin kymmenkertainen 1. vaihtimeen verrattuna, koska lämpötilaero on niin paljon suurempi. Lauhduttimen rakenteeksi soveltuu edullisesti ”syyläri”- tyyppinen lamellilämmönsiirrin, jota ei tarvitse raken20 taa korkeita paineita kestäväksi. Jos vedenkierto halutaan kytkeä sarjaan, niin silloin toisen ja ensimmäisen lämmönsiirtimen välin voidaan laittaa paineenkorotuspumppu.According to an object of the invention, the heat exchangers can be in the same place in different connections. According to an object of the invention, the water circulation of the water to be heated can alternatively be connected in series or in parallel, i.e. a separate circulation in both heat exchangers or one circulation through both. For this purpose, the device can advantageously have a separate water circulation control circuit. It does not affect the condenser temperatures at all. The first heat exchanger can also be designed for higher temperatures for district heating. Then the pressure can rise to e.g. 8 bar. The geometric surface area of the condenser can be about ten times that of the 1st exchanger because the temperature difference is so much larger. The structure of the condenser is preferably a lamellar heat exchanger of the “radiator” type, which does not have to be constructed to withstand high pressures. If it is desired to connect the water circuit in series, then a booster pump can be placed between the second and first heat exchangers.

Keksinnön erään kohteen mukaan poltossa käytetty ilma sisältää VOC- kaasuja enintään 0,2 x LEL.According to one aspect of the invention, the air used in the combustion contains VOC gases up to 0.2 x LEL.

Keksinnön erään kohteen mukaan laitoksen tehoa säädetään puhaltimen moottorin kierrosnopeudella. Tämä on teknisesti ja taloudellisesti edullinen tapa tehdä kyseinen säätö.According to one aspect of the invention, the power of the plant is controlled by the speed of the fan motor. This is a technically and economically advantageous way to make that adjustment.

Keksinnön erään kohteen mukaan hapetuslämpötilaa säädetään ilma/ polttoainesuhteella katalysaattorin jälkeen mitattavalla pakokaasun lämpötilalla. Tämä on 30 teknisesti ja taloudellisesti edullinen tapa tehdä kyseinen säätö.According to one aspect of the invention, the oxidation temperature is controlled by the air / fuel ratio at the exhaust gas temperature measured after the catalyst. This is a technically and economically advantageous way to make that adjustment.

Keksinnön erään kohteen mukaan palamisessa tarvittavan hapen riittävyyttä on kontrolloitu katalysaattorin jälkeisellä happianturilla. Tämä on teknisesti ja taloudellisesti edullinen tapa tehdä kyseinen säätöAccording to one aspect of the invention, the adequacy of the oxygen required for combustion is controlled by a post-catalyst oxygen sensor. This is a technically and economically advantageous way to make that adjustment

20165098 prh 21 -02- 201820165098 prh 21 -02- 2018

Keksinnön erään kohteen mukaan laitteistossa CAB on staattisen sekoitin (Mix) ennen katalysaattoria Cat, mikä varmistaa homogeenisen seossuhteen ennen katalysaattoria Cat. Tämä tehostaa katalysaattorin Cat toimintaa sekä tasaa polttoaineen pitoisuuksia ja virtauksia ja estäen myös vahingollisten lämpötilapiikkien syn5 tymisen. Tällöin polton hyötysuhde paranee ja päästöt vähenevät.According to one aspect of the invention, the apparatus CAB has a static mixer (Mix) before the Cat catalyst, which ensures a homogeneous mixture ratio before the Cat catalyst. This enhances the performance of the Cat catalytic converter and balances fuel concentrations and flows, as well as preventing harmful temperature spikes. This improves combustion efficiency and reduces emissions.

Keksinnön mukaisella katalyyttisellä polttolaitteistolla ja puhtailla polttoaineilla on mahdollista tuottaa käytännöllisesti katsoen päästötöntä (NOx, VOC ja CO) lämpöenergiaa. Tällöin ainoa haitallinen päästö hiilidioksidikin (CO2) voidaan hyödyntää esimerkiksi kasvien lannoituksessa, suojakaasuna, teollisuuden raaka-aineena 10 tms. Keksinnön mukaisella katalyyttisellä hapetusmenetelmällä myös kasvien edellyttämät päästötasot voidaan saavuttaa.With the catalytic combustion plant and clean fuels according to the invention, it is possible to produce virtually emission-free (NOx, VOC and CO) thermal energy. In this case, the only harmful emission of carbon dioxide (CO2) can be utilized, for example, in the fertilization of plants, as a shielding gas, as an industrial raw material, etc. With the catalytic oxidation method according to the invention, the emission levels required by plants can also be achieved.

Kun suuren lämpöarvon omaavia polttoaineita kuten metaania, nestekaasua, biokaasua, polttoöljyä tms. hapetetaan katalyyttisesti yhdessä vaiheessa hieman laihalla ilma/polttoaineseoksella, niin lämpötila katalysaattorissa voi tällöin nousta yli 15 2500 °C:een. Siksi keksinnön mukaisessa ratkaisussa katalysaattoriin syötetään polttoaineen lisäksi jäähdyttävää nestettä kuten vesisumua tai jäähdytysvesi on emulgoituna tai liuotettuna polttoaineeseen. Veden määrää säädetään katalysaattorin jälkeisellä lämpötilalla siten, että hapetuslämpötila pysyy alueelle 750 - 1150 °C, edullisesti alueelle 850 - 1050 °C.When high calorific value fuels such as methane, liquefied petroleum gas, biogas, fuel oil, etc. are catalytically oxidized in one step with a slightly lean air / fuel mixture, the temperature in the catalyst can then rise above 15 to 2500 ° C. Therefore, in the solution according to the invention, in addition to the fuel, a cooling liquid such as water mist or cooling water is emulsified or dissolved in the fuel. The amount of water is adjusted at the temperature after the catalyst so that the oxidation temperature remains in the range of 750 to 1150 ° C, preferably in the range of 850 to 1050 ° C.

Jäähdytysvesi höyrystyy katalysaattorissa samanaikaisesti, kun polttoaine hapettuu. Veden lämmitys, höyrystyminen ja höyryn kuumentaminen sitovat energiaa lähes 5 MJ/kg. Katalyyttisessä poltossa yksi kilo metaania tarvitsee 4- 6 kiloa vettä jäännöshappimäärästä ja polttolämpötilasta riippuen. Muut polttoaineet tarvitsevat jäähdytysvettä suhteutettuna niiden lämpöarvoon. Esimerkiksi noin 70 25 paino %:n etanoli soveltuisi yksinään poltettavaksi. Jäähdytysvesi ei merkittävästi haittaa hapetusreaktioita, sillä kaikki hiilivedyt erityisesti metaani tuottaa hapettuessaan runsaasti vettä. Yksi kilo metaania tuottaa palaessaan on n. 2,25 kiloa vesihöyryä. Toiseksi vedyn hapettuminen tapahtuu pääosin höyryreformointi reaktion kautta (H2O + CH4 -> 3H2 + CO ja edelleen 3H2 + CO + 202 -> 3H2O + CO2), eli 30 esimerkiksi metaani reagoi ensin veden kanssa muodostaen vetyä ja hiilimonoksidia ja sen jälkeen vety ja hiilimonoksidi hapettuvat vedeksi ja hiilidioksidiksi. Hapetusreaktioissa ja jäähdytyksessä syntyvä vesihöyry sisältää jopa yli 80 % pakokaasun entalpiasta.The cooling water evaporates in the catalyst at the same time as the fuel is oxidized. Water heating, evaporation and steam heating sequester energy by almost 5 MJ / kg. In catalytic combustion, one kilogram of methane needs 4 to 6 kilograms of water, depending on the amount of residual oxygen and the combustion temperature. Other fuels need cooling water in proportion to their calorific value. For example, about 70 to 25% by weight ethanol would be suitable for combustion alone. Cooling water does not significantly interfere with oxidation reactions, as all hydrocarbons, especially methane, produce large amounts of water when oxidized. One kilogram of methane produced when burned is about 2.25 kilograms of water vapor. Second, the oxidation of hydrogen takes place mainly through a steam reforming reaction (H2O + CH4 -> 3H2 + CO and further 3H2 + CO + 202 -> 3H2O + CO2), i.e. methane first reacts with water to form hydrogen and carbon monoxide and then hydrogen and carbon monoxide oxidize water and carbon dioxide. The water vapor generated in oxidation reactions and cooling contains up to more than 80% of the enthalpy of the exhaust gas.

Keksinnön erään kohteen mukaan katalysaattori on sekoittava metallikennoinen 35 katalysaattori. Polttoaineen täydellistä palamista oleellisesti edesauttaa sekoittavaAccording to one aspect of the invention, the catalyst is a miscible metal cell catalyst. The complete combustion of the fuel is substantially facilitated by the mixing

20165098 prh 21 -02- 2018 metallikennoinen X-flow katalysaattori, joka mahdollistaa myös sivusuuntaisen virtauksen, mikä tasaa polttoaineen pitoisuuden ja virtausjakauman huippuja estäen näin vahingollisten lämpötilapiikkien syntymisen. Tällöin sekä hyötysuhde paranee että päästöt vähenevät. Katalysaattori voi sisältää platinaryhmän metalleja 5 kuten palladiumia (Pd), platinaa (Pt) ja rhodiumia (Rh). Jalometalleja tarvitaan katalyyttisen hapetuksen käynnistämiseen. Perusmetallit, niiden oksidit ja erilaiset sekaoksidit kuten perovskiitit toimivat katalyytteinä korkeimmissa lämpötiloissa. Stabiileimmat ja aktiivisimmat sekaoksidit sisältävät mm. seuraavia aineita: alumiini, lantaani, serium, zirkonium, barium. Myös jalometallit voivat olla osana seka10 oksidia. Suuri hyöty saadaan palladiumilla, sillä se on aktiivisimmillaan oksidina.20165098 prh 21 -02- 2018 metal-celled X-flow catalyst, which also allows lateral flow, which balances the peaks in fuel concentration and flow distribution, thus preventing the formation of harmful temperature peaks. This improves both efficiency and emissions. The catalyst may contain platinum group metals such as palladium (Pd), platinum (Pt) and rhodium (Rh). Precious metals are needed to initiate catalytic oxidation. Base metals, their oxides and various mixed oxides such as perovskites act as catalysts at the highest temperatures. The most stable and active mixed oxides contain e.g. the following substances: aluminum, lanthanum, cerium, zirconium, barium. Precious metals can also be part of the mixed oxide. Palladium is of great benefit because it is at its most active as an oxide.

Yksin ollessaan palladium pelkistyy metalliseksi yli 850 °C:n lämpötilassa erityisesti veden läsnä ollessa. Metallinen Pd on herkempi reagoimaan esimerkiksi deaktivoivan rikin kanssa ja se voi liikkua siten, että sen dispersio alenee. Sekaoksideissa palladium pysyy oksidina keksinnön rajaamissa lämpötiloissa. Kosteus ja läm15 pötila eivät vaikuta samoin Pt:n ja Rh:n toimintaan.When alone, palladium is reduced to metallic at temperatures above 850 ° C, especially in the presence of water. Metallic Pd is more sensitive to reacting with deactivating sulfur, for example, and can move so that its dispersion decreases. In mixed oxides, palladium remains an oxide at the temperatures limited by the invention. Humidity and temperature do not affect the function of Pt and Rh in the same way.

Toimintalämpötilassa reaktionopeutta rajoittaa lähes yksinomaan aineen siirto, jota sekoittava X-flow kenno tehostaa oleellisesti. Aineen siirto tarkoittaa polttoaineen ja hapen kosketusta katalyyttisesti aktiivisen pinnoitteen kanssa. Aineensiirron tehokkuutta kuvaava dimensioton Sherwoodin (Sh) luku on X- flow kennossa 20 (BP208534) virtausnopeudella 10 m/s noin 12, kun se suorassa kanavassa on noin 3 (luvut on laskettu katalysaattorien mallinnusohjelmalla). Shewoodin luku kasvaa eksponentiaalisesti virtausnopeuden kasvaessa toisin kuin suorassa kanavassa. Täydellisen palamisen kannalta aineensiirron moninkertaistamisella on keskeinen merkitys. Kennon reikätiheys voi olla 78-8 aukkoa/cm2, edullisesti 30 25 10 aukkoa/cm2.At the operating temperature, the reaction rate is almost exclusively limited by the transfer of the substance, which is substantially enhanced by the mixing X-flow cell. Substance transfer means the contact of fuel and oxygen with a catalytically active coating. The dimensionless Sherwood (Sh) figure describing the transfer efficiency in the X-flow cell 20 (BP208534) at a flow rate of 10 m / s is about 12 when it is about 3 in the direct channel (the figures are calculated by the catalyst modeling program). The Shewood number increases exponentially as the flow rate increases as opposed to in a straight channel. Multiplication of mass transfer is central to complete combustion. The hole density of the cell may be 78-8 openings / cm 2 , preferably 30 25 10 openings / cm 2 .

Esim, verkkorakenteisia katalysaattoreita käytettäessä ei ole saavutettu 1 ppm tason päästötehokkuutta. Niissä viipymäajat jäävät liian alhaisiksi. Alhaisemman Sherwoodin luvun omaavia kennoja käytettäessä on valittava oleellisesti suurempi katalysaattori ja sittenkin tavoitteena olevan alle 1 ppm:n päästötason saavuttami30 nen on erittäin epätodennäköistä.For example, the use of networked catalysts has not achieved an emission efficiency of 1 ppm. In them, the residence times are too low. When using cells with a lower Sherwood number, a substantially larger catalyst must be chosen, and yet it is highly unlikely that the target emission level of less than 1 ppm will be achieved.

Katalysaattorin jälkeen pakokaasu kulkee välittömästi lämmönsiirtimiin. Ensimmäisenä olevassa korkean lämpötilan lämmönsiirtimessä voidaan kuumentaa esimerkiksi kaukolämpöverkkoon menevää vettä tai muita nesteitä tai kaasuja. Ensimmäinen lämmönsiirrin voi olla esimerkiksi putki- tai ripaputkimallinen. Ripaputkien 35 laippa tulisi olla kiinnitetty esimerkiksi hitsaamalla, juottamalla tai pursottamalla, jotta ne kestäisivät kovat lämpöjännitykset. Rakenne voi olla tehty joko ruostumatAfter the catalyst, the exhaust gas immediately passes to the heat exchangers. The first high-temperature heat exchanger can be used to heat, for example, water or other liquids or gases entering the district heating network. The first heat exchanger can be, for example, tubular or finned. The flange of the ribs 35 should be secured, for example, by welding, soldering, or extrusion to withstand high thermal stresses. The structure can be made of either rust

20165098 prh 21 -02- 2018 tornista teräksistä kuten 1.4512, 1.4509, 1.4301 ja 1.4401. Putket lämmönsiirtimessä tulee asettaa limittäin siten, että pakokaasu joutuu mutkittelemaan lämmönsiirtimen läpi kulkiessaan. Tällöin virtaus on yli 10 m/s nopeudella turbulenttia ja lämmönsiirtokerroin on yli 120 W/m2 °K.20165098 prh 21 -02-2018 from tower steels such as 1.4512, 1.4509, 1.4301 and 1.4401. The pipes in the heat exchanger must be placed overlapping so that the exhaust gas has to bend as it passes through the heat exchanger. In this case, the flow is turbulent at a speed of more than 10 m / s and the heat transfer coefficient is more than 120 W / m 2 ° K.

Toinen lämmönsiirrin on lauhdutin, jossa pakokaasun vesihöyryä jäähdytetään niin, että se kondensoituu vedeksi ja vesi jäähtyy noin 50 - 80 °C:een. Lauhduttimessa pakokaasun energia siirretään esimerkiksi rakennusten lämmitys- tai käyttöveteen. Toinen lämmönsiirrin voi olla esimerkiksi ripaputki- tai lamellirakenteinen, jotka on tehty ruostumattomista teräksistä kuten1.4509, 1.4512, 1.4301, 10 1.4401 tai kuparista tai AI/ Zn- pinnoitetuista teräksistä.The second heat exchanger is a condenser in which the water vapor of the exhaust gas is cooled so that it condenses into water and the water cools to about 50-80 ° C. In the condenser, the energy of the exhaust gas is transferred, for example, to the heating or domestic water of buildings. The second heat exchanger can be, for example, of ribbed or lamellar construction made of stainless steels such as 1.4509, 1.4512, 1.4301, 10 1.4401 or copper or Al / Zn coated steels.

Keksinnön erään kohteen mukaan pakokaasun sisältämä kondensoitunutta vesi kierrätetään uudelleen katalysaattorissa tapahtuvien hapetusreaktioiden jäähdyttämiseen. Tästä on teknistä ja taloudellista etua. Vesi on tarvittaessa puhdistettava polttoaineen tai ilman tuomista epäpuhtauksista. Vaihtoehtoisesti likaantunut vesi 15 voidaan määräajoin vaihtaa puhtaaseen veteen.According to one aspect of the invention, the condensed water contained in the exhaust gas is recycled to cool the oxidation reactions in the catalyst. This has a technical and economic advantage. If necessary, the water must be cleaned of contaminants introduced by fuel or air. Alternatively, the contaminated water 15 may be periodically replaced with clean water.

Kasvihuoneita voidaan lämmittää katalyyttisellä poltolla tuotetulla lämpöenergialla. Kosteuden poistaminen edesauttaa pakokaasun syöttämistä kasvihuoneeseen CO2 lannoitusta varten. CO2 tason kaksin- tai kolminkertaistaminen ilmassa olevalta n. 400 mg/Nm3 tasolta voi nopeuttaa kasvua jopa 40 %. Tällä voidaan saa20 vuttaa merkittävä kustannussäästöjä ja lisäkapasiteettia. Samalla, kun yhtä kasvikiloa kohti tarvitaan vähemmän lämmitysenergiaa, alenevat myös kasvihuoneiden päästöt.Greenhouses can be heated with thermal energy produced by catalytic combustion. The removal of moisture helps to feed the exhaust gas into the greenhouse for CO2 fertilization. Doubling or tripling the CO2 level from a level of about 400 mg / Nm3 in the air can accelerate growth by up to 40%. This can lead to significant cost savings and additional capacity. While less heating energy is needed per kilogram of plants, greenhouse gas emissions are also reduced.

Tavanomaisten lämmönsiirtimien asemesta katalyyttisessä poltossa syntyneellä 25 pakokaasulla voidaan myös lämmittää suoraan käyttökohdetta ilman lämmönsiirtimiä käyttämällä lämmittämiseen höyrypattereita, joissa vesihöyry lauhtuu vedeksi, joka lauhdevesiventtiilien kautta johdetaan viemäriin. Vastaava ratkaisu voidaan toteuttaa maanalaisilla putkiverkostoilla jalkakäytävien, torien, urheilukenttien yms. alla.Instead of conventional heat exchangers, the exhaust gas from catalytic combustion 25 can also be used to heat the application directly without heat exchangers by using steam radiators for heating, in which water vapor condenses into water which is led to the sewer via condensate water valves. A similar solution can be implemented with underground pipeline networks under sidewalks, squares, sports fields, etc.

Yksi vaihtoehto on käyttää katalyyttisessä polttimessa syntyvää energiaa Stirlingmoottorin lämmittämiseen, mikä mahdollistaa puhtaan sähköenergian tuottamisen.One option is to use the energy generated in the catalytic burner to heat the Stirling engine, which allows the production of clean electrical energy.

Suorassa kohteen lämmityksessä lauhdevesi voitaisiin johtaa viemäreihin ja typ35 peä (N2) ja hiilidioksidia (CO2) sisältävä pakokaasu poistoputken kautta ulkoilmaan. Tällöin säästettäisiin lämmönsiirtimien lisäksi putkistokustannuksissa, silläIn direct heating of the site, the condensate could be discharged to the sewers and the exhaust gas containing nitrogen (N2) and carbon dioxide (CO2) to the outside air via an exhaust pipe. This would save on piping costs in addition to heat exchangers, as

20165098 prh 21 -02- 2018 höyrylämmityksessä ei tarvita takaisinkierrätysputkia.20165098 prh 21 -02- 2018 Recirculation pipes are not required for steam heating.

Laitoksessa käytettävä polttoaine on valittu ryhmästä, jossa on maakaasu, biokaasu, nestekaasu, kevyt polttoöljy, (bio)alkoholit, pyrolyysikaasut ym. Myös muita 5 palavia kaasuja ja nesteitä voidaan käyttää.The fuel used in the plant is selected from the group consisting of natural gas, biogas, liquefied petroleum gas, light fuel oil, (bio) alcohols, pyrolysis gases, etc. Other flammable gases and liquids can also be used.

Katalyyttisessä poltossa käytettävä ilma eikä polttoaine saa sisältää sellaisia haitallisia yhdisteitä, joissa on rikkiä, fosforia, raskasmetalleja, halogeenejä, typpiyhdisteitä tai muita katalysaattorille, ihmisille tai kasveille vahingollisia yhdisteitä. Polttoaineet eivät myöskään saa sisältää partikkeleita.The air used in the catalytic combustion and the fuel must not contain harmful compounds containing sulfur, phosphorus, heavy metals, halogens, nitrogen compounds or other compounds harmful to the catalyst, humans or plants. Fuels must also not contain particles.

Katalyyttinen poltto tapahtuu ajassa 0,01-0,1 s. Se on noin 20 kertaa nopeampi kuin reaktioaika termisessä poltossa. Tämä mahdollistaa kattilan koon pienentämisen noin neljäsosaan termisen polton kattilasta. Esimerkiksi 60 MW:n kattilan koko ilman puhallinta on noin. 3300 x 3400 x 6000 mm (LxKxP). Kattilan teho/tilavuus on tällöin 1 MW/m3, kun se perinteisillä termisen polton kattiloilla on 15 100 - 300 kW/m3. Katalyyttinen kattila on edullisesti kooltaan alle kolmasosa termisen polton kattilasta.Catalytic combustion takes place in a time of 0.01-0.1 s. It is about 20 times faster than the reaction time in thermal combustion. This allows the size of the boiler to be reduced to about a quarter of the thermal combustion boiler. For example, the size of a 60 MW boiler without a fan is approx. 3300 x 3400 x 6000 mm (LxWxH). The power / volume of the boiler is then 1 MW / m3, while in conventional thermal combustion boilers it is 15,100 - 300 kW / m3. The catalytic boiler is preferably less than one third of the size of the thermal combustion boiler.

Päästöjen kannalta on edullista käyttää poltettaessa laihaa ilma/polttoaineseosta. Jäännöshapen määrä voi olla 1 - 6 %, edullisesti 2 - 4 %. Keksinnön erään kohteen mukaan katalyyttisen polton kokonaishyötysuhde on ainakin 99,9 % laskettu20 na polttoaineen sisältämän energian muuttumisena termiseksi energiaksi. Tämä yhdessä tehokkaiden esim, ripaputkipattereiden ja lamellirakenteisten lauhduttimien kanssa mahdollistaa korkean jopa 98%:n kokonaishyötysuhteen, mikä edellyttää pakokaasusta lauhdutetunveden kierrättäminen takaisin katalyyttisen polton jäähdytykseen.In terms of emissions, it is advantageous to use a lean air / fuel mixture when burning. The amount of residual oxygen may be 1 to 6%, preferably 2 to 4%. According to one aspect of the invention, the total efficiency of the catalytic combustion is at least 99.9% calculated as the conversion of the energy contained in the fuel into thermal energy. This, together with efficient, e.g., finned tube coils and lamellar condensers, enables a high overall efficiency of up to 98%, which requires recirculated condensed water from the exhaust gas back to the catalytic combustion cooling.

Lauhduttimessa kuivattua ja puhdasta pakokaasua voidaan jäähdyttää tasolle 5080 °C. Tämä on edullista paitsi kattilan hyötysuhteen myös savupiipun kustannusten kannalta. Se voi olla niin matala, kuin laki sallii ja sen materiaali voi olla vaikka muovia.In the condenser, the dried and clean exhaust gas can be cooled to 5080 ° C. This is advantageous not only in terms of boiler efficiency but also in chimney costs. It can be as low as the law allows and its material can even be plastic.

Keksinnön erään kohteen mukaan katalyyttisestä poltosta poistuvan pakokaasun 30 typen oksidien NOx pitoisuus on keskimäärin alle 1 ppm. Edellytyksenä on, ettei polttoaine eikä ilma sisällä typpiyhdisteitä. Keksinnön erään kohteen mukaan katalyyttisestä poltosta poistuvan pakokaasun hään CO pitoisuus voi olla keskimäärin alle 1 ppm. Keksinnön erään kohteen mukaan katalyyttisestä poltosta poistuvan pakokaasun EG haihtuvien hiilivetyjen VOC pitoisuus on keskimäärin alle 1 ppm.According to one aspect of the invention, the NOx content of the nitrogen oxides in the exhaust gas from the catalytic combustion is on average less than 1 ppm. The condition is that neither the fuel nor the air contains nitrogen compounds. According to one aspect of the invention, the CO content of the exhaust gas from the catalytic combustion exhaust may be on average less than 1 ppm. According to one aspect of the invention, the VOC content of the volatile hydrocarbons in the exhaust gas EG from the catalytic combustion is on average less than 1 ppm.

20165098 prh 21 -02- 201820165098 prh 21 -02- 2018

Nämä tavoitteet voidaan saavuttaa katalyyttisellä poltolla, mikä osaltaan kohottaa hyötysuhdetta edelleen.These objectives can be achieved by catalytic combustion, which contributes to further increasing efficiency.

Keksinnön erään kohteen mukaan katalyyttisessä polttovaiheessa on oleellisen tärkeää käyttää sekoittavia metallikennoisia katalysaattoreita. Sekoitus tehostaa 5 polttoaineen kontakteja jalometalleilla aktivoidun katalysaattorin pinnoitteen kanssa, mikä varmistaa lähes täydellisen palamisen. Se myös varmistaa riittävän viipymäajan poltolle.According to one aspect of the invention, it is essential to use stirring metal cell catalysts in the catalytic combustion step. The blend enhances the 5 fuel contacts with the precious metal activated catalyst coating, ensuring near-complete combustion. It also ensures sufficient residence time for combustion.

Keksinnön erään kohteen mukaan katalysaattorin vaihtuma on tavoitteista ja polttoaineista riippuen alueella 20.000-180.000 1/h, edullisesti 40.000-80.000 1/h.According to one aspect of the invention, the catalyst change is in the range of 20,000-180,000 1 / h, preferably 40,000-80,000 1 / h, depending on the targets and fuels.

Keksinnön mukainen katalyyttinen polttolaitteiston tarvitsemasta hapetusilmasta osa voi tulla happea sisältävistä polttoaineista esim, alkoholeista.Some of the oxidizing air required by the catalytic combustion plant according to the invention may come from oxygen-containing fuels, e.g. alcohols.

Katalyyttisessä poltossa CAB tarvittava ilma tarkoittaa tässä hakemuksessa sitä ilmamäärää, joka kuluu käytettävän polttoaineen täydellisesti polttamiseen. Se 15 sisältää myös mahdollisen ilmaylimärän, joka tarvitaan täydellisen polton varmistamiseen.For the purposes of this application, the air required for catalytic combustion CAB means the amount of air required for the complete combustion of the fuel used. It 15 also includes any excess air needed to ensure complete combustion.

Yhteenvetona edellisestä voidaan todeta, ettei termisellä poltolla ja siihen liitettävillä pakokaasujen puhdistusmenetelmillä ei ole ollut mahdollista tehdä täysin NOxvapaata lämpöenergiaa. Termisen palamisen korkea lämpötila ja suhteellisen pitkä 20 aika tuottavat aina NOx:ja, joita ei voida jälkikäteen täydellisesti poistaa. Tämä on syy, mikä rajoittaa hiilen ja vedyn täydellistä termistä hapettamista. Teollisesti täydelliseen hiilen ja vedyn hapettamiseen ilman NOx:ien muodostumista voidaan päästä keksinnön mukaisella alemmassa lämpötilassa nopeasti tapahtuvalla katalyyttisellä polttolaitteistolla ja käyttämällä puhtaita polttoaineita kuten maakaasua, 25 nestekaasua, biokaasua, bioetanolia tms. hapettamalla. Tällöin prosessissa ei synny muita haitallisia päästöjä kuin hiilidioksidia (CO2), joka voidaan hyödyntää mm. kasvien lannoituksessa. Kaikki pakokaasu voidaan johtaa suoraan kasvihuoneisiin, joissa se jaetaan putkiston avulla kasvien käyttöön. Tällöin myös pakokaasun sisältämä lämpöenergia tulee hyödynnettyä.In summary, it has not been possible to produce completely NOx-free thermal energy by thermal combustion and the associated exhaust gas cleaning methods. The high temperature of the thermal combustion and the relatively long time always produce NO x which cannot be completely removed afterwards. This is the reason that limits the complete thermal oxidation of carbon and hydrogen. Industrial complete oxidation of carbon and hydrogen without the formation of NO x can be achieved by the low temperature catalytic combustion plant of the invention using oxidizing fuels such as natural gas, liquefied petroleum gas, biogas, bioethanol and the like. In this case, the process does not generate any harmful emissions other than carbon dioxide (CO2), which can be utilized e.g. in plant fertilization. All exhaust gas can be led directly to greenhouses, where it is distributed by piping for plant use. In this case, the thermal energy contained in the exhaust gas must also be utilized.

Ulkoilmassa on noin 400 mg/Nm3:ssä hiilidioksidia. Suurin hyöty CO2- lannoituksesta saavutetaan vihanneksia viljelevissä kasvihuoneissa, joissa kasvu voi nopeutua jopa yli 40 %, kun CO2- pitoisuus kaksin- kolminkertaistuu perustasoon verrattuna. Onnellinen yhteensattuma on, että kasvihuoneen lämpöenergian ja hiilidioksidin tarve pohjolassa voidaan lähes samanaikaisesti tyydyttää hiilivetyjäThere is about 400 mg / Nm3 of carbon dioxide in the outside air. The greatest benefit from CO2 fertilization is achieved in vegetable growing greenhouses, where growth can accelerate by as much as 40% when the CO2 concentration doubles to three times the baseline level. It is a happy coincidence that the need for thermal energy and carbon dioxide in the greenhouse in the Nordic countries can be met almost simultaneously.

20165098 prh 21 -02- 2018 hapettamalla, sillä tarvittavan lämmitysenergian tuottamisen yhteydessä syntyy lähes optimaalinen määrä hiilidioksidia. CO2- lannoituksella voidaan kasvihuoneen kapasiteettia merkittävästi nostaa, mikä alentaa tuotteisiin kohdistuvia energia- ja pääomakustannuksia.20165098 prh 21 -02- 2018 by oxidation, as the production of the necessary heating energy produces an almost optimal amount of carbon dioxide. CO2 fertilization can significantly increase greenhouse capacity, which reduces the energy and capital costs of products.

Suomessa on noin 1000 kaupallisesti kasvihuoneissa vihanneksia viljeleviä yrityksiä. Niistä 330 kpl teollisesti valmistettavaa CO2:ta joko nestemäisenä tai kaasuna. Nestemäisen halvimman kaasun hinta on n. 0,10 e/kg ja kalleimman pullokaasun hinta on n. 2 e/kg. Suomessa käytetään teollisesti valmistettua CO2:ta 4-5 milj. kg/vuosi. Maailman kulutus on arviolta yli satakertainen. Eli energian tuotan10 nossa syntyvän hiilidioksidin hyödyntäminen on kasvihuonekaasun päästöjen alentamisen lisäksi taloudellisesti merkittävä asia. Suurin ympäristövaikutus saavutetaan, kun polttoaineena käytetään biopolttoaineita. Silloin energiantuotannon hiilijalanjälki on negatiivinen.There are about 1,000 companies in Finland that grow vegetables commercially in greenhouses. Of these, 330 are industrially produced CO2, either as a liquid or a gas. The price of the cheapest liquid gas is about 0.10 e / kg and the price of the most expensive bottle gas is about 2 e / kg. In Finland, industrially produced CO2 is used for 4-5 million. kg / year. World consumption is estimated to be more than a hundredfold. In other words, the utilization of carbon dioxide generated in energy production10 is not only an economically important issue but also a reduction in greenhouse gas emissions. The greatest environmental impact is achieved when biofuels are used as fuel. Then the carbon footprint of energy production is negative.

Keksinnön erityinen kuvausSpecific Description of the Invention

Kuvioissa 1 on esitetty keksinnön mukainen katalyyttinen polttolaitteista CAB, jonka poltossa syntyviä pakokaasuja, höyryä ja kuumaa vettä hyödynnetään kaukolämpöverkostoissa, asuntojen ja tuotantolaitosten lämmittämisessä, kasvihuoneissa Green jne.Figures 1 show a catalytic combustor CAB according to the invention, the combustion exhaust gases, steam and hot water of which are utilized in district heating networks, heating of dwellings and production facilities, greenhouses, etc.

Puhallin Blow syöttää poltossa tarvittavan ilman Air jakokartion Cstal ja virtausoh20 jainten Csta2 kautta laitteiston CAB alkuosaan Csta siten, että virtaus on pääosin tasaisesti jakautunut. Alkuosaan Csta ajetaan suuttimien kautta polttoaine Fu1 mahdollisimman tasaisesti jakautuneena. Jos polttoaine ei sisällä vettä, ja tarvittaessa muutenkin, niin sen jälkeen suihkutetaan jäähdytysvesi Wcool edullisesti hienona sumuna alkuosaan Csta.The Blow blower supplies the air required for combustion through the Air distribution cone Cstal and the flow controllers Csta2 to the initial part Csta of the apparatus CAB so that the flow is substantially evenly distributed. At the beginning of C, the fuel Fu1 is driven through the nozzles as evenly as possible. If the fuel does not contain water, and if necessary anyway, then the cooling water Wcool is preferably sprayed as a fine mist into the initial part Csta.

Seuraavaksi ilma Air, polttoaine Fu1 ja jäähdytysvesi Wcool kulkevat staattisen sekoittimen Mix läpi, mikä varmistaa homogeenisen seossuhteen ennen katalysaattoria. Staattinen sekoitin Mix on edullisesti koottu vino rypytetyistä teräslevyrainoista, jotka on ristiin ladottu. Edullinen aaltojen ryppykorkeus on 12-20 mm ja ryppykulma 20 - 30 astetta. Tällä rakenteella virtaus sekoittimessa pysyy turbu30 lenttina. Materiaali voi olla esimerkiksi 1.4509 tai 1.4512 levyä paksuudeltaan 0,2 - 0,5 mm.Next, the air Air, the fuel Fu1 and the cooling water Wcool pass through the static mixer Mix, which ensures a homogeneous mixture ratio before the catalyst. The static mixer Mix is preferably assembled from obliquely shirred steel sheet webs stacked crosswise. The preferred wrinkle height of the waves is 12-20 mm and the wrinkle angle is 20-30 degrees. With this structure, the flow in the mixer remains as the turbu30. The material can be, for example, 1.4509 or 1.4512 sheets with a thickness of 0.2 to 0.5 mm.

Katalysaattori Cat on edullisesti X-flow tyyppinen (BP208534) kenno, joka sisältää platinaryhmän jalometalleja kuten palladiumia (Pd), platinaa (Pt) ja rhodiumia (Rh) ja muina aktiivisina aktiivina aineina perusmetallioksideja ja niiden sekaoksideja,The Cat catalyst is preferably an X-flow type (BP208534) cell containing platinum group precious metals such as palladium (Pd), platinum (Pt) and rhodium (Rh) and other active substances are parent metal oxides and their mixed oxides,

20165098 prh 21 -02- 2018 jotka voivat olla perovskiittityyppisiä. Näitä metalleja ovat esimerkiksi alumiini (AI), serium (Ce), lantaani (La), barium (Ba) ja sirkonium (Zr). Kaasuvirtaus on vaihtuma-alueella 20.000 1/h - 180.000 1/h, edullisesti 40.000 1/h - 80.000 1/h. Katalysaattorissa on edullista käyttää FeCrAI- seesteisiä korkean lämpötilan teräksiä 5 kuten 1.4767.20165098 prh 21 -02- 2018 which may be of the perovskite type. Examples of these metals are aluminum (Al), cerium (Ce), lanthanum (La), barium (Ba) and zirconium (Zr). The gas flow is in the range of 20,000 1 / h to 180,000 1 / h, preferably 40,000 1 / h to 80,000 1 / h. In the catalyst, it is preferred to use FeCrAI-sterile high temperature steels such as 1.4767.

Katalysaattorin Cat jälkeen pakokaasun lämpötila on alueella 750-1150 °C, edullisesti 850 °C - 1050 °C. Pakokaasu sisältää runsaasti vesihöyryä, jonka entalpia voi olla yli 80 % pakokaasun sisältämästä energiasta. Tätä pakokaasua voi käyttää sellaisenaan erilaisiin lämmitystarkoituksiin, kuten jalkakäytävien, urheilukent10 tien, Stirling- moottorien yms. lämmitykseen.After the Cat catalyst, the exhaust gas temperature is in the range of 750-1150 ° C, preferably 850 ° C to 1050 ° C. The exhaust gas is rich in water vapor, the enthalpy of which can be more than 80% of the energy contained in the exhaust gas. As such, this exhaust gas can be used for various heating purposes, such as heating sidewalks, sports grounds, Stirling engines, etc.

Katalysaattorissa Cat tapahtuu liekitön poltto olosuhteissa, joissa ei synny lainkaan typenoksideja (NOx). Sekoittavan X- flow katalysaattorin (BP208534) ansiosta hapetus on niin tehokasta, että hiilivety- (HC) ja häkä (CO) päästöt ovat alle 1 ppm. Virtausnopeus katalysaattorissa on =/>10 m/s, jolloin Sherwoodin luku on 15 =/>12.In the Cat catalyst, flameless combustion takes place under conditions in which no nitrogen oxides (NOx) are generated. Thanks to the mixing X-flow catalyst (BP208534), the oxidation is so efficient that hydrocarbon (HC) and carbon monoxide (CO) emissions are less than 1 ppm. The flow rate in the catalyst is = /> 10 m / s, where the Sherwood number is 15 = /> 12.

Kennon reikätiheys voi olla 8-78 aukkoa/cm2. Edullinen reikätiheys on 12-32 aukkoa/cm2, jolloin katalysaattorin painehäviö pysyy alueella 2-5 kPa ja kattilan painehäviö pysyy alueella 4-6 kPa. Jalometallilataus tasolla 0,3-1,4 g/dm3 pitää syttymislämpötilan alueella 500-700 °C polttoaineesta riippuen. Syttymislämpöti20 laa voi säätää vähentämällä tai myöhentämällä jäähdytysveden syöttöä käynnistysmoodin aikana.The hole density of the cell can be 8-78 openings / cm 2 . The preferred hole density is 12-32 orifices / cm 2 , whereby the pressure drop of the catalyst remains in the range of 2-5 kPa and the pressure drop of the boiler remains in the range of 4-6 kPa. Precious metal charging at 0.3-1.4 g / dm 3 keeps the ignition temperature in the range of 500-700 ° C depending on the fuel. The ignition temperature20 can be adjusted by reducing or delaying the cooling water supply during the start-up mode.

Alhaisemman Sherwoodin luvun omaavia kennoja käytettäessä on valittava oleellisesti suurempi katalysaattori ja sittenkin tavoitteena olevaa konversiotehoa on erittäin vaikea saavuttaa.When using cells with a lower Sherwood number, a substantially larger catalyst must be selected and even then the target conversion efficiency is very difficult to achieve.

Kuvion 1 sovelluksessa välittömästi katalysaattorin Cat jälkeen pakokaasu EXG kulkee lämmönsiirtimien Hei, He2 läpi. Ensimmäiseksi on korkean lämpötilan 1. lämmönsiirrin Hei, jossa pakokaasun EXG lämpötila laskee edullisesti alueelle 120 - 180 °C vesikierron W1-W3 avulla. Lämmönsiirrin Hei voi olla putki- tai ripaputkimallinen. Ripaputkien laipat tulee olla kovajuotoksella, hitsaamalla tai pursot30 tamalla putkiin kiinnitetyt, jotta ne kestäisivät suuret lämpörasitukset. Materiaali voi olla kattilaterästä tai ruostumatonta terästä kuten esimerkiksi 1.4509, 1.4512, 1.4301 tai 1.4401. Seuraavaksi pakokaasu kulkee alhaisen lämpötilan 2. lämmönsiirtimen He2 eli tässä tapauksessa lauhduttimen läpi. Siinä lämpötila laskee edullisesti 50-80 °C:een vesikierron W2-W4 avulla ja pakokaasun sisältämä vesihöyryIn the embodiment of Figure 1, immediately after the Cat catalyst, the exhaust gas EXG passes through the heat exchangers Hei, He2. The first is the high temperature 1st heat exchanger Hei, where the temperature of the exhaust gas EXG preferably drops to the range of 120 to 180 ° C by means of the water circuit W1-W3. The heat exchanger Hello can be tubular or finned. The flanges of the fin pipes should be brazed, welded or extruded to the pipes to withstand high thermal stresses. The material can be boiler steel or stainless steel such as 1.4509, 1.4512, 1.4301 or 1.4401. Next, the exhaust gas passes through the low temperature heat exchanger 2. He2, in this case the condenser. In it, the temperature preferably drops to 50-80 ° C by means of the water circuit W2-W4 and the water vapor contained in the exhaust gas

20165098 prh 21 -02- 2018 lauhtuu vedeksi luovuttaen energian esimerkiksi lämmitysveteen. kondensoitunutta Wcond kierrätetään takaisin etukammioon sumutettavaksi jäähdytysvedeksi esim, silloin, kun jäähdytysvesi ei tule polttoaineen mukana emulkoituna tai liuoksena. 2. Lämmönsiirrin He2 voi olla ripaputki tai lamellimallinen ja sen materiaali voi olla ruostumatonta terästä kuten 1.4509, 1.4512, 1.4301, 1.4401 tai kuparia tai20165098 prh 21 -02- 2018 condenses into water, transferring energy to heating water, for example. the condensed Wcond is recycled back to the front chamber for spray cooling water, e.g., when the cooling water does not come with the fuel as an emulsified or solution. 2. The heat exchanger He2 may be a finned tube or a lamellar design and may be made of stainless steel such as 1.4509, 1.4512, 1.4301, 1.4401 or copper or

ΑΙ/Zn pinnoitettua terästä. Lämmönsiirtimien Hei, He2 vesikierrot W1-W3, W2-W4 voidaan toteuttaa toistensa suhteen sekä sarjassa että rinnan. Sitä varten kuvion 1 mukaisessa laitteistossa CAB on vesikierron säätökytkentä Vai, jolla 2. lämmönvaihtimesta He2 poistuvaa jäähdytysvettä W4 voidaan johtaa tai olla johtamatta 1.ΑΙ / Zn coated steel. The water circuits W1-W3, W2-W4 of the heat exchangers Hi, He2 can be implemented with respect to each other both in series and in parallel. For this purpose, the apparatus CAB according to Fig. 1 has a water circulation control circuit Vai, with which the cooling water W4 leaving the 2nd heat exchanger He2 can or may not be conducted 1.

lämmönvaihtimen Hei jäähdytysvedeksi W1.heat exchanger Hello cooling water W1.

Edellä kuvattuina lämmönsiirtimillä ja lauhduttimilla on lukuisia kaupallisia valmistajia mm. Kelvion, Termofin, GEA, Alfa Laval, Eino Talsi, Refinec, Salpa-Hitsaus,As described above, heat exchangers and condensers have numerous commercial manufacturers, e.g. Kelvion, Termofin, GEA, Alfa Laval, Eino Talsi, Refinec, Latch Welding,

Ekströms Värmetekniska, ViFlow Finland yms. Sekä korkean lämpötilan lämmönsiirtimet että lauhduttimet voidaan haluttaessa tilata vaatimusten mukaisina niihin 15 erikoistuneilta tehtailta.Ekströms Värmetekniska, ViFlow Finland, etc. Both high-temperature heat exchangers and condensers can be ordered in accordance with the requirements from 15 specialized factories.

Kuivattu pakokaasu EXG voidaan sellaisenaan johtaa kasvihuoneisiin Green käytettäväksi CO2- lannoitukseen.As such, the dried exhaust gas EXG can be led to Greenhouses for use in CO2 fertilization.

Laitos voidaan käynnistää samalla polttoaineella kuin käytetään sen jatkuvassa toiminnassa tai erillisellä kuumailma puhaltimella tai lämpövastuksilla.The plant can be started with the same fuel as used in its continuous operation or with a separate hot air blower or thermal resistors.

Kattilan tehon pienet säädöt voidaan tehdä alentamalla taajuusmuuttajalla ilman syöttöä, joka ilma polttoainesuhdetta säätävän happimittarin viestin avulla säätää polttoaineen syöttöä. Lämpötila-anturi säätää samanaikaisesti jäähdytysveden syöttöä. Happianturilla varmistetaan haluttu ilma/ polttoainesuhde.Small adjustments to the boiler power can be made by lowering the air supply with a frequency converter, which adjusts the fuel supply by means of an air gauge message that adjusts the fuel ratio. The temperature sensor simultaneously regulates the cooling water supply. The oxygen sensor ensures the desired air / fuel ratio.

Laitteiston kapasiteetti voi vaihdella pienistä hyvin suuriin, esimerkiksi 10 kW 25 100 MW.The capacity of the equipment can vary from small to very large, for example 10 kW 25 100 MW.

Claims (26)

1. Menetelmä lämpöenergian tuottamiseksi katalyyttisessä poltossa polttolaitoksessa (CAB) erittäin alhaisilla päästöillä, jolloin katalyyttisestä poltosta poistuvan pakokaasun (EXG) typen oksidien (NOx) pitoisuuden pitämiseksi keskimäärin1. A method for generating thermal energy in a catalytic combustion plant (CAB) with very low emissions, wherein the nitrogen oxides (NOx) content of the exhaust gas (EXG) from the catalytic combustion is maintained on average 5 alle 1 ppm, hään (CO) pitoisuuden pitämiseksi keskimäärin alle 1 ppm ja haihtuvien hiilivetyjen (VOC) pitoisuuden pitämiseksi keskimäärin alle 1 ppm menetelmässä:5 to keep less than 1 ppm, to keep the average CO content below 1 ppm and to keep the volatile hydrocarbons (VOC) below 1 ppm on average: - syötetään polttoainetta (Fu1) ja poltossa tarvittava ilmaa (Air) sekä jäähdytysvettä (Wcool) polttolaitoksen (CAB) alkuosaan (Csta),- fuel (Fu1) and combustion air (Air) and cooling water (Wcool) are supplied to the beginning of the combustion plant (CAB) (Csta), 10 - jäähdytetään pakokaasua (EXG) ainakin yhdessä lämmönsiirtimessä (Hei, He2), edullisesti jäähdytetään lämpötilaan 50-80 °C,- cooling the exhaust gas (EXG) in at least one heat exchanger (Hey, He2), preferably cooled to a temperature of 50-80 ° C, - poistetaan poltossa syntyviä pakokaasuja (EXG) polttolaitoksen loppuosasta lämmönsiirtimen/lämmönsiirtimien (Hei, He2) jälkeen, tunnettu siitä, että menetelmässä on lisäksi vähintään seuraavat vaiheet:- combustion exhaust gases (EXG) are removed from the rest of the combustion plant after the heat exchanger (s) (Hey, He2), characterized in that the process further comprises at least the following steps: - syötetään polttoaine (Fu1), ilma (Air) ja jäähdytysvesi (Wcool) ainakin yhteen katalysaattoriin (Cat), jossa virtausnopeus on vähintään 5 m/s, edullisesti vähintään 10 m/s, ja Sherwoodin luku on vähintään 8, edullisesti vähintään 12,- feeding fuel (Fu1), air (Air) and cooling water (Wcool) to at least one catalyst (Cat) with a flow rate of at least 5 m / s, preferably at least 10 m / s and a Sherwood number of at least 8, preferably at least 12, 20 - säädetään katalysaattorin (Cat) lämpötilaa syötettävän jäähdytysveden (Wcool) määrällä lämpötilaan 700-1.150 °C, edullisesti lämpötilaan 850-1.050 °C, ja poltto suoritetaan ajassa 0,01-0,1 s, ja pidetään katalyyttisessä polttovaiheessa polttoaine/ilmasuhde laihana jäännöshapen ollessa 1-6 %, edullisesti 2-4 %.20 - adjusting the temperature of the catalyst (Cat) with the amount of cooling water (Wcool) fed to 700-1.150 ° C, preferably 850-1.050 ° C, and the combustion is carried out in a time of 0.01-0.1 s, and the fuel / air ratio in the catalytic combustion phase is kept lean with residual oxygen being 1-6%, preferably 2-4%. 2. Patenttivaatimusten 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että jäähdytys-Method according to Claim 1, characterized in that the cooling 25 vesi (Wcool) syötetään polttolaitoksen (CAB) alkuosaan (Csta) erikseen, edullisesti vesisumuna, ja/tai jäähdytysvesi (Wcool) syötetään polttolaitoksen alkuosaan (Csta) polttoaineen (Fu1) seassa, edullisesti vesiemulsiona tai vesiliuoksena.Water (Wcool) is fed to the initial part (Csta) of the combustion plant (CAB) separately, preferably as water mist, and / or cooling water (Wcool) is fed to the initial part (Csta) of the combustion plant among the fuel (Fu1), preferably as an aqueous emulsion or aqueous solution. 3. Mikä tahansa edellisten patenttivaatimusten mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ilma (Air), polttoaine (Fu1) ja jäähdytysvesi (Wcool) kulkevat staattisenMethod according to one of the preceding claims, characterized in that the air (Air), the fuel (Fu1) and the cooling water (Wcool) pass through a static 30 sekoittimen (Mix) läpi ennen niiden johtamista katalysaattoriin (Cat).30 through a mixer before passing them to the catalyst (Cat). 4. Mikä tahansa edellisten patenttivaatimusten mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että katalysaattori (Cat) on sekoittava metallikennoinen katalysaattori.Process according to any one of the preceding claims, characterized in that the catalyst (Cat) is a miscible metal-cell catalyst. 5. Mikä tahansa edellisten patenttivaatimusten mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että katalysaattorissa (Cat) käytetään platinaryhmän metalleja kuten Pd, Pt, Process according to one of the preceding claims, characterized in that platinum group metals such as Pd, Pt, 20165098 prh 21 -02- 2018 ja Rh ja perusmetallien oksideja sekä niiden sekaoksideja, kuten perovskiittejä, ja joissa voi olla mukana myös jalometalleja, edullisesti palladiumia ja/tai rhodiumia.20165098 prh 21-02-2018 and Rh and oxides of parent metals and their mixed oxides, such as perovskites, and which may also contain noble metals, preferably palladium and / or rhodium. 6. Mikä tahansa edellisten patenttivaatimusten mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että pakokaasua (EXG) jäähdytetään ainakin kahdessa lämmönsiirtimessäMethod according to one of the preceding claims, characterized in that the exhaust gas (EXG) is cooled in at least two heat exchangers 5 (Hei, He2), joiden vesikierrot (W1-W3, W2-W4) ovat toistensa suhteen sarjassa tai rinnan.5 (Hi, He2), whose water cycles (W1-W3, W2-W4) are in series or in parallel with respect to each other. 7. Mikä tahansa edellisten patenttivaatimusten mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kondensoitunutta vettä (Wcond) kierrätetään uudelleen palamisreaktion jäähdyttämiseen jäähdytysvedeksi (Wcool).Process according to one of the preceding claims, characterized in that the condensed water (Wcond) is recycled to cool the combustion reaction into cooling water (Wcool). ίοίο 8. Mikä tahansa edellisten patenttivaatimusten mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että poltossa syntyvää lämpöenergiaa hyödynnetään lämmönsiirtimien (Hei, He2) kautta erilaisissa käyttökohteissa.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the thermal energy generated in the combustion is utilized via heat exchangers (Hei, He2) in various applications. 9. Mikä tahansa edellisten patenttivaatimusten mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että poltossa syntyvien pakokaasujen (EXG) sisältämää lämpöenergiaa ja/taiMethod according to one of the preceding claims, characterized in that the thermal energy contained in the combustion exhaust gases (EXG) and / or 15 CO2:ta hyödynnetään suoraan käyttökohteessa kuten kasvihuoneessa (Green), jalkakäytävien lämmityksessä, Stirling- moottoreissa.15 CO2 is used directly in applications such as greenhouses, pavement heating and Stirling engines. 10. Mikä tahansa edellisten patenttivaatimusten mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että syötetty polttoaine (Fu1) on valittu ryhmästä, jossa on maakaasu, biokaasu, nestekaasu, kevyt polttoöljy, (bio)etanoli, pyrolyysikaasu.Process according to any one of the preceding claims, characterized in that the fuel fed (Fu1) is selected from the group consisting of natural gas, biogas, liquefied petroleum gas, light fuel oil, (bio) ethanol, pyrolysis gas. 2020 11. Mikä tahansa edellisten patenttivaatimusten mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että katalysaattorin (Cat) painehäviö pidetään alueella 2-5 kPa.Process according to one of the preceding claims, characterized in that the pressure drop of the catalyst (Cat) is kept in the range from 2 to 5 kPa. 12. Mikä tahansa edellisten patenttivaatimusten mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että katalysaattorin (Cat) reikätiheys on alueella 8-78 aukkoa/cm2, edullisesti alueella 12-32 aukkoa/cm2.Process according to any one of the preceding claims, characterized in that the hole density of the catalyst (Cat) is in the range from 8 to 78 openings / cm 2 , preferably in the range from 12 to 32 openings / cm 2 . 2525 13. Polttolaitteista (CAB) lämpöenergian tuottamiseksi katalyyttisessä poltossa, erittäin alhaisilla päästöillä jossa polttolaitteistossa katalyyttisestä poltosta poistuvan pakokaasun (EXG) typen oksidien (NOx) pitoisuuden pitämiseksi keskimäärin alle 1 ppm, hään (CO) pitoisuuden pitämiseksi keskimäärin alle 1 ppm ja haihtuvien hiilivetyjen (VOC) pitoisuuden pitämiseksi keskimäärin alle 1 ppm polttolait30 teisto (CAB) sisältää a seuraavat yksiköt:13. Combustion plants (CABs) for the production of thermal energy in catalytic combustion with very low emissions in which the combustion plant maintains an average concentration of oxides of nitrogen (NOx) in the exhaust gas (EXG) of less than 1 ppm, an average concentration of less than 1 ppm of CO ) to maintain an average concentration of less than 1 ppm, the combustion plant 30 (CAB) contains the following units: - polttoaineen (Fu1) ja poltossa tarvittava ilman (Air) sekä jäähdytysveden (Wcool)- fuel (Fu1) and combustion air (Air) and cooling water (Wcool) 20165098 prh 21 -02- 2018 syöttö polttolaitoksen (CAB) alkuosaan (Csta),20165098 prh 21 -02- 2018 feed to the beginning of the incineration plant (CAB) (Csta), - ainakin yksi lämmönsiirrin (Hei, He2), jossa pakokaasua jäähdytetään, edullisesti jäähdytetään lämpötilaan 50-80 °C:een,- at least one heat exchanger (Hey, He2) in which the exhaust gas is cooled, preferably to a temperature of 50 to 80 ° C, - poltossa syntyvien pakokaasujen (EXG) poisto polttolaitoksen (CAB) loppuosasta lämmönsiirtimen/lämmönsiirtimien (Hei, He2) jälkeen, tunnettu siitä, että polttolaitteisto sisältää lisäksi ainakin seuraavat yksiköt:- combustion exhaust (EXG) removal from the remainder of the combustion plant (CAB) after the heat exchanger (s) (Hey, He2), characterized in that the combustion plant further comprises at least the following units: - polttoaineen (Fu1), ilman (Air) ja jäähdytysveden (Wcool) syöttö ainakin yhteen 10 katalysaattoriin (Cat), jossa virtausnopeus on vähintään 5 m/s, edullisesti vähin- tään 10 m/s, ja Sherwoodin luku on vähintään 8, edullisesti vähintään 12,- supply of fuel (Fu1), air (Air) and cooling water (Wcool) to at least one catalyst 10 (Cat) with a flow rate of at least 5 m / s, preferably at least 10 m / s, and a Sherwood number of at least 8, preferably at least 12, - katalysaattorin (Cat) lämpötilan säätö syötettävän jäähdytysveden (Wcool) määrällä lämpötilaan 700-1.150 °C, edullisesti lämpötilaan 850-1.050 °C, ja poltto- control of the temperature of the catalyst (Cat) by the amount of cooling water (Wcool) fed to a temperature of 700-1.150 ° C, preferably to a temperature of 850-1.050 ° C, and combustion 15 suoritetaan ajassa 0,01-0,1 s, ja katalyyttisessä polttovaiheessa polttoaine/ilmasuhde pito laihana jäännöshapen ollessa 1-6 %, edullisesti 2-4 %.15 is performed in a time of 0.01-0.1 s, and in the catalytic combustion step the fuel / air ratio is kept lean with residual oxygen being 1-6%, preferably 2-4%. 14. Patenttivaatimusten 13 mukainen polttolaitteisto CAB), tunnettu siitä, että jäähdytysvesi (Wcool) on järjestetty syötettäväksi polttolaitoksen alkuosaan (Csta)Combustion plant CAB) according to Claim 13, characterized in that the cooling water (Wcool) is arranged to be fed to the beginning of the combustion plant (Csta). 20 erikseen, kuten edullisesti vesisumuna, ja/tai jäähdytysvesi on järjestetty syötettäväksi polttolaitoksen alkuosaan (Csta) polttoaineen (Fu1) seassa, kuten edullisesti vesiemulsiona tai vesiliuoksena.20 separately, such as preferably as a water mist, and / or the cooling water is arranged to be fed to the initial part (Csta) of the combustion plant among the fuel (Fu1), such as preferably as an aqueous emulsion or aqueous solution. 15. Patenttivaatimusten 13-14 mukainen polttolaitteisto (CAB), tunnettu siitä, että katalysaattori (Cat) on sekoittava metallikennoinen katalysaattori.Combustion plant (CAB) according to Claims 13 to 14, characterized in that the catalyst (Cat) is a miscible metal-cell catalyst. 2525 16. Mikä tahansa patenttivaatimusten 13-15 mukainen polttolaitteisto (CAB), tunnettu siitä, että katalysaattorissa (Cat) on platinaryhmän metalleja kuten Pd, Pt, ja Rh ja perusmetallien oksideja sekä niiden sekaoksideja, kuten perovskiittejä, ja joissa voi olla mukana myös jalometalleja, edullisesti palladiumia ja/tai rhodiumia.Combustion plant (CAB) according to any one of claims 13 to 15, characterized in that the catalyst (Cat) contains platinum group metals such as Pd, Pt, and Rh and oxides of parent metals and their mixed oxides such as perovskites, and which may also contain precious metals, preferably palladium and / or rhodium. 3030 17. Mikä tahansa patenttivaatimusten 13-16 mukainen polttolaitteisto (CAB), tunnettu siitä, että ja 2. lämmönsiirtimesä (He2) kondensoitunutta vettä (Wcond) on järjestetty kierrätettäväksi uudelleen palamisreaktion jäähdyttämiseen jäähdytysvedeksi (Wcool).Combustion plant (CAB) according to one of Claims 13 to 16, characterized in that and the condensed water (Wcond) of the heat exchanger (He2) is arranged to be recycled to cool the combustion reaction to cooling water (Wcool). 18. Mikä tahansa patenttivaatimusten 13-17 mukainen polttolaitteisto (CAB), Combustion plant (CAB) according to any one of claims 13 to 17, 20165098 prh 21 -02- 2018 tunnettu siitä, että syntyvää lämpöenergiaa on hyödynnetty lämmönsiirtimien (Hei, He2) kautta erilaisissa käyttökohteissa.20165098 prh 21 -02-20188 characterized in that the generated thermal energy has been utilized through heat exchangers (Hey, He2) in various applications. 19. Mikä tahansa patenttivaatimusten 13-18 mukainen polttolaitteisto (CAB), tunnettu siitä, että poltossa syntyvien pakokaasujen (EXG) sisältämää lämpö-Combustion plant (CAB) according to one of Claims 13 to 18, characterized in that the heat content of the combustion exhaust gases (EXG) 5 energiaa ja/tai CO2:ta on hyödynnetty suoraan käyttökohteessa kuten kasvihuoneessa (Green), jalkakäytävien lämmityksessä, Stirling- moottoreissa yms.5 energy and / or CO2 have been utilized directly in the application, such as the greenhouse (Green), pavement heating, Stirling engines, etc. 20. Mikä tahansa patenttivaatimusten 13-19 mukainen polttolaitteisto (CAB), tunnettu siitä, että syötetty polttoaine (Fu1) on valittu ryhmästä, jossa on maakaasu, biokaasu, nestekaasu, kevyt polttoöljy, (bio)etanoli, pyrolyysikaasu.Combustion plant (CAB) according to any one of claims 13 to 19, characterized in that the fuel fed (Fu1) is selected from the group consisting of natural gas, biogas, liquefied petroleum gas, light fuel oil, (bio) ethanol, pyrolysis gas. 1010 21. Mikä tahansa patenttivaatimusten 13-20 mukainen polttolaitteisto (CAB), tunnettu siitä, että katalysaattorin (Cat) painehäviö on järjestetty pidettäväksi alueella 2-5 kPa.Combustion plant (CAB) according to any one of claims 13 to 20, characterized in that the pressure drop of the catalyst (Cat) is arranged to be maintained in the range from 2 to 5 kPa. 22. Mikä tahansa patenttivaatimusten 13-21 mukainen polttolaitteisto (CAB), tunnettu siitä, että katalysaattorin (Cat) reikätiheys on alueella 8-78 aukkoa/cm2,Combustion plant (CAB) according to any one of claims 13 to 21, characterized in that the hole density of the catalyst (Cat) is in the range from 8 to 78 openings / cm 2 , 15 edullisesti alueella 12-32 aukkoa/cm2.15 preferably in the range of 12-32 openings / cm 2 . 23. Mikä tahansa patenttivaatimusten 13-22 mukainen polttolaitteisto (CAB), tunnettu siitä, että lämmönsiirrin (Hei, He2) on putki- tai ripaputkimallinen.Combustion plant (CAB) according to one of Claims 13 to 22, characterized in that the heat exchanger (Hei, He2) is tubular or fin-shaped. 24. Mikä tahansa patenttivaatimusten 13-23 mukainen polttolaitteisto (CAB), tunnettu siitä, että katalysaattorin (Cat) jalometallilataus on alueella 0,3-1,4Combustion plant (CAB) according to any one of claims 13 to 23, characterized in that the precious metal charge of the catalyst (Cat) is in the range from 0.3 to 1.4 20 g/dm3.20 g / dm 3 . 25. Mikä tahansa patenttivaatimusten 13-24 mukainen polttolaitteisto (CAB), tunnettu siitä, että polttolaitteistossa (CAB) on staattisen sekoitin (Mix) ennen katalysaattoria (Cat).Combustion plant (CAB) according to one of Claims 13 to 24, characterized in that the combustion plant (CAB) has a static mixer (Mix) before the catalyst (Cat). 26. Menetelmä polttolaitteiston (CAB), valmistamiseksi, jossa tuotetaan erittäin 25 vähäpäästöistä lämpöenergiaa katalyyttisessä poltossa, jolloin katalyyttisestä poltosta poistuvan pakokaasun (EXG) typen oksidien (NOx) pitoisuuden pitämiseksi keskimäärin alle 1 ppm, hään (CO) pitoisuuden pitämiseksi keskimäärin alle 1 ppm ja haihtuvien hiilivetyjen (VOC) pitoisuuden pitämiseksi keskimäärin alle 1 ppm laitteistoon (CAB) järjestetään ainakin seuraavat yksiköt:26. A process for the manufacture of a combustion plant (CAB) producing very low emission thermal energy in catalytic combustion, wherein the nitrogen oxides (NOx) concentration of the exhaust gas (EXG) from the catalytic combustion is kept below 1 ppm on average, the heat (CO) concentration is below 1 ppm on average and In order to keep the volatile hydrocarbon (VOC) content below 1 ppm on average, at least the following units shall be provided in the equipment (CAB): - polttoaineen (Fu1) ja poltossa tarvittava ilman (Air) syöttö sekä jäähdytysveden syöttö (Wcool) polttolaitoksen (CAB) alkuosaan,- supply of fuel (Fu1) and air for combustion (Air) and supply of cooling water (Wcool) to the beginning of the combustion plant (CAB), - ainakin yksi lämmönsiirrin (Hei, He2), jossa pakokaasua (EXG) jäähdytetään, edullisesti jäähdytetään lämpötilaan 50-80 °C,- at least one heat exchanger (Hei, He2) in which the exhaust gas (EXG) is cooled, preferably to a temperature of 50-80 ° C, - poltossa syntyvien pakokaasujen (EXG) poisto polttolaitoksen loppuosasta läm-- removal of combustion exhaust gases (EXG) from the rest of the combustion plant 5 mönsiirtimen/lämmönsiirtimien (Hei, He2) jälkeen, tunnettu siitä, että laitteistoon (CAB) järjestetään lisäksi ainakin seuraavat yksiköt:After the 5 heat exchanger (s) (Hey, He2), characterized in that at least the following units are additionally provided in the system (CAB): - polttoaineen (Fu1), ilman (Air) ja jäähdytysveden (Wcool) syöttö ainakin yhteen katalysaattoriin (Cat), jossa virtausnopeus on vähintään 5 m/s, edullisesti vähin-- supply of fuel (Fu1), air (Air) and cooling water (Wcool) to at least one catalyst (Cat) with a flow rate of at least 5 m / s, preferably at least 10 tään 10 m/s, ja Sherwoodin luku on vähintään 8, edullisesti vähintään 12,10 to 10 m / s, and the Sherwood number is at least 8, preferably at least 12, - katalysaattorin (Cat) lämpötilan säätö syötettävän jäähdytysveden (Wcool) määrällä lämpötilaan 700-1.150 °C, edullisesti lämpötilaan 850-1.050 °C, ja poltto suoritetaan ajassa 0,01-0,1 s, ja katalyyttisessä polttovaiheessa polttoaine/ilma-- control of the temperature of the catalyst (Cat) by the amount of cooling water (Wcool) fed to 700-1.150 ° C, preferably 850-1.050 ° C, and the combustion is carried out in a time of 0.01-0.1 s, and in the catalytic combustion phase the fuel / air 15 suhde pito laihana jäännöshapen ollessa 1-6 %, edullisesti 2-4 %.15 ratio of lean to lean with residual oxygen being 1-6%, preferably 2-4%.
FI20165098A 2016-02-10 2016-02-10 Combustion plant, method for energy production in a combustion plant, and manufacture of a combustion plant FI128351B (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FI20165098A FI128351B (en) 2016-02-10 2016-02-10 Combustion plant, method for energy production in a combustion plant, and manufacture of a combustion plant

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FI20165098A FI128351B (en) 2016-02-10 2016-02-10 Combustion plant, method for energy production in a combustion plant, and manufacture of a combustion plant

Publications (2)

Publication Number Publication Date
FI20165098A FI20165098A (en) 2017-08-11
FI128351B true FI128351B (en) 2020-03-31

Family

ID=59803603

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
FI20165098A FI128351B (en) 2016-02-10 2016-02-10 Combustion plant, method for energy production in a combustion plant, and manufacture of a combustion plant

Country Status (1)

Country Link
FI (1) FI128351B (en)

Also Published As

Publication number Publication date
FI20165098A (en) 2017-08-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108343978A (en) A kind of catalytic oxidation system and method for low calorie fuels
US20080317652A1 (en) Emission control system internal to a boiler
CN103657404A (en) Tail gas catalysis combustion treatment system
TW200424481A (en) Method for treating emissions
US20130156672A1 (en) Process for removing nitrous oxide from a gas stream
CN102563589A (en) Systems, methods, and apparatus for regenerating a catalytic material
CN102626590A (en) Low-concentration organic combustible gas catalytic oxidation device and heat utilization system
US9359918B2 (en) Apparatus for reducing emissions and method of assembly
CN106731573A (en) Heat accumulating type natural gas boiler energy-saving denitration integral system
WO2007122678A1 (en) Method and apparatus for treating gas containing nitrous oxide
KR101875526B1 (en) Catalytic combustor and Generator for carbon dioxide by catalytic combustion
CN202182476U (en) Integrated organic waste gas catalytic combustion device
EP2784391A1 (en) Method and apparatus for burning hydrocarbons and other liquids and gases
FI128351B (en) Combustion plant, method for energy production in a combustion plant, and manufacture of a combustion plant
US20200392884A1 (en) Method of producing heat in a power station
RU2650997C2 (en) Gradual oxidation with heat transfer
CN206234838U (en) Built-in air preheater and the CO boilers with it
US20120040295A1 (en) Method and an apparatus for producing carbon dioxide and thermal energy
WO2014111019A1 (en) Convection-type catalytic combustion method, combustor, and heat exchange apparatus
Kucharczyk et al. Studies on work of a prototype installation with two types of catalytic bed in the reactor for oxidation of methane from mine ventilation air
RU2506495C1 (en) Device for combustion of fuels and heating of process media, and fuel combustion method
CN115854369A (en) Method and device for treating m-phthalonitrile ammonia oxidation waste gas based on negative pressure direct combustion type combustion purification treatment technology
RU2750638C1 (en) Device for flameless obtaining of thermal energy from hydrocarbon fuels
CN205481033U (en) Boiler equipment of multiple waste liquid waste gas fuel and denitration of burning integration
WO2016139387A1 (en) Energy production with low emissions

Legal Events

Date Code Title Description
PC Transfer of assignment of patent

Owner name: OILON TECHNOLOGY OY

FG Patent granted

Ref document number: 128351

Country of ref document: FI

Kind code of ref document: B