FI70639B - Saett och anordning foer uppvaermning av foer industriella aendamaol avsedd processluft - Google Patents

Description

χ 70639

Tapa ja laite lämmittää teollisiin tarkoituksiin tarkoitettua prosessi-ilmaa

Esillä oleva keksintö kohdistuu tapaan ja laittee-5 seen lämmittää teollisiin tarkoituksiin tarkoitettua pro sessi-ilmaa ennalta määrättyyn lämpötilaan.

Prosessikaasun, erityisesti kohotetun lämpötilan omaavan ilman kulutus on suuri useissa teollisissa prosesseissa. Tällaisten suurien kaasutilavuuksien tavan-10 omainen lämpökäsittely esimerkiksi lämmönvaihtimien avul la vaatii aivan liian suuria investointeja, minkä vuoksi viime aikoina on yhä enemmän siirrytty käyttämään tähän lämmitykseen fossiilien polttoaineiden, kuten hiilen, koksin, luonnonkaasun, öljyn jne. polttoa. Sekä ympäristön 15 että prosessitekniseltä kannalta tällainen poltto on on gelmallinen - ympöristön kannalta ensisijaisesti tästä aiheutuvien rikkiepäpuhtauspoisteiden takia, josta on seurauksena ympöristön hapantuminen sekä likaantuminen savun ja noen takia, sekä prosessiteknisesti sen takia, 20 ettei rikkiä saa esiintyä tietyissä prosesseissa, esi merkiksi eri raudan- ja teräksenvalmistusprosesseissa. Tähän tulee vielä lisäksi kustannusnäkökohta - koska fossiilien polttoaineiden hinnat ovat viime aikoina nousseet erittäin voimakkaasti.

25 Yllä kuvatut ongelmat ovat tietysti askarruttaneet alan asiantuntijoita. Teräksen valmistuksen yhteydessä on myös esimerkiksi jo kehitetty menetelmä puhalluskaasun lämpötilan kohottamiseksi masuunissa, jolloin tarkoituksena on suurentaa tuotantoa ja samalla pienentää koksin 30 kulutusta. Tässä tunnetussa menetelmässä puhalluskaasu johdetaan kokonaan tai osaksi plasman läpi, jota kehitetään sinänsä tunnettua tyyppiä olevassa plasmageneraatto-rissa sähkövalokaaren avulla. Plasmageneraattorin etuna on sen suuri hyötysuhde, joka on lähes 90 %, ja saavutet-35 tava hyvin korkea lämpötila, tavallisesti yli 3000°C.

2 70639

Plasmageneraattorin kehittämässä plasmakaasussa osa siihen sisältyvistä atomeista ja molekyyleistä ovat ionotuneita ja niiden ionoituneet hiukkaset ovat erittäin reaktiivisia. Kun ilmavirrasta valmistettu plasmakaasu 5 siirtyy normaaleihin ososuhteisiin alemmassa lämpötilas sa, saadaan kuitenkin typen ja hapen lisäksi myös typpioksideja. Typpioksidit ovat tunnetusti hyvin myrkyllisiä ja aiheuttavat myös salpietarihapon muodostusta, joka voi tuhota prosessilaitteiston. Aiemmin tunnetussa masuu-10 neihin tarkoitetun puhallusilman kuumennuksessa ei typpi oksidin muodostusta ole otettu huomioon sen takia, että kehitetty plasmakaasu puhalletaan suoraan masuuniin, jossa saadaan typpioksidien automaattinen hajoaminen läpikulun aikana masuunin panostuksen läpi.

15 Esillä olevan keksinnön tarkoituksena on poistaa yllä mainitut epäkohdat sekä saada aikaan tapa ja laite, jotka mahdollistavat prosessi-ilman lämmityksen ilman, että prosessi-ilma likaantuu ja että yllä mainittua typpioksidin muodostusta tapahtuu, ja joka lisäksi johtaa 20 huokeampaan lämmitykseen verrattuna tavanomaiseen lämmi tykseen fossiilien polttoaineiden avulla.

Tämä ratkaistaan keksinnön mukaisesti alussa selitetyssä tavassa pääasiassa siten, että ensimmäinen osa-ilmavirta saatetaan kulkemaan plasmageneraattorin läpi 25 ja kuumennetaan tällöin korkeaan lämpötilaan ja näin muodostunut, ionisoitua typpeä ja happea sisältävä plasma-kaasu tuppioksidin muodostuksen välttämiseksi sekoitetaan hiili- ja/tai hiilivetypitoiseen aineeseen, joka muodostuu öljystä, hiililietteestä, luonnonkaasusta tai hiilijau-30 heesta sellaisena määränä, että kun hiili- ja/tai hiili- vetypitoinen aine on reagoinut plasmakaasun kanssa, on suhde C0+H2/C02+H20 ainakin 0,1 minkä jälkeen näin kuumennettu plasmakaasu sekä sen sisältämä hiili- ja/tai hiilivetypitoinen aine läheisesti hiilen syöttöön liit-35 tyen sekoitetaan toiseen osailmavirtaan sellaisissa suh- 3 70639 teissä, että lopullisessa ilmaseoksessa saavutetaan ennalta määrätty lämpötila.

Yllättäen on nimittäin osoittautunut, että happi plasmakaasussa vallitsevissa olosuhteissa reagoi nopeam-5 min hiilen kuin typen kanssa ja että jos hiilipitoista ainetta syötetään sellainen määrä plasmakaasuun, että suhde CO+I^/COjI^O plasmakaasussa reaktion jälkeen on ainakin 0,1, muodostuu häviävän pieniä määriä typpioksideja .

10 Hiilipitoisen aineen lisäysmäärä voidaan määrätä ottamalla huomioon vallitsevat ainetasapainot, kun sisään ja ulos tulevat ilmatilavuudet sekä lämpötilat ovat tunnetut .

Keksinnön kohteena on myös laite prosessi-ilman 15 lämmittämiseksi ennalta määrättyyn lämpötilaan, joka laite käsittää plasmageneraattorin plasmakaasun kehittämiseksi sähkövalokaarella, tulojohto ensimmäistä osailma-virtaa varten, joka muodostaa plasmakaasun, ja tulojohto toista osailmavirtaa varten, jonka plasmakaasu tulee 20 lämmittämään.

Tämä laite on pääasiallisesti tunnettu plasmakaasun poistoalueelle plasmageneraattorista sovitetusta hormista, syöttöputkista hiili ja/tai hiilivetypitoisen aineen syöttämiseksi plasmakaasun ja reaktiovyöhykkeestä 25 välittömästi hormin jälkeen, jolloin tulojohto toista osailmavirtaa varten, jonka plasmakaasu tulee lämmittämään, avautuu reaktiovyöhykkeeseen.

Sopivasti plasmakaasu saatetaan kiertämään plasma-generaattorissa elektrodin kulumisen pienentämiseksi.

30 Keksinnön erään edullisen suoritusmuodon mukaisesti on hormi varustettu tangentiaalisilla tulo-osilla hiili ja/ tai hiilivetypitoista ainetta varten, jolloin tulo-osat on suunnattu siten, että hiilipitoiselle aineelle annetaan plasmakaasun kiertosuunnan suhteen vastakkainen kier-35 to. Tällöin saavutetaan täydellinen sekoitus ja niin 70639 4 ollen edullisemmat reaktio-olosuhteet.

Keksinnön muut tunnusmerkit käyvät selville oheisessa patenttivaatimuksissa esitetyistä tunnusmerkeistä.

Keksintöä selitetään seuraavassa lähemmin viita-5 ten oheisiin piirustuksiin, jotka esimrkin vuoksi esit tävät joitakin keksinnön sovellutuksia, jolloin kuvio 1 esittää kaaviollista kuvaa keksinnön mukaisesta laitteesta, kuvio 2 esittää leikkausta kuvion 1 viivan II - II mukai-10 sesti esittäen vesijäähdytteistä hormia, kuvio 3 esittää kaaviollista kuvaa hihna-arinalla ja keksinnön mukaisesti ehdotetulla lämpimän ilman kehityksellä varustettua kuulasintrauslaitosta ja kuvio 4 esittää leikkausta viivan IV - IV mukaisesti ku-15 vion 3 mukaisen laitteen läpi.

Kuviossa 1 esitetään siis kaaviollisesti plasma-generaattori, jota merkitään numerolla 1. Plasmageneraat-torissa 1 on syöttöjohto 2 lämmitykseen tarkoitettua ensimmäistä osailmavirtaa varten. Tämä ilmavirta voi myös 2° kokonaan tai osaksi muodostua esimerkiksi aiemmin proses sissa käytetystä prosessi-ilmasta, ts. jäähdytysilmasta jne. Kulkiessaan plasmageneraattorissa kehitetyn sähkö-valokaaren läpi ilma saavuttaa plasmatilan ja muodostuu ns. plasmakaasua. Välittömästi plasmageneraattorin jälkeen ^5 ilmavirran virtaussuunnassa nähtynä on sovittu vesijääh dytteinen hormi 3 sekä siihen liittyvät syöttöputket 4 hiili- ja/tai hiilivetypitoisen aineen ja mahdollisesti veden syöttämiseksi typpioksidin muodostuksen estämiseksi, jota muuten väistämättä esiintyy. Välittömästi hormin 50 jälkeen johdetaan toinen lämmitykseen tarkoitetun ilma- tilavuuden osavirta hyvin korkean lämpötilan omaavaan plasmakaasuun, mikä tapahtuu tulojohdon 7 kautta, joka avautuu niin sanottuun sekoitus- tai reaktiovyöhykkee-seen 8.

55 Kuviossa 2 esitetään poikkileikkaus kuvion 1 viivaa 5 70639 II - II pitkin hormin läpi hiili- ja/tai hiilivetypitoi-sen aineen syöttämiseksi plasmakaasuun. Kuten piirustuksen paksummasta nuolesta 5 käy ilmi, plasmakaasu kiertää. Putket 4 on sovitettu tangentiaalisesti, niin 5 että syötetylle hiili ja/tai hiilivetypitoiselle aineel le annetaan vastakkainen kiertosuunta nuolen 6 mukaisesti . Tällä tavoin saadaan syötetyn aineen hyvä sekoittuminen plasmakaasuun, jolloin typpioksidin muodostus voidaan pitää ehdottomassa minimissä edellyttäen, että hii-10 li- ja/tai hiilivetypitoista ainetta syötetään riittävi nä määrinä. Esimerkkejä sopivista hiilipitoisista aineista tässä yhteydessä ovat öljy, hiilivety, hiililiete, hiilijauhe jne.

Kuviossa 3 esitetään laitteen sovellutus hihna-15 arinalla varustettuun kuulasintrauslaitokseen. Tässä esitetyssä kuulasintrauslaitoksessa on päätön hihna 11, joka muodostuu suuresta määrästä toisiinsa yhdistettyjä, kiskoilla vieriviä vaunuja 12, jotka on tarkoitettu kuljettamaan agglomeroitua rautamalmirkastetta, ns. pellet-20 tejä uunin 13 läpi. Pellettien syöttö vaunuihin 12 ta pahtuu jatkuvasti rullasihdin 14 läpi. Vaunut 12 kulkevat mainitussa järjestyksessä kahden kuivausvyöhykkeen 15, 16, esilämmitysvyöhykkeen 17, kahdella jälkisint-rausvyöhykkeellä 18a, 18b varustetun sintrausvyöhykkeen 25 18 sekä kahden jäähdytysvyöhykkeen 19, 20 läpi. Näiden vaunujen 12 pohjapinnat on tehty ilmaa läpäiseviksi, ja ne voivat olla esimerkiksi ristikkomaiset tai verkkomaiset .

Kuulasintrauslaitoksen prosessi-ilmana voidaan 30 käyttää esimerkiksi jäähdytysilmaa prosessin jostakin toisesta osasta. Ilma syötetään jäähdytyspuhaltime11a 21, jolloin ilma ensin puhalletaan jäähdytysvyöhykkeisiin 19, 20. Ilman pienempi määrä virtaa viimeisen jäähdytys-vyöhykkeen 20 läpi, syötetään kuivausilmapuhaltimella 22 35 ensimmäiseen kuivausvyöhykkeeseen 15, niin että se virtaa 6 70639 ylöspäin vaunuissa olevan pellettikerroksen läpi ulos imupuhaltimen 23 läpi ulos savupiippuun 24.

Sisään imetyn ilman suurempi osa johdetaan ylös putkeen tai kupuun 25, minkä jälkeen se virtaa alas ka-5 navien 25a, 25b läpi esiläramitysvyöhykkeeseen 17 ja sintrausvyöhykkeeseen 18 sovitettuihin polttimiin 26 ja vastaavasti 27. Sopiva jako voi olla 4 paria polttimia esiläxnmitysvyöhykkeessä ja 7 paria polttimia sintraus-vyöhykkeessä.

10 Jäähdytysilman pieni osa saatetaan virtaamaan alas vaunujen läpi toisessa jälkisintrausvyöhykkeessä 18b, niin että sintrausprosessi suoritetaan loppuun myös vaunujen alimmissa pellettikerroksissa.

Sintrausvyöhykkeiden 18a, 18b alapuolelle on so-15 vitettu rekuperointipuhallin 28, josta ilma syötetään johdon 29 kautta toiseen kuivausvyöhykkeeseen, jolloin se kuljettuaan pelleteillä täytettyjen vaunujen läpi yhdessä sintrausvyöhykkeestä tulevan ilman kanssa puhalletaan poistokaasupuhaltimella ulos savupiipun läpi.

20 Sovellettaessa keksinnön mukaisesti ehdotettua tekniikkaa tällaiseen kuulasintrauslaitokseen korvataan sopivasti 6 sintrausvyöhykkeen poltinpareista kuvioiden 1 ja 2 mukaisilla plasmageneraattoreilla, jolloin ilman tarvittava lämmitys saadaan aikaan ilman typpioksidin 25 muodostusta.

Ö1jypolttimiin käytetty sumuilma on riittävä ilma-määrä käytettäessä keksinnön mukaisesti ehdotettuja plas-mageneraattoreita. Mitään muuta prosessiteknistä muutosta, kuten lisäpuhaltimien ja kompressorien asennusta ei sen 30 tähden tarvita, jos kuulasintrauslaitoksen prosessi-ilman lämmitys tapahtuu keksinnön mukaisesti ehdotetulla tavalla. Ainoa mitä tarvitaan, on siis keksinnön mukaisesti ehdotettujen plasmapolttimien sekä niihin kuuluvien sähkölaitteiden ja varusteiden asennus.

35 Kuviossa 4 esitetään poikkileikkaus kuvion 3 lait- 7 70639 teen läpi viivaan IV - IV mukaisesti, joka menee sint-rausvyöhykkeen läpi. Tästä käy ilmi, että vaunut 12 kulkevat pyörillä 31 kiskoilla 32. 9Q0°C:seen lämmitetty ilma virtaa alas kuvusta 25 kanavien 25a ja 25b läpi 5 polttimien alueelle, jossa se lämmitetään, minkä jälkeen se joutuu uunialueelle 22 ja alas pelleteillä täytettyjen vaunujen läpi. Kuviossa 4 esitetään järjestely, jossa käytetään keksinnön mukaisia, kuviossa 1 esitettyjä plas-mageneraattoreita. Laitoksen toiminta käy selvemmin sello ville alla esitetyn suoritusesimerkin yhteydessä.

On huomattava, että keksinnön kuvattu sovellutus on vain yksi monista mahdollisista teknisistä sovellutuksista, jotka voidaan toteuttaa sen ansiosta, että typpioksidin muodostuksen aiheuttama ongelma nyt on ratkaistu 15 tyydyttävällä tavalla.

Keksintöä valaistaan nyt lähemmin suoritusesimerkin avulla, liittyen kuvioissa 3 ja 4 kaaviollisesti esitettyyn kuulasintrauslaitokseen.

Esimerkki 20 Kuulasintrauslaitoksen tuotannon oletetaan olevan 420 tonnia pellettejä/tunti. Aiemmin prosessissa käytettyä ilmaa, jonka lämpötila on n. 900°C, käytetään tuloilmana. Itse sintrausprosessiin tarvitaan kuten tunnettua lämpötila n. 1300°C. Sisään tulevia pellettejä ei kuitenkaan 25 saa saattaa alttiiksi lämpötilan liian hyppäykselliselle lisäykselle 1300°C:seen. Sen tähden laite on muotoiltu siten, mikä käy myös ilmi yllä olevasta yksityiskohtaisesta selityksestä, että ensimmäisessä kuivausvyöhykkeessä käytetään kuivausilmaa, jonka lämpötila on n. 250°C, minkä 30 jälkeen ilman lämpötilaa hitaasti kohotetaan esilämmitys- vyöhykkeissä. Sintrausvyöhykkeen jälkeen on sovitettu jäl-kilämmitysvyöhykkeitä, mikä on tarpeen, jotta myös alinna sijaitsevat pelletit ehtivät sintrautua. Ensisijaisesti itse sintrausvyöhykkeessä on niin ollen syytä korvata ai-35 emmin käytetyt Ö1jypolttimet keksinnön mukaisesti ehdote- s 70639 tuilla plasmageneraattoreilla.

Mainitulla tuotantoteholla tarvitaan tehon lisäys 39 MW, joka vastaa 3,4 tonnia öljy/tunti ilma- 3 määrän n. 70.QQO Nm /tunti lämmittämiseksi.

5 Plasmapolttimessa kehitettyyn plasmakaasuun on siis sekoitettava riittävät määrä hiili- ja/tai hiili-vetypitoista ainetta, jotta vältyttäisiin typpioksidin muodostukselta sen takia, että reaktiosuhde. CO+f^/CC^+^O on suurempi kuin 0,1. Tällöin on osoit-10 tautunut, että n. 25% syötetystä lämmöstä on peräisin hiili- ja/tai hiilivetypitoisesta aineesta ja loput 75% syötetystä lämmöstä perustuu sähköenergiaan.

Suoritusesimerkin hihnauunilaitoksessa on 11 poltinparia, joista 7 sijaitsee sintrausvyöhykkeessä.

15 Tässä keksinnön sovellutuksessa vaihdetaan edullisesti 6 viimeistä poltinparia 6:een pareittain kytkettyyn plasmapolttimeen. Normaalisti se sumutusilma, joka jo aiemmin on johdettu sisään öljyn polttoa varten, riittää myös huolehtimaan plasmageneraattorien ilman tar-20 peesta. Ensimmäinen osailmavirta, joka virtaa plasma- polttimien läpi plasmakaasun muodostamiseksi, on yleensä vain n. 10% lopullisesta saadusta prosessi-ilmasta, joka käytetään sintraukseen. Tällä ensimmäisellä osa- ilmavirralla voi aivan hyvin tulolämpötilana olla ta- 25 vallinen huoneen lämpötila.

Eräs edellytys onnituneen prosessin kehittelyn kannalta niinkin suuria investointeja vaativissa laitoksissa kuin kuulasintrauslaitoksissa on tietysti se, että mahdolliset parannukset voidaan saada aikaan puut-30 tumalla mahdollisimman vähän olemassa olevaan laitokseen.

Nämä vaatimukset täytetään esillä olevassa tapauksessa, jossa öljypoltinlaitteet tarvitsee vain korvata plasma-generaattoreilla yhdessä niiden sähköhuollon vaatiman sähkölaitteiston sekä tiettyjen pienehköjen lisälait-35 teiden kanssa.

9 70639

Energian tarve plasmapolttimia ja öljypolttimia käytettäessä on suurin piirtein sama. Plasmapolttimien hyötysuhde on kuitenkin suurempi kuin öljypolttimien hyötysuhde. Oleellista tässä yhteydessä on kuitenkin, että 5 fossiilit polttoaineet, joiden hinnat ovat nousseet hyvin nopeasti, voidaan keksinnön avulla korvata oleellisesti huokeammalla sähköenergialla.

Claims (5)

10 70639

1. Tapa lämmittää teollisiin käyttöihin tarkoitettua prosessi-ilmaa ennalta määrättyyn lämpötilaan, t u n- 5. e t t u siitä, että ensimmäinen osailmavirta saatetaan kulkemaan plasmageneraattorin läpi ja kuumennetaan tällöin korkeaan lämpötilaan ja että näin muodostunut, ionoitua typpeä ja happea sisältävä plasmakaasu typpioksidin muodostuksen välttämiseksi sekoitetaan hiili- ja/tai 10 hiilivetypitoiseen aineeseen sellaisena määränä, että kun hiili- ja/tai hiilivetypitoinen aine on reagoinut plasma-kaasun kanssa on suhde CO+I^/CC^+t^O ainakin 0,1 minkä jälkeen näin kuumennettu plasmakaasu sekä sen sisältämä hiili- ja/tai hiilivetypitoinen aine läheisesti hiilen 15 syöttöön liittyen sekoitetaan toiseen osailmavirtaan sellaisissa suhteissa, että lopullisessa ilmaseoksessa saavutetaan ennalta määrätty lämpötila.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen tapa, jolloin plasmakaasu saatetaan kiertämään plasmageneraattorista 20 poistuessaan, tunnettu siitä, että hiili- ja/tai hiilivetypitoinen aine ruiskutetaan plasmakaasuun siten, että mainittu lisäaine saa kiertosuunnan, joka on päinvastainen kuin plasmakaasun kiertosuunta.

3. Patenttivaatimuksien 1-2 mukainen tapa, t u n -25 n e t t u siitä, että toinen osailmavirta syötetään reak- tiovyöhykkeeseen, joka muodostetaan välittömästi sen alueen jälkeen, jossa hiili- ja/tai hiilivetypitoinen aine ruiskutetaan plasmakaasuun.

4. Laite prosessi-ilman lämmittämiseksi ennalta 30 määrättyyn lämpötilaan patenttivaatimuksen 1 mukaisella tavalla, johon laitteeseen kuuluu plasmageneraattori (1) plasmakaasun kehittämiseksi sähkövalokaarella, tulojohto (2) ensimmäistä osailmavirtaa varten, joka muodostaa plasmakaasun, tulojohto (7) toista osailmavirtaa varten, jon-35 ka plasmakaasu tulee lämmittämään, tunnettu plas- 70639 11 makaasun poistoalueelle plasmageneraattorista sovitetusta hormista (3}, syöttöputkista (4} hiili- ja/tai hiilivety-pitoisen aineen syöttämiseksi plasmaksasuun ja reaktio-vyöhykkeestä (8} välittömästi (3) jälkeen, jolloin tulo-5 johto (7) toista osailmavirtaa varten, jonka plasmakaasu tulee lämmittämään avautuu reaktiovyöhykkeeseen (8).

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen laite, tunnettu siitä, että syöttöputket (4) päättyvät olleel-lisen tangentiaalisesti hormiin (3) . 12 70639