FI71072B - Foerfarande och anordning foer rening av en gas - Google Patents

Description

71072

Menetelmä ja laite kaasun puhdistamiseksi Förfarande ooh anordning för rening av en gas

Esillä oleva keksintö koskee menetelmää kaasun puhdistamiseksi saattamalla se kosketukseen kiintopartikkeleiden kanssa, joiden lämpötila on alhaisempi kuin kaasun sekä menetelmän toteuttamiseen tarkoitettua laitetta.

Erilaisissa korkealämpötilaprosesseissa (esim. metallien ja metalliseosten sulatus, sementin poltto) muodostuu kuumia kaasuja, jotka sisältävät kiinteää (pölyä) ja nestemäistä (sulapisaroita) faasia. Lisäksi kaasuissa on höyryjä, joiden lauhtumislämpötila voi olla varsin korkea (esim. metallihöyryt).

Kun tällaisia kaasuja jäähdytetään, alkavat korkeammissa lämpötiloissa lauhtuvat höyryt muuttua ensin nestefaasiin ja edelleen lisää jäähdytettäessä kiintofaasiin tai määrätyissä olosuhteissa voi olomuodon muutos tapahtua suoraan höyry-faasista kiinteään.

Tällaiset korkeissa lämpötiloissa höyry- tai nestefaasissa olevat aineet voivat olla arvokkaita, joten niiden talteenotto kaasusta on erittäin tärkeää. Esimerkkinä voidaan mainita erilaiset metallien ja metalliseosten sulatusprosessit.

Yleisemmin on kysymys kuitenkin käytettävyysriskistä, joka ilmenee siten, että kaasua prosessiteknisistä syistä jäähdytettäessä tapahtuu näiden aineiden rikastumista itse prosessiin. Rikastumisen seurauksena ne alkavat tarttua prosessi-laitteiden pintoihin ja haittaavat käytettävyyttä oleellisesti. Esimerkkinä tällaisesta prosessista mainittakoon sementin poltto, jossa alkaliyhdisteet vaikuttavat tällä tavoin. Myös kaasujen sisältämän jätelämmön hyödyntäminen voi olla ongelmallista, kun lämpöpinnat likaantuvat voimakkaasti.

Höyryfaasista nestemäiseen ja kiinteään olomuotoon jäähdytyksessä muuttuminen tapahtuu tavallisesti siten, että muodostuvan pölyn partikkelikoko on erittäin pieni (luokkaa 2 710 7 2 mikroni tai sen arle) , jolloin sen erottaminen on vaikeaa ja vaatii kaasun puristamiseksi hyvinkin kalliit laiteinvestoinnit .

Tunnetaan useita erilaisia kaasunpuhdistusmenetelmiä, jotka perustuvat kiintopartikkeleiden käyttöön. Näistä voidaan mainita esim. seuraavat.

GB-hakemusiulkaisusta 2057913 A on tunnettu menetelmä epäpuhtauksien poistamiseksi kaasusta saattamalla se virtaamaan leijukerroksen lävitse, jolloin kaasussa olevat kiintopartik-kelit ]a nestepisarat tarttuvat leijukerroksen kuumiin kiintopartikke leihin ]a sintrautuvat niiden ympärille korkeassa lämpötilassa.

US-patenttijulkaisusta 4.191.544 on tunnettu kaasunpuhdistus-menetelmä ja laite, jossa hiilikaasuttimesta tulevasta kuumasta kaasusta erotetaan alkali- ja muita sen tapaisia höyryjä saattamalla ne kosketukseen kierrätettyjen koksirakeiden kanssa venturi- tyyppisessä virtauskanavassa jäähdyttämättä kaasua.

FI-kuulutusjulkaisusta 64997 on tunnettu menetelmä lämmön talteenottamiseksi sulapisaroita sisältävästä kaasusta saattamalla se kosketukseen lammönsiirtimen lämpöpintoihin, jossa menetelmässä kaasun lämpötila pudotetaan ennen lämmönsiirrintä sulapisaroiden eutektilämpö-tila-alueen alapuolelle sekoittamalla kaasuun lämmönsiirtimessä jäähtyneitä, kaasuista erotettuja kiintopartikkeleita.

Keksinnön tarkoituksena on saada aikaan yksinkertainen ja tehokas menetelmä kaasussa olevien sulapisaroiden ja hienon pölyn sekä sellaisen höyryfaasissa olevan aineen erottamiseksi kaasuvirrasta, joka höyryfaasi kaasua jäähdytettäessä lauhtuu ja/tai muuttuu kiinteään olomuotoon. Erityisen merkittävä on se seikka, että menetelmän toteuttamiseen tarvittavat laiteinvestoinnit ovat pienet.

71072 3 Pölyä, sulapisaroita ja jäähdytettäessä lauhtuvaa höyryä sisältävä kaasuvirta jäähdytetään kylmää kiintoainevirtaa kaasun joukkoon sekoittamalla. Kiintoaineen lämpötila ja virtaus valitaan sellaisiksi, että kaasusta erotettava höyry-faasi lauhtuu ja nestefaasissa olevat aineet muuttuvat kiinteiksi. Valitsemalla kiintoaineen partikkelikokojakautuma samalla sopivaksi saadaan näin muodostetuksi paljon kylmää pintaa, johon lauhtuva ja nestemäinen faasi tarttuvat ja samalla jähmettyvät. Näin saadaan myös adsorboiduksi kaasun sisältämiä pienikokoisia pölyhiukkasia jäähdyttävän kiinto-ainevirran suurempien partikkelien pintaan. Näiden ilmiöiden seurauksena jäähdyttävän kiintoainevirran määrä ja partikkeli-koko kasvavat.

Jäähtyneen kaasun ja kuumentuneen kiintoainevirran seos jäähdytetään edelleen sekoittamalla joukkoon kylmää kaasua tai käyttämällä faasimuutoslämpöä hyväksi siten, että seokseen ruiskutetaan nestettä, joka höyrystyy. Jäähdytyksen jälkeinen lämpötila voidaan yksinkertaisin keinoin säätää.

Jälkimmäisen jäähdytyksen jälkeen erotetaan kiintoainevirta kaasusta. Käytettävä erotintyyppi riippuu halutusta kiintoaine-virran partikkelikokojakautumasta, mutta useimmissa tapauksissa riittää tavanomainen keskipakoiserotin kuten sykloni. Erotettu jäähtynyt kiintoainevirta palautetaan takaisin ensimmäiseen jäähdytyskohtaan, jossa se sekoitetaan kuumaan, käsittelemättömään kaasuun.

Koska kiertävän kiintoaineen määrä kasvaa höyryfaasin lauhtuessa partikkelien pintaan samoin kuin sulien ja kiinteiden partikkelien tarttuessa kiintoainevirran partikkeleihin, poistetaan kierrosta kiintoainetta, jotta kiertävä osuus säilyisi halutun suuruisena.

Erottimen jälkeen on kaasu joko riittävän puhdasta tai sen partikkelikokojakautuma on sellainen, että jatkopuhdistus 4 71072 on helpompaa, koska valtaosa höyryfaasissa olleesta aineksesta, joka tavanomaisella tavalla jäähdyttäen olisi muodostanut vaikeasti erotettavaa kiintofaasia (erittäin hienojakoista pölyä), on erottunut kaasusta kiintoainevirtaan.

Keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista se, että ensimmäisessä vaiheessa kaasu jäähdytetään sen sulien ja/tai höyrystyneiden komponenttien faasimuutoslämpötilan, sopivimmin eutektilämpötilan alapuolelle sekoittamalla kaasun joukkoon siitä erotettuja kiintopartikkeleita ja, että toisessa vaiheessa kaasu sekä kiintoainepartikkelit jäähdytetään saattamalla ne suoraan kosketukseen kylmemmän väliaineen kanssa ennen kuin kiintopartikkelit erotetaan kaasusta.

Keksinnön mukaisen menetelmän toteuttamiseen tarkoitetulle laitteelle on tunnusomaista se, että siihen kuuluu jäähdytin, jossa on käsiteltävän kaasun sisääntuloaukko sekä poistoaukko, jäähdytysväliaineen sisääntuloaukko ja siihen nähden ylävirtaan sijoitettu, erotettujen kiintopartikkeleiden tulo-aukko, sekä jäähdyttimen poistoaukkoon yhdistetty erotin.

Keksintöä selostetaan seuraavassa lähemmin oheisiin piirustuksiin viitaten, jossa kuvio 1 esittää erästä keksinnön mukaisen menetelmän toteuttamiseen tarkoitettua laitetta kaaviollisesti ja kuvio 2 esittää erästä keksinnön mukaisen menetelmän sovellutusta .

Kuviossa 1 käsiteltävä, kuuma kaasu virtaa jäähdyttimeen 1 sen alapäässä olevan sisääntuloaukon 2 kautta. Jäähdytetty kaasu poistuu sen yläpäässä olevan poistoaukon 3 kautta ja johdetaan tangentiaalisesti kanavan 4 kautta syklonierotti-meen 5. Kiintoaineesta puhdistettu kaasu poistuu keskus-putken 6 kautta ia erottunut kiintoaine palautetaan putken 7 ja aukon 8 kautta jäähdyttimen alapäähän. Kylmää kaasua, esim. ilmaa tai nestettä syötetään palautuneen kiintoaineen tuloaukkoon 8 nähden alavirtaan sijoitetun sisääntuloaukon 9 kautta.

71072 5

Ylimääräinen kiintoaine voidaan poistaa erottimen kiinto-aineputkeen liitetyn poistoputken 10 kautta. Tarvittaessa voidaan jäähdyttimen alapäähän syöttää ainevirta 11, esim. hiekkaa.

Jäähdyttimessä kaasu jäähdytetään kahdessa vaiheessa. Ensimmäisessä jäähdytysvyöhykkeessä 12, joka alkaa erotetun kiintoaineen sisäänsyöttökohdasta 8, kiertävä kiintoainevirta jäähdyttää kaasua niin paljon, että höyryfaasissa olleita yhdisteitä lauhtuu ja edelleen nestefaasissa olleet yhdisteet muuttuvat kiinteiksi ja tarttuvat kiintoainevirran partikkeleihin, joissa tapahtuu edellisen seurauksena rakeenkasvua.

Toisessa jäähdytysvyöhykkeessä 13, joka alkaa jäähdytysväli-aineen sisäänsyöttökohdasta 9 säädetään kiintoainevirran ja kaasun jäähdytys sellaiseksi, että kiintoainevirta jäähtyy haluttuun lämpötilaan ennen erotinta.

Sovellutusesimerkki

Sementin poltossa on ns. märkämenetelmä korvautunut lähes täydellisesti ns. kuivamenetelmällä viimeisten 20 vuoden aikana. Kuivamenetelmässä sementin raaka-aine syötetään poltto-prosessiin kutakuinkin kuivana, jolloin se esilämmitetään sementin poltosta tulevilla kuumilla kaasuilla. Esilämmitti-met ovat usein ns. suspensioesilämmittimiä, joissa sementin raaka-aine sekoittuu kuumiin kaasuihin joko siten, että se virtaa kaasuja vastaan suoraan tai siten, että esilämmitys koostuu sarjasta vastavirtaan kytkettyjä myötävirtaperi-aattella toimivia esilämmittimiä.

Esilämmittimen jälkeen kuumentunut kiintoainevirta kalsinoi-daan (hiilidioksidin poisto kalsiumkarbonaatista) ja sintra-taan. Sintrausvaiheessa kiintoaineen lämpötila nostetaan päälle 1350 celsiusasteen. Sintraus ja useimmiten myös kal-sinointi tehdään pyörivässä uunissa, jonka sintrausvyöhyk-keeseen ohjataan prosessin tarvitsema lämpö polttamalla liekissä esim. öljyä tai kivihiiltä.

6 71072

Raaka-aineen ja/tai polttoaineen mukana tulee prosessiin matalassa lämpötilassa sulavia yhdisteitä, tavallisimmin alkaliyhdisteitä (kaliumin ja natriumin yhdisteitä), jotka uunin kuumassa sintrausvyöhykkeessä höyrystyvät ja kulkeutuvat poltossa vapautuvan kaasuvirran joukkoon. Kun kaasu jäähtyy raaka-aineen (kiintoaineen) esilämmittimessä, mennään silloin sellaisen lämpötilavyöhykkeen läpi, jossa höyryfaasissa olevat alkaliyhdisteet lauhtuvat ja muuttuvat kiinteiksi. Lauhtuminen tapahtuu sekä lämmitettävän kiintoaineen että prosessilaitteiden pintoihin, jolloin kiintoaineen alkalitaso nousee. Kun kiintoaine sitten aikanaan joutuu sintrausvyöhykkeeseen, höyrystyvät alkaliyhdisteet lämpötilan nousun myötä uudelleen uunin savukaasuun.

Raaka-aineen ja polttoaineen alkalipitoisuudesta riippuen voi alkalitaso nousta niin ylös, että esilämmittimen käytettävyys häiriytyy, jolloin se vaikuttaa enemmän tai vähemmän oleellisesti sementinvalmistuksen kapasiteettiin ja kannattavuuteen.

Alkalitason noususta on myös se seuraus, että se heikentää jonkin verran sementistä valettavan betonin lujuutta. Tällöin siitä voi tulla tuotteen laatua rajoittava tekijä.

Alkaliongelma ratkaistaan sementtitehtaissa tavanomaisesti siten, että osa pyörivästä uunista tulevista kaasuista ajetaan raaka-aineen esilämmittimen ohi. Olosuhteista riippuen voi ohiajettavan kaasuvirran osuus koko kaasuvirrasta nousta jopa 40 prosenttiin.

Ohituskaasu on pölyistä eikä sitä voi normaalisti ajaa suoraan ulkoilmaan ilman pölynerotusta. Pölynerotuslaitteiston käyttö vaatii kaasun oleellisen jäähdytyksen, yleensä n. 1000 asteen tasolta alle 400 celsiusasteen tasolle. Konventionaalisia jäähdytysmenetelmiä käyttäen höyryfaasissa olleista yhdisteistä muodostuu erittäin vaikeasti erotettavaa pölyä, joten yleisesti ottaen tällaisten kaasujen jäähdytys ja puhdistus vaatii kalliit laiteinvestoinnit.

7 71072

Jos ohituskaasun virta on suuri ja tehdas sijaitsee paikkakunnalla, jossa jätelämmön hyödyntäminen on mahdollista, saattaa lämmön talteenotto kaasun jäähdytyksessä ennen pölyn-erotusta tulla kysymykseen. Lämmön talteenottolaitteiden hankinta voi kuitenkin nostaa kokonaisinvestointia huomattavasti. Melkoinen osa laitoksista sijainnee lisäksi olosuhteissa, joissa lämmön talteenotolle ei ole käyttöä, joten sitä ei voida pitää yleisesti sovellettavana tässä tapauksessa.

Tällöin kaasun jäähdytys on ratkaistava jollakin muulla tavalla.

Jos ohituskaasu puhdistetaan keksinnön mukaisella tavalla, saadaan siitä erotetuksi pääosa haitallisista alkaliyhdis-teistä. Tällöin on mahdollista palauttaa käsitelty, jäähdytetty kaasuvirta pääkaasuvirtaan esim. puhdistettavaksi pää-kaasuvirran pölynerotuslaitteistossa, joten investointi ohi-tuskaasuvirran puhdistamiseksi erillisessä laitteistossa on tarpeeton.

Jos kuitenkin halutaan jälkipuhdistaa ohituskaasu erikseen, niin se ei vaadi yhtä tehokkaita pölynerotuslaitteita kuin käsiteltäessä kaasua tavanomaisin keinoin, koska jäljelle jääneen pölyn raekokojakautuma on pölynerotuksen kannalta edullisempi ja pölyn määrä pienempi.

Kuviossa 2 esitetyssä sementinpolttojärjestelmässä on viitenumerolla 100 merkitty kuvion 1 mukainen laite, johon osa pyörivän uunin 101 poistokaasusta johdetaan johdon 102 kautta. Pääosa poistokaasusta johdetaan putken 103 kautta syötteen 104 esilämmittimeen 105 ja siitä edelleen mahdolliseen jälki-jäähdyttimeen 106 sekä pölynerottimeen 107. Laitteessa 100 jäähdytetty kaasu johdetaan puhdistuslaitteeseen 108 tai palautetaan pääkaasuvirtaan.

Kaasu on jäähdytettävä yleensä alle 800 celsiusasteeseen, pyörivän uunin poistokaasujen yleensä yli 1000 asteesta, jotta halutut ilmiöt saataisiin tapahtumaan.

71 072 8 Lämpötila saattaa tapauksesta riippuen olla matalampikin ja yleisesti ottaen se on tehdaskohtainen.

Keksintöä ei ole rajoitettu esitettyihin suoritusmuotoihin, vaan erilaiset muunnokset ja sovellutukset patenttivaatimusten keksinnöllisen ajatuksen puitteissa ovat mahdollisia.

li

Claims (3)

71072

1. Menetelmä kaasun puhdistamiseksi saattamalla se kosketukseen kiintopartikkeleiden kanssa, joiden lämpötila on alhaisempi kuin kaasun, tunnettu siitä, että ensimmäisessä vaiheessa kaasu jäähdytetään siinä olevien sulien ja/tai höyrystyneiden komponenttien faasimuutoslämpötilan alapuolelle sekoittamalla kaasun joukkoon siitä erotettuja, jäähdytettyjä kiintopartikkeleita ja, että toisessa vaiheessa kaasu sekä kiintopartikkelit jäähdytetään saattamalla ne suoraan kosketukseen kylmemmän väliaineen kanssa ennen kuin kiintopartikkelit erotetaan kaasusta.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kylmempi väliaine on ilmaa.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukaisen menetelmän toteuttamiseen tarkoitettu laite, tunnettu siitä, että siihen kuuluu jäähdytin (1) sekä jäähdyttimen poistoaukkoon (3) yhdistetty erotin (5), jossa jäähdyttimessä on käsiteltävän kaasun sisääntuloaukko (2) sekä poistoaukko (3), jäähdytysväliaineen sisääntuloaukko (9) ja siihen nähden ylävirtaan sijoitettu, erotettujen kiintopartikkeleiden tuloaukko (8).