FI77728C - Foerfarande och anordning foer avlaegsnande av ur fuktigt braensle sig frigoerande vattenaonga vid rostbraenning. - Google Patents

Description

77728

Menetelmä ja laite kosteasta polttoaineesta vapautuvan vesihöyryn poistamiseksi arinapolton yhteydessä

Keksinnön kohteena on menetelmä kattilalaitoksissa 5 kosteita polttoaineta arinalla poltettaessa niistä vapautuvan vesihöyryn keräämiseksi eroon ennen sen joutumista kaasuuntumis- ja palamisvyöhykkeisiin.

Lisäksi keksinnön kohteena on keksinnön mukaisen menetelmän toteuttamiseen tarkoitettu laite, jolla vesi-10 höyryn keräys polttoainekerroksen pinnalta voidaan säädet-tävästi suorittaa eri olosuhteissa optimaalisen tuloksen saavuttamiseksi.

Arinapoltto on yleisin polttotapa kiinteän polttoaineen poltossa kokoluokassa 1-10 MW. Arina on useimmissa 15 tapauksissa mekaaninen työntöarina, jossa palamisilma syötetään kolmeen tai useampaan lohkoon (useimmiten lohkoja on neljä). Kun polttoaineen kosteuspitoisuus on korkea, arinan alkuosassa on usein kiinteä, jyrkkä viistoarina polttoainekerroksen kuivumisen tehostamiseksi. Kattilan 20 (lämmöntalteenotto), tulipesän ja polttoaineen keskinäisen sijainnin mukaan polttolaitteet voidaan jakaa etupesälli-siin ja yhdistelmäratkaisuihin. Etupesä on lämpöeristetyllä ja muuratulla välikanavalla kattilasta erotettu tulipesä, joka on muurattu täydellisen palamisen kannalta riittävän 25 lämpötilatason ylläpitämiseksi.

Yhdistelmäratkaisuissa osa lämmöntalteenotosta tapahtuu tulipesän seinämiin sijoitetuissa vesiputkissa. Molempia tyyppejä käytetään polttoaineilla, joiden kosteus on yli 40 %. Selvää kosteusrajaa eri ratkaisujen käytölle 30 ei ole olemassa. Teoriassa etupesällinen ratkaisu kuitenkin soveltuu paremmin polttoaineille, joiden kosteus on yli 55 %.

Polttoaineita, joiden kosteus on yli 50 % ovat saha-laitoksilla jätteeksi jäävä kuori, tuoreesta puusta hake-35 tettu kokopuuhake, metsätähdemurske ja usein myös jyrsin-turve. Kuoren kosteus voi olla yli 60 %. Kun kosteus lähe- 2 77728 nee 70 %:n rajaa on tällaisen polttoaineen poltto ilman tukipolttoa (esim. öljy) lähes mahdotonta. Jo raja-alueella 60 - 65 % polttoaineen kosteusvaihtelut aiheuttavat poltto-prosessiin erittäin suuria vaihteluja. Näiden polttoainei-5 den poltto edellyttää erityisratkaisuja polttolaitteiden osalta.

Polttoaineen palaminen arinalla tapahtuu karkeasti jaoteltuna siten, että arinan alkuosalla pääosa veden höy-rystämiseen tarvittavasta lämpöenergiasta tulee säteily-10 ja johtumislämpönä tulipesästä ja vähäiseltä osin esiläm-mitetystä palamisilmasa. Tässä ns. kuivumisvyöhykkeessä polttoaineessa olevasta vedestä höyrystyy 50 - 100 % tuli-pesän lämpötilan mukaan. Kuivumisvyöhykkeen jälkeen poltto-ainepartikkeleiden lämpötila alkaa nousta ja n. 200°C läm-15 pötilassa (ns. kaasuuntumsivyöhykkeessä) alkaa polttaoai-neen kemiallinen hajoaminen. Ns. palamisvyöhykkeessä palavat sekä palamiskelpoiset kaasut että polttoaineen hiili, jonka loppuunpalaminen varmistetaan ns. tuhka-arinalla.

Nämä kuivumis-, kaasuuntumis- ja palamisvyöhykkeet ovat 20 selvimmin havaittavissa kostean-kiinteän polttoaineen ari-napoltossa, johon tämä keksintö pääosiltaan rajoittuu.

Kattilaan tuleva polttoaineteho noudattaa kaavaa 0 = Λ · Heff(1 “ - 2,443 · , missä

25 L

:Y: 0 = polttoaineteho (MW) m = polttoaineen massavirta (kg/s) w = polttoaineen kosteus (%) = polttoaineen kuiva-aineen tehollinen lämpö-.. 30 arvo (MJ/kg)

Kaavan lopussa (2,443 · w/100) edustaa polttoainees-• sa olevan veden höyrystyslämmön osuutta. Polttoaineesta kuivumisvyöhykkeessä pääosin höyrystyvä vesi sekoittuu ympäröivään tulipesäkaasuun vasta kaasuuntumis- ja palamis-35 vyöhykkeessä. Koska vesihöyryn lämpötilan nostaminen vaatii il 3 77728 lämpöenergiaa, alentaa vesihöyry liekin ja tulipesän lämpötilaa sekä huonontaa täydelliseen palamiseen tarvittavia lämpötilaolosuhteita. Polttoaineen kosteusvaihtelujen seurauksena myös tulipesäkaasuun sekoittuvan vesihöyryn määrä 5 vaihtelee ja aiheuttaa epästabiilisuutta palamiseen ja lämpötilaan.

Veden höyrystämiseen ja vesihöyryn kuumentamiseen savukaasun loppulämpötilaan kuluvaa energiaa ei saada hyödyksi ilman savukaasupiiriin sijoitettua lauhdutinta. Savu-10 kaasun loppulämpötila on nimellisteholla suuruusluokkaa 120 - 250°C. Savukaasujen vesihöyryn lauhdutus on epäpuhtauksien ja korroosio-olosuhteiden vuoksi ongelmallista.

Edellä mainitut polttoaineesta vapautuvan vesihöyryn aiheuttamat ongelmat ovat olleet jo pitkään tiedossa ja 15 niiden poistamiseksi on esitetty ja toteutettu useita erilaisia ratkaisuja, jotka eivät kuitenkaan ole ratkaisseet ontelmaa.

Saksalaisesta patentista 1 180 084 tunnetaan jät-teenpolttolaite, jossa jätettä kuivataan kuumilla savukaa-20 suilla erillisessä kuivausvyöhyketilassa. Sen jälkeen polttoaine poltetaan kuumien savukaasujen ja ilman seoksella, johon lisäksi sekoitetaan kuivausvyöhykkeestä tuleva kostea kaasu. Osa savukaasuista poistuu tulipesästä höyrystimien kautta.

25 Em. ratkaisuun sisältyy seuraavia puutteita: - Polttoaineen kuivaus tapahtuu tulipesästä erotetussa tilassa, jolloin tulipesän lämpösäteilyä ei hyödynnetä kuivauksessa.

- Ko. teknistä ratkaisua on vaikea soveltaa olemassa 30 olevaan kattilaan. Myös uutena rakenteena rakenne on monimutkainen ja kooltaan kuivausarinaratkaisun vuoksi suuri.

- Keksinnössä ei ole suoraa veden höyrystyslämmön talteenottoa, vaan vesihöyry johdetaan palamisilman mukana kaasuuntumis- ja palamisvyöhykkeeseen.

35 - Ko. ratkaisun vuoksi myös kattilassa oleva poltto- ainemäärä kasvaa, minkä vuoksi kattilan ylös- ja alasajo- 4 77728 aika pitenee. Suuren polttoainemäärän vuoksi myös polttoaineen viipymäaika kattilassa kasvaa, mikä suurentaa sää-töautomatiikalle asetettavia vaatimuksia.

Suomalaisessa patenttijulkaisussa nro 43 907 esi-5 tetyssä polttoaineen kuivausmenetelmässä on samoja piir teitä kuin DE-patentissa 1 180 084. Toteutukseltaan keksintö poikkeaa saksalaisesta patentista siinä, ettei kui-vausarina ole suoranaisessa kosketuksessa tulipesäkaasun kanssa, vaan kuivaus tapahtuu kattilan jälkeen otettavalla 10 savukaasulla.

Tähänkin keksintöön pätevät osittain jo saksalaisen patentin yhteydessä esitetyt epäkohdat. Tämän lisäksi: - Keksinnössä ei hyödynnetä tulipesän säteilylämpöä polttoaineenkuivauksessa, koska kuivausosa on erotettu tu- 15 lipesästä seinämällä.

- Kuivausosassa vesihöyrystä poistuu vain pieni osa, n. 20 %. Lopullinen kuivuminen tapahtuu tulipesän puolella vyöhykkeellä 14 (vrt. viitejulkaisun kuvat 1 ja 2). Suurin osa polttoaineen vedestä höyrystyy tulipesään ja vesihöyry 20 sekoittuu tulipesäkaasuihin palamisvyöhykkeessä.

Saksalaisessa kuulutusjulkaisussa 1 751 133 vesihöyryn poisto on sovellettu ketjuarinapolttoon. Tässäkään keksinnössä polttoaineen kuivauksessa ei hyödynnetä tuli-pesän säteilylämpöä, koska vesihöyryn keräyshuuva peittää 25 kuivausvyöhykkeen (vrt. viitejulkaisun kuva 1).

Suomalaisessa patenttijulkaisussa nro 48 012 on esitetty laite, jossa polttoaineen kuivaus tapahtuu erillisessä kuivaajaosassa, johon kuuma savukaasu johdetaan poltto-kammiosta. Patentti ei sisällä tarkempia tietoja kuivaaja-30 osan rakenteesta tai vesihöyryn keräysmenetelmästä. Veden höyrystyslämmön talteenottomenetelmäksi on esitetty esim.

savukaasupesuria.

Lopuksi viitataan vielä suomalaiseen patenttiin nro 67 138, jossa vesihöyry on ajateltu poistettavaksi lauhtee-35 na varastopesäkattilan polttoainesuppilon seinämiin sjoi-tetuilta lämmönvaihtopinnoilta. Keksinnössä on toteutettu

II

5 77728 höyrystyslämmön talteenotto ja suljettu kierto vesihöyryn poistamiseksi. Vesihöyryn poiston periaate poikkeaa kuitenkin täysin nyt esillä olevasta keksinnöstä.

Keksinnön mukaisen menetelmän ja laitteen avulla 5 saadaan aikaan ratkaiseva parannus edellä esitettyihin epäkohtiin. Tämän toteuttamiseksi keksinnön mukaiselle menetelmälle ja laitteelle on tunnusomaista se, mitä on esitetty patenttivaatimusten 1 ja 3 tunnusmerkkiosissa.

Keksinnön tärkeimpänä etuna voidaan pitää sitä, että 10 koska kosteasta polttoaineesta kuivumisvyöhykkeessä höyrystyvän veden kerääminen tapahtuu välittömästi polttoaine-kerroksen päältä vesihöyryn ollessa vielä muihin tulipesä-kaasuihin sekoittumattomana "mattona", saadaan vesihöyryn suhteellinen osuus imetyissä kaasuissa varsin korkeaksi, 15 mikä on tärkeää ko. kaasun jatkokäsittelyjä ajatellen ja toisaalta syntyvästä vesihöyrystä saadaan hyvin suuri osa imetyksi pois ennen sen joutumista kaasuuntumis- ja palamis-vyöhykkeisiin.

Toteuttamalla keksintö korkeus- ja pituussuunnassa 20 asemaltaan säädettävällä keräimellä saadaan vesihöyryn kerääminen optimoitua kattilalaitoksen erilaisia käyttöolosuhteita varten. Keksinnön tarjoamista muista eduista voidaan mainita: - Vesihöyryn poisto kohottaa tulipesän lämpötilaa 25 sekä parantaa täydelliseen palamiseen tarvittavia olosuhteita.

- Vesihöyryn keräystä ohjaamalla voidaan stabiloida palamisvyöhykkeeseen ohjautuvan kosteuden määrää.

- Polttoaineen kuivaus tapahtuu tulipesässä, jolloin 30 tulipesän lämpösäteily edistää kuivumista.

- Ko. ratkaisua voidaan soveltaa jo olemassa olevaan tulipesään ilman suurempia rakennemuutoksia.

- Polttoainekerrokseen sen kaasuuntumisvyöhykkeeseen kohdistuva lämpösäteily tehostuu, kun oletetaan vesihöyryn 35 absorboivan liekistä lähtevää säteilyn aallonpituutta.

6 77728 - Veden höyrystyslämmön talteenotto nostaa prosessin hyötysuhdetta suoraan, jos höyrystyslämpö siirretään katti-laveteen ja välillisesti, jos höyrystyslämpö siirretään pa-lamisilmaan.

5 - Vesihöyryn poistaminen ennen lämmönsiirtopintoja mahdollistaa pienemmät konvektiopinnat ja tasaa polttoaineen kosteuden muutosten vaikutusta kattilan toimintaan.

- Savukaasun kastepistelämpötila alenee, minkä vuoksi savukaasun loppulämpötila voidaan ajaa matalammalle ta- 10 solle konvektio-osan lopussa (= hyötysuhde paranee).

Keksinnön lähtökohtana on käytännössä havaittu seu-raava ilmiö: poistuessaan polttoainekerroksesta vesihöyry muodostaa kuivumisvyöhykkeessä polttoainekerroksen päälle, pääosin vesihöyryn ja tulipesäkaasun suuren tiheyseron 15 vuoksi, pinnan suuntaisena alaspäin virtaavan vesihöyry-maton, joka sekoittuu lopullisesti ympäröivään tulipesä-kaasuun vasta kaasuuntumis- ja palamisvyöhykkeessä. Näin ollen kuivumisvyöhykkeen loppuosaan polttoainekerroksen yläpuolelle sijoitetulla palkkimaisella keräimellä on pois-20 tettavissa kumulatiivisesti suurin osa polttoainekerrokses ta höyrystyneestä vedestä.

Seuraavassa keksintöä selitetään yksityiskohtaisesti oheisiin piirustuksiin viittaamalla.

Kuvio 1 esittää kaaviollisesti keksinnön mukaista 25 vesihöyryn keräilylaitteistoa sivulta katsottuna sovellet tuna etupesällä varustettuun kattilaan, jossa kerätylle vesihöyrylle ei ole omaa lämmöntalteenottolaitteistoa.

Kuvio 2 esittää muuten samaa kuin kuvio 1, mutta tässä ratkaisussa kerätylle vesihöyrylle on oma lämmön-30 talteenottolaitteisto.

Kuvio 3 esittää itse keräilylaitteen rakennetta ja sen sijoitusta polttoainekerrokseen nähden sivulta nähtynä.

Kuvio 4 esittää samaa keräilylaitetta polttoainevirtaa vastaan katsottuna.

35 Kuvio 5 esittää samaa keräilylaitetta päältä kat sottuna.

77728

Kuvioiden 1, 3, 4 ja 5 mukaisessa sovellusmuodossa toiminta tapahtuu seuraavasti:

Polttoaine 1 valuu painovoimaisesti syöttösuppilosta arinalle. Polttoainekerroksen paksuutta säädetään pysty-5 suunnassa liikkuvalla palkilla 2.

Keksinnön mukaisella laitteella imetään kuivumis-vyöhykkeen loppuosasta polttoainekerroksen pintaa alaspäin virtaavaa vesihöyryä 3. Pysty- ja vaakasuunnassa liikuteltava keräin 4 muodostuu n. 150 mm korkeasta palkista 4a, 10 jonka vesihöyryn virtaussuuntaan oleva sivu 4b on avoin. Palkkia 4a kannattaa palkin keskeltä tulipesän yläosan läpi menevä kannatinputki 4c, jonka sisällä kulkevat sekä vesihöyryn imuputki 7a että takaisinpuhallusputki 7b. Vesi-höyry-kaasuseos imetään puhaltimella 5 ja puhalletaan kat-15 tilan 8 konvektio-osan jälkeiseen kanavaan lauhteenerotti-men 9 kautta. Vesihöyryn keräyksen tehokkuutta (keräimen 4 sieppausominaisuuksia) parannetaan takaisinpuhalluksella säätöpellin 6 ja puhallussuuttimien 7c kautta. Puhallus-suuttimet 7c on kiinnitetty keräimen 4 päihin. Vesihöyryn 20 keräin 4 voidaan tarvittaessa jäähdyttää yhdistämällä keräimen 4 vesivaippa 7d kattilan vesipiiriin 10.

Kuvion 2 mukaisessa sovellusmuodossa toiminta tapahtuu seuraavasti. Keksinnön tässä sovellusmuodossa kerä-täänvesihöyryä kuvioiden 3, 4 ja 5 mukaisella keräimellä.

25 Veden höyrystyslämmön talteenottolaitteena käytetään yhdistettyä vesi-ilmalauhdutinta, joka on kytketty kauko-lämpöpiiriin paluuvesipiiriin 15 ja kattilan pääpalamis-ilmapuhaltimen 12 imupuolelle. Tällöin lauhduttimille tulevilla jäähdytysainevirroilla on alhaisin lämpötila.

30 Lauhtunyt vesi poistetaan laitoksen viemärijärjestelmään 13. Kuivumisvyöhykkeen hallinnan tehostamiseksi, etenkin käytettäessä kuivempaa polttoainetta, voidaan kuivumisvyö-hykkeeseen syöttää palamisilman joukkoon savukaasua erillisellä puhaltimella 14. Tätä voidaan myös käyttää keksin-35 nön ensimmäisessä sovellusmuodossa (kuvio 1).

8 77728

Kuvioiden 3, 4 ja 5 mukaisessa keräimessä 4 on vaa-kapalkkia 4a kannattava pystysuora kannatinputki 4c, joka on sinänsä tunnetulla tavalla esim. tiivistävällä luisti-rakenteella ja joustavalla paljerakenteella (ei esitetty) 5 kiinnitetty tulipesän 8a kattorakenteisiin pysty- ja vaaka-siirrot sallivalla tavalla.

Jo rakennettujen kattiloiden yhteyteen keksinnön soveltamista helpottaa se, että takaisinpuha11ussuuttimet 7c on liitetty vaakapalkin 4a päihin, jolloin keräimestä 4 tu-10 lee sen runkoon sijoitettuina imu- ja takaisinpuhallus-kanavineen 7a, 7b helposti jälkikäteenkin asennettavissa oleva kokonaisuus. Laitteiston toiminnan kannalta takaisin-puhallussuuttimet voisivat sijaita myös kattilan tulipesän sivuseinämissä, mikä kuitenkin vaatii jo rakennemuutoksia 15 itse kattilaan.

Vaakapalkin 4a kannatin 4c on kuvioiden 3, 4 ja 5 mukaisessa suoritusmuodossa sijoitettu palkin 4a keskikohdalle symmetrisen virtaustilanteen aikaansaamiseksi. Tyydyttävä toiminta on kuitenkin aikaansaatavissa myös muilla 20 tuentatavoilla. Vaakapalkki 4a voi olla kannatettu vaihtoehtoisesti joko molemmista päistään tai jopa vain toisesta päästään. Tuenta voi myös tulipesän 8a katon asemesta tapahtua tulipesän sivuseinämiin.

Oleellista on keräimen 4 toiminnan kannalta se, että 25 vaakapalkin 4a asema imu- ja takaisinpuhallusaukkoineen on säädettävissä kuivumisvyöhykkeellä olevaan polttoaineker-rokseen 1 nähden, jolloin voidaan etsiä kulloinkin kattilan 8 käyttöolosuhteisiin nähden optimaalinen keräimen 4 asema ja sitä kautta sopivin vesihöyryn 3 keräysteho.

30 Vesihöyryn keräilyn tehokkuutta voidaan säädellä myös keräimen 4 imua ja takaisinpuhallusta säätämällä, joko yksinään tai yhdessä keräimen 4 asemasäädön kanssa.

Em. säätötoimenpiteet voidaan suorittaa erillissää-timillä kattilalaitoksen instrumentointiin nojautuen, näin 35 on sopivinta menetellä pienehköjen kattilalaitosten kohdalla.

il 9 77728

Suurten kattiloiden osalta voidaan keräimen 4 toi-mintatehon säätö automatisoida ja ohjaus sille ottaa esim. poistetun vesihöyryn ominaisuuksia mittaavilta laitteilta (esim. lämpötila, koostumus). Ohjaukseen on edullista käyt-5 tää prosessitietokonetta.

Muutoinkin on todettava, että keksintöä on edellä selitetty vain pariin sen edelliseen toteutusesimerkkiin viitaten. Tällä ei kuitenkaan millään tavoin haluta rajoittaa keksintöä vain näitä esimerkkejä koskevaksi, vaan 10 monet muunnokset ovat mahdollisia seuraavien patenttivaa timusten määrittelemän keksinnöllisen ajatuksen puitteissa.

Claims (9)

77728 10

1. Menetelmä kattilalaitoksissa kosteita polttoaineita arinalla poltettaessa niistä vapautuvan vesihöyryn 5 keräämiseksi pois ennen sen joutumista kaasuuntumis- ja palamisvyöhykkeisiin, tunnettu siitä, että vesihöyryn (3) kerääminen tapahtuu varsinaisen tulipesän (8a) sisällä välittömän säteilylämmön alaisen polttoaineen (1) yläpinnalle kuivumisvyöhykkeellä syntyvästä vesihöyrymatos- 10 ta (3) ennen sen sekoittumista muihin tulipesän (8a) kaasuihin.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että vesihöyryn (3) kerääminen tapahtuu alipainetta ja osittaista takaisinpuhallusta samanaikaises- 15 ti hyväksikäyttäen.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmän toteuttamiseksi tarkoitettu laite, tunnettu siitä, että keräimessä (4) on oleellisesti koko polttoainekerrok-sen (1) leveydelle ulottuva vaakasuuntainen palkki (4a), 20 jonka vesihöyryn (3) virtaussuuntaan oleva sivu (4b) on ainakin osittain avoin koko pituudeltaan.

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen laite, tunnettu siitä, että vaakapalkkia (4a) kannattaa tulipesän (8a) yläosaan tai sivuseinään kiinnittyvä kannatinputki 25 (4c).

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen laite, tunnettu siitä, että kannatinputki (4c) kiinnittyy vaa-kapalkin (4a) keskikohdalle.

6. Patenttivaatimuksen 4 tai 5 mukainen laite, 30 tunnettu siitä, että kannatinputken (4c) sisällä kulkevat sekä vesihöyryn (3) imuputki (7a) että takaisin-puhallusputki (7b).

7. Jonkin patenttivaatimuksen 3-6 mukainen laite, tunnettu siitä, että takaisinpuhallussuuttimet (7c) 35 on kiinnitetty keräimen (4) vaakapalkin (4a) päihin. il 11 77728

8. Jonkin patenttivaatimuksen 3-7 mukainen laite, tunnettu siitä, että keräintä (4) jäähdytetään yhdistämällä se kattilan (8) vesipiiriin (10).

9. Jonkin patenttivaatimuksen 3-8 mukainen laite, 5 tunnettu siitä, että keräin (4) on asemaltaan säädettävissä polttoainekerrokseen (1) nähden. i2 7772 8