FI81970C - Foerfarande och anlaeggning foer avlaegsnande av svavel ur roekgaserna fraon ett kraftverk som anvaender fast braensle. - Google Patents

Description

81 970

Menetelmä ja laitteisto rikin poistamiseksi kiinteätä polttoainetta käyttävän voimalaitoksen savukaasuista

Keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 johdannon mukainen menetelmä rikin poistamiseksi kiinteätä polttoainetta käyttävän voimalaitoksen savukaasuista.

Keksintö koskee myös patenttivaatimuksen 5 johdannon mukaista laitteistoa.

Voimaloissa, joissa poltetaan kiinteätä polttoainetta, käytetään usein rikkipitoista polttoainetta. Rikinpoisto on hoidettu monella tavoin ja markkinoilla on tällä hetkellä ainakin 30 eri teknistä ratkaisua, joilla savukaasujen rikki ja jossain tapauksissa typenkin oksidit voidaan olennaiselta osiltaan poistaa. Rikinpoistosta saadaan tavallisesti jälleen uusi jäte. Jossain tapauksissa voidaan rikki pelkistää alkuaineeksi tai jäte myydä sellaisenaan. Useimmissa prosesseissa kuitenkin syntyy jäte, jonka hyödyntäminen tai edelleen käsittely muodostaa uuden ongelman.

Normaalisti voimalaitoksessa poistetaan tuhka ja pöly sähkö-suotimilla varsinaisen lämmönsiirtoprosessin jälkeen. Sellaisissa voimalaitoksissa, joita nykyterminologialla kutsutaan kombivoimaloiksi, joissa polttaminen tapahtuu paineellisessa tilassa ja joissa ensimmäisenä prosessina on kaasuturbiiniprosessi ja seuraavana lämmöntalteenottokat-tila ja höyryturbiiniprosessi, savukaasut suodatetaan usein kuumina ennen kaasuturbiinia. Tällaiset voimalat ovat kuitenkin vasta yleistymässä ja niihin ollaan kehittämässä sopivia suodattimia.

Investointikustannuksiltaan halvimmissa rikinpoistoproses-seissa rikinpoisto toteutetaan injektoimalla maa-alkali-metallikarbonaattia, tavallisesti jauhettua kalkkikiveä tai 2 81970 dolomiittia tulipesään, jolloin se muuttuu lämmön vaikutuksesta maa-alkalimetallioksidiksi, joka reagoi puolestaan rikkidioksidin ja rikkitrioksidin kanssa muodostaen maa-alkalimetallisulfaattia ja -sulfiittia. Tästä eteenpäin on erilaisia prosessimuunnelmia, joista mainittakoon Tampella Oy:n kehittämä LIFAC-menetelmä. Rikintalteenoton tehokkuutta on mainitussa menetelmässä parannettu suorittamalla jälki-kostutus, eli ns. aktivointi, joka nostaa talteenottotehok-kuutta pelkkään maa-alkalimetallikarbonaatti-injektioon verrattuna lähes 100 %:lla.

Polttoaineenaan tyypillisesti turvetta, kivihiiltä tai sentapaisia fossiilisia, kiinteitä polttoaineita käyttävissä voimaloissa esiintyy muitakin ongelmia kuin pottoaineiden sisältämä rikki. Kun ajatellaan, että tyypilliset tällaiset kiinteät polttoaineet sisältävät noin 10 % palamatonta ainetta, jota arkikielessä nimitetään tuhkaksi, aiheuttaa tämän tuhkan hyväksikäyttö tai hävittäminen tai varastoiminen erään uuden ongelman. Tämän tuhkan hyväksikäytön esteitä ovat mm. sen sisältämä palamaton hiili. Rikinpoistotuhkan hyväksikäytön esteitä ovat tämän palaamattoman hiilen lisäksi se että siellä osa kalkista on sitoutunut kalsiumsulfiit-tiin eikä kaikki ole sulfaattina. Tämä sulfiitti hapettuu kuitenkin myöhemmin sulfaatiksi ja eräissä kohteissa, kuten esim. betoniteollisuudessa, aiheutuu tästä hapettumisesta myöhemmin tuotteen muodonmuutoksia ja lujuuden menetyksiä.

Esillä olevan keksinnön tarkoituksena on poistaa tunnettuun tekniikkaan liittyvät epäkohdat ja saada aikaan aivan uudenlainen menetelmä ja laitteisto rikin poistamiseksi savukaasuista .

Voimaloista saatava tuhkajäte olisi ideaalisesti sellainen, jossa rikinpoiston jälkeen tuhka on a) kuivaa, b) kaikki rikki on sitoutunut sulfaattimuotoon ja c) tämä tuhka ei sisällä vapaata palamatonta hiiltä.

3 81970 Tässä keksinnössä lähdetään siitä ajatuksesta, että savukaasuista erotetaan tunnetulla tavalla suodattamalla olennainen osa kiintoaineksesta. Tässä suhteessa menetellään vastaavalla tavalla kuin kombivoimaloissa ennen kaasuturbiiniproses-sia.

Keksinnön mukaan käsitellään tuhkaa erillisessä jälkipoltti-mossa polttamalla se hiilettömäksi lämpötilassa, joka on kuitenkin niin alhainen, että kalsiumsulfiitti ja -sulfaatti eivät uudestaan hajoa. Olennaisesti partikkelivapaa virta käsitellään puolestaan katalyyttisellä hapettimella ja lisä-ilmalla, jolloin kaasuvirrassa oleva rikkidioksidi tunnetulla tavalla hapettuu katalyyttien vaikutuksesta (ks. Sheldon Lee, Irving Johnson, Kevin Myler et ai., Argonne National Laboratory, Annual Contaminant Control in Hot eolation Derived Gas Streams, Washington PA, USA 1983, May 24 - 26). Katalyytin pitkän elinajan takaamiseksi on tärkeää, että savukaasut ovat olennaisen vapaita kiintoaineista.

Erilliskäsittelyiden jälkeen virrat yhdistetään.

Keksinnölle on siten tunnusomaista, että savukaasut jaetaan kahteen osaan, eli kiintoaineista vapaaseen kaasuosaan ja kiintoainevirtaan, jotka molemmat käsitellään erikseen. Lisäilman avulla poltetaan lentotuhkan vapaa hiili, jolloin kuitenkin käytetään niin alhaista lämpötilaa, tyypillisesti 800 - 900eC, että kipsi ja kalsiumsulfiitti eivät olennaisesti hajoa. Toinen virta hapetetaan katalyyttisesti niin, että rikkidioksidi hapettuu rikkitrioksidiksi. Kummassakin tapauksessa hapetukseen johdetaan lisäilmaa koska voimalaitosprosessissa savukaasujen happipitoisuus on yleensä hyvin alhainen. Kiintoaineista vapaan kaasun hapettamiseen käytetään katalyyttinä esim. rautasuoloja tai aktivoitua alumi-naattia tai näiden yhdistelmiä. Kyseeseen tulevat esim. aktivoitu bauksiitti tai synteettiset ja luonnonzeoliitit.

Tällainen edellä kuvattu prosessi sopii luontevasti paineistettua polttoa käyttävään kombivoimalaan, jossa joka tapauk 4 81970 sessa savukaasujen kiintoainepartikkelit joudutaan suodattamaan ennen kaasuturbiinia olennaisista osiltaan pois. Prosessi soveltuu teknisesti normaalivoimalalaankin, samaa suodatusta voidaan näet soveltaa siellä ja kummassakin tapauksessa voidaan hiukkasvapaa savukaasu käsitellä kata-lyyttisesti a) rikkidioksidin hapettamiseksi tai b) erilaisilla keinoilla typenoksidien pelkistämiseksi ennen tätä rikkidioksidien hapetusta tai sen jälkeen.

Näiden toimenpiteiden jälkeen virrat yhdistetään uudestaan ja johdetaan tunnettuun menetelmään (esim. (Tampellan LIFAC-menetelmä), jossa vesihöyryaktivoinnilla aiheutetaan kaasufaasikiintoainereaktio.

Täsmällisemmin sanottuna keksinnön mukaiselle menetelmälle on pääasiallisesti tunnusomaista se, mikä on esitetty patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.

Keksinnön mukaiselle laitteistolle on puolestaan tunnusomaista se, mikä on esitetty patenttivaatimuksen 5 tunnusmerkkiosassa.

Keksinnön avulla saavutetaan huomattavia etuja. Niinpä menetelmässä muodostuu lähes täydellisesti kipsiä eikä olennaisia määriä kalsiumsulfiittia kuten aikaisemmissa normaalimenettelyissä. Samalla saadaan kuivaa, hiili- ja kalsiumsulfiittivapaata lentotuhkaa, joka oleellisesti koostuu lentotuhkahiukkasten muodossa olevista kalsiumsili-kaateista, kipisistä, kalsiumkarbonaatista ja kalsiumoksi-deista. Tuote soveltuu käytettäväksi esimerkiksi sementin lisäaineena tai erilaisissa betonituotteissa.

Keksintöä ryhdytään seuraavassa lähemmin tarkastelemaan oheisten piirustusten avulla, joista kuviossa 1 on esitetty normaalivoimalaan soveltuvan rikin-poistojärjestelyn kaaviokuva, ja 5 81970 kuviossa 2 on esitetty nk. kombivoimalan yhteyteen järjestetyn keksinnön mukaisen rikinpoistoprosessin kaavio-kuva.

Kuviossa 1 tarkoitetaan viitenumerolla 1 normaalia poltto-ainekattilaa, johon syötetään polttoainetta, ilmaa, vettä ja josta tulee savukaasuja ja höyryä. Polttoaineen sisältämän rikin sitomiseksi siihen syötetään myös hienoksi jauhettua kalkkikiveä, tai sentapaista maa-alkalimetallikarbonaattia. Kattilasta 1 saatavat savukaasut johdetaan suotimeen 2, jossa kiintoaineet erotetaan. Käytettävä suodin voi olla mitä tahansa sinänsä tunnettua tyyppiä, kuten hiekkasuodin, leijukerrossuodin, sykloni, keraaminen suodin tai näiden yhdelmä tai joku muu suodin joka pystyy toimimaan korkeissa tai normaalissa lämpötiloissa.

Suotimesta saatava kiintoaines johdetaan erotuslaitteeseen 3, jossa tuhka ja kalkki erotetaan mahdollisesta suodatin-aineesta (esim. hiekasta), minkä jälkeen kiintoaines johdetaan jälkipolttimeen 4, jossa tuhka poltetaan hiilivapaaksi. Polttolämpötila pidetään alle 1000eC:n, edullisesti 800 — 900eC:ssa, kalsiumsulfaatin ja -sulfiitin hajoamisen estämiseksi. Jälkipolttimena voidaan edullisesti käyttää leiju-kerrosuunia tai kiertävää leijukerrosuunia.

Suotimesta 2 saatavat kiintoainesvapaat savukaasut johdetaan reaktoriin 5, eli katalyyttiseen hapetuslaitteeseen. Reaktorina käytetään esim. täytekappaletornia tai sentapaista kaasun ja kiintoaineen kontaktilaitetta. Reaktoriin syötetään myös rikkiyhdisteiden hapetusreaktion tarvitsemaa lisä-ilmaa. Katalyytteinä käytetään sopivimmin aktivoituja alumi-naatteja ja/tai ferrioksideja.

Jälkipolttimesta 4 ja hapetuslaitteesta 5 saatava tuotevir-rat johdetaan aktivointireaktoriin 6, jossa ne yhdistyvät ja johon samalla syötetään kostutusvettä, jolloin pyritään asettamaan kaasun kosteus mahdollisimman lähelle sen kaste- 6 81970 pistettä. Reaktorina käytetään sopivalla viipymä- ja vir-tausmitoituksella varustettu olennaisesti tyhjä reaktori-astia.

Keksinnön mukaisen menetelmän puitteissa voidaan tuotevirrat tietenkin myös yhdistää ennen reaktoria 6.

Reaktorista 6 saatava kaasu/kiintoaineseos jaetaan komponentteihinsä viitenumerolla 7 merkityllä sähkösuodatti-mella tai sentapaisella kaasun ja kiintoaineen jälleenero-tuslaitteella.

Jälkipolttimessa 4 ja hapetuslaitteessa 5 tarvittavan lisä-ilman lämmittämiseksi johdetaan tuoresyöttö kahden vasta-virtalämmönvaihtimen kautta, HE2 ja HEI, kuten kuviossa 1 on esitetty.

Lämmönvaihdin HE2 voidaan sijoittaa hapetuslaitteen 5 jälkeen, kuten kuviossa on esitetty, tai ennen sitä. Korkea lämpötila edistää hapetusreaktiota. Toimittaessa alemmassa lämpötilassa vähennetään toisaalta korroosioriski.

Kuviossa 2 on esitetty kombivoimalan sovelletun rikinpoisto-prosessin kaaviokuva. Kuviossa on käytetty samaa nimikkeistöä kuin kuviossa 1 ja samat laitteet on järjestetty vastaavalla tavalla kuin edellisessä suoritusesimerkissä.

Voidaan kuitenkin erityisesti todeta, että hapetuslaite on tässä suoritusmuodossa sijoitettu kaasuturbiinin (GT) ja höyrykattilan (HRB) jälkeen. Savukaasujen sisältämän rikkidioksidin hapettaminen rikkitrioksidiksi suoritetaan vasta höyrykattilan jälkeen, koska muodostuva rikkitrioksidi saattaisi edistää turbiinin siipien korroosiota.

Kummassakin prosessivaihtoehdossa on edullista jälkipoltto-tilaan 4 johtaa sopiva määrä vesihöyryä tuhkassa olevan palamattoman hiilen palamisen edistämiseksi tunnetulla vesi-

II

7 81 970 kaasureaktiolla, joskaan tämä ei ole keksinnön mukaisesti ehdottomana edellytyksenä.

Kuvion 1 mukaisessa järjestelyssä on luonnollisesti jälki-polttotilaan tuotava lisää lämpöä palamistapahtumen sytyttämiseksi jota kuvion 2 esittämä prosessi ei tarvitse.

Esimerkki;

Voimalaitoksessa poltetaan kivihiiltä, jonka tuhkapitoisuus on 11 % ja joka sisältää 1,0 % rikkiä ja jonka tehollinen lämpöarvo on 26 MJ/kg. Poltto suoritetaan 1,20 yli-ilmakertoimella.

Saadaan savukaasua 9,3 NTP m3/kg polttoainetta. Savukaasu suodatetaan 900°C:n lämpötilassa keraamisilla ns. kynttilä-suotimilla, jolloin alkuperäisestä tuhkamäärästä (100 g) saadaan suotimiin talteen yhteensä 113 g tuhkaa ja palamatonta hiiltä. Kaasuun jäi kiintoainetta 1070 mg/m3, suurimman partikkelikoon ollessa 2 mikronia. Osa tuhkasta jäi leijupetipolttolaitoksen pohjalle ja poistuu hiekan puhdistuksen yhteydessä.

Saatu tuhka poltetaan erillisessä pienemmässä leijukerros-polttimessa yli-ilmamäärällä 4, jolloin polton yhteyteen syötetään vettä sumuna, jolla hiili kaasutetaan monoksidiksi. Lämpötila pidetään 850eC:ssa. Polton tuloksena saatu tuhka sisältää hiiltä 0,035 %. Kalkkia oli injektoitu moolisuh-teessa 2 tulipesään Ca/S. Suodatettu savukaasu johdetaan lämmöntalteenottolaitteiden lävitse normaaliin tapaan, jolloin se jäähtyy 180eC:n lämpötilaan. Painehäviö suodattimis-sa oli 5 % kaasunpaineesta.

Pääkattilan jälkeen kuuma kaasu, lämpötilassa 250eC, johdettiin suotimen lävitse, jossa oli aktivoitua bauksiittia noin 1 cm:n kokoisina rakeina ja 30 cm:n korkuisena kerroksena, kaasun nopeuden ollessa 30 cm/s, ja lisättiin tässä vaihees- 8 81970 sa samanpaineista ilmaa 25 % kaasun määrästä (paine 120 kPa, ilma esilämmitettyä samaan lämpötilaan). Kaasun sisältämästä rikkidioksidista, jota oli jäljellä 60 % alkuperäisestä määrästä (40 % oli reagoinut kalkin kanssa jo aiemmin), 92 % oli hapettuneena rikkitrioksidiksi.

Käytetty aktivoitu bauksiitti sisälsi noin 4 % ferrirautaa. Hapetettu savukaasu yhdistettiin poltettuun tuhkaan lämpötilan tässä vaiheessa ollessa 180eC ja johdettiin reaktoriin, jossa lisättiin vettä niin, että päästiin 5eC:n päähän kas-tepisteestä. Tämän jälkeen erotettiin savukaasusta lentotuh-ka sähkösuotimella ja tuhka analysoitiin. Tuhkassa oleva rikki edusti 97 % polttoaineen sisältämästä rikistä ja rikki oli jakautunut niin, että 99 % siitä oli sulfaattina ja 1 % sulfiittina (CaS04 ja CaSC>3).

Claims (8)

9 81970

1. Menetelmä rikin poistamiseksi sellaista rikkipitoista, kiinteätä polttoainetta käyttävän voimalaitoksen savukaasuista, josta polton jälkeen jää jäljelle palamatonta orgaanista ainetta sisältävää tuhkaa, jonka menetelmän mukaan - polttoprosessiyksikön tulipesään syötetään maa-alkali-metallikarbonaattia polton aikana rikin oleellisen osan sitomiseksi, ja - jäähtynyttä savukaasua kostutetaan vedellä rikin oksidien mahdollisimman täydelliseksi sitomiseksi, tunnettu siitä, että - savukaasujen kiintoaines, joka koostuu oleellisesti palamatonta hiiltä sisältävästä tuhkasta sekä kiinteistä maa-alkalimetalliyhdisteistä, erotetaan polttoprosessin jälkeen, - kiintoaines johdetaan jälkipolttoon tuhkassa olevan hiilen polttamiseksi, - olennaisesti kiintoainesvapaa kaasuvirta rikkiyhdis-teineen hapetetaan katalyyttisesti ja - hapetettu kaasuvirta ja jälkipoltettu kiintoaines yhdistetään ja käsitellään sopivalla määrällä vettä kaasussa olevien rikkiyhdisteiden saattamiseksi reagoimaan kiintoaineksessa olevien maa-alkalimetalli-yhdisteiden kanssa.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, jossa tuli-pesään syötetään jauhettua kalkkikiveä rikin sitomiseksi, tunnettu siitä, että savukaasussa oleva, kipsiä ja palamatonta hiiltä sisältävä kiintoaines poltetaan ylimääräisellä ilmalla korkeintaan noin l000eC:n, edullisesti 800...900eC:n lämpötilassa, kiintoaineksessa olevan kalsium-sulfaatin hajoamisen estämiseksi.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä rikin poistamiseksi sellaisen kombivoimalan savukaasuista, joka 10 81 970 käsittää kaasuturbiinin sekä höyrykattilan ja höyryturbiinin, jonka menetelmän mukaan kiintoaines erotetaan savukaasuista ennen kaasun johtamista kaasuturbiiniin, tunnettu siitä, että kiintoainesvapaa savukaasu hapetetaan katalyyttisesti vasta senjälkeen kun kaasu on kulkenut kaasuturbiinin ja höyrykattilan läpi.

4. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että savukaasujen hapetusta katalysoidaan rautasuoloilla ja/tai aktivoiduilla aluminaateilla.

5. Laitteisto rikin poistamiseksi rikkipitoista, kiinteätä polttoainetta käyttävän voimalaitoksen savukaasuista, joka laitteisto käsittää - elimet maa-alkalimetallikarbonaatin syöttämiseksi voimalan polttoyksikön (1) tulipesään ja - veden- ja savukaasujen syöttöelimillä varustetun aktivointireaktorin (6), jossa jäähtynyttä savukaasua kostutetaan vedellä, tunnettu siitä, että se käsittää edelleen - polttoyksikön (1) poistopäähän yhdistetyn erotuselimen (2) kiintoaineksen erottamiseksi savukaasuista, - jälkipolttimen (4) erotuselimestä (2) saatavan kiinto-aineksi polttamiseksi, - katalyyttisen hapetuslaitteen (5) savukaasujen lopettamiseksi sekä - putkielimet jälkipolttimen (4) yhdistämiseksi erotus-elimeen (2), hapetuslaitteen (5) yhdistämiseksi erotus-elimeen (2) sekä jälkipolttimen (4) ja hapetuslaitteen (5) yhdistämiseksi aktivointireaktoriin (6).

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että jälkipoltin (4) käsittää leijukerros-tai kiertokerroslaitteen.

7. Patenttivaatimuksen 5 tai 6 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että jälkipolttimeen (4) ja hapetus-laitteeseen (5) on sovitettu lisäilmansyöttöelimet. 11 81970

8. Patenttivaatimuksen 5 mukainen laitteisto rikin poistamiseksi kombivoimalan savukaasuista, tunnettu siitä, että katalyyttinen hapetuslaite (5) on yhdistetty höyry-kattilan poistopäähän. 12 81 970