FI84516B - Foerfarande och anordning foer vaerme- och elproduktion i en sulfatcellulosafabrik. - Google Patents

Description

8451 6

MENETELMÄ JA LAITE LÄMMÖN JA SÄHKÖN TUOTTAMISEKSI SULFAAT-TISELLUTEHTAASSA

FÖRFARANDE OCH ANORDNING FÖR VÄRME- OOH ELPRODUKTION I EN SULFATCE LLULOSAFABRIK

Esillä oleva keksintö kohdistuu menetelmään ja laitteeseen lämmön ja sähkön tuottamiseksi mustalipeän paineistetulla kaasutuksella sulfaattisellutehtaassa kombivoimalaitostek-5 nilkkaa hyväksikäyttäen. Mustallpeä kaasutetaan paineena-laisena kaasuttlmessa ahtlmessa paineistetulla Ilmalla. Muodostuneet kaasut puhdistetaan ja poltetaan kaasuturbiinin polttokammiossa ahtlmessa paineistetulla ilmalla. Polttokam-miossa syntyneet pakokaasut paisutetaan kaasuturbiinissa 10 sähkön tuottamiseksi. Kaasuturbiinlsta kaasut johdetaan jätelämpökattilaan, jossa tuotetaan tulistettua korkeapaine-höyryä, joka paisutetaan höyryturbiinissa sähkön tuottamiseksi. Turbiinin poistohöyryä käytetään kattamaan sellutehtaan lämmöntarvetta.

15 Höyryä tuotetaan sellutehtaassa yleensä lisäksi apukattilas-sa, jossa poltetaan kuorta, puujätettä tai muuta polttoainetta.

20 Sulfaattisellun valmistus on tärkein massan valmistusmenetelmä maailmassa. Sen osuus tuotetusta massasta oli vuonna 1987 n. 58 %. Vuosien saatossa ovat sulfaattisellu-tehtaan lämmön- ja sähköntarve jatkuvasti pienentyneet kehitystyön tuloksena ja nykyisin sulfaattisellun valmistus 25 on energian suhteen tai ainakin prosessilämmön suhteen y1iomavarainen.

2 84516 I

Sulfaattlselluprosessin lämmöntarve Suomessa on vuosi-keskiarvona n. 10000 - 13000 MJ/tm ja sähkön tarve n. 1900 - 2900 MJ/tm. Sekä sähkön että lämmön tarve vaihtelevat 5 vuodenaikojen mukaan, eli ulkolämpötilan mukaan. Ero talvi-ja kesäkuukausien keskimääräisissä ominaislämmönkulutuksis-sa saattaa olla lähes 20 % ja sähkön ominaiskulutuksessa n. 6 %.

10 Energiaa tuotetaan sellutehtaassa pääasiassa polttamalla mustallpeää soodakattilassa ja puujätteitä ja kuorta apukattilassa. Puuraaka-aineen kuori ja mustalipeän orgaaninen aines riittävät yleensä koko energiatarpeen tyydyttämiseen. Tarvitaessa enemmän energiaa ostetaan 15 sähköä tai polttoainetta, joka poltetaan kuoren kanssa apukattilassa.

Sähköä kuluu keittämässä, pesemössä, valkaisimossa ja haihduttamossa lähinnä lipeän, veden ja massan pumppauk-20 seen sekä hakkeen kuljetukseen. Lisäksi sähköä kuluu mm. kuivaamossa kuivauskoneen käyttöön ja ilmanvaihdon laitteiden käyttöihin. Sähköä kuluu myös valaistukseen sekä raakaveden- ja jätevedenkäsittelyyn.

25 Lämpöä käytetään sulfaattiselluprosessissa haluttujen reaktioiden aikaansaamiseksi ja nopeuttamiseksi. Lämpöä tarvitaan keittämöllä mm. lipeä- ja hakekiertojen lämmittämiseen. Keiton aikana hake ja keittolipeä lämmitetään keittolämpötilaan epäsuorasti korkeapainehöyryn avulla.

30 Kuivaamon osuus lämmön kulutuksesta on n. 29 %.

Halhduttamo kuluttaa osaprosesseista eniten lämpöä eli n.

31 % koko sulfaattisellutehtaan energiankulutuksesta. Haihduttamolta saatava sekundääri lämpö riittää sulfaattisel-35 lutehtaan tarvitseman lämpimän (40*C) veden tuottamiseen. Sellutehtaan voimalaitoksen osuus sähkönkulutuksesta on n.

18 % ja lämmönkulutuksesta n. 10 %.

3 84516

Nykyisin energiantuotanto tapahtuu seuraavasti: soodakattila Ja tehtaan apukattila, jossa poltetaan tehtaassa syntyvä kuori, tuottavat tulistettua korkeapainehöyryä. Tuotettu höyry ajetaan vastapainehöyryturbiinin tai -turbiinien 5 läpi ja poistopuolen höyry käytetään kattamaan tehtaan lämmöntarve. Turbiini ja siihen kytketty generaattori tuottavat tehtaan tarvitseman sähkön.

Sähkönkehitys tapahtuu yleensä vastapaineturbiinilla, 10 jossa on yksi tai useampi väliotto. Vastapaineena käytetään 3-4 bar ja väliottopaineena 10 - 13 bar. Sähkönkehitys voi myös tapahtua lauhdutusturbiinilla.

Mustalipeän ja kuoren polton yhteinen höyryn- ja sähkönkehi-15 tys voidaan toteuttaa eri tavoin. Yksi vaihtoehto on hankkia kummallekin kattilalle oma höyryturbiini, jolloin eri tasoisista tulistuksista ei ole haittaa. Toinen vaihtoehto on tuottaa kummassakin kattilassa tulistukseltaan samanlaista höyryä, jolloin yhden höyryturbiinin käyttö ei tuota 20 ongelmia. Kolmas vaihtoehto on jatkaa alemman tulistustason tulistusta toisessa kattilassa, jolloin saavutetaan eri höyryille sama tulistus ja saman höyryturbiinin käyttö on mahdollista. Nykyisissä tehtaissa sähkön tuoton hyötysuhde on n. 20 %.

25

Soodakattila on kehittynyt luotettavaksi regenerointi- ja energiantuotantoprosessiksi, mutta sen hankintahinta on korkea ja soodakattilalla saatava lämmön ja sähkön suhde on epäedullinen nykyisissä sulfaattlsellutehtaissa. Lämmön-30 tuotanto pystytään tyydyttämään soodakattilalla entistä paremmin prosessien lämmönkulutuksien pienenemisen seurauksena, mutta sähköntuotanto tapahtuu huonolla hyötysuhteella.

Soodakattila on sulfaattiselluprosessin kallein yksittäinen 35 laite, johtuen käytettävistä korrooslonkestävistä materiaaleista ja kattilan suuresta koosta. Kattilan suuri koko on seurausta tavallista kattilaa huonommasta lämmönsiirrosta, suuresta savukaasuvirrasta saatuun lämpötehoon nähden ja * 84516 · kattilan tukkeutumispyrkimyksestä. Huonon lämmönsiirron syynä on lämpöpintojen likaantuminen savukaasujen epäpuhtauksien vuoksi. Suuri savukaasuvirta johtuu kosteasta polttoaineesta. Tukkeutumisen estämiseksi lämpöputket 5 sovitetaan harvaan, mikä osaltaan vaikuttaa kattilan kokoa suurentavasti.

Soodakattilan savukaasuhiukkaset ovat helposti sulavia ja tarttuvat herkästi lämpöpintoihln. Korkealämpötilakorroosio 10 vaaran ja tukkeutumisvaaran välttämiseksi soodakattilassa jäädään alhaisempiin tulistuslämpötiloihin, n. 720 - 770 K kuin muissa höyrykattiloissa. Tuorehöyryn paine on n.

80 - 90 bar. Alhaisen tulistuslämmpötilan seurauksena höyryturbiinin sähkön tuoton hyötysuhde on alhainen.

15

Edellä mainittujen seikkojen vuoksi perinteisen soodakattilan korvaamista uusilla prosesseilla on tutkittu pitkän aikaa. Tällä hetkellä erilaisia tutkittavia vaihtoehtoja on runsaasti. Ehdotetuille uusille prosesseille on yhteistä 20 kemikaalien regeneroinnin ja energiatuotannon erottaminen sekä saadun polttoaineen soveltuminen kombivoimalaitoksen polttoaineeksi.

Mustalipeää voidaan kaasuttaa monin tavoin. Suosittuja 25 tutkimuksen kohteena olevia menetelmiä ovat mm. kiinteä-faasikaasutus ja sulafaasikaasutus. Tuotetun kaasun lämpötila on kiinteäfaasikaasutuksessa matala, 850 - 950 K, sulafaasikaasutuksessa korkeampi, yleensä yli 1150 K, tavallisesti 1150 - 1300 K. Kaasuatmosfäärin paineella ei 30 ole merkittävää vaikutusta tuotetun kaasun lämpötilaan. Puhdistettu kaasu voidaan polttaa joko tavanomaisessa kattilassa tai paineistetussa kombiprosessissa höyryn ja sähkön tuottamiseksi.

35 Sulafaasikaasutuksessa reaktorissa muodostuu soodakattilan tapaan sula, jonka käsittely tapahtuu kuten soodakattilassa.

Orgaaniset yhdisteet pyrolysoituvat ja kaasuntuvat muodostaen vesihöyryn kanssa tuotekaasun.

5 84516

Kiinteäfaasikaasutuksessa kemikaalien talteenotto suoritetaan matalassa lämpötilassa. Kiinteää natriumsulfldla muodostuu, kun lämpötila kasvaa yli 880 K ja teoriassa 100 5 % reduktio saavutetaan lämpötilassa 1020 K. Mustalipeän kllnteäfaasikaasutus perustuu pyrolyysiln, jossa muodostuu kiinteä jäännös ja haihtuvista aineista muodostuu kaasu. Kiinteä jäännös koostuu natriumin ja rikin epäorgaanisista yhdisteistä sekä hiilestä. Hiili kaasutetaan erillään 10 pyrolyysin jälkeen.

Eräs lupaavimmista ajatuksista on mustalipeän paineistettu kaasutus, joka tarjoaa mahdollisuuden soveltaa kombivoimalatekniikkaa tehtaan energiantuotannossa. Kombi-15 volmalaprosesslssa käytetään polttoaineena kaasutettua mustalipeää sekä tarvittaessa lisäpolttoaineena kuoren lisäksi öljyä, hiiltä tai maakaasua. Prosessin keskeiset laitteet ovat kaasutin, kaasunpesuri, kaasuturbiini ja jätelämpökattila. Kombivoimalaitos soveltuu useimpien 20 uusien prosessien energiantuottoon. Kaasuturblinissa poltettu kaasu tuottaa sähköä ja paineistettua ilmaa polttoon ja kaasutukseen. Jätelämpökattilassa kaasuturbiinin pakokaasuista siirretään lämpöä vesi-höyrykiertoon, joka tuottaa sähköä höyryturbiinilla ja prosessilämpöä vastapai-25 neella.

Nyt on voitu osoittaa, että sulfaattisellutehtalden tuottamat sähkö ja lämpö vaihtelevat huomattavasti vuodenajan ja puuraaka-aineen mukaan. Ilman lisätoimenpiteitä ei tehdasta 30 saada sellaiseksi, että sen lämmöntuotto kaikissa olosuhteissa vastaisi tarvetta, johon edellä mainitut vaihtelute-kijät myös vaikuttavat.

Seuraavassa taulukossa on esitetty erään sulfaattiselluteh-35 taan tuottama lämpöylimäärä parametrina ulkoilman lämpötila, puulaji ja kaasuturbiiniprosessin painesuhde.

« 84516 ! puulaji lämpötila paine- ylim.lämpö K suhde MJ/tm koivu 253 20 80 5 mänty 253 20 1360 koivu 273 20 830 mänty 273 20 2160 koivu 293 20 1660 mänty 293 20 3040 10 koivu 253 30 0 mänty 253 30 1090 koivu 273 30 640 mänty 273 30 1940 koivu 293 30 1520 15 mänty 293 30 2870

Taulukko 1. Erään sulfaattisellutehtaan lämpöyli-määrä puulajin, painesuhteen ja lämpötilan funktiona.

20

Esillä olevan keksinnön tarkoituksena on aikaansaada menetelmä, jolla sulfaattisellutehtaassa lämmön- ja sähköntuotannon suhdetta voidaan muuttaa siten, että sulfaattisel-luprosessi olisi sähkön suhteen omavarainen tuottamatta 25 silti höyryä yli oman tarpeen.

Keksinnöllä pyritään lisäksi aikaansaamaan sulfaattisellu-tehtaalle parempi sähköntuoton hyötysuhde siten, että lämpöä ei samanaikaisesti tuotettaisi liikaa. Keksinnön 30 tarkoitus on siten sähköntuotannon lisäyksen lisäksi aikaansaada lämmönkulutuksen ja lämmöntuotannon tasaus.

Edellä mainittujen tarkoitusperien saavuttamiseksi on keksinnön mukainen menetelmä lämmön ja sähkön tuottamiseksi 35 mustallpeän paineistetulla kaasutuksella sulfaattisellutehtaassa kombivoimalaitostekniikalla tunnettu siitä, että - säädettävä määrä injektiohöyryä johdetaan kaasuturbliniin; - höyryturbiinin läpi johdetaan eri olosuhteissa oleellises- 7 84516 ti vain sulfaattisellutehtaan lämmön kulutusta eli höyryturbiinin poistohöyryn käyttöä vastaava höyrymäärä, Ja - kombivoimalaitoksessa muodostuva höyry-ylimäärä muutetaan sähköksi syöttämällä sitä injektiohöyrynä kaasuturbiiniin.

5

Ratkaisun lämmön- Ja sähköntuotannon suhteen säätämiseksi tarjoaa siis höyryinjektiokaasuturbiinin käyttö. Höyryinjek-tio on keino parantaa kaasturbiinin hyötysuhdetta Ja tehoa. Keksintöä sovelletaan siten, että sellutehdaslaitoksen 10 höyryturbiinin läpi ajetaan vain laitoksen lämmönkulutusta vastaava höyryntarve Ja ylijäämähöyry käytetään, edullisesti kokonaisuudessaan, injektiohöyrynä kaasuturbiinissa sen hyötysuhteen nostamiseen. Tällöin laitos on aina tasapainossa lämmön suhteen, mutta sähköntuoton ylijäämä vaihtelee. 15 Höyryinjektion avulla voidaan huomattavasti lisätä sähkön tuottoa, Joten sellutehtaasta muodostuu tällöin Jonkinlainen sähkölaitos.

Kaasuturbiinin toiminnan kannalta on edullista Jos ahtlmen 20 läpi ajettava ilmamäärä säädetään sellaiseksi, että se ylläpitää kaasuturbiinissa pääasiallisesti vakiolämpötilan Ja vakion massavirran, eri suuruisista höyryinjektiomääristä huolimatta. Kaasuturbiinin hyötysuhteen kannalta on edullista ajaa kaasuturbiinia tasaisella massavirralla, suotavan 25 muutoksen ollessa korkeintaan n. 20 %. Tätä kuristusta varten monet kaasuturbiinit on varustettu kompressoriosaan sijoitetuilla Johtosiivistöillä.

Keksintö koskee siis tapaa säätää sulfaattiselluprosessin 30 lämmöntuotto vastaamaan lämmönkulutusta injektoimalla ylijäämähöyry kaasuturbiinin polttokammioon tai sen pakokaasuun. Keksinnöllä on aikaansaatu menetelmä, Jolla voidaan huoletta tuottaa Jätelämmöllä Ja tuotekaasun Jäähdytyksellä sekä myös kuoren, puujätteen tai muun polttoaineen poltolla 35 paljon höyryä, koska kaasuturbiiniin voidaan injektioida se höyryvirta, jota ei tarvita sulfaattisellutehtaassa.

Kaasuturbiiniin johdettava injektiohöyry otetaan edullises- β 84516 ! ti jätelämpökattilasta, mutta voidaan myös ottaa apukattilan höyrysysteemistä tai jäte- ja apukattiloiden yhteisestä höyrysysteemistä. Injektiohöyryä syötetään, joko turbiinin polttokammioon tai sieltä tuleviin pakokaasuihin. Höyryn 5 paineen pitää olla riittävän korkea syötön onnistumiseksi paineistettuun kaasuun.

Keksinnön mukaisessa prosessissa jätelämpökattilaan ei tarvita erikoisratkaisuja, sillä kaasuturbiinin poistokaasut 10 ovat puhtaita. Kattilaan voidaan tarvittaessa esim. höyryn tulistuksen parantamiseksi lisätä polttimia, joilla voidaan polttaa omassa prosessissa tuotetun kaasun lisäksi ostopolt-toainetta. Kombivoimalaitoksessa tuorehöyryn tulistua voidaan kohottaa korkeammaksi kuin soodakattilassa, sillä 15 kombivoimalaitoksessa pakokaasut on puhdistettu jo ennen kaasuturbiinia eikä likaisten kaasujen aiheuttamia ongelmia synny.

Keksinnöllä on erikoisesti aikaansaatu menetelmä, jonka 20 mukaan sulfaattisellutehtaan lämmön- ja sähköntuotannon suhdetta voidaan muuttaa tarvittaessa olosuhteitten muutoksen mukaan sekä myös valita erilaisten prosessiparametrien perusteella. Tällaisia olosuhteita muuttavia tekijöitä ovat mm. ulkoilman lämpötila (vuodenaika), puulaji ja 25 kaasutettavan mustalipeän kuiva-ainepitoisuus. Kaasuturbiinin valinta taas vaikuttaa saavutettavan sähkön tuotannon huötysuhteeseen ja sähkö/lämpösuhteeseen, sillä sen mukaan määräytyvät kaasun lämpötila ennen turbiinia ja turbiinin painesuhde.

30

Kaasuturbiinin painesuhde on merkittävä parametri. Painesuh-teen suurentaminen aiheuttaa kaasuturbiinin pakokaasujen lämpötilan pienenemisen, mikäli muut parametrit kuin painesuhde pidetään vakiona. Tästä seuraa alhaisempi tuore-35 höyryn paine ja lämpötila, jonka seurauksena höyryturbiinin tuottama sähkömäärä pienenee. Kaasuturbiinin sähkön tuotanto kasvaa painesuhteen kasvaessa, sillä pakokaasujen lämpötila saadaan alhaisemmaksi.

9 84516

Kaasuturbiinin turbiinisiivistö ei kestä korkeita lämpötiloja, joten savukaasu on jäähdytettävä ennen turbiinia. Yleensä jäähdytys suoritetaan sekoittamalla palamiskaasuihin 5 ylimääräistä ilmaa. Tämän menetelmän huonona puolena on ahtimen läpi menevän ilmamäärän kasvaminen, mikä huonontaa kaasuturbiinin sähkön tuoton hyötysuhdetta. Jäähdyttävää ilmamäärää voidaan pienentää käyttämällä sen sijasta injektiohöyryä. Näin voidaan samalla parantaa kaasuturbiinin 10 sähkön tuoton hyötysuhdetta. Savukaasujen lämpötila ennen turbiinia on nykyisin 1350 -1500 K. Keraamisia siipiä käyttämällä päästäisiin korkeampiin lämpötiloihin. Turbiinin tulolämpötilan kohottaminen merkitsee pienemmän ilmaker-toimen, siis pienemmän palamisilmamäärän tarvetta, jolloin 15 ahtimen tehontarve pienenee. Saatava hyöty sähkön tuoton hyötysuhteessa ja prosessiin menevässä lämpömäärässä ratkaisee, onko investointi erikoisratkaisuihin kannattava. Lämpötila vaikuttaa kaasuturbiinin pakokaasujen lämpötilan kautta tuorehöyryn paineeseen ja lämpötilaan, josta edelleen 20 sähkön ja lämmöntuottoon.

Ulkolämpötilan vaihteluista johtuva sulfaattiselluprosessin lämmöntarpeen muutos aiheuttaa vaihtelua höyryturbiinin läpi menevään massavirtaan ja injektiohöyrymäärään. Ulkoläm-25 pötllan vaihtelu aiheuttaa myös ahtlmelle tulevan ilman lämpötilan ja kaasutuksesta saatavan tuotekaasun koostumuksen muuttumisen.

Kaasutettavan mustalipeän kuiva-ainepitoisuus vaikuttaa 30 kaasutuksesta saatavan tuotekaasun koostumukseen ja lämpöarvoon. Kuiva-ainepitoisuuden nostolla saavutetaan mustalipeän poltossa lämmöntuotannon kasvu, mutta mustalipeän kuiva-ainepitoisuudella on suuri merkitys myös haihduttamon ja muiden mustalipeän käsittelylaitteiden toimintaan. Kuiva-35 ainepitoisuuden kasvu vaikuttaa haihduttamon lämmönkulutusta lisäävästi suuremman haihdutettavan vesimäärän vuoksi sekä myös haihdutinvalheiden likaantumisen ja mustalipeän ominaisuuksien muuttumisen seurauksena. Lisäksi mustalipeän

10 84 51 6 I

ominaisuuksien muuttuminen vaikuttaa sähkön kulutukseen. Lämmöntuoton lisääntyminen on kuitenkin paljon suurempi kuin haihdutukseen tarvittu lisälämpö.

5 Keksinnön mukaisen menetelmän lähtökohtana on siis tuottaa prosessilämpöä korkeintaan niin paljon kuin sulfaattiproses-si tarvitsee. Mikäli prosessin lämmönkulutus on pienempi kuin tuotettu lämpömäärä, injektoidaan ylimäärähöyry savukaasuihin. Jätelämpökattilan ja apukattilan tuottama 10 höyrymäärä voidaan suhteellisen yksinkertaisesti laskea, kun tunnetaan kattilan lämpötila-alueet sekä halutun tuorehöyryn lämpötila höyryn paineen perusteella.

Edellä mainitut parametrit huomioon ottaen voidaan määri-15 teliä tehtaan käyttämä lämpömäärä Ja sitä vastaava korkea-painehöyrymäärä. Tuotetun ja käytetyn korkeapainehöyrymäärän erotuksena saadaan injektiohöyrymäärä. Höyry- ja kaasutur-biinilla tuotetun sähkötehon perusteella voidaan määritellä sähkön tuoton hyötysuhde.

20 Höyryn injektointi kaasuturbiiniin menevään palamiskaasuun alentaa tämän lämpötilaa, joten kaasuturbiiniin tulevan kaasun lämpötilan pitäminen vakiona edellyttää ahtimen läpi ajettavan ilmamäärän kuristamista suhteessa höyry in j ek-25 tioon. Useissa kaasuturbiineissa on ahtimeen rakennettu säädettävä johtosiivistö, jonka avulla ahtimen tuotosta voidaan muuttaa. Taloudellinen säätöalue on melko kapea, 80 - 100 %. On kuitenkin voitu todeta, että keksinnön mukaisissa menetelmissä tämä säätöalue riittää hyvin.

30 Tarvittava säätöalue ulkoilman lämpötilavälillä - 20 eC-+ 20 °C on melko tarkasti edellä mainittu 80 - 100 %, kun tehtaan tuotanto on vakio. Pelkkää havupuumassaa tai pelkkäää koivumassaa ajavalla tehtaalla vaihtelu jää pieneksi, 86 - 100 %. Koivumassaa ajettaessa tehtaan 35 nimellistuotanto on kuitenkin n. 17 % suurempi kuin havupuu-massaa tuotettaessa suuremmasta massan saannosta johtuen.

Tämä ei kuitenkaan muuta ahtimen ilmavirran säätöaluetta miksikään, minimi ja maksimi vain muuttuvat. Samalla li 8451 6 tuotantoteholla eri puulajeilla ajettaessa pienin Ilmamäärä ahtimen läpi tarvitaan silloin, kun tuotetaan koivumassaa ja ulkoilman lämpötila on korkea (+20°C). Kun ajetaan koivumassalla edellä mainittua 17 % suurempaa tehoa, kasvaa 5 kompressorin minimi-ilmamäärä ja se saavutetaankin havupuu-massan ajossa ja silloin, kun ulkoilman lämpötila on korkea.

Käytännössä sellutehtaita ajetaan aina maksimiteholla, jos vain markkinatilanne sen sallii. Tällöin on asioita tarkas-10 teltava siltä pohjalta, että tehtaan tuotanto koivulla on suurempi kuin havupuulla. Saatu tulos osoittaa myös, että osakuorman ajossa esiintyy määrätyissä olosuhteissa lämmön tuoton ja kulutuksen tasapainotusvaikeuksia, kun ahtimen säätövara joudutaan täysillä tehoilla käyttämään kokonaan 15 puulajin ja ulkoilman lämpötllavaihtelun kompensoimiseen. Yhtä puulajia tuotettaessa tämä valkeus on huomattavasti pienempi erityisesti silloin, kun tehdas sijaitsee olosuhteissa, joissa el esiinny suuria vaihteluita ulkoilman lämpötilassa.

20

Keksintöä selostetaan seuraavassa lähemmin viittaamalla oheisiin piirustuksiin, joista kuvio 1 esittää kaaviomaisestl keksinnön mukaisen sulfaat-25 tisellutehtaan kombivoimalaitosprosessin, kuvio 2 esittää injektiohöyrymäärää ulkolämpötllan funktiona, 30 kuvio 3 esittää ahtimen läpi menevää ilmamäärää ulkolämpöti-lan funktiona ja kuvio 4 esittää sähkön tuoton hyötysuhdetta ulkolämpötllan funktiona.

Kuviossa 1 on esitetty prosessikaavio sulfaattisellutehtaa-seen kytketystä kombivoimalaitoksesta, jossa energiantuotanto tapahtuu keksinnön mukaisella menetelmällä. Mustallpeää 35 12 84516 1 kaasutetaan kaasuttimessa 10, josta kuumat kaasut johdetaan tuotekaasujäähdyttimlin 12 ja 14, kaasun jäähdyttämiseksi kaasunpuhdlstukseen sopivaan lämpötilaan. Jäähdyttimiltä kaasut johdetaan kaasunpuhdlstimeen 16, jossa kaasut 5 puhdistetaan kaasuturbilnin toimintaedellytysten kannalta riittävän puhtaiksi.

Puhdistetut kaasut johdetaan kaasuturbilnin polttokanunioon 18, jossa kaasut poltetaan kuuman, paineistetun pakokaasun 10 muodostamiseksi. Polttokammioon johdetaan paineistettua palamisilmaa ahtimesta 20 yhteen 22 kautta. Yhteellä 24 johdetaan ahtimesta ilmaa myös kaasuttimeen 10. Syötettävän ilman määrää voidaan säätää esim ahtimen siivistöä säätämällä. Polttokammioon tuleva ilmamäärä säädetään 15 prosessin muiden parametrien mukaan sellaiseksi, että kaasuturbiiniin tulevan pakokaasun lämpötila ja edullisesti myös massavlrta pysyvät lähes vakioina.

Polttokammion pakokaasut johdetaan yhteellä 26 kaasutur-20 bliniin 28, joka tuottaa sähköä generaattorilla 30. Ahdin 20 on sovitettu samalle akselille kaasuturbilnin kanssa siten, että kaasuturbiini tai sen osa käyttää myös ahdinta. Kaasuturbilnin pakokaasut johdetaan yhteellä 32 jätelära-pökattilaan 34, jossa kaasujen sisältämä lämpö otetaan 25 talteen tulistettuna korkeapainehöyrynä.

Jätelämpökattilan höyry/vesisysteemi käsittää seuraavat osat: - veden esilämmittimen 58, johon syöttövesi johdetaan, 30 - höyrystimen 56, - höyrylieriön 50 ja tulistimen 48.

Myös kaasuttimesta tulevan tuotekaasun jäähdytyksessä vapautuva lämpö siirretään linjoja 52 ja 54 pitkin edullisesti höyrypiiriin. Kuvan esimerkissä se käsittää syöttöve-35 den esilämmittimen 14 ja höyrystimen 12. Kattilaan tuleva syöttövesi jakaantuu siis kahteen osavirtaan, joista toinen ajetaan varsinaiseen jätelämpökattilaan ja toinen tuote-kaasun jäähdyttimeen. Höyrystimet 56 ja 12 on kaaviossa i3 8451 6 esitetty ns. pakkokierto- eli pumppukiertolämpöpintoina. Jätelämpökattilan tuottama tulistettu höyry johdetaan linjoja 46 ja 38 pitkin höyryturbiiniin 40, johon kytketty generaattori 42 tuottaa sähköä höyryn paisunnasssa vapautu-5 valla energialla.

Osa jätelämpökattilassa tuotetusta korkeapainehöyrystä johdetaan yhteillä 62 ja 64 kaasuturbiinin polttokammioon 18 Ja/tai yhteillä 62 ja 66 suoraan kaasuturbiiniin joh-10 tavaan yhteeseen 26. Venttiileillä 68 ja 70 voidaan höyryn syöttöä polttokammioon ja/tai kaasuturbiiniin säätää siten, että edullisesti koko systeemin ylijäämähöyry tulee käytettyä hyväksi injektiohöyrynä.

15 Kuvion 1 mukaisessa sovellutuksessa kombivoimalaan on yhdistetty kuoren, puunjätteen tai muun polttoaineen polttokattila 36 tai nk. apukattila, joka tuottaa korkea-painehöyryä. Apukattilasta saatava höyry yhdistetään jätelämpökattilasta tulevaan höyryyn ja johdetaan yhteen 20 38 kautta höyryturbiiniin 40. Generaattoreilla 30 ja 42 tuotettu sähkö yhdistetään yhteiseen verkkoon 44.

Höyryturbiiniin johtavassa yhteessä 38 olevalla venttiilillä 72 säädetään turbiinin menevä höyrymäärä sellaiseksi, että 25 kulloinenkin tehtaan lämmöntarve tulee tyydytetyksi ja että höyry-ylimäärä tulee käytettyä hyväksi sähköntuotannossa.

Kuvioissa 2 - 4 on esitetty injektiohöyrymäärän, ahtimen 30 läpi virtaavan ilmamäärän ja sähköntuoton hyötysuhteen riippuvuutta ulkoilman lämpötilasta. Kuviot osoittavat lisäksi painesuhteen ja puulajin vaikutuksen edellä mainittuihin höyry- ja ilmamääriin sekä hyötysuhteeseen. Laskenta-esimerkeissä on mustalipeän kuiva-ainepitoisuuden oletettu 35 olevan 75 % ja kaasun tulolämpötilan turbiiniin 1473 K.

Kuviossa 2 on esitetty taulukon 2 arvot injektiohöyrymäärän riippuvuudesta ulkoilman lämpötilasta. Injektiohöyrymäärän 1« 84516 ! muuttuminen on laskettu kahdelle eri painesuhteelle, 20 ja 30, sekä koivu- että mäntymassaa valmistavalle tehtaalle. Höyryntuotanto lisääntyy ulkolämpötilan kohotessa, mikä sulfaattisellutehtaassa merkitsee injektiohöyrymäärän 5 kasvamista.

puulaji lämpötila paine- inj.höyry K suhde 103 kg/tm 10 -------------------------------------------- mänty 253 20 0,8 mänty 273 20 1,2 mänty 293 20 1,7 koivu 253 20 0 15 koivu 273 20 0,45 koivu 293 20 0,9 mänty 253 30 0,5 mänty 273 30 0,9 mänty 293 30 1,3 20 koivu 253 30 0 koivu 273 30 0,3 koivu 293 30 0,65

Taulukko 2. Injektiohöyryn riippuvuus lämpötilasta.

25

Ahtimen läpi menevän ilmamäärän muuttuminen on tärkeä parametri prosessin toiminnan kannalta. Jos ilmamäärä muuttuu kovin paljon, ei ahtimen säätö onnistu johtosii-30 pisäädöllä. Kirjallisuuden mukaan taloudellinen johtosii-pisäätö on mahdollista, jos ilmamäärän muutokset ovat 80 - 100 %. Kaasuturbiinia voidaan todennäköisesti ajaa myös siinä tapauksessa, että ahtimen läpi menevää ilmamäärää ei höyryinjektion muuttuessa säädetä. Tällöin turbiiniin 35 menevän palamiskaasun lämpötila muuttuu ja höyryinjektion lisääntyessä nimenomaan laskee, jolloin myös sähköntuoton hyötysuhde huononee.

is 8451 6

Kuviossa 3 on esitetty taulukon 3 arvot ilmamäärän muuttumisesta sulfaattisellutehtaassa ulkolämpötilan ja puulajin ja painesuhteen mukaan. Kuviosta 3 nähdään ilmamäärän muutoksien ulkolämpötilan ja puulajin vaihdon yhteydessä 5 olevan alle 20 %.

puulaji lämpötila paine- ilmamäärä K suhde 103 kg/tm 10 ---------------------------------------- mänty 253 20 11,2 mänty 273 20 10,5 mänty 293 20 10 koivu 253 20 10,5 15 koivu 273 20 9,8 koivu 293 20 9 mänty 253 30 13,2 mänty 273 30 12,8 mänty 293 30 12,2 20 koivu 253 30 11,7 koivu 273 30 11,9 koivu 293 30 11,2

Taulukko 3. Ahtimeen syötettävän ilmamäärän 25 riippuvuus lämpötilasta.

Kuviossa 4 on esitetty taulukon 4 arvot injektiohöyryn vaikutuksesta kuorta polttavan koivusulfaattisellutehtaan 30 sähkön tuoton hyötysuhteeseen. Ulkolämpötilan kohoamisen seurauksena prosessin lämmöntarve pienenee, jolloin höyry-turbiinin läpi menevä massavirta pienenee ja höyryturbiinin tuottama sähköteho pienenee. Samalla kuitenkin kaasuturbii-nin tuottama sähköteho kasvaa, jos käytetään injektiohöyryä. 35 Ulkolämpötilan nousu aiheuttaa tuotekaasun lämpömäärän pienenemisen. Näiden seikkojen yhteisvaikutus käy ilmi kuviosta 4, joka kertoo sähkön tuoton hyötysuhteen pienenevän ulkolämpötilan kohotessa painesuhteesta ja puulajis- ie 8451 6 ! ta riippumatta. Tämä merkitsee sitä, että sama määrä höyryä tuottaa enemmän sähköä höyryturbiinissa kuin injektiohöyry kaasuturbiinissa. Mikäli injektiohöyryä ei käytetä hyödyksi, on sähkön tuoton hyötysuhteen lasku huomattavasti suurempi.

5 paine- höyryinj. lämpötila hyötysuhd. suhde K % 20 kyllä 253 31 10 20 kyllä 273 29,6 20 kyllä 293 29,4 20 ei 253 31 20 ei 273 29,5 20 ei 293 29,1 15 30 kyllä 253 29,2 30 kyllä 273 28,9 30 kyllä 293 28,6 30 ei 253 29,2 30 ei 273 28,5 20 30 ei 293 27,7

Taulukko 4. Injektiohöyryn vaikutus sähkön tuoton hyötysuhteeseen.

25 Painesuhteen kasvattaminen siten, että turbiiniin tulevan kaasun lämpötila ei muutu, johtaa siihen, että turbiinista jätelämpökattilaan poistuvan kaasun lämpötila laskee.

Tällöin myös saavutettavissa oleva höyryn tulistus pienenee ja kattila on edullisempi rakentaa pienemmälle höyryn 30 paineelle. Alentunut tulistus kuitenkin huonontaa höyrypii-rin sähkön tuoton hyötysuhdetta, mikä näkyy taulukon 4 numeroarvoista.

Mustalipeän kuiva-ainepitoisuuden vaikutus sähkön tuoton 35 hyötysuhteeseen on päinvastainen. Hyötysuhteen kasvu kuiva-ainepitoisuuden kasvaessa johtuu kaasun lämpöarvon suurenemisesta. Mustalipeän kuiva-ainepitoisuuden suureneminen merkitsee sulfaattisellutehtaassa injektiohöyrymäärän i7 8451 6 kasvamista ja ahtimen läpi menevän ilmamäärän pienenemistä tuotekaasun lämpöarvon kasvamisesta huolimatta. Kuiva-ainepitoisuuden nosto aiheuttaa myös höyryturbiinin läpi menevän massavirran kasvun prosessin lämmönkulutuksen 5 kasvaessa.

Mustalipeän kuiva-ainepitoisuuden nosto aiheuttaa savu-kaasuvirran suurenemisen, jolloin kaasuturbiinin sähkön tuotto kasvaa ja Jätelämpökattila tuottaa enemmän höyryä 10 eli myös höyryturbiinin sähköntuotanto kasvaa. Sähköyli-määrä siis kasvaa kuiva-ainepitoisuuden kasvaessa.

Keksinnön mukaisella voimalaitosprosessilla saavutetaan soodakattilaa parempi sähköntuoton hyötysuhde. Sähköä 15 riittää yleensä yli sulfaattisellutehtaan oman tarpeen. Lämmön suhteen sulfaattisellutehdas on edelleen omavarainen. Keksintö soveltuu erityisen hyvin käytettäväksi pohjoismaisissa olosuhteissa, joille on tyypillistä vuodenaikavaihtelut ja tehdasprosessien ajo vaihtelevillla puulajeilla.

20

Keksintöä ei ole tarkoitus rajoittaa kuviossa 1 esitettyyn suoritusmuotoon, vaan sitä voidaan muunnella ja soveltaa patenttivaatimusten määrittelemän keksinnöllisen ajatuksen puitteissa. Siten esim. kuorta ei välttämättä tarvitse 25 polttaa erillisessä apukattilassa. Kuivattu kuori voidaan myös kaasuttaa paineistetussa kaasuttimessa, minkä jälkeen tuotettu kaasu puhdistetaan ja tarvittaessa jäähdytetään ennen kuin se johdetaan kaasuturbiinin polttokammloon yhdessä mustalipeän kaasutuksessta saadun kaasun kanssa, 30 joko erikseen tai sekoitettuna siihen.

Kuori ja mustalipeä voidaan mahdollisesti myös kaasuttaa samassa laitteessa, mutta silloin kaasuttimessa muodostuneesta sulasta tai viherlipeästä on voitava erottaa sulfaat-35 tiprosessln kannalta haitalliset epäorgaaniset aineet.

Kaasuttamalla kuori paineessa voidaan edelleen nostaa sähköntuoton hyötysuhdetta, mutta tällöin on huolehdittava 18 8451 6 riittävästä lämmön tuotosta. Höyryinjektion käyttö lämmön-tuoton ja kulutuksen tasapainottamiseen on tietysti edelleen mahdollista. Kuoren paineellisen kaasutuksen integrointi paineelliseen mustalipeäprosessiin tulee hyvin mielenkiin-5 toiseksi, jos sellutehtaiden lämmönkulutusta kyetään tulevaisuudessa edelleen pienentämään.

Claims (10)

1. Menetelmä lämmön ja sähkön tuottamiseksi mustalipeän paineistetulla kaasutuksella sulfaattlsellutehtaassa 5 kombivoimalaitostekniikalla, jolloin - mustalipeää kaasutetaan paineenalalsena ahtimessa ahdetulla Ilmalla; - kaasutuksessa muodostuneet kaasut puhdistetaan; - puhdistetut kaasut poltetaan kaasuturbiinin polttokammios-10 sa ahtimessa ahdetulla ilmalla; - polttokammiossa syntyneet palamiskaasut paisutetaan kaasuturbiinissa sähkön tuottamiseksi; - kaasuturbiinista poistuvat kaasut johdetaan jätelämpökat-tilaan, jossa tuotetaan tulistettua korkeapainehöyryä; 15. höyryä paisutetaan höyryturbiinissa sähkön tuottamiseksi; Ja - höyryturbiinin poistohöyryä käytetään kattamaan sellutehtaan lämmöntarvetta; tunnettu siitä, että 20. säädettävä määrä injektiohöyryä johdetaan kaasuturblinlin; - höyryturbiinin läpi johdetaan eri olosuhteissa oleellisesti vain tehtaan lämmön kulutusta eli höyryturbiinin poisto-höyryn käyttöä vastaava höyrymäärä, ja - jätelämpökattilassa ja/tai apukattilassa muodostuva 25 höyry-ylimäärä muutetaan sähköksi syöttämällä se injek- tiohöyrynä kaasuturbiinin polttokammioon tai kaasutur-biiniin.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu 30 siitä, että ahtimen läpi ajettava ilmamäärä säädetään sellaiseksi, että se ylläpitää kaasuturbiinissa pääasiallisesti vakiolämpötilan eri suuruisista höyryinjektiomääris-tä huolimatta.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen mentelmä, tunnettu siitä, että höyryturbiinin läpi ajettava höyrymäärä ja ahtimen läpi ajettava ilmamäärä säädetään ulkoilman lämpötilan mukaan. 84516 , 20 <

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen mentelmä, tunnettu siltä, että höyryturbiinin läpi ajettava höyrymäärä ja ahtimen läpi ajettava ilmamäärä säädetään sellutehtaassa käytettä- 5 vän puuraaka-aineen mukaan.

5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen mentelmä, tunnettu siitä, että höyryturbiinin läpi ajettava höyrymäärä ja ahtimen läpi ajettava ilmamäärä säädetään mustalipeän kuiva-ainepi- 10 toisuuden mukaan.

6. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että korkeapainehöyryä tuotetaan myös apukattilassa, jossa poltetaan puujätettä, kuorta tai muuta apupolttoainet- 15 ta.

7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että jätelämpökattllassa ja apukattilassa tuotetut korkeapainehöyryt yhdistetään ennen niiden johtamista 20 höyryturbiiniin.

8. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että jätelämpökattllasta saatavaa höyryä käytetään inJ ektiohöyrynä. 25

9. Patenttivaatimuksen 8 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kaasuturbiiniin johdettavan injektiohöyryn määrä säädetään venttiileillä.

10. Laite lämmön ja sähkön tuottamiseksi sulfaattiselluteh-taassa kombivoimalaitoksessa, joka käsittää - kaasuttimen (10) mustalipeän paineistetuksi kaasuttamiseksi, - kaasun puhdistimen (16) tuotetun kaasun puhdistamiseksi, 35. kaasuturbiinin (18,28), joka käsittää polttokammion (18) ja turbiinin (28), kaasun polttamiseksi ja pakokaasun paisuttamiseksi, - ahtimen (20) ilman syöttämiseksi kaasuttimeen ja kaasu- 2i 8451 6 turbiinin polttokammioon, - generaattorin (30) sähkön tuottamiseksi kaasuturbiinilla, - jätelämpökattilan (34) turbiinin poistokaasun lämmön tal-teenottamiseksi ja korkeapainehöyryn tuottamiseksi, 5. höyryturbiinin (40) sähkön tuottamiseksi jätelämpökat-tilassa tuotetulla höyryllä, tunnettu siltä, että laite käsittää - yhteet (64,66) jätelämpökattilasta (34) ja/tai apukatti-lasta (36) saatavan korkepainehöyryn injektoimiseksi 10 kaasuturbiinin polttokammioon (18) tai sieltä tulevaan pakokaasuun (26), - säätöelimet (68,70) injektiohöyryn määrän säätämiseksi. 22 8451 6