FI84655B - Foerfarande och anordning foer foergasning eller foerbraenning av fast kolhaltigt material. - Google Patents

Description

84655

MENETELMÄ JA LAITE KIINTEÄN HIILIPITOISEN AINEEN KAASUTTAMISEKSI TAI POLTTAMISEKSI

FÖRFARANDE OCH ANORDNING FÖR FÖRGASNING ELLER FÖRBRÄNNING 5 AV FAST KOLHALTIGT MATERIAL

Keksintö kohdistuu menetelmään kiinteän hiilipitoisen aineen kaasuttamiseski tai polttamiseksi kiertomassatyyp-pisessä leijukerrosreaktorissa (circulating fluidized bed 10 reactor), jossa ylläpidetään niin korkea kaasunvirtaus-nopeus, että huomattava osa kiintoainespartikkeleista poistuu kaasun kuljettamana reaktorikammiosta, sen jälkeen sovitettuun partikkelierottimeen. Pääosa näistä kiintoainespartikkeleista eli kiertävä petimateriaali, erotetaan 15 partikkelierottimessa ja palautetaan reaktorikammioon ja kaasut johdetaan partikkelierottimesta edelleen kaasun-puhdistusvaiheeseen, jossa hienoa pölyä erotetaan kaasusta

Keksintö kohdistuu myös laitteeseen, jolla kiinteä hiili-20 pitoinen aine kaasutetaan» tai poltetaan, ja joka käsittää kiertomassatyyppisen leijukerrosreaktorin, johon on sovitettu reaktiokaromion jälkeen ainakin yksi kiertävän peti-materiaalin erotin ja johon on yhdistetty partikkelien pa-lautusputki, erotettujen partikkelien takaisin johtamisek-25 si reaktorikammioon, edullisesti sen alaosaan.

Kaasutettaessa hiilipitoista kiinteää polttoainetta on käytössä useita eri menetelmiä, joista tärkeimpiä ovat erilaiset leijukerrosperiaatteelle pohjautuvat kaasut-30 timet. Ongelmana kaikissa kaasutinratkaisuissa, kuten myös 2 84655 osaltaan leijukerroskaasuttimissa, on erittäin korkean hiilikonversion saavuttaminen. Tämä ongelma tulee korostetusti esiin, kun kaasutetaan huonosti reaktiivista polttoainetta kuten kivihiiltä. Myös korkean hiilikonver-5 sion aikaansaaminen hienojakoisella polttoaineella, kuten jyrsinturpeella, on vaikeaa.

Huono hiilikonversio johtuu periaatteessa leijukerros-kaasuttimien verrattain matalasta reaktiolämpötilasta, 10 jota rajoittaa polttoaineen tuhkan sulamislämpötila. Lisäämällä kaasutuksen reaktioaikaa eli palauttamalla karannut reagoimaton polttoaine takaisin reaktoriin, voidaan hiilikonversiota nostaa huomattavasti.

15 Kiertomassatyyppisessä leijukerroskaasuttimessa tai kattilassa on niin suuri ylöspäin suuntautuva kaasun virtaus-noppeus, että suuri määärä kiinteää petimateriaalia nousee tuote- tai savukaasujen mukana ulos reaktorista. Suurin osa tästä ulosvirtaavasta petimateriaalista erotetaan 20 erottimissa kaasusta ja palautetaan takaisin reaktoriin. Hienoin jae poistuu kaasun mukana. Reaktorissa muodostuu kiertäväksi massaksi tuhka, koksi sekä mahdollinen sisään syötetty muu kiinteä aine, kuten kalkki, joka toimii haluttujen reaktioiden aikaansaajana kuten rikin sitoja-25 na.

Kuitenkin normaalisti käytettyjen erottimien, kuten syklonien, erotuskyky on pienille partikkeleille rajallinen. Normaalisti kuumasyklonit voivat erottaa vain partikke-30 leita kokoluokkaan 50-100 pm, ja sitä hienommat jakeet pyrkivät karkaamaan pois kaasujen mukana. Koska kaasun mukana reaktorista poistuva reagoimaton polttoaine on pääasiassa koksia, josta haihtuvat (reaktiiviset) osat ovat jo poistuneet, se vaatisi palautettuna reaktoriin 35 pitemmän viiveajan reaktorissa kuin itse "tuore" polttoaine. Palautetun koksin hienon raekoon vuoksi palautettu hieno jae lentää kuitenkin välittömästi uudelleen ulos 3 84655 reaktorikammiosta, ja näin jää reaktioaika liian lyhyeksi sekä hiilikonversio alhaiseksi.

Koksin raekoko pienenee prosessin aikana jatkuvasti, jolloin pölypäästö syklonista kasvaa, mikä johtaa alhai-5 seen hiilikonversioon.

Käyttämällä uusia keraamisia suotimia voidaan kylläkin kaasuista erottaa pienetkin koksihiukkaset, mutta tällöin törmätään uusiin ongelmiin. Kiinteät polttoaineet sisältä-10 vät aina tuhkaa, joka puhdasta kaasua valmistettaessa on poistettava systeemistä. Tämä olisi tehtävä siten, ettei tuhkan mukana poistuisi suuria määriä reagoimatonta hiiltä pyrittäessä mahdollisimman korkeaan hiilikonversioon. Tuhkan raekokojakautuma on kuitenkin aina varsin laaja, ja 15 hieno tuhka pyrkiikin lentämään ulos reakorista hienon koksijäännöksen kanssa.

Korkean hiilikonversion saavuttaminen edellyttää siis seuraavan kaksijakoisen ongelman ratkaisemista: 20 1. Kaasuista on kyettävä erottamaan myös hienot pölyt ja palauttamaan ne takaisin reaktoriin.

2. Palautetun pölyn sisältämä hiili on saatava reagoi 25 maan ja tuhka erotettava systeemistä.

Ongelma on pyritty ratkaisemaan siinä kuitenkaan tyydyttävästi onnistumatta.

30 Myös kattilalaitoksissa, leijukerrospoltossa, lentotuhkaan pyrkii kulkeutumaan helposti palamatonta hiiltä, varsinkin niissä tapauksissa kun on käytössä huonosti reaktiivista polttoainetta, kattilalaitos on pienessä kuormassa tai kun kuormitus on suurimmillaan. Lentotuhka saattaa sisältää 35 yli 10 % hiiltä, jopa 20 %, mikä huonontaa kattilan hyötysuhdetta. On tunnettua, että lentotuhkan palauttaminen 4 84655 takaisin tulipesään antaisi pienemmän hiilipitoisuuden lentotuhkassa ja näin paremman hyötysuhteen kattilassa.

Lentotuhka on myös sinänsä ongelmallinen tuote. Esim. 5 USArssa ainoastaan 20 %:lle lentotuhkamäärästä on käyttöä rakennusteollisuudessa ja tienrakennuksessa. Loppuvaras-tointi aiheuttaa ongelmia voimalaitoksille. Lentotuhka on tilavuuspainoltaan varsin kevyttä ainetta, jolloin tuhkan poissijoittaminen vaatii varsin suuren tilan. Tämä on 10 muodostunut ongelmaksi tiheään asutuilla seuduilla. Lisäksi on huomioitava, että tuhka on varastoitava niin, että se ei joudu kosketuksiin pohjaveden kanssa. Lentotuhka ongelmaa on lisännyt viimeaikoina käyttöön tullut ammoniakin käyttö savukaasujen puhdistamiseksi. Ammoniakkikäsi-15 telty lentotuhka ei sovellu betoniteollisuuteen.

Koska polttolämpötilat leijukerroskattiloissa ovat selvästi alhaisemmat kuin esim. pölypolttokattiloissa, muodostuu tuhkan ominaisuudet tyystin toisiksi. Tällaisen 20 matalan lämpötilan polton tuhka ei ole stabiilia, vaan voi sopivissa olosuhteissa päästää ympäristöönsä kaasumaisia, nestemäisiä tai pölymäisiä päästöjä.

Suomalaisessa kuulutusjulkaisussa F1 66425 on esitetty 25 menetelmä ja laite ongelman ratkaisemiseksi. Tässä menetelmässä hienoin kaasusta erotettu pölymäinen aine johdetaan takaisin reaktorin alaosaan siten, että tähän samaan kohtaan reaktorissa johdetaan happipitoista kaasua niin, että tänne muodostuu korkean lämpötilan vyöhyke, jossa 30 hieno palautettu pölymäinen aine agglomeroituu leijuker-roksessa olevien rakeiden kanssa. Tässä menetelmässä esitetään parannus ns. U-gas Process-menetelmään.

Englantilaisessa patentissa GB 2065162 on esitetty mene-35 telmä ja laite, missä kaasusta erotettu hieno aines ohjataan leijukerroksen yläosaan, jossa hieno pöly agglome- 5 84655 roituu leijukerroksen sisältämiin partikkeleihin, kun ko. kohtaan reaktorissa johdetaan happipitoista kaasua.

Näissä molemmissa menetelmissä on selvästi ongelmana 5 prosessin hallinta. Molemmissa menetelmissä pyritään erotettu hieno aines agglomeroimaan leijukerrokseen, jolle on tunnusomaista erittäin hyvät lämmön- ja aineensiirto-ominaisuudet. Koska itse pääprosessille on ensiarvoisen tärkeää saada toimia sille optimaalisessa lämpötilassa, 10 häiriintyy pääprosessi helposti, kun agglomerointiin tarvittava lämpötila on toinen kuin pääprosessin tarvitsema lämpötila. Leijukerroksessa olevan hyvän lämmönsiirron vuoksi pyrkivät lämpötilat tasaantumaan, mistä seuraa uusia ongelmia. Ylimääräisen lämmön takia leijutukseen 15 joudutaan käyttämään eri kaasua kuin itse kaasutuksessa tarvittavaa happipitoista kaasua. Lisäksi, koska leijuker-ros sisältää raekooltaan hyvin erilaisia partikkeleita, on reaktorissa vaikea ohjata agglomeroitumista siten, että liian suurikokoisten tuhka agglomeraattien synty voitai-20 siin estää. Tahmea tuhka tarttuu niin suuriin kuin pieniinkin petipartikkeleihin, jolloin helposti syntyy liian suuria tuhka-agglomeraattja ja tuhkan poisto vaikeutuu tai estyy, ja kaasutusprosessi joudutaan keskeyttämään. Ag-glomerointi itse reaktorissa aiheuttaa lisäksi paikal-25 lista ylikuumenemista, jolloin muuraukset helposti kuluvat.

4

Amerikkalaisessa patentissa US 3847566 on esitetty ratkaisu, jossa pyritään korkeaan hiilihyötysuhteeseen polt-30 tamalla kaasuttimesta karkaava hienoaines erillisessä polttolaitteessa, jolloin poltosta vapautuvalla lämmöllä kuumennetaan leijukerrosreaktorista otettua karkeampaa hillipitoista massaa, joka kuumennuksen jälkeen palautetaan takaisin leijukerrosreaktoriin. Tällä tavalla kehite-35 tään siis kaasutuksen tarvitsema lämpö. Poltosta ja kaasutuksesta vapautuneet kaasut, savukaasu ja tuotekaasu, joudutaan poistamaan systeemistä kahdessa erillisessä 6 84655 prosessissa, joissa kummassakin on erillinen kaasunpuh-distuslaitteisto. Menetelmässä esitetyt ratkaisut johtavat siis varsin monimutkaisiin laiteratkaisuihin ja myös vaikeasti hallittavaan prosessiin.

5

Esitetyissä menetelmissä on siis ongelmana vaikeat proses-siolosuhteet, joissa em. agglomeroitumisolosuhteita joudutaan ohjaamaan. Tämä edellyttää kalliita materiaaleja ja j äähdytettyjä konstruktioita.

10 Tämän keksinnön tarkoituksena onkin esittää kaasuttamista! polttomenetelmä ja laite, joilla saavutetaan mahdollisimman korkea hiilenkonversio ilman edellä mainittuja prosessinhallintahaittoja tai monimutkaisia ja kalilta 15 laiteratkaisuja. Keksinnön tarkoituksena on mahdollisimman hyvin erottaa myös hienot hiilipitoiset pölyt tuote- tai savukaasusta ja palauttaa ne reaktoriin sellaisessa muodossa, että pölyn sisältämä hiili voidaan käyttää hyväksi ja tuhka erottaa prosessista.

20

Keksinnön mukainen kaasuttamismenetelmä on tunnettu siitä, että kaasunpuhdistusvaiheessa erotettua hienoa pölyä agglomeroidaan korotetussa lämpötilassa kiertävään peti-materiaaliin ennen kiintoainespartikkeleiden palauttamista 25 reaktorikammioon. Kaasusta erotetaan siis partikkeleita ainakin kahdessa vaiheessa. Ensimmäisessä vaiheeessa erotetaan pääasiallisesti karkeampia partikkeleita, jotka ainakin pääosaltaan palautetaan kiertomassana reaktoriin, ja toisessa vaiheessa erotetaan pääasiallisesti hienompaa 30 hiilipitoista pölyä, josta ainakin osa palautetaan korotetussa lämpötilassa kiertomassaan agglomeroituneena ja sekoittuneena leijukerrosreaktoriin.

Erotetun hienon pölyn lämpötila korotetaan yli 1000°C:een, 35 edullisesti 1000 - 1300°C:een, johtamalla pölyvirtaan happipitoista kaasua, jolloin ainakin osa hienosta pölystä muodostaa tahmeita pölypartikkeleita, jotka saatetaan 7 84655 agglomeroitumaan kiertäviin partikkeleihin ennen niiden palauttamista reaktorikammioon. Edullisesti saatetaan agglomeroidut partikkelit sekoittumaan tasaisesti kiertäviin partikkeleihin ennen niiden palauttamista reaktoriin.

5

Keksinnön mukainen kiertävä leijukerrosreaktori yllä mainitun menetelmän toteuttamiseksi on tunnettu siitä, että kiertävien partikkelien erottimen jälkeen on tuote-kaasuvirtaan sovitettu ainakin yksi hienon pölyn erotin, 10 josta johtaa hienon pölyn vlrtausputki agglomerointilait-teeseen, joka on sovitettu kiertävien partikkelien palau-tusputken yhteyteen.

Prosesseissa, joissa on sitä edullisempaa mitä korkeammas-15 sa lämpötilassa kaasu voidaan puhdistaa, tuotekaasusta pystytään erottamaan myös hienot pölyt käyttämällä useita peräkkäin kytkettyjä sykloneja, syklonipattereita tai korkean lämpötilan kestäviä suotimia tai muita vastaavia, jotka kykenevät erottamaan myös hienot hiukkaset.

20

Toisaalta esimerkiksi kombivoimala-prosessiin yhdistettynä on edullista käyttää tuotettu kuuma kaasu höyryn tulis-tamiseen ja puhdistaa tuotettu kaasu hienosta pölystä vasta kaasun saavutettua alemman lämpötilan, esim. 850 °C. 25 Tällöin myös kaasun puhdistus on helpommin toteutettavissa. Alemmassa lämpötilassa ei kaasussa enää esiinny haitallisessa määrin hienoja, vaikeasti erotettavia huuruja, jotka helposti tukkivat esim. keraamisten suodattimien huokoset. Kuumat huurut ovat lisäksi kemiallisesti erit-30 täin agressiivisia ja asettavat materiaaleille suuria vaatimuksia. Keksinnön mukainen menetelmä soveltuu siten erittäin hyvin kombivoimala-sovellutuksiin, koska polttoaineen hiilikonversio on suuri, tuotettu kaasu puhdasta ja kaasuturbiineihin soveltuvaa ja lisäksi pystytään 35 kokonaislämpötaloutta parantamaan tulistamalla höyry.

8 84655

Agglomeroinnilla kasvatetaan hienon pölyn raekokoa niin paljon, että pölyn viiveaika reaktorissa kasvaa Ja hiili-konversio paranee. Jos palautetun pölyn raekoko kasvatetaan riittävän suureksi voidaan tuhkapartikkelit poistaa 5 optimaalisessa vaiheessa reaktorista, jolloin tuhkarakeen sisältämä hiili on reagoinut lähes täydellisesti.

Agglomeroimalla pöly varsinaisen leijukerrosreaktorin ulkopuolella, jossa kiertävien suurimpien partikkelien 10 koko on huomattavasti pienempi kuin itse reaktorissa leijuvien suurimpien partikkelien koko, vältytään liian suurten partikkelien muodostumiselta, jotka saattaisivat poistua tuhkan mukana reaktorista hiilen ehtimättä reagoida täydellisesti.

15

Kaasutus kiertävässä leijukerrosreaktorissa eroaa eräiltä osin olennaisesti kaasutuksesta konventionaalisessa kuplivassa leijukerrosreaktorissa. Kiertävässä leijukerrosreaktorissa kaasun ylöspäin suuntautuva virtausnopeus on niin 20 suuri, tyypillisesti 2-10 m/s, että suuri määrä kiinteää petimateriaalia nousee kaasujen mukana rektorin yläosaan Ja ulos reaktorista, johon se palautetaan kaasunerotuksen jälkeen. Tässä reaktorissa tärkeät reaktiot kaasujen ja kiintoaineen välillä tapahtuvat koko reaktorin alueella 25 suspensiotiheyden ollessa 0,5-30 kg/kg kaasua, yleisimmin 2-10 kg/kg kaasua, reaktorin yläosassakin.

Kuplivassa leijukerroksessa, jossa kaasun virtausnopeudet ovat tyypillisesti 0,4-2 m/s ja suspensiotiheydet reak-30 torin yläosassa noin 10-100 kertaa pienempiä kuin kiertävässä leijukerrosreaktorissa, tapahtuvat kaasu/kiinteä aine reaktiot pääosin vain reaktorin alaosassa eli nk. petissä.

35 Keksinnön mukaisen menetelmän edut ovat mm. seuraavat: - Menetelmällä saavutetaan korkea hiilikonversioaste.

9 84655 - Hienon hiilen agglomeroiminen voidaan suorittaa hallitusti ilman, että prosessiolosuhteet kaasuttimessa tai kattilassa häiriintyvät.

- Käytettäessä ns. kiertävää leijukerrosperiaatetta voi-5 daan reaktoriosa rakentaa poikkileikkaukseltaan selvästi pienemmäksi kuin käytettäessä ns. kuplivaa leijukerros-reaktoria.

Pienemmän poikkileikkauksen ja parempien sekoitusolo-suhteiden ansiosta polttoaineen syöttö- ja tuhkanpois-10 tolaitteita tarvitaan oleellisesti vähemmän kuin ns. kuplivan petin tapauksessa.

-Polttoaineen sisältämän rikin sidonta halpaan kalkkiin voidaan suorittaa prosessissa.

-Kiintoaineen ja kaasujen väliset reaktiot tapahtuvat 15 koko reaktoriosan ja erottimen alueella.

-Esitetyt laitteet eivät vaadi kalliita erikoismateriaaleja.

-Koska eri prosessivaiheet suoritetaan eri laitteissa, on prosessin säätö mahdollista tehdä optimaalisesti 20 kokonaistuloksen kannalta.

- Saadaan inerttiä tuhkaa.

- Lentotuhkan varastointiongelmat vähenevät.

Seuraavassa selostetaan lähemmin keksintöä viitaten kuvioihin, jotka esittävät kahta keksinnön sovellutusmuotoa 25

Fig. 1 Kaaviokuva kaasutuslaitteesta.

Fig. 2 Kaaviokuva sulku- ja agglomerointi- laitteesta.

Fig. 3 Kaaviokuva kattilalaitoksesta.

30

Kuviossa 1 esitetyssä kaasutuslaitteessa on leijukerros-reaktorin 1 yläosaan yhdistetty partikkelierotin 2, jonka alaosasta johtaa kiertävien partikkelien palautusputki 3 reaktorin alaosaan. Tuotetun kaasun poistoputki 4 johtaa 35 erottimen yläosasta hienon pölyn erottimeen 5. Hienon pölyn erottimesta johtaa hienon pölyn putki 6 sulku- ja agglomerointilaitteeseen 7, joka on sovitettu kiertävien 10 84655 partikkelien palautusputken 3 yhteyteen. Leijukerrosreak-torin pohjaan on sovitettu leijutuskaasun jakolaite 8. Reaktoriin syötetään hiilipitoista kiinteää kaasutettavaa ainetta yhteen 9 kautta ja kalkkia tai muuta materiaalia, 5 jonka tarkoituksena on erottaa kaasutettavan aineen sisältämää rikkiä, yhteen 10 kautta. Keksinnön mukaisesti suurin osa reaktorista 1 tulevasta kiintoaineesta. Joka koostuu reagoimattomasta hiilestä, mahdollisesti reaktoriin yhteen 10 kautta syötetystä kiinteästä materiaalis-10 ta, kuten kalkista sekä polttoaineen sisältämästä tuhkasta, erotetaan erottimessa 2 kaasusta. Kuitenkin hienoin Jae, jonka osuus on tyypillisesti n. 0,1-2 % reaktorista tulevasta kiintoainevirrasta, joutuu erottimesta poistuvaan tuotekaasuvirtaan. Erotin 2 voi olla jotakin tun-15 nettua tyyppiä, kuten sisältä muurattu syklonierotin tai jokin muu vastaava kuuman kaasun erotin.

Reaktorissa 1 ja erottimessa 2 on tyypillisesti korkea lämpötila, 750-1100 °C. Rakeenteeltaan reaktori 1 ja 20 erotin 2 ovat edullisesti sisältä muurattuja rakenteita. Kuumat kaasut ja niiden sisältämä pieni pölymäärä johdetaan kanavaa 4 pitkin mahdolliseen lämmöntalteenottoyk-sikköön 11, joka samalla jäähdyttää kaasuja jonkin verran.

25 Lämmöntalteenottoyksikön jälkeen kaasut johdetaan hienon pölyn erottimeen 5, jossa kaasuista erotetaan kiintoaineet käytännössä likimain täydellisesti. Erotinlaite 5 voi olla Jotakin tunnettua tyyppiä kuten keraaminen tai muu suodin tai jokin korkean erotustehon omaava keskipakoiserotin. 30 Puhdas kaaasu viedään kanavaa 12 pitkin käyttökohteeseensa. Hieno pöly, joka on erotettu kaasusta erottimessa 5, viedään putkea 6 pitkin sulku-ja agglomerointilaitteeseen 7. Kun erottimessa 5 erotettu hieno, hiilipölyä sisältävä pöly on kuumaa, on edullista käyttää ns. polvirakennetta 35 13 (loop seal) pölyn syöttämiseksi laitteeseen 7 käyttämällä happipitoista kaasua, jota syötetään putken 14 kautta. Tällöin saadaan aikaan putkessa 6 kuljetettavan 11 84655 pölyn osittainen hapettuminen, joka nostaa kuljetettavan pölyn lämpötilaa. Jos pöly pyrkii lämpenemään liikaa, voidaan mukaan syöttää myös muuta kaasua putken 15 kautta. Edullisia kaasuja ovat vesihöyry tai hiilidioksidi. Tar-5 vittaessa voidaan pölyn kuljetus toteuttaa pelkästään inertillä kaasulla.

Erottimesta 2 tuleva suuri kiintoaineen massavirta, joka viedään putken 3 kautta sulku- ja agglomerointilaitteen 7 10 alaosaan, voidaan tarvittaessa jäähdyttää putkessa 3 olevalla jäähdyttimellä 16, jolloin saadaan talteen myös lämpöä. Kiertävä karkea partikkelivirta on syytä jäähdyttää, mikäli kuumennettava hieno pölyvirta on suuri suhteessa kiertävään partikkelivirtaan vaikuttaen siten 15 reaktoria kuumentavasti. Yleensä hieno pölyvirta on erittäin pieni suhteessa kiertopartikkelivirtaan eikä vaikuta reaktorin lämpötilaan.

Kuviossa 2 esitetty sulku- ja agglomerointilaite 7 koostuu 20 sylinterin muotoisesta astiasta 17, jossa on sisällä keskeisesti asetettu lämmönkestävä pystysuora putki 18, joka on yhteydessä reaktorin 1 alaosaan putken 3b välityksellä. Putkesta 3a tuleva suuri partikkelivirta johdetaan astian 17 ja sen sisällä olevan keskeisen putken 18 väli-25 seen tilaan 19. Tämän välitilan pohjalle johdetaan putkesta 3a tulevalle kiinteälle partikkelivirralle sopivaa fluidisointikaasua, joka voi olla happipitoista kaasua, jota syötetään putkesta 20, edullisesti puhalluselimillä, ja/tai, jos partikkelivirran lämpötila niin vaatii, muuta 30 kaasua, edullisesti vesihöyryä tai hiilidioksidia, putken 21 kautta.

Nyt muodostuu putken 18 ja astian 17 väliin fluidisoiva sulku-kerros, joka estää kaasujen virtauksen reaktorista 1 35 putkien 3b ja 3a kautta erottimelle 2 ja joka siirtää putkesta 3a tulevat partikkelit ylivirtauksena putkeen 18 ja siitä edelleen putkea 3b pitkin reaktoriin 1.

i2 84655

Putkea 6 pitkin tuleva hieno pöly puhalletaan keskeisesti astiaan 17 sijoitetun putken 18 yläpäähän, jonne myös puhalletaan happipitoista kaasua putken 22 kautta. Nyt 5 syntyy putkessa 18 liikkuvan pölyvirran keskelle kuuma > 1200 C:asteinen vyöhyke 23, jossa hienot tuhkapartikkelit osaltaan sulavat ja tarttuvat toisiinsa tai kiertäviin partikkeleihin muodostaen suurempia rakeita. Putken 18 seinämiä alaspäin valuva pölyvirta suojelee putken sisä-10 seinämiä pölyvirran keskellä olevilta tahmeilta partikkeleilta. Koska erottimesta 5 tuleva pölyvirta on yleensä oleellisesti pienempi kuin partikkelivirta erottimesta 2, voidaan hienon pölyn agglomeroituminen suureen partik-kelivirtaan ohjata hallitusti ilman, että itse kaasutus-15 prosessille reaktorissa aiheutetaan haittaa. Saapuessaan reaktoriin pöly- ja partikkelivirrat ovat sekoittuneet putkessa 3b ja lämpötilat tasoittuneet. Koska erottimesta 2 tulevien partikkeleiden raekoko on tunnettu (tyypillisesti 99 % alle 1 mm) ja samoin erottimesta 5 tuleva 20 pöly (tyypillisesti 99 % alle 0,1 mm), on helppo ohjata agglomeroitumista siten, että muodostuu suurempia, kokoluokaltaan alle 10 mm:n rakeita.

Putkesta 3b valuva materiaalivirta joutuu reaktorin 1 25 pohjalla olevan fluidisointikaasun jakolaitteen 8 päälle, jossa on happipitoinen atmosfääri. Täällä vähän reaktiiviset agglomeroituneet koksipartikkelit saavuttavat kasvaneen raekokonsa vuoksi riittävän viiveen reagoidakseen täydellisesti, jolloin tuhkanpoistoputken 24 kautta pois-30 tuvassa materiaalissa on erittäin vähän reagoimatonta hiiltä. Tuhkan poisto reaktorista säädellään laitteen 25 avulla, joka voi olla esim. ruuvikuljetin ja tuhka viedään tuhkankäsittelylaitteelle 26, joka voi olla jotakin tunnettua tyyppiä.

Happipitoinen kaasu johdetaan putkea 27 pitkin fluidisointikaasun jakolaitteen 8 alle, joka jakaa kaasun reakto- 35 13 84655 riin. Happipitoisen kaasun lisäksi fluidisointikaasuksi on edullista syöttää varsinkin kivihiilen kaasutuksessa vesihöyryä putken 28 kautta.

5 Kaasutettava kiinteä aine syötetään reaktoriin yhteestä 9 edullisesti siten, että syöttökohta sijaitsee reaktorin pohjalla olevan tiheämmään fluidisoivan kerroksen yläpuolella, jossa polttoaineen haihtuvat aineet osaltaan vapautuvat tuottaen korkean lämpöarvon omaavaa kaasua. Kiinteä 10 aine syötetään edullisesti tasolle, joka on 2-4 m reaktoriin syötettävän happipitoisen kaasun jakolaitteen yläpuolella.

Kuviossa 3 esitetyssä kattilalaitoksessa keksintöä on 15 sovellettu fossiilisia polttoaineita käyttävän kiertomas-satyyppisen leijukerroskattilan lentotuhkan käsittelyyn. Leijukerroskattilaan 1 on yhdistetty partikkelierotin 2 ja kiertomassan palautusputki 3. Kiertopartikkeleista puhdistetu kaasu johdetaan yhteen 4 kautta konvektio-osaan 20 11 ja edelleen kaasunpuhdistimelle 5, joka voi olla esim. sähkösuodin, letkusuodin, keraaminen filtteri, multisyk-looni tai jokin muu vastaava hienon pölyn erotin.

Hieno pöly johdetaan kaasunpuhdistimelta yhteen 6 kautta 25 kiertomassan palautusputkeen 3 sovitetulle agglomeroin-tilaitteelle 7. Agglomerointilaite toimii kuten edellä on selostettu. Happipitoisella kaasulla putkesta 22, edullisesti ilmalla, aikaansaadaan korotettu lämpötila, edullisesti 1000 - 1250°C, jossa ainakin osa lentotuhkasta sulaa 30 ja tarttuu kiinni kiertomassa partikkeleihin. Agglomeroin-tilaitteeseen voidaan tuoda lisäpolttoainetta putkesta 20, jos hienon pölyn sisältämä hiilipitoisuus ei riitä korotetun lämmön aikaansaamiseksi. Tämä lisäpolttoaine voi olla kattilassa poltettavaa polttoainetta. Joissakin sovel-35 lutuksissa voidaan jopa kaikki polttoaine kattilaan tuoda agglomerointilaitteen kautta ja happipitoisen kaasun määrällä säätää lämpötila agglomerointilaitteessa.

i4 84655

Koska hienon pölyn määrä on kiertomassavirtaa oleellisesti pienempi ja koska agglomerointilaitteessa voidaan korottaa pääasiallisesti vain hienon pölyn lämpötilaa, on mahdol-5 lista hallitusti ohjata pölyn palautusta ilman että itse polttoprosessille kattilassa aiheutetaan haittaa. Agglome-roimalla hieno pöly kiertopartikkeleihin kattilan ulkopuolella voidaan agglomerointilämpötila vapaasti valita tuhkan mukaan, vaikuttamatta haitallisesti prosessiin 10 kattilassa. Sitä vastoin kattilan lämpötilaa voidaan harvoin muunnella itse kattilassa tapahtuvalle agglome-roinnille sopivaksi vaikuttamatta haitallisesti polttopro-sessiin.

15 Sula lentotuhka jähmettyy sekoittuessaan kylmempään kier-tomassaan ja muodostaa kovia ja tiivitä kiertomassan raekokoa karkeampia partikkeleita, tyypillisesti 2-20 mm. Näin saadut karkeat tuhkarakeet joutuvat kiertomassan paluukierron mukana kattilan tulipesään, josta ne voidaan 20 erottaa normaalin pohjatuhkan mukana ulos tuhkanpoistoput-kesta 24.

Joissakin sovellutuksissa on edullista paineistaa kiertävä leijukerrosreaktori 1-50 bar:in kaasunpaineeseen, jolloin 25 pienikokoisella reaktorilla pystytään tuottamaan esim. kombivoimalaprosessiin soveltuvaa kaasua.

Keksintöä ei ole tarkoitus rajoittaa sovellutusesimerkkinä esitettyyn kaasuttimeen. Joissakin sovellutuksissa voi 30 olla edullista sovittaa reaktorin yhteyteen useita partik-kelierottimia rinnakkain tai sarjaan ja sovittaa agglome-rointilaite vain yhteen tai kaikkiin palautusputkiin. Samaten voidaan hieno pöly erottaa useissa erottimissa, jotka voivat olla erityyppisiäkin. Pölyn agglomerointi voi 35 tapahtua erillään palautusputkesta ja vain kiertävien partikkelien ja agglomeroidun pölyn sekoitus palautusputkes-sa. Myös palautusputken 3b alaosaan voidaan sovittaa 15 84655 tarvittaessa läirunöntalteenottolaitteita. Agglomeroituvien partikkeleiden tarttuminen palautusputken seinämiin voidaan myös estää johtamalla kaasuvirtoja putken seinämiä pitkin niin, että partikkelit jäähtyvät ennen kuin ne 5 koskettavat seinämiin.

Keksintöä voidaan tietenkin myös soveltaa sellaisissa kaasutusreaktoreissa, joissa ei käytetä happipitoista kaasua kaasutuksen aikaansaamiseksi, vaan polttoaineen 10 lämpötilaa nostetaan jollakin muulla tavalla.

Claims (8)

16 84655

1. Menetelmä kiinteän hiilipitoisen aineen kaasuttamiseksi 5 tai polttamiseksi kiertomassatyyppisessä leijukerrosreak- torissa, siten, että - reaktorikammiossa ylläpidetään niin korkea kaasunvir-tausnopeus, että huomattava osa kiintoainespartikkeleista poistuu kaasun kuljettamana reaktorikammiosta sen jälkeen 10 sovitettuun partikkelierottimeen, - pääosa näistä kiintoainespartikkeleista eli kiertävä petimateriaali erotetaan partikkelierottimessa ja palautetaan reaktorikammioon ja että - kaasut johdetaan partikkelierottimesta edelleen kaasun-15 puhdistusvaiheeseen, jossa hienoa pölyä erotetaan kaasuista, tunnettu siitä, että kaasunpuhdistusvaiheessa erotettua hienoa pölyä agglome-roidaan korotetussa lämpötilassa kiertävään petimateriaa-liin ennen kiintoainespartikkeleiden palauttamista reak-20 torikammioon.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että hienon pölyn lämpötila korotetaan agglomeroin-nin vaatimalle tasolle johtamalla pölyvirtaan happipitois- 25 ta kaasua, pölyvirran sisältämän palamattoman hiilen polttamiseksi.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että hienon pölyn lämpötila korotetaan agglomeroin- 30 nin vaatimalle tasolle johtamalla pölyvirtaan happipitois-ta kaasua ja polttoainetta, jolloin polttoaineen palaminen luovuttaa lämpöä agglomerointia varten.

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen menetelmä, tunnettu 35 siitä, että pölyvirtaan johdetaan sitä hiilipitoista ainetta, jota kaasutetaan tai poltetaan leijukerrosreakto-rissa. 17 84655

5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että hienon pölyn lämpötila korotetaan agglomeroin-tia varten yli l000°C:een. 5

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että hienon pölyn lämpötila korotetaan agglomeroin-tia varten 1000 - 1300°C:een.

7. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kuumat agglomeroituvat pölypartikkelit ohjataan kiertävän petimateriaalin palautusputken keskustaan ja kiertävät petimateriaalipartikkelit ohjataan kulkemaan palautusputken seinämiä pitkin, jolloin petimateriaalipar-15 tikkelit estävät pölypartikkelien tarttumisen palautusputken seinämiin.

8. Laite kiinteän hiilipitoisen aineen kaasuttamiseksi tai polttamiseksi kiertomassatyyppisessä leijukerrosreak-20 torissa, Johon on sovitettu - reaktorikammion jälkeen ainakin yksi kiertävien petima-teriaalipartikkelien erotin (2) johon on yhdistetty partikkelien palautusputki (3), erotettujen partikkelien takaisinjohtamiseksi reaktorikammioon, edullisesti sen 25 alaosaan ja kaasunpoistoaukko kaasun poisjohtamiseksi erottimesta, ja - erottimen (2) jälkeen kaasuvirtaan ainakin yksi hienon pölyn erotin (5), tunnettu siitä, että hienon pölyn erottimesta (5) johtaa hienon pölyn virtaus-30 putki (6) agglomerointilaitteeseen (7), joka on sovitettu partikkelien palautusputken (3) yhteyteen, ja että agglo-merointilaite (7) käsittää: - suljetun astian (17), - siihen keskeisesti matkan päähän astian yläosasta sovi-35 tetun pystysuoran avoimen putken (18), joka alaosastaan on yhteydessä leijukerrosreaktoriin (1) johtavan partikkelien palautusputken (3) alaosaan (3b), ie 84655 - astian seinämien (17) ja pystysuoran putken (18) väliin muodostetun sylinterimäisen tilan (19), joka on yhteydessä partikkelierottimesta (2) tulevaan partikkelien palautus-putken yläosaan (3a), 5. sylinterimäisen tilan alaosaan sovitetut kaasun tuloput-ket (20,21) kiertävien partikkeleiden kuljettamiseksi sylinterimäisestä tilasta pystysuoran putken yläreunojen yli putken sisään ja sitä kautta leijukerrosreaktoriin johtavaan palautusputkeen (3b), ja 10 - astian yläosaan pystysuoran putken keskikohdan yläpuolelle sovitetun hienon pölyn tuloputken (6) ja sen yhteyteen sovitetun happipitoisen kaasun tuloputken (22). i9 84655