FI87013C - Braenningsfoerfarande foer minskande av bildning av kvaeveoxider i samband med foerbraenning samt anordning foer tillaempande av foerfarandet - Google Patents

Description

1 87013

Polttomenetelmä typen oksidien muodostumisen vähentämiseksi palamisen yhteydessä sekä laitteisto menetelmän soveltamiseksi 5 Keksinnön kohteena on polttomenetelmä typen oksi dien muodostumisen vähentämiseksi palamisen yhteydessä, jossa menetelmässä polttaminen suoritetaan syöttämällä polttoaineen palamiseen tarvittava ilma tulipesään ainakin kahdessa vaiheessa siten, että ensimmäisessä vaiheessa il-10 maa syötetään polttoaineen suhteen alistökiömetrisesti, edullisesti ilmakertoimella 0,90-0,97, ja ainakin yhdessä vaiheessa ylistökiömetrisesti siten, että kokonaisilmaker-roin on yli yhden. Edelleen keksinnön kohteena on laitteisto menetelmän toteuttamiseksi, johon laitteistoon kuu-15 luvat ainakin ensimmäiset ja toiset ilmansyöttövälineet ilman syöttämiseksi kattilan tulipesään ainakin kahdessa vaiheessa.

Erilaisten polttoprosessien yhteydessä muodostuu aina typen oksideja ilmassa ja polttoaineessa olevan typen 20 muodostaessa hapen kanssa erilaisia yhdisteitä. Korkeissa lämpötiloissa muodostuu lähes yksinomaan typpioksidia (NO), joka lämpötilan laskiessa helposti muuttuu hapen läsnäollessa muiksi typpioksideiksi, tavallisesti typpidioksidiksi (NO2). Typen oksidit ovat luonnon kannalta 25 varsin haitallisia. Niitä muodostuu teollisuusprosesseissa sekä voimalaitoksissa ja muissa kattiloissa runsaasti ja ympäristön suojelun eräs tärkeimpiä tehtäviä on vähentää typpioksidien päästöjä ilmakehään.

Typen oksideja pyritään useilla eri tavoilla vähen-30 tämään muuttamalla niitä toiseen muotoon. Tällaisia menetelmiä ovat mm. erilaiset katalyyttien käyttöön perustuvat pelkistysmenetelmät ja erilaisten absorptioaineiden käyttö sekä rikin että typen oksidien absorboimiseksi samanaikaisesti eri tavoin. Eri menetelmien käytössä on yleensä eri-35 laisia vaikeasti ratkaistavia ongelmia, kuten esimerkiksi 2 87013 käyttökelpoisten katalyyttinä toimivien jalometallien kalleus ja saatavuus sekä absorptioaineiden huono absorboin-tikyky. Samoin laitteiden mitoitus näitä menetelmiä sovellettaessa tuottaa usein ongelmia mm. kattiloiden tehovaih-5 teluiden ja muiden seikkojen vuoksi.

Typen oksidien poistamisen sijaan on teknillisesti helpompaa pyrkiä estämään niiden muodostuminen jo poltto-vaiheessa. Tätä tarkoitusta varten on kehitetty erilaisia matalatyppioksidipolttimia, polttoa on yritetty suorittaa 10 paineistetussa olotilassa ja ilman syöttö kattilaan on vaiheistettu ennen tulistimia. Näillä menetelmillä ei kuitenkaan ole saavutettu kovinkaan hyviä tuloksia, koska typen oksidien erilaiset muodostumismahdollisuudet, reaktio-kinetiikka, kattiloiden toimintaolosuhteet ja niiden vaih-15 telu sekä monet muut seikat ovat käytännössä estäneet tehokkaasti toimivan menetelmän toteuttamisen. Edelleen typen oksidien poistoa on pyritty saamaan aikaan matalassa lämpötilassa toimivien kiertopatjauunien avulla, jolloin olosuhteet typen oksidien muodostamiselle ovat olleet epä-20 edulliset. Tästä on kuitenkin ollut seurauksena huono hyötysuhde ja samoin uunien kyky polttaa erilaisia polttoaineita on heikentynyt. Edellä kuvatut menetelmät ovat yleisesti tunnettuja, eikä niitä sen vuoksi selosteta tarkemmin (KTM/Energiaosaston julkaisu sarja D:140 Helsinki 25 1987).

Tämän keksinnön tarkoituksena on saada aikaan menetelmä, jolla typen oksidien muodostuminen polttovaiheessa voidaan saada mahdollisimman pieneksi ja jossa oksidien muodostuminen on koko ajan hallittavissa ja ohjattavissa 30 ilman edellä mainittuja menetelmien kalliita ja hankalasti hallittavia katalyytti- tai muita ratkaisuja. Keksinnölle on ominaista, että ensimmäisessä vaiheessa palamisen yhteydessä muodostuneet kaasut jäähdytetään palamisen aikana muodostuneesta, edullisesti mahdollisimman korkeasta läm-35 pötilasta matalampaan lämpötilaan ja että kaasuihin syöte- 3 87013 tään lisää ilmaa aikaisintaan niitä jäähdytettäessä siten, että olennaisesti koko tulipesässä kaasuihin syötetty ilmamäärä on kussakin kohdassa korkeintaan niin suuri, kuin kyseisessä kohdassa olevien kaasujen lämpötilassa ennalta 5 määrätyn typen oksidien pitoisuuden muodostuminen edellyttäisi .

Keksinnön olennaisena ajatuksena on, että ilman syöttäminen polttoprosessiin ohjataan niin, että typen oksidien muodostuminen tulipesän eri kohdissa vallitsevassa 10 lämpötilassa ja vastaavassa ilman ja polttoaineen suhteessa pysyy riittävän alhaisena, eli määrätyn pitoisuustason alapuolella, mikä saadaan vaiheistamalla poltto siten, että ensimäisessä vaiheessa ilmaa syötetään alistökiömetri-sesti antaen lämpötilan nousta hyötysuhteen parantamiseksi 15 niin korkeaksi kuin mahdollista ja jäähdyttämällä tämän jälkeen muodostuneet kaasut sellaiseen lämpötilaan, että syötettäessä toisessa vaiheessa ilmaa niin, että kokonais-ilmakerroin nousee vähintään arvoon yksi, typpioksidien pitoisuustaso kyseisessä lämpötilassa jää tarpeeksi alhai-20 seksi. Tällä tavalla saadaan ensimmäisessä polttovaiheessa syntymään mahdollisimman paljon lämpöenergiaa, joka jääh-dyttimen kautta voidaan siirtää hyötykäyttöön esim. sijoittamalla jäähdyttimeksi ensimmäinen tulistin, jonka jälkeen loppu lämpöenergia saadaan hyödynnetyksi syöttä-25 mällä tulistimen yhteydessä tai sen jälkeen lisää ilmaa, jolla lopullinen poltto sekä savukaasujen lisäjäähdytys saadaan aikaan. Keksinnön mukaisella menetelmällä voidaan typen oksidien pitoisuutta ohjata siten, että savukaasuissa olevien typen oksidien tasapainopitoisuus eli maksimi-30 pitoisuus koko ajan pysyy asetetun raja-arvon alapuolella ja samalla saadaan kattila toimimaan mahdollisimman hyvällä hyötysuhteella.

Edelleen keksinnön tavoitteena on saada aikaan laitteisto menetelmän toteuttamiseksi ja laitteistolle on 35 ominaista, että siihen kuuluu jäähdytin, edullisesti tu- 4 87013 listin, joka on asennettu kattilan tulipesään siinä olevassa kaasujen virtaussuunnassa ensimmäisten ilmansyöttö-välineiden jälkeen siten, että ensimmäisessä alistökiömet-risessä palamisvaiheessa muodostuneet kaasut joutuvat vir-5 taamaan jäähdyttimen läpi, ja, että toiset ilmansyöttövä-lineet on asennettu syöttämään lisäilmaa tulipesään kaasujen virtaussuunnassa aikaisintaan jäähdyttimen kohdalle.

Keksinnön mukaisen laitteiston olennainen idea on, että kattilan ensimmäinen tulistin sijoitetaan tulipesään 10 ensimmäisen polttovaiheen jälkeen ja viimeistään toiseen polttovaiheeseen niin, että tulistin erottaa alistökiömet-risessä olotilassa tapahtuvan polttovaiheen tilan muusta tulipesän tilasta, jolloin savukaasut virtaavat tulistimen läpi jäähtyen menetelmän mukaisesti haluttuun lämpötilaan 15 ja lisäilmaa syötetään tulistimeen tai sen jälkeen, jolloin savukaasut tämän ilmansyötön jälkeen ovat halutussa lämpötilassa. Koska tulistimen jäähdytysvaikutusta voidaan hallitusti ohjata, voidaan kaasujen lämpötilaa tulistimes-sa tai sen jälkeen säätää lisäilmansyötöllä ja tällöin 20 kattilan lämpötila voidaan pitää typpioksidien muodostumisen kinetiikan kannalta sopivana ilmakerrointa säätämällä ja typen oksidien muodostus pitää sallitulla tasolla tai sitä alempana.

Keksintöä kuvataan lähemmin oheisissa piirustuksis-25 sa, joissa kuvio 1 esittää keksinnön mukaisen menetelmän yhteydessä esiintyvän lämpötilan ja ilmakertoimen riippuvuuden toisistaan typpioksidien erääseen tasoon nähden sekä kaavamaisesti ilmakertoimen ja lämpötilan riippuvuuden 30 keksinnön mukaista menetelmää käytettäessä ja kuvio 2 esittää kaavamaisesti keksinnön mukaiseen menetelmään sovellettua laitteistoa.

Kuviossa 1 on piirretty käyrällä A kaavamaisesti tulipesässä vallitsevan lämpötilan sekä polttoaineen ja 35 ilman moolisuhteen eli ilmankertoimen riippuvuuden vaiku- 5 67013 tus typpimonoksidin muodostukseen 100 ppm NO-tasolla. Poltettaessa polttoaineita eri ilmakertoimilla, jotka ovat alle yhden, on todettu, että typpimonoksidin muodostuminen on vähäistä riippumatta lämpötilasta ja ilmakertoimesta, 5 jolloin esimerkiksi ilmakertoimella 0,99 savukaasujen maksimi typpimonoksidipitoisuus on lämpötila-alueella 700-1500°C noin 65 ppm ja ilmakertoimella 0,95 vastaavasti vain 10 ppm. Typpimonoksidin vähäinen pitoisuus perustuu siihen, että vähäisestä hapesta johtuen polttamisen yhtey-10 dessä muodostuu hiilimonoksidia ja vetyä, jotka pelkistävät mahdollisen typpioksidin suunnilleen seuraavien reaktioiden mukaan.

NO + CO --> 1/2 N2 + C02 NO + H2 --> 1/2 N2 + H20 15 Tällöin sinänsä tunnnetussa alistökiömetrisesti suoritetussa poltossa typpinomoksidipitoisuus saadaan pidetyksi vähäisenä ja ongelma muodostuu vasta, kun kattilaan syötetään lisäilmaa polttotapahtuman loppuun saattamiseksi. Tämä johtuu puolestaan siitä, että vähäinenkin ilman ylimää-20 rä aiheuttaa korkeassa lämpötilassa nopeasti typpimonoksidin muodostumista ympäristölle haitallisessa määrässä ja esimerkiksi lämpötilassa 1500°C ilmakertoimella 1,01 typpimonoksidin maksimipitoisuus on noin 400 ppm ja ilmakertoimella 1,05 noin 800 ppm.

25 On kuitenkin huomattu, että matalassa lämpötilassa suoritetussa poltossa typpimonoksidipitoisuus on varsin pieni riippumatta siitä, minkälainen käytännössä kyseeseen tuleva ilmekerroin mahdollisesti on (0,9-1,3). Esimerkiksi lämpötilassa 950°C on maksimi typpimonoksidipitoisuus noin 30 120 ppm, joka edellyttää suurta ilmakerrointa ja vastaa vasti 700°C on typpimonoksidiarvo vain 10 ppm.

Yllättäen on huomattu, että nämä periaatteet on yhdistettävissä saman polttolaitteen yhteydessä siten, että palamiseen tarvittava ilma syötetään ainakin kahdessa vai-35 heessa siten, että ensimmäisessä polttovaiheessa ilmaker- 6 87013 roin on alle yhden, edullisesti 0,90-0,97, jolloin saadaan korkeassa lämpötilassa tyypillisesti 1400°C:ssa vähäinen typpimonoksidimäärä, jonka jälkeen kaasut jäähdytetään matalaan lämpötilaan, 100 ppm pitoisuuden ollessa raja-arvo-5 na edullisesti alle 1050°C, jolloin ilmaa syötetään kaasuihin lisää joko jäähdyttämisen jälkeen tai samanaikaisesti jäähdyttämisprosessin kanssa, jolloin typpimonoksi-din muodostuminen pysyy koko ajan vähäisenä. Syöttämällä lisäilmaa kaasuihin siten, että kokonaisilmakertoimeksi 10 tulee yli 1,1 ja loppulämpötilaksi kokonaispalamisen jälkeen korkeintaan 950°C, saadaan koko poltto vaiheistetuksi siten, että typpimonoksidin muodostus pysyy aina vähäisenä, alle sallitun typpimonoksidin pitoisuustason. Kuviossa 1 on kaaviollisesti esitetty esimerkkinä typpimonoksidin 15 pitoisuuden 100 ppm kuvaaja A lämpötilan ja ilmakertoimen funktiona sekä keksinnön mukaisen menetelmän eri poltto-vaiheet siten, että typpimonoksidipitoisuus kaasuissa koko ajan säilyy mainitun kuvaajan esittämää arvoa pienempänä.

Kuviossa 2 on esitetty kaaviollisesti keksinnön mu-20 kaisen menetelmän toteuttamiseen soveltuva laitteisto, jossa on polttolaite kuten kattila 1 tai vastaava, johon kuuluu tulipesä 2. Tulipesään 2 syötetään polttoainetta 3 syöttölaitteella 4, joita sinänsä voi olla useitakin, ja samaan osaan tulipesää 2 primääri-ilmaa 5 ensimmäisillä 25 ilmansyöttövälineillä 6. Kun primääri-ilman suhde teoreettisesti täydelliseen palamiseen tarvittavaan ilmamäärään on alle yhden eli ilmakerroin on edullisesti 0,90-0,97, on tulipesän tässä osassa jatkuva vähäinen happivajaus, jolloin muodostuu hiilimonoksidia ja vetyä runsaasti. Nämä 30 estävät typpimonoksidin muodostumisen, tai mikäli sitä mahdollisesti muodostuu, pelkistävät sen välittömästi ty-peiksi. Koska palaminen kyseisessä tulipesän 2 osassa on lähes adiabaattista, nousee lämpötila varsin korkeaksi, esim. hiiltä tai öljyä käytettäessä yli 1400°C. Tulipesän 35 2 tässä osassa palamisessa muodostuneet kaasut johdetaan 7 87013 eteenpäin jäähdyttimeen eli edullisimmin tavanomaisesti konstruoituun tulistimeen 7, jossa kaasujen lämpötila laskee tulistimen 7 jäähdytysvaikutuksen vuoksi merkittävästi. Tulistimen 7 yhteydessä tai sen jälkeen kaasuihin li-5 sätään sekundääri-ilmaa 8 toisten ilmansyöttövälineiden 9 avulla siten, että kokonaisilmakertoimeksi tulee vähintään yksi. Mikäli sekundääri-ilma 8 syötetään vasta tulistimen 7 jälkeen, voi kaasujen lämpötila laskea tulistimessa aina noin arvoon 650°C, jolloin mahdollisesti savukaasujen si-10 sältämä rikkidioksidi pelkistyy ainakin osittain rikkivedyksi. Keksinnön olennaisen ajatuksen kannalta merkityksellistä kuitenkin on, että kaasujen lämpötila laskee niin alas että typpimonoksidin muodostuminen palamisen myöhemmässä vaiheessa ilmekertoimen noustessa ylistökiömetriseen 15 arvoon on kaikesta huolimatta vähäistä. Sekundääri-ilman 8 lisäys voi tapahtua myös tulistimen 7 yhteydessä, jolloin sekundääri-ilman määrä säädetään siten, että ilmakertoimen ollessa yksi tai hieman yli kaasujen lämpötila tulistimen jälkeen on 100 ppm pitoisuuden ollessa raja-arvona edulli-20 sesti alle 1050°C. Näitä vaiheita palamistapahtumassa kuvaavat kuviossa 1 ensinnäkin alistökiömetristä polttoa linja B-C, jäähdytystä ilman ilmansyöttöä linja C-D ja jäähdytystä sekundääri-ilmaa 8 syöttämällä viiva C-E. Syötettäessä sekundääri-ilma 8 vasta tulistimen 7 jälkeen, 25 nousee lämpötila-ja ilmakerroinkäyrä tyypillisesti linjaa D-E. Sekundääri-ilman 8 lisäyksen jälkeen kaasuihin lisätään edelleen tertiääri-ilmaa 10 kolmannella ilmansyöttö-välineellä 11, jolloin kokonaisilmakerroin nousee edullisesti yli arvon 1,1 ja samalla muodostuneiden savukaasujen 30 lopullinen lämpötila laskee linjan E-F mukaisesti siten, että se on tertiääri-ilmalisäyksen jälkeen korkeintaan 950°C. Tämän jälkeen savukaasut johdetaan tunnettuun tapaan tulistimiin 12, joita kuviossa 2 on kaaviollisesti esitetty yhdellä tulistimella, ja edelleen savukanavaan 35 13, joissa niiden lämpötila laskee linjan F-G mukaisesti.

8 87013

Sekundääri-ilma ja tertiääri-ilma voidaan syöttää tietenkin useammassa kuin kahdessa kohdassa tai ilmaa voidaan syöttää jäähdytyksen yhteydessä tai sen jälkeen pelkästään yhdessä kohdassa, jolloin ilman syöttö säädetään 5 niin, että lämpötila-ilmakerroin-nomogrammilla B-F kuviossa 1 esitettyä periaatetta noudatetaan.

Keksinnöllä saavutetaan se etu, että laitteisto voidaan rakentaa tunnettuja ja halpoja rakenneteknillisiä vaihtoehtoja käyttäen eikä tarvita kalliita katalyyttejä 10 tai painekammioita. Edelleen keksinnön mukainen menetelmä on helppo toteuttaa ja sitä on yksinkertaista ohjata soveltamalla menetelmän periaatteita ja sen mukaisesti suunniteltua laitetta tavanomaisen kattilatoiminnan ohjaamiseen liittyvin toimenpitein ja laitteistoin. Edelleen ha-15 luttu typpimonoksidin maksimiarvo on ennalta arvioitavissa ja polttoprosessia voidaan varsin tehokkaasti muunnella niin, että ennalta määrättyä raja-arvoa ei ylitetä. Savukaasujen loppulämpötilalla ei sinänsä ole ratkaisevaa merkitystä, kunhan lämpötila-ilmasuhde-tilanne vastaa halut-20 tua typpimonoksidipitoisuutta tai sitä pienempää arvoa. Lämpötilan ollessa n. 950°C tai hiukan matalampi, on kuitenkin saavutettu se etu, että rikin oksidien poisto savukaasuista on helppo toteuttaa tämän jälkeen tunnetuin menetelmin. Jäähdyttäminen voidaan suorittaa paitsi erilli-25 sellä jäähdyttimellä myös jollakin muulla menetelmällä, kuten termodynaamisella prosessilla.

Claims (6)

9 87013

1. Polttomenetelmä typen oksidien muodostumisen vähentämiseksi palamisen yhteydessä, jossa menetelmässä 5 polttaminen suoritetaan syöttämällä polttoaineen palamiseen tarvittava ilma tulipesään (2) ainakin kahdessa vaiheessa siten, että ensimmäisessä vaiheessa ilmaa syötetään polttoaineen suhteen alistökiömetrisesti, edullisesti il-makertoimella 0,90-0,97, ja ainakin yhdessä vaiheessa yli-10 stökiömetrisesti siten, että kokonaisilmakerroin on yli yhden, tunnettu siitä, että ensimmäisessä vaiheessa palamisen yhteydessä muodostuneet kaasut jäähdytetään palamisen aikana muodostuneesta, edullisesti mahdollisimman korkeasta lämpötilasta matalampaan lämpötilaan ja että 15 kaasuihin syötetään lisää ilmaa aikaisintaan niitä jäähdytettäessä siten, että olennaisesti koko tulipesässä (2) kaasuihin syötetty ilmamäärä on kussakin kohdassa korkeintaan niin suuri, kuin kyseisessä kohdassa olevien kaasujen lämpötilassa ennalta määrätyn typen oksidien pitoisuuden 20 muodostuminen edellyttäisi.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ainakin yhdessä vaiheessa kaasuihin syötetään lisää ilmaa ylistökiömetrisesti siten, että kokonaisilmakerroin on ainakin 1,1 ja että tämän jälkeen 25 muodostuneiden savukaasujen lämpötila on edullisesti korkeintaan 950°C.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ilmaa syötetään ainakin kolmessa vaiheessa siten, että toisessa vaiheessa ilmaa syötetään 30 olennaisesti samanaikaisesti kaasujen jäähdytyksen kanssa siten, että kokonaisilmakertoimeksi tulee korkeintaan yksi ja että loppu ilma syötetään kaasujen jäähdytyksen jälkeen .

4. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, t u n-35 n e t t u siitä, että ilma syötetään kahdessa vaiheessa 10 8701 3 siten, että toisessa vaiheessa ilma syötetään olennaisesti samanaikaisesti kaasujen jäähdytyksen kanssa.

5. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ilman syöttö en- 5 simmäisessä vaiheessa tulipesään tehdään siten, että kaasujen lämpötila on mahdollisimman lähellä niiden adia-baattista palamislämpötilaa.

6. Laitteisto patenttivaatimuksen 1 mukaisen menetelmän toteuttamiseksi, johon laitteistoon kuuluvat aina- 10 kin ensimmäiset ja toiset ilmansyöttövälineet (6, 9) ilman syöttämiseksi kattilan (1) tulipesään (2), tunnettu siitä, että siihen kuuluu jäähdytin, edullisesti tulistin (7), joka on asennettu kattilan (1) tulipesään (2) siinä olevassa kaasujen virtaussuunnassa ensimmäisten ilmansyöt-15 tövälineiden (6) jälkeen siten, että ensimmäisessä alistö-kiömetrisessä palamisvaiheessa muodostuneet kaasut joutuvat virtaamaan jäähdyttimen läpi, ja että toiset ilmansyöttövälineet (9) on asennettu syöttämään lisäilmaa tuli-pesään (2) kaasujen virtaussuunnassa aikaisintaan jäähdyt-20 timen (7) kohdalle. 11 8701 3