FI87949B - Foerfarande foer reducering av kvaeveoxider vid foerbraenning av olika braenslen - Google Patents

Description

87949

Menetelmä typen oksidien vähentämiseksi erilaisia polttoaineita poltettaessa Tämän keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä erilaisia polttoaineita poltettaessa syntyvien haitallisten typen oksidien vähentämiseksi

Typen oksidien syntyminen poltettaessa on tällä hetkellä vakava ongelma erilaisia polttoaineita käyttävissä polttolaitoksissa, kuten esimerkiksi voimalaitoksissa ja lämpölaitoksissa. Uusille laitoksille säädettävät enimmäispäästörajat ovat jo nykyisin tiukkoja ja niitä kiristetään nopeasti tulevaisuudessa.

Typen oksidien (N0X) määrää ilmaan pääsevissä savukaasuissa on pyritty vähentämään polttoteknisin keinoin, erilaisilla lisäaineruiskutuksilla sekä katalyyttisin keinoin. Erilaisia polttoteknisiä keinoja polton NOx-päästöjen vähentämiseksi ovat savukaasun kierrätys, vesi/höyryinjektio, kaksivaihe-poltto, low-NOx-polttimien käyttö ja polttoaineen syötön vaiheistus. Näiden menetelmien avulla päästään n. 5...50 % alhaisempiin päästöarvoihin. Esimerkiksi alkuperäiseltä 450 mg/MJ tasolta päästään tasolle 200...400 mg/MJ. Menetelmien kustannukset ovat 20...35 % katalyyttisten menetelmien kustannuksista. Typen oksideja vähentävinä lisäaineina käytetään yleisimmin ammoniakkia tai ureaa. Lisäaineistuksella saavutettu tulos saattaa olla polttoteknisiä keinoja tehokkaampi ja niitä voidaan tarvittaessa käyttää polttoteknisten keinojen yhteydessä. Injektiomenetelmät ovat toteutettuina kalliita, ne saattavat aiheuttaa korroosio-ongelmia kattilassa ja ainakin ureaa käytettäessä syntyy ilokaasua

Katalyyttisillä menetelmillä saadaan poistetuksi jopa Θ0 % NOx-yhdisteistä, joten alle 100 mg/MJ tason saavuttaminen on mahdollista. Näin alhaiseen päästötasoon pyrittäessä tämä tekniikka on usein edullisimmillaan yhdessä NQX-yhdisteitä 2 B7949 alentavan polttotekniikan kanssa. Katalyyttisten menetelmien investointi- ja käyttökustannukset ovat suuria.

Polttoteknisillä keinoilla saadaan vain rajallinen tulos, mikä merkitsee ettei uusissa ratkaisuissa pelkkä poltto-tekniikka ole enää riittävä sallittujen päästörajojen saavuttamiseksi. Polttoteknisiä keinoja tehokkaammat katalyyttiset menetelmät ovat erittäin kalliita, joten niiden käyttö lisää energian tuotantokustannuksia. Erilaiset injektiomene-telmät ovat osin suhteellisen tehottomia, aiheuttavat korroosiota ja injektion kasvaessa saattavat aiheuttaa ympäristössä hajuhaittoja.

Sinällään edullisista low-NOx-polttotekniikkaa tai polttoaineen vaiheistettua polttoa käytettäessä menetelmien tehokkuutta rajoittaa se, ettei riittävän jyrkkään ilman vaiheistukseen päästä vaarantamatta polttoaineen syttymistä riittävän lähellä poltinta, palamattomien ainesosien nousua savukaasuissa ja tuhkassa ja liekin stabiilisuutta. Palamattomien osuuden nousu alentaa hyötysuhdetta ja aiheuttaa ympäristöongelmia sekä vaikeuttaa tuhkan jatkokäyttöä. Liekin stabiilisuuden väheneminen aiheuttaa räjähdysvaaran takia laite- ja henkilöteknisiä turvallisuusriskejä.

Tämän keksinnön tarkoituksena on saada aikaan kiinteän, nestemäisen tai kaasumaisen polttoaineen NOx-emissioiden väheneminen poltettaessa tavanomaista low-NOx polttotekniikkaa tehokkaammin ja välttää näin kalliimpien, esim. katalyyttisten menetelmien käyttö.

Keksintö perustuu siihen, että polttoaine poltetaan erittäin voimakkaasti vaiheistettuna ja pakkosytytetään erittäin all-ilmaisena plasmatykin liekillä.

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

3 87949

Keksinnön avulla saavutetaan huomattavia etuja.

Plasmaliekkisytytyksen mahdollistaman voimakkaan vaiheistuksen avulla on mahdollista päästä polttoteknisin keinoin yhtä alhaisiin NOx-päästöarvoihin kuin nykyisellä katalyyttltek-niikalla. Tämä mahdollistaa sen, että nykyiset päästönormit voidaan alittaa halvoin polttoteknisin keinoin, jolloin päästään suuriin kustannussäästöihin uusissa laitoksissa ka-talyyttitekniikkaan verrattuna. Plasmaa käyttämällä on on mahdollista käyttää voimakkasti ali-ilmaisen polttoaineen pakkosytytystä ja erittäin voimakasta vaiheistusta, jolloin saavutetaan huomattavasti parempi NOx-reduktio kuin periteisellä vaihepolttotekniikalla. Keksinnön mukaisella menetelmällä on mahdollista päästä jopa 80% NOx-reduktioon.

Turvaamalla syttymisen liekin stabiilisuuden ja määräämällä liekin syttymiskohdan plasman käyttö mahdollistaa hyvän polttotuloksen saavuttamisen polttoteknisesti erittäin vaikeissa olosuhteissa ja luo hyvät mahdollisuudet polttoaineen loppuunpalamiselle. Käytettävissä oleva palotila saadaan käytetyksi mahdollisimman hyvin hyödyksi, koska polttoaineen syttymiskohta tulee lähelle poltinta, syttymisen paikka voidaan hallita ja paloaika saadaan riittävän pitkäksi.

Seuraavassa tarkastellaan keksintöä lähemmin oheisten piirustusten avulla.

Kuvio 1 esittää kaaviollisesti yhtä tämän menetelmän soveltamiseen sopivaa poltinta.

Kuvio 2 esittää koejärjestelyä keksinnön mukaisen menetelmän kokeilemiseksi.

Kuviossa 1 on esitetty kaaviollisesti plasmatykin 1 avulla toimiva poltin, jota voidaan käyttää tämän menetelmän soveltamiseen. Polttimen polttoaineena käytetään hiilipölyä. Polttimessa on plasmatykki l, polttoaineen syöttöyhde 2, en-..... simmäinen lisäilman syöttöyhde 3 ja toinen lisäilman syöt- 4 87949 töyhde 4. Polttoaineen syöttöyhde 2 ja ilmasyöttöyhteet 3 ja 4 liittyvät polttimeen sen pituusakseliin nähden poikittain, jolloin polttimeen syötettävä polttoaine ja paloilma joutuvat pyörivään liikkeeseen polttimen pituusakselin ympäri. Tämä poltin on vaihepoltin, jossa polttoaineen palamista säädetään eri vaiheissa 8, 9, 10 syötettävän ilman määrää muuttamalla. Ensimmäisessä polttovaiheessa polttimen käyttämä polttoaine johdetaan plasmatykin 1 eteen ensimmäiselle kaasutusvyöhykkeelle 8. Tässä vaiheessa polttoaineen mukana syötetään erittäin vähän ilmaa, syötettävän ilman määrä on 5 - 30 % tarvittavan kokonaispaloilman määrästä. Ilmakerroin on tässä kaasutusvaiheessa n. 0,05 - 0,3. Koska polttoaine sisältää vyöhykeellä 8 vain vähän ilmaa, polttoaine ei voi palaa tässä vaiheessa 8 täydellisesti. Plasmatykin l kuuma, suuren energiatiheyden omaava liekki kaasuttaa kuitenkin voimakkaasti polttoainetta, jolloin muodostuu hiilimonoksidia ja vetyä samanaikaisesti kuin plasmatykin 1 kuuma liekki pakkosytyttää osan polttoaineesta ja syntyneestä hiilimonoksidista. Palava hiilimonoksidi kaasuttaa edel- . . leen tehokkaasti käytettävää hiiltä. Lämpötila tässä vyö hykkeessä 8 on paikoittain 3500*C ja edullisimmin jopa yli ; — 4000 °C.

Osittain palava ja kaasutettu polttoaine virtaa eteenpäin polttimessa vyöhykkeelle 9 ja siihen syötetään seuraavaksi lisää ilmaa ensimmäisen lisäilmayhteen 3 kautta. Syötettävän ilman määrä on yhteensä edellisen vaiheen 8 ilman kanssa 5 - 50 % kokonailmamäärästä. Tässä vaiheessa 9 suuri osa polttoaineesta kaasuuntuu hiilimonoksidiksi ja polttoaineen sisältämä vesi hajoaa edellisen vaiheen 8 plasmallekin ja seuravien vaiheiden 8, 9 kuurouden vikutuksesta vedyksi ja hapeksi. Syntyvä runsaasti hiilimonoksidia ja vetyä sisältävä polttoaineseos sytytetään ja poltetaan lopullisesti vyöhykkeellä 10 johtamalla seokseen lisää ilmaa toisen lisäilmayhteen 4 kautta, jolloin kaasutettu polttoaine syttyy ilma/polttoaine suhteen kasvaessa riittävän suureksi.

5 87949

Vaihtoehtoisesti voidaan toisen lisäilmayhteen 3 kautta tuotavan ilman avulla kaasuttaa polttoainetta edelleen vyöhykkeellä 10, jolloin se sytytetään varsinaiseen paloti-laan, esimerkiksi voimalaitoksen kattilaan johdettavan pa-loilman avulla. Ensimmäisen 3 ja toisen 4 lisäilmayhteen kautta tuotavan primääri- ja sekundääri-ilman yhteismäärä on tällöin melko pieni, kumpaakin syötetään polttoaineeseen korkeintaan n. 10 % tarvittavasta kokonaisilmamäärästä, mutta edullisimmin vain n. 1 - 5 % kokonaisilmamäärästä. Loput tarvittavasta paloilmasta tuodaan käytettävään palotilaan, esimerkiksi kattilaan.

Edellä kuvatun kaltaisen vaihepolttotekniikan avulla voidaan vähentää huomattavasti poltettaessa syntyviä NOx päästöjä. Keksinnön mukaisen ja tunnettujen vaihepolttotekniikoiden suurin ero on siinä, että tämän keksinnön mukaisen polttomenetelmän avulla vaiheistus saadaan riittävän suureksi. Jotta typen oksidit pelkistyisivät tehokkaasti, on polttoaine pystyttävä kaasuttamaan tehokkaasti seoksena, joka sisältää riittävän vähän ilmaa. Tällöin kaikki seoksessa oleva happi yhtyy polttoaineeseen, eikä typpeen. Riittävän ali-ilmainen seos voidaan kaasuttaa tehokkaasti ainoastaan plasmatykin suuren energiatiheyden omaavan liekin avulla.

Typen oksidien väheneminen perustuu siihen, että liekin kuumissa osissa, erityisesti plasmatykin liekissä pidetään olosuhteet vaiheistuksen avulla voimakkaasti pelkistävinä. Tällöin kuumassa liekissä muodostuvat typen oksidit pelkistyvät molekylääriseksi typeksi. Samoin vaiheistuksen avulla pidetään lämpötilat muualla liekissä niin alhaisina, että typen oksideja ei synny. Koska plasmaliekki ei tarvitse polttoainetta tai paloilmaa, siinä ei ole oksidien muodostamiselle välttämätöntä happea ja voimakkaasti ali-ilmaisissa olosuhteissa mahdollisesti syntyvät typen oksidit pelkistyvät nopeasti. Plasmakaasuna voidaan käyttää myös typpeä NOx-pitoisuuksien oleellisesti kasvamatta, koska plasmaliekissä 6 87949 paloilmaan yhtymällä syntyvät typen oksidit pelkistyvät nopeasti polton ensimmäisissä ali-ilmaisissa vaiheissa. Plas-makaasuna voidaan käyttää myös muuta inerttiä kaasua kuin typpeä.

Keksinnön mukaista polttomenetelmää soveltamalla tutkittiin menetelmän avulla saavutettavia typpioksidipäästöarvoja. Kuvion 1 mukainen poltin oli yhdistetty koekattilaan 6 kuviossa 2 kuvatulla tavalla. Kuviossa 2 polttimen polttoaine-ja ilmayhteet on merkitty samoilla viitenumeroilla kuin kuviossa 1. Kattilaan 6 on sovitettu vielä näiden lisäksi kolmas ilman syöttöyhde 5, sekä savukaasupesuri 7. Tehtävien kokeiden tarkoituksena oli tutkia eri tekijöiden vaikutuksia NOx-päästöihin.

Tehtyjen koeajojen avulla tutkittiin seuravien seikkojen vaikutuksia polttimen savukaasujen N0X-tasoon.

Koeajo n:o Tutkittu muuttuja

Koesarja 1 1 NOx-päästöjen taso ilman vaiheistusta 2 plasmatykin tehon vaikutus, ei vaiheistusta 3 tulipesän lämpötilatason merkitys, ei vaiheistusta 4-7 tertiääri-ilman lisäyksen vaikutus

Koesarja 2 8 plasmatykin suojakaasuna typpi ilman sijasta 9 plasmatykin tehon vaikutus 10 plasmakaasuna argon typen sijasta 11 tertiääri-ilman lisäyksen vaikutus 12 - 15 ΝΟχ-taso kokeiden 8-11 mukaan määrätyissä optimioloissa 7 87949

Kokeiden ilma-asetukset ja saadut tulokset on esitetty taulukoissa 1-4.

θ 87 949

Taulukko 1

Koeajo Kesto Tx Vk Vx V2 V3 Vtot n:o (min) (C°) (%) (%) (%) (¾) (1/s) 1 10 1000 25 30 45 0 1280 2 12 1000 25 30 45 0 1280 3 20 850 25 30 45 0 1280 4 10 950 35 14 18 33 880 5 10 1000 26 10 14 50 880 6 15 1050 20 8 10 62 1560 7 7 1100 20 8 9 63 1580

Taulukko 2

Koeajo Kesto Tt Vk V3 V2 V3 Vt 01 n:o (min) (C°) (%) (%) (%) (%) (1/s) 8 58 1100 26 7 7 60 1390 9 18 1100 21 2 1 76 1710 10 20 1150 20 2 3 75 1710 11a1» 152> 1200 28 3 1 68 1250 11b 1150 22 2 1 75 1600 12 18 1200 25 2 1 72 1400 13 10 1200 28 3 1 68 1260 • -‘":14 13 1200 28 3 1 68 1260 . · : 15 10 1200 25 2 1 72 1400 11 Osassa 11a tertiääri-ilman määrä pienempi kuin osassa 11b 21 Koko koeajon 11 kestoaika : Tx Tulipesän etuosan lämpötila (hiilen syötön säädön asetusarvo)

Vk Kantoilman tilavuusvirta V3 Primääri-ilman tilavuusvirta v2 Sekundääri-ilman tilavuusvirta V3 Tertiääri-ilman tilavuusvirta

Vt0t Kokonaistilavuusvirta 9 87949

Taulukko 3

Koeajo C02 CO 02 N02 η · o ( % ) (mg/MJ) ( % ) (mg/M J) 1 16 5 2.9 415 2 16 2 2.9 410 3 16 74 2.8 390 4 16 46 3.1 260 5 16 51 2.5 135 6 16 43 2.7 85 7 17 39 1.8 70

Taulukko 4

Koeajo C02 CO 02 N02 n:o ( % ) (mg/MJ) ( % ) (mg/MJ) 8a1» 15 70 3.4 110 8b 16 75 2.9 107 9a2> 15 26 3.9 108 9b 16 23 3.5 90 10a3 > 15 25 3.1 78 10b 16 24 3.1 80 11a4» 17 38 1.1 63 lib 16 25 2.9 85 12 16 25 2.1 69 13 17 44 2.0 62 : .·. 14 17 58 1.2 57 ·*' : 15 17 44 1.0 58 11 Osassa 8a plasmatykin suojakaasuna ilma, osassa 8b typpi 21 Osassa 9a plasmateho suurempi kuin osassa 9b 31 Osassa 10a plasmakaasuna argon, osassa 10b typpi 41 Osassa 11a tertiääri-ilman määrä pienempi kuin osassa 11b ίο 87949

Oheisista taulukoista nähdään selvästi, että voimakkaalla vaiheistuksella NOx-päästöt pienenevät huomattavasti. Pienimpiin päästöarvoihin päästään, kun poltimeen syötetään polttoaineen kantokaasuna alle 30 % paloilmasta ja primääri-ja sekundääri-ilmana yhteensä n. 10 % paloilmasta.

Keksinnön mukaista‘polttomenetelmää voidaan käyttää hiilipö-lyn lisäksi muitakin kaasumaisia, nestemäisiä tai kiinteitä polttoaineita poltettaessa. Menetelmää voidaan soveltaa kaikenlaisiin polttolaitoksiin, kuten lämmityskattiloihin, kaa-suturbiinien polttokammioihin ja erilaisiin uuneihin käytettäväksi. Polttoaine ja ilma voidaan syöttää polttimeen sen akselin suuntaisesti. Ilman ja polttoaineen syöttöyhteitä voi olla useampia kuin tässä on esitetty.

Claims (7)

11 87949

1. Menetelmä kiinteää, nestemäistä tai kaasumaista polttoainetta poltettaessa syntyvien typen oksidien vähentämiseksi, jossa menetelmässä polttoaineen palaminen vaiheistetaan, tunnettu siitä, että . - polttoaine syötetään ensin voimakkaasti ali- ilmaisena pelkistävien olosuhteiden aikaansaamiseksi plasmatykin (1) jatkuvasti palavaan liekkiin ensimmäiselle kaasutusvyöhykkeelle (8), jossa polttoaine kaasutetaan ja se pakkosytytetään osittain, - osittain kaasuuntuneeseen polttoainevirtaan johdetaan lisäilmaa seuraavassa kaasutusvyöhyk-keessä (9) ainakin yhdessä vaiheessa polttoaineen edelleen kaasuttamiseksi ja polttamiseksi osittain, - kaasutettu polttoainevirta johdetaan varsinaiseen palamistilaan, esimerkiksi kattilaan, polt-timeen tai vastaavaan (6), jossa se poltetaan :Y: loppuun.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnet-t u siitä, että plasmatykin·(1) liekkiin johdetaan poltto-ainevirta, joka sisältää ilmaa korkeintaan 30 % koko poltet- -·.· tavan polttoainemäärän palaakseen tarvitseman ilman kokonaismäärästä. : 3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnet- t u siitä, että osittain kaasutettuun polttoainevirtaan johdetaan lisäilmaa määrä, joka yhdessä plasmatykin liekkiin johdetun ilman kanssa vastaa korkeintaan 50 % koko poltettavan polttoainemäärän palaakseen tarvitseman ilman kokonaismäärästä. 12 87949

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnet-t u siitä, että ilmakerroin plasmatykin (l) edessä ensimmäisellä sytytys- ja kaasutusvyöhykkeellä (8) pidetään välillä 0,05 - 0,3.

5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnet-t u siitä, että polttoaine syötetään plasmatykin (l) eteen ilmavirran avulla.

6. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnet-t u siitä, että paloilma johdetaan polttoainevirtaan neljässä vaiheessa: syötettävään polttoaineeseen sekoitettuna, primääri- ja sekundääri-ilmana polttoaineen kaasutusas-teen säätämiseksi ja lopuksi paloilmana polttoaineen lopulliseksi polttamiseksi.

7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen menetelmä, tunnet-t u siitä, että yli puolet palamisilmasta syötetään polttoaineeseen viimeisessä vaiheessa. i3 37949