FI89074C - Foerfarande och anordning foer foergasning eller foerbraenning av fast kolhaltigt material - Google Patents

Description

1 89074

MENETELMÄ JA LAITE KIINTEÄN HIILIPITOISEN AINEEN KAASUTTAMISEKSI TAI POLTTAMISEKSI

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

Esillä oleva keksintö kohdistuu menetelmään hiilipitoisen aineen kaasuttamiseksi tai polttamiseksi lei jupetireaktoris-sa, jonka reaktorikammiosta poltossa tai kaasutuksessa syntyneet kaasut johdetaan yhteen tai useampaan kaasunpuh-10 distusvaiheeseen, jossa kaasuista erotetaan tuhkaa ja jäännöshiiltä sisältävä hieno pöly, minkä jälkeen erotettu hieno pöly johdetaan tuhkankuumennuskammioon, jossa ainakin osa hienon pölyn sisältämästä tuhkasta saatetaan sulamaan korotetussa lämpötilassa happipitoisen kaasun läsnäollessa 15 ja josta sulaa tuhkaa sisältävä hieno pöly johdetaan edelleen palautuskanavan kautta reaktorikammioon.

Keksintö kohdistuu myös laitteeseen kiinteän hiilipitoisen aineen kaasuttamiseksi tai polttamiseksi lei jupetireaktoris-20 sa, joka käsittää - reaktorikammion ja siihen yhdistetyn hiilipitoisen aineen tulokanavan, leijutuskaasun syöttöelimet ja kaasunpois-tokanavan, - hiukkaserottimen hienon pölyn erottamiseksi reaktorikam- - 25 miosta poistuvista kaasuista, - tuhkankuumennuskammion, siihen johdetun hiukkaserot-timessa erotetun hienon pölyn sisältämän tuhkan sulat-tamiseksi ja - palautuskanavan hienon pölyn palauttamiseksi tuhkankuumen-30 nuskammiosta reaktorikammioon.

Keksintö soveltuu erikoisesti käytettäväksi kiinteän hiilipitoisen aineen kaasuttamiseksi tai polttamiseksi kiertolei jupetireaktoreissa, joissa ylläpidetään niin 35 korkea kaasunvirtausnopeus, että huomattava osa kiintoaines-partikkeleista poistuu kaasun kuljettamana reaktorikammiosta, ja joihin on sovitettu partikkelierotin erottamaan pääosa näistä kiintoainespartikkeleista eli kiertävä 2 89074 petimateriaali ja palautusputki palauttamaan näin erotetut kiintoainespartikkelit reaktorikammioon. Partikkelierotti-mesta kaasut johdetaan edelleen toiseen kaasunpuhdistus-vaiheeseen, jossa hienoa pölyä, tuhkaa ja palamatonta 5 hiiltä, joita partikkelierotin ei pysty erottamaan, erotetaan kaasusta.

Kaasutettaessa hiilipitoista kiinteää polttoainetta on käytössä useita eri menetelmiä, joista tärkeimpiä ovat 10 erilaiset leijukerrosperiaatteelle pohjautuvat kaasut- timet. Ongelmana kaikissa kaasutinratkaisuissa, kuten myös osaltaan leijukerroskaasuttimissa, on erittäin korkean hiilikonversion saavuttaminen. Tämä ongelma tulee korostetusti esiin, kun kaasutetaan huonosti reaktiivista 15 polttoainetta kuten kivihiiltä. Myös korkean hiilikonversion aikaansaaminen hienojakoisella polttoaineella, kuten jyrsinturpeella, on vaikeaa.

Huono hiilikonversio johtuu periaatteessa leijukerros-20 kaasuttimien verrattain matalasta reaktiolämpötilasta, jota rajoittaa polttoaineen tuhkan sulamislämpötila. Lisäämällä kaasutuksen reaktioaikaa eli palauttamalla karannut reagoimaton polttoaine takaisin reaktoriin, voidaan hiilikonversiota nostaa huomattavasti.

25

Kiertoleijupetikaasuttimessa tai -kattilassa on niin suuri ylöspäin suuntautuva kaasun virtausnopeus, että suuri määrä kiinteää petimateriaalia nousee tuote- tai savukaasujen mukana ulos reaktorista. Suurin osa tästä ulosvir-30 taavasta petimateriaalista erotetaan 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 35 aikaansaajana kuten rikin sitojana.

Kuitenkin normaalisti kiertoleijupetireaktoreissa käytettyjen erottimien, kuten syklonien, erotuskyky on pienille 3 69074 partikkeleille rajallinen. Normaalisti kuumasyklonit voivat erottaa vain partikkeleita kokoluokkaan 50-100 pm, ja sitä hienommat jakeet pyrkivät karkaamaan pois kaasujen mukana. Koska kaasun mukana reaktorista poistuva rea-5 goimaton polttoaine on pääasiassa koksia, josta haihtuvat (reaktiiviset) osat ovat jo poistuneet, se vaatisi palautettuna reaktoriin pitemmän viiveajan reaktorissa kuin itse "tuore" polttoaine. Palautetun koksin hienon raekoon vuoksi palautettu hieno jae lentää kuitenkin välittömästi 10 uudelleen ulos reaktorikammiosta, ja näin jää reaktioaika liian lyhyeksi sekä hiilikonversio alhaiseksi. Koksin raekoko pienenee prosessin aikana jatkuvasti, jolloin pölypäästö syklonista kasvaa, mikä johtaa alhaiseen hii-likonversioon.

15 Käyttämällä uusia keraamisia suotimia voidaan kylläkin kaasuista erottaa pienetkin koksihiukkaset, mutta tällöin törmätään uusiin ongelmiin. Kiinteät polttoaineet sisältävät aina tuhkaa, joka puhdasta kaasua valmistettaessa 20 on poistettava systeemistä. Tämä olisi tehtävä siten, ettei tuhkan mukana poistuisi suuria määriä reagoimatonta hiiltä pyrittäessä mahdollisimman korkeaan hiilikonver-sioon. Tuhkan raekokojakautuma on kuitenkin aina varsin laaja, ja hieno tuhka pyrkiikin lentämään ulos reaktoris-25 ta hienon koksijäännöksen kanssa.

Korkean hiilikonversion saavuttaminen edellyttää siis seuraavan kaksijakoisen ongelman ratkaisemista: 30 1. Kaasuista on kyettävä erottamaan myös hienot pölyt ja palauttamaan ne takaisin reaktoriin.

2. Palautetun pölyn sisältämä hiili on saatava reagoimaan ja tuhka erotettava systeemistä.

Ongelma on pyritty ratkaisemaan siinä kuitenkaan tyydyttävästi onnistumatta.

35 ‘ 89074

Myös kattilalaitoksissa, leijukerrospoltossa, lentotuhkaan pyrkii kulkeutumaan helposti palamatonta hiiltä, varsinkin silloin kun käytetään heikosti reaktiivista polttoainetta tai silloin kun kattilalaitosta ajetaan pienellä kuormalla 5 tai kun kuormitus on suurimmillaan. Lentotuhka saattaa sisältää yli 10 % hiiltä, jopa 20 %, mikä huonontaa kattilan hyötysuhdetta. On tunnettua, että lentotuhkan palauttaminen takaisin tulipesään antaisi pienemmän hiilipitoisuuden lentotuhkassa ja näin paremman hyötysuhteen kattilassa.

10

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

Koska polttolämpötilat leijukerroskattiloissa ovat sel-25 västi alhaisemmat kuin esim. pölypolttokattiloissa, muodostuvat tuhkan ominaisuudet tyystin toisiksi. Tällaisen matalan lämpötilan polton tuhka ei ole stabiilia, vaan voi sopivissa olosuhteissa päästää ympäristöönsä kaasumaisia, nestemäisiä tai pölymäisiä päästöjä.

30

Amerikkalaisessa patenttijulkaisussa US 4,315,758 on esitetty menetelmä ja laite ongelman ratkaisemiseksi. Tässä menetelmässä hienoin kaasusta erotettu pölymäinen aine johdetaan takaisin reaktorin alaosaan siten, että 35 tähän samaan kohtaan reaktorissa johdetaan happipitoista kaasua niin, että sinne muodostuu korkean lämpötilan vyöhyke, jossa hieno, palautettu pölymäinen aine agglomeroi- s Ö9074 tuu leijukerroksessa olevien rakeiden kanssa. Tässä menetelmässä esitetään parannus ns. U-gas Process menetelmään.

Englantilaisessa patentissa 6B 2065162 on esitetty mene-5 telmä ja laite, missä kaasusta erotettu hieno aines ohjataan leijukerroksen yläosaan, jossa hieno pöly agglome-roituu leijukerroksen sisältämiin partikkeleihin, kun ko. kohtaan reaktorissa johdetaan happipitoista kaasua.

10 Näissä molemmissa menetelmissä on selvästi ongelmana prosessin hallinta. Molemmissa menetelmissä pyritään erotettu hieno aines agglomeroimaan leijukerrokseen, jolle on tunnusomaista erittäin hyvät lämmön- ja aineensiirto-ominaisuudet. Koska itse pääprosessille on ensiarvoisen 15 tärkeää saada toimia sille optimaalisessa lämpötilassa, häiriintyy pääprosessi helposti, kun agglomerointiin tarvittava lämpötila reaktorikammiossa on toinen kuin pääprosessin tarvitsema lämpötila. Leijukerroksessa olevan hyvän lämmönsiirron vuoksi pyrkivät lämpötilat tasaantu-20 maan, mistä seuraa uusia ongelmia. Toisaalta lämpötila leijukerroksessa pyrkii agglomerointikohdassa laskemaan alle optimaalisen agglomerointilämpötilan, toisaalta koko leijukerroksen lämpötila pyrkii nousemaan yli pääprosessin optimaalisen lämpötilan.

25

Koska leijukerros sisältää raekooltaan hyvin erilaisia partikkeleita, on reaktorissa lisäksi vaikea ohjata agg-lomeroitumista siten, että liian suurikokoisten tuhka-agglomeraattien synty voitaisiin estää. Tahmea tuhka 30 tarttuu niin suuriin kuin pieniinkin petipartikkeleihin, jolloin helposti syntyy liian suuria tuhka-agglomeraatteja ja tuhkan poisto vaikeutuu tai estyy, ja kaasutusprosessi joudutaan keskeyttämään. Agglomerointi itse reaktorissa aiheuttaa lisäksi paikallista ylikuumenemista, jolloin muu-35 raukset helposti kuluvat.

Amerikkalaisessa patentissa US 3847566 on esitetty ratkaisu, jossa pyritään korkeaan hiilihyötysuhteeseen polt- 6 89074 tamalla kaasuttimesta karkaava hienoaines erillisessä polttolaitteessa, jossa poltosta vapautuvalla lämmöllä kuumennetaan leijukerrosreaktorista siihen johdettua karkeampaa hiilipitoista massaa, joka kuumennuksen jälkeen 5 palautetaan takaisin leijukerrosreaktoriin. Tällä tavalla kuumentamalla petimateriaalia leijukerroksen ulkopuolella kehitetään kaasutuksen tarvitsema lämpö. Poltosta ja kaasutuksesta vapautuneet kaasut, savukaasu ja tuotekaasu, joudutaan poistamaan systeemistä kahdessa erillisessä 10 prosessissa, joissa kummassakin on erillinen kaasunpuh-distuslaitteisto. Menetelmässä esitetyt ratkaisut johtavat siis varsin monimutkaisiin laiteratkaisuihin ja myös vaikeasti hallittavaan prosessiin.

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

20 Eräs tapa parantaa hiilikonversiota ilman edellä mainittuja haittoja on esitetty amerikkalaisessa patenttijulkaisussa US 4,929,255, jonka mukaan kiertoleijupetireaktorissa kaasupuhdistusvaiheessa erotettua hienoa pölyä agglomeroi-daan korotetussa lämpötilassa kiertävään petimateriaaliin 25 ennen kiintoainespartikkeleiden palauttamista reaktorikam-mioon.

Tämän keksinnön tarkoituksena on aikaansaada yksinkertainen 30 menetelmä ja laiteratkaisu hiilikonversion parantamiseksi.

Keksinnön tarkoituksena on myös aikaansaada menetelmä ja laite, jolla voidaan optimaalisesti palauttaa reaktoriin tuote- tai savukaasuista erotettu hieno hiilipitoinen pöly 35 sellaisessa muodossa, että pölyn sisältämä hiili voidaan käyttää hyväksi ja tuhka erottaa prosessista.

7 89074

Tarkoituksena on lisäksi esittää menetelmä ja laite kiinteän hiilipitoisen aineen kaasuttamiseksi tai polttamiseksi, jossa edellä mainitut prosessinhallintahaitat on minimoitu.

5

Keksinnön mukainen menetelmä kiinteän hiilipitoisen aineen kaasuttamiseksi tai polttamiseksi leijupetireaktorissa, jossa hienoa poistokaasuista erotettua pölyä kuumennetaan tuhkankuumennuskammiossa ja palautetaan palautuskanavan 10 kautta reaktorikammioon, on tunnettu siitä, että palautus-kanavaan johdetaan jäähdytyskaasua tai -nestettä sulaa tuhkaa sisältävän pölyn jäähdyttämiseksi ja rakeistamisek-si.

15 Vastaavasti keksinnön mukainen laite hiilipitoisen aineen kaasuttamiseksi tai polttamiseksi leijupetireaktorissa on tunnettu siitä, että erillisestä tuhkankuumennuskammiosta reaktorikammioon johtavaan palautuskanavaan on sovitettu elimet jäähdytyskaasun tai -nesteen johtamiseksi palautus-20 kanavaan.

Jäähdytys aikaansaadaan edullisesti johtamalla jäähdytys-kaasua tai -nestettä palautuskanavaan sen seinämien läpi, jolloin seinämille samalla muodostuu suojaava kaasu- tai 25 nestefilmi, joka estää sulan tuhkan tarttumasta seiniin. Jäähdytysainetta voidaan johtaa seinämien läpi esim. siihen muodostettujen aukkojen kautta tai muodostamalla ainakin osa palautuskanavasta kaasua tai nestettä läpäisevästä huokoisesta materiaalista.

30

Tuhkankuumennuskammiossa hienon pölyn lämpötila korotetaan yli 1000°C:seen, edullisesti 1000 - 1300 °C:seen/ johtamalla pölyvirtaan happipitoista kaasua ja polttamalla pölyn sisältämää jäännöshiiltä. Kuumennuksessa voidaan tarvittaes-35 sa polttaa muutakin polttoainetta. Näin ainakin osa hienon pölyn sisältämästä tuhkasta muodostaa tahmeita pölypar-tikkeleita, jotka saatetaan agglomeroitumaan eli rakeis-tumaan ennen niiden palauttamista reaktorikammioon.

8 89074

Tuhkankuumennuskammio voidaan edullisesti muodostaa jäähdyt-tämättömänä rakenteena, jonka alaosaan on sijoitettu pö-lynpoistoaukko siten, että kammiossa muodostunut sula 5 tuhka valuu painovoiman vaikutuksesta kammiosta suoraan palautusputkeen, jossa sulapisarat saatetaan jäähtymään sekoittamalla niihin jäähdytyskaasua tai -nestettä.

Keksinnön mukainen hienon pölyn rakeistaminen ja palautit) taminen soveltuu erikoisesti käytettäväksi kiertoleijupeti-reaktoreissa, joissa ylläpidetään 2-10 m/s hiukkasvir-taus, 750 - 1000 °C:n lämpötila ja 1 - 50 bar:in kaasupaine.

Esim. kiertoleijupetireaktorissa tapahtuva kaasutus eroaa 15 eräiltä osin olennaisesti konventionaalisessa kuplivassa leijukerrosreaktorissa tapahtuvasta kaasutuksesta. Kiertolei jupetireaktorissa kaasun ylöspäin suuntautuva virtausnopeus on niin suuri, että suuri määrä kiinteää petima-teriaalia nousee kaasujen mukana reaktorin yläosaan ja ulos 20 reaktorista, johon se palautetaan kaasunerotuksen jälkeen. Tässä reaktorissa tärkeät reaktiot kaasujen ja kiintoaineen välillä tapahtuvat koko reaktorin alueella suspensiotiheyden ollessa 0,5-30 kg/kg kaasua, yleisimmin 2-10 kg/kg kaasua, reaktorin yläosassakin. Kuplivassa leijukerroksessa, jossa 25 kaasun virtausnopeudet ovat tyypillisesti vain 0,4-2 m/s ja suspensiotiheydet reaktorin yläosassa noin 10-100 kertaa pienempiä kuin kiertoleijupetireaktorissa, kaasu/-kiinteä aine-reaktiot tapahtuvat sitä vastoin pääosin vain reaktorin alaosassa eli nk. petissä.

30

Kiertolei j upet ireaktor in reaktorikammiosta poistuvien kaasujen mukaansa tempaama karkea kiintoaines erotetaan reaktorin erottimessa ja palautetaan ainakin pääosaltaan suoraan palautusputkessa käsittelemättömänä kiertomassana 35 reaktorikammioon. Tämän jälkeen ensimmäisestä erottimesta poistuvista kaasuista erotetaan toisessa vaiheessa pääasiallisesti hienompaa hiilipitoista pölyä esim. suodattimena, josta ainakin osa hienosta pölystä palautetaan 9 89074 keksinnön mukaan korotetussa lämpötilassa agglomeroituneena reaktorikammioon.

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

10

Agglomeroimalla pöly varsinaisen lei jukerrosreaktorin ulkopuolella, jossa kiertävien suurimpien partikkelien koko on huomattavasti pienempi kuin itse reaktorissa leijuvien suurimpien partikkelien koko, vältytään liian 15 suurten partikkelien muodostumiselta, jotka saattaisivat poistua tuhkan mukana reaktorista hiilen ehtimättä reagoida täydellisesti.

Prosesseissa, joissa on sitä edullisempaa mitä korkeammassa 20 lämpötilassa kaasut voidaan puhdistaa, hienot pölyt voidaan erottaa käyttämällä useita peräkkäin kytkettyjä sykloneja, syklonipattereita tai korkean lämpötilan kestäviä suotimia tai muita vastaavia, jotka kykenevät erottamaan myös kuumia hiukkasia.

25

Toisaalta esimerkiksi kombivoimala-prosessiin yhdistettynä on edullista käyttää tuotettu kuuma, 1-50 bar:in paineessa oleva kaasu höyryn tulistamiseen ja puhdistaa tuotettu kaasu hienosta pölystä vasta kaasun saavutettua alemman lämpöti-30 lan, esim. 850 °C. 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 35 kemiallisesti erittäin agressiivisia ja asettavat materiaaleille suuria vaatimuksia. Keksinnön mukainen menetelmä soveltuu siten erittäin hyvin kombivoimala-sovellutuksiin, koska polttoaineen hiilikonversio on suuri, tuotettu kaasu 10 89074 puhdasta ja kaasuturbiineihin soveltuvaa ja lisäksi pystytään kokonaislärapötaloutta parantamaan tulistamalla höyry.

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

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

10 - Käytettäessä kiertoleijupetiperiaatetta voidaan reak- toriosa rakentaa poikkileikkaukseltaan selvästi pienemmäksi kuin käytettäessä ns. kuplivaa leijukerrosreaktoria.

- Pienemmän poikkileikkauksen ja parempien sekoitusolo-suhteiden ansiosta polttoaineen syöttö- ja tuhkanpoisto- 15 laitteita tarvitaan oleellisesti vähemmän kuin ns. kuplivan petin tapauksessa.

- Polttoaineen sisältämän rikin sidonta halpaan kalkkiin voidaan suorittaa prosessissa.

- Kiintoaineen ja kaasujen väliset reaktiot tapahtuvat 20 koko reaktoriosan ja erottimen alueella.

- Esitetyt laitteet eivät vaadi kalliita erikoismateriaaleja.

- Koska eri prosessivaiheet, esim. kaasutus ja agglome-rointi, suoritetaan eri laitteissa, on prosessin säätö 25 mahdollista tehdä optimaalisesti kokonaistuloksen kannalta.

- Tuhka saadaan poistettua inerttinä.

- Lentotuhkan varastointiongelmat vähenevät.

30 Seuraavassa selostetaan lähemmin keksintöä viitaten ku vioihin, jotka esittävät kahta keksinnön sovellutusmuotoa.

Kuvio 1 on kaaviokuva keksinnön mukaisesta kaasutuslait-teesta ja 35 Kuvio 2 on kaaviokuva keksinnön mukaisesta polttolait teesta.

11 89074

Kuviossa 1 esitetty kaasutuslaitos 10 käsittää kiertoleiju-petireaktorin reaktorikammion 12, kiertomassan erottimen 14, kiertomassan palautusputken 16 ja hienon pölyn agg-lomerointilaitteen 18. Reaktorikammion alaosaan on sovitettu 5 tuulikaappi 20, leijutuskaasun jakolevy 22 ja leijutuskaasun syöttöyhde 24 sekä hiilipitoisen kiintoaineen syöttöyhde 26 ja tuhkan ulosottokanava 28.

Kiertomassan erotin on yhdistetty poistokanavalla 30 10 reaktorikammion yläosaan. Erotin on kuvion esittämässä muodossa nk. läpivirtaussykloni, mutta muunkinlaiset erottimet soveltuvat käytettäväksi. Läpivirtaussyklonin pohja 32 on vino ja pohjan alaosa on yhdistetty kiertomassan palautusputkeen 16. Erottimen pohjaan on sovitettu kaasun-15 poistoputki 34.

Hienon pölyn agglomerointilaite 18 käsittää reaktorikammion kylkeen sovitetun sylinterin muotoisen tuhkankuumennuskam-mion 36, joka on muodostettu jäähdyttämättömänä raken-20 teenä esim. keraamisesta materiaalista tai muurattuna rakenteena. Kammion yläosaan on sovitettu hienon pölyn syöttöyhde 38, happea sisältävän kaasun syöttöyhde 40 ja mahdollisesti lisäpolttoaineen syöttöyhde 42. Yhteet 38, 40 ja 42 voidaan haluttaessa sovittaa kammioon muuallekin. 25 Tuhkankuumennuskammion alaosaan on muodostettu aukko 44, joka on yhdistetty palautuskanavaan 46, joka puolestaan on yhdistetty reaktorikammioon.

Palautuskanavan 46 seinät 48 on muodostettu kaasua ja/tai 30 nestettä läpäisevästä huokoisesta materiaalista. Materiaali voi olla esim. huokoista keräämiä. Jos jäähdytysväliaineena käytetään nestettä, esim. vettä, voidaan palautuskanavan seinät muodostaa myös metallista, johon on muodostettu aukkoja. Palautuskanavan ympärille on sovitettu kaasutiivis 35 kotelo 50, johon on sovitettu jäähdytysaineen tuloyhde 52.

Keksinnön mukainen kaasutuslaitos toimii siten, että reaktorikammioon syötetään kaasutettavaa kiinteää hiilipi- 12 89074 toista ainetta yhteellä 26 ja aine leijutetaan jakolevyn 22 läpi virtaavalla leijutuskaasulla, joka voi olla esim. ilmaa, jolloin leijutuskaasu myös muodostaa kaasutukseen tarvittavan kaasutusväliaineen. Reaktorikammiossa lämpötila 5 pidetään n. 750 - 1000 °C:ssa.

Reaktorikammiossa ylläpidetään korkea hiukkasten virtausnopeus esim. 2-10 m/s, jolloin osa kammion sisältämästä petimateriaalista kulkeutuu kaasun mukana kanavan 30 kautta 10 erottimeen 14. Petimateriaali käsittää esim. inerttiä petimateriaalia, tuhkaa, koksia ja mahdollisia kaasunpuhdis-tukseen liittyviä reagensseja. Erottimessa karkea kiintoaines erotetaan kaasusta ja palautetaan palautusputkessa 16 reaktorikammion alaosaan. Rakenteeltaan reaktorikammio 15 ja erotin ovat edullisesti sisältä muurattuja rakenteita. Kuumat kaasut ja niiden sisältämä pieni pölymäärä, jonka osuus on tyypillisesti n. 0,1 - 2 % reaktorikammiosta tulevasta kiintoainevirrasta, johdetaan putken 34 kautta mahdolliseen lämmöntalteenottoyksikköön.

20

Osittain puhdistetut ja mahdollisesti jäähdytetyt kaasut sisältävät sekä jatkoprosesseille haitallista tuhkaa että palamatonta hiiltä. Tämä nk. lentotuhka erotetaan kaasusta suotimilla tai muilla erottimilla, jotka pystyvät erottamaan 25 myös hienoa pölyä. Tätä ei ole kuviossa 1 esitetty. Näin puhdistettu kaasu johdetaan käyttökohteeseen.

Erotettu hieno pöly johdetaan agglomerointilaitteeseen 18 tuhkan rakeistamiseksi sopivampaan raekokoon ja jäännös-30 hiilen uudelleen kierrättämiseksi. Pöly syötetään syöttöyh-teellä 38 tuhkankuumennuskammioon 36, johon samalla syötetään happipitoista kaasua yhteellä 40 polton ja kuumennuksen aikaansaamiseksi.

35 Kammioon 36 voidaan johtaa lisäpolttoainetta yhteellä 42, jos palautettu hieno pöly ei sisällä tarpeellista määrää hiiltä korotetun lämpötilan aikaansaamiseksi. Tämä lisä-polttoaine voi olla esim. kaasuttimessa kaasutettavaa 13 89074 hiilipitoista ainetta. Lisäpolttoaineena tuhkankuumen-nuskammiossa voidaan myös käyttää kaasutuksessa tuotettua kaasua.

5 Koska hienon pölyn määrä on koko petimateriaalimäärää oleellisesti pienempi ja koska agglomerointilaitteessa korotetaan vain hienon pölyn lämpötilaa, on mahdollista hallitusti palauttaa hieno pöly ilman että itse pääp-rosessille reaktorikammiossa aiheutetaan haittaa. Agglo-10 meroimalla hieno pöly reaktorikammion ulkopuolella voidaan agglomerointilämpötila siis vapaasti valita tuhkan mukaan, vaikuttamatta haitallisesti kaasutusprosessiin kattilassa. Reaktorikammion lämpötilaa voidaan sitä vastoin harvoin säätää reaktorikammiossa tapahtuvalle agglo-15 meroinnille sopivaksi vaikuttamatta haitallisesti kaasutusprosessiin .

Tuhkankuumennuskammiosta tuleva sula lentotuhka jähmettyy sekoittuessaan sitä kylmempään jäähdytyskaasuun tai nes-20 teeseen ja muodostaa kovia ja tiiviitä, karkeita partikkeleita, kooltaan tyypillisesti 2 - 20 mm. Näin agglome-roitu tuhka syötetään reaktorikammioon sen seinään 47 sovitetun aukon 45 kautta. Karkeat tuhkarakeet voidaan reaktorikammiossa erottaa normaalin pohjatuhkan mukana 25 ulos tuhkanpoistoputkesta 28.

Kuviossa 2 on esitetty polttolaitos, jossa hiilipitoista polttoainetta poltetaan kiertoleijupetireaktorissa ja lentotuhka palautetaan keksinnön mukaan agglomeroituneena 30 reaktoriin. Kuviossa 2 on soveltuvin osin käytetty samoja viitenumerolta kuin kuviossa 1.

Kuvion 2 mukainen polttolaitos käsittää reaktorikammion 12, jossa siihen yhteellä 26 syötettyä polttoainetta 35 poltetaan kiertävässä leijupetissä. Reaktorikammio on edullisesti muodostettu vesiputkiseinärakenteena 13, ja kammion yläosaan on lisäksi sovitettu lämmönsiirtopintoja 15. Reaktorikammiosta poistuvista kaasuista erotetaan karkeat hiukkaset erottimessa 14 ja kaasut johdetaan 14 39074 yhteellä 31 lämmönsiirtimeen 52 kaasun jäähdyttämiseksi. Jäähtynyt kaasu johdetaan edelleen suotlmelle 54, jossa lentotuhka erotetaan kaasusta. Suotimelta puhdistetut kaasut johdetaan ulos systeemistä yhteellä 56.

5

Suotlmessa erotettu lentotuhka johdetaan yhteellä 38 tuhkankuumennuskammioon 36, jossa happlpltoisen kaasun lisäyksellä yhteestä 40 aikaansaadaan tuhkan ainakin osittainen sulaminen. Kammio 36 on muodostettu muurattuna 10 rakenteena.

Sula tuhka ja muu hieno pöly valuu tuhkankuumennuskam-miosta alaspäin palautuskanavaan 46, jonka seiniin 48 on muodostettu aukkoja 49 jäähdytysaineen johtamiseksi pa-15 lautuskanavaa ympäröivästä kotelosta 50 siihen. Koteloon johdetaan paineistettua jäähdytysainetta yhteellä 52. Jäähdytysaine voi olla esim. puhdistettua kiertokaasua yhteestä 56 tai muuta inerttiä kaasua, jonka lämpötila on tarpeeksi alhainen kaasun jäähdyttämiseksi. Jäähdytysaine 20 voi myös olla nestettä esim. vettä, jota ruiskutetaan aukkojen 49 kautta sulaan tuhkaan.

Tuhka, joka on tarkoitus agglomeroida, kuumennetaan siis hapettamalla tuhkan hiilijäännös tai muuta lisäpoltto-25 ainetta, esim. polttolaitoksen käyttämää polttoainetta, erillisessä kammiossa, joka edullisesti on sovitettu varsinaisen reaktorikammion kylkeen. Joissakin sovellutuksissa voidaan jopa kaikki polttoaine tuoda kattilaan agglomerointilaitteen kautta ja happipitoisen kaasun 30 määrällä säätää lämpötila agglomerointilaitteessa. Kammiossa sulanut tuhka jäähdytetään ja rakeistetaan ennen reaktoriin tippumista esim. kaasu- tai nestefilmillä, joka tulee esim. huokoisen keraamisesta materiaalista valmistetun seinän läpi kammioon.

35

Keksinnön mukaista tuhkankuumennuskammiota voidaan haluttaessa käyttää starttipolttimena, jolloin kammiossa poltetaan nestemäistä tai kaasumaista lisäpolttoainetta hapettavissa olosuhteissa. Kuumilla savukaasuilla nostetaan varsinaisen reaktorikammion lämpötilaa.

is 89074

Keksintöä ei ole tarkoitus rajoittaa sovellutusesimerkkinä 5 esitettyyn kaasuttimeen tai polttolaitokseen. Keksintöä voidaan esim. soveltaa sellaisissa kaasutusreaktoreissa, joissa ei käytetä happipitoista kaasua kaasutuksen aikaansaamiseksi, vaan joissa kaasutettavan aineen lämpötilaa nostetaan jollakin muulla tavalla.

Claims (21)

1. Menetelmä kiinteän hiilipitoisen aineen kaasuttamiseksi tai polttamiseksi leijupetireaktorissa, 5 jolloin - hiilipitoinen aine syötetään leijupetireaktorin reak-torikammioon ja kaasutetaan tai poltetaan siinä, - kaasutuksessa tai poltossa syntyneet kaasut johdetaan reaktorikammiosta yhteen tai useampaan kaasunpuhdistus- 10 vaiheeseen, jossa kaasuista poistetaan tuhkaa ja jäännös- hiiltä sisältävä hieno pöly, - erotettu hieno pöly johdetaan tuhkankuumennuskammioon, jossa ainakin osa hienon pölyn sisältämästä tuhkasta saatetaan sulamaan korotetussa lämpötilassa happipitoisen 15 kaasun läsnäollessa, - tuhkankuumennuskammiosta sulaa tuhkaa sisältävä hieno pöly johdetaan palautuskanavan kautta reaktorikammioon, tunnettu siitä, että palautuskanavaan johdetaan jäähdytyskaasua ja/tai 20 -nestettä sulaa tuhkaa sisältävän pölyn jäähdyttämiseksi ja rakeistamiseksi.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siltä, että 25 jäähdytyskaasua tai -nestettä johdetaan kaasu- tai nestefilminä palautuskanavan seinämille.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että 30 jäähdytyskaasua tai -nestettä johdetaan palautuskanavaan sen huokoisten seinämien läpi.

4. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että 35 jäähdytyskaasua tai -nestettä johdetaan palautuskanavaan sen seinämiin muodostettujen aukkojen kautta. n 89074

5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että sulaa tuhkaa sisältävä hieno pöly johdetaan jäähdyttämät-tömästä tuhkankuumennuskammiosta sen alaosaan muodostetun 5 poistoaukon kautta tuhkankuumennuskammion alapuolelle sovitettuun palautuskanavaan, josta pölyn annetaan painovoiman avulla valua reaktorikammioon.

6. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu 10 siitä, että kiinteä hii1ipitoinen aine kaasutetaan kiertoleijupetireaktorissa.

7. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu 15 siitä, että kiinteä hiilipitoinen aine poltetaan kiertoleijupetireaktorissa .

8. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu 20 siltä, että tuhkankuumennuskammioon johdetaan happipitoista kaasua hienon pölyn sisältämän jäännöshiilen ainakin osittaiseksi polttamiseksi ja tuhkan ainakin osittaiseksi sulattamiseksi. 25

9. Patenttivaatimuksen 8 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että tuhkankuumennuskammioon johdetaan ilmaa.

10. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siltä, että tuhkankuumennuskammioon johdetaan sitä kiinteää hiilipitoista polttoainetta, jota kaasutetaan tai poltetaan reaktorikammiossa. 35

11. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ie 89074 hienon pölyn lämpötila nostetaan yli 1000eC:seen tuhkan-kuumennuskammiossa.

12. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu 5 siitä, että palautuskanavaan johdetaan leijukerrosreaktorissa syntynyttä puhdistettua ja jäähdytettyä savukaasua.

13. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu 10 siitä, että reaktorikammiosta tuleva kaasu jäähdytetään ennen hienon pölyn erottamista kaasusta.

14. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu 15 siitä, että - kiinteä hiilipitoinen aine kaasutetaan tai poltetaan kiertoleijupetireaktorissa, jonka reaktorikammiossa ylläpidetään 2-10 m/s hiukkasten virtausnopeus ja 750 -1100 °C:n lämpötila sekä 1-50 bartin kaasunpaine ja 20 jossa pääosa reaktorikammiosta poistuvien kaasujen mukaansa tempaamasta karkeasta kiintoaineksesta erotetaan kaasuista erottimessa ja palautetaan käsittelemättömänä reaktorikammioon, - erottimesta poistuvista kaasuista erotetaan toisessa 25 vaiheessa hienoa pölyä suodattimena ja suodattimena erotettu hieno pöly johdetaan tuhkankuumennuskammioon.

15. Laite kiinteän hiilipitoisen aineen kaasuttamiseksi 30 tai polttamiseksi leijupetireaktorissa, joka käsittää - reaktorikammion (12) ja siihen yhdistetyn hiilipitoisen aineen tulokanavan (26), leijutuskaasun syöttöelimet (24) ja kaasunpoistokanavan (30), hiukkaserottimen (14) hienon pölyn erottamiseksi 35 reaktorikammiosta poistuvista kaasuista, 19 89074 tuhkankuumennuskammion (36) siihen johdetun, hiukkaserottimessa erotetun hienon pölyn sisältämän tuhkan ainakin osittaiseksi sulattamiseksi ja palautuskanavan (46) hienon pölyn palauttamiseksi 5 tuhkankuumennuskammiosta reaktorikammioon, tunnettu siitä, että palautuskanavaan on sovitettu elimet (48,49) jäähdytyskaasun ja/tai -nesteen johtamiseksi palautuskanavaan. 10

16. Patenttivaatimuksen 15 mukainen laite, tunnettu siltä, että palautuskanava (46) on ainakin osittain muodostettu huokoisesta aineesta, jonka läpi jäähdytyskaasua voidaan 15 johtaa palautuskanavaan.

17. Patenttivaatimuksen 15 mukainen laite, tunnettu siltä, että palautuskanavan (46) seinämiin on muodostettu aukkoja, 20 joiden läpi palautuskanavaan voidaan johtaa jäähdytyskaasua.

18. Patenttivaatimuksen 15 mukainen laite, tunnettu siltä, että 25 tuhkankuumennuskammio (36) on muodostettu jäähdyttämättömänä rakenteena ja että siihen on sovitettu happipitoisen kaasun syöttöelimet (40).

19. Patenttivaatimuksen 15 mukainen laite, tunnettu 30 siitä, että leijupetireaktori (12) on kiertoleijupetireaktori, jossa reaktorikammion kaasunpoistokanavaan on yhdistetty erotin petimateriaalin erottamiseksi reaktorikammiosta poistuvista kaasuista ja erottimeen on yhdistetty 35 petimateriaalin palautusputki (16) erotetun petimateriaalin palauttamiseksi reaktorikammioon. 20 89074

20. Patenttivaatimuksen 15 mukainen laite, tunnettu siitä, että tuhkankuumennuskammio on pääasiallisesti sylinterin muotoinen, keraamisesta materiaalista tai muurattuna 5 rakenteena muodostettu kammio, jonka yläosaan on sovitettu hienon pölyn ja happipitoisen kaasun syöttöelimet (38,40) ja jonka alaosaan on yhdistetty huokoisesta, keraamisesta materiaalista valmistettu palautusputki.

21 89074