FI89741C - Saett att driva ett kraftverk - Google Patents

Description

fi n f* / ^ / a !

Menetelmä voimalaitoksen käyttämiseksi

Esillä oleva keksintö koskee patenttivaatimuksen 1 johdannon mukaista menetelmää voimalaitoksen käyttämiseksi. Etenkin menetelmän tarkoituksena on samanaikaisesti vähentää voimalaitoksen typpioksidipäästöjä ja parantaa polttoaineen palamishyötysuhdetta.

Tällaisen menetelmän mukaan kiinteätä polttoainetta käyttävän voimalaitoksen polttoprosessia ohjataan säätämällä ilman syöttöä. Muodostuneista savukaasuista erotetaan tämän jälkeen ainakin osa niiden kiintoaineksesta, joka koostuu ainakin oleellisesti palamatonta hiiltä sisältävästä tuhkasta. Tuhka johdetaan jälkipolttoon tuhkassa olevan hiilen polttamiseksi.

Voimalaitostekniikka astuu uuteen ympäristöön kiristyvien päästönormien myötä. Käytettäessä fossiilisia polttoaineita, tulee olennainen osa uutta teknologiaa olemaan savukaasujen puhdistaminen ja voimalan hyötysuhteen nosto.

:·' Rikin oksidien poistaminen savukaasuista on saavuttanut tie tyn teknologisen tason, niin että eri menetelmien välinen .· . kilpailutilanne on jo vakiintunut. Tekniikka on kuitenkaan . tuskin vielä hioutunut lopullisiin muotoihinsa. Siihen liit tyy näet eräitä huomattavia epäkohtia. Niinpä rikinpoisto-prosesseissa syntyy suuria määriä kipsiä, jolle ei ole vakiintunutta käyttöä. Tämä muodostaa uuden jäteongelman. Toisista prosesseista saadaan alkuainerikkiä, jolle sillekään : ei ole riittävästi käyttöä.

Typen oksidien poistamiseksi savukaasuista ei ole niin selväpiirteisiä ratkaisuja esitetty kuin rikin oksidien poistamiseksi. Merkittävässä suhteessa tämä johtuu siitä, että suuri määrä muodostuneista typen oksideista on NO:ta, eli typpioksidia, joka ei reagoi happamasti vedessä ja jota ei voida alkalisella käsittelyllä poistaa tai neutraloida kuten rikin oksideja.

2 S 9 7 4 ί

Tunnetun tekniikan mukaisesti typen oksideita poistetaan tästä syystä savukaasuista antamalla niiden reagoida urean, ammoniakin tai muiden vastaavien teknisten bulkkikemikaalien kanssa. Hapettava ja pelkistävä kemikaali yhdessä muodostavat typpeä ja vettä. Reaktiota on nopeutettu mm. elektroni-sädeaktivoinnilla ja katalyyttisillä pintareaktioilla. Moni hyvistä typpioksidien poistomenetelmistä ei välttämättä sovi hyvin yhteen samaan aikaan tarvittavan rikinpoistomenetelmän kanssa.

Japanissa pääasiassa on kehitetty ns. Low-NOx-polttimia, joissa muodostuneiden typpioksidien määriä saadaan alenemaan huomattavasti kerrostamlla ilman syöttöä ja estämällä liekin kuumimman kohdan muodostuminen ns "reburning"-tekniikalla. Edellä kuvatut polttimet ovat eräs järkevä ratkaisu asiaan, mutta ne ovat sinänsä kalliita ja joskus tilantarpeen vuoksi vaikesti sovellettavissa olemassa oleviin voimalaitoksiin.

On tunnettua, että yli-ilmamäärä lisää typen oksidien muodostumista samoin kuin korkea liekin lämpötila ja pitkä vii-pymäaika (> 0,01 s) korkeassa lämpötilassa. Vesihöyryn puolestaan tiedetään alentavan typen oksidien muodostumista. Sama koskee hiilimonoksidin läsnäoloa. Viimeksi mainittu reaktio ei kuitenkaan suju ilman katalyytin läsnäoloa.

Käytettäessä voimalaitosta ilman riittävää yli-ilmamäärää, palamattoman polttoaineen määrä, eli polttoainehäviö lisääntyy voimakkaasti. Tämä koskee erityisesti kivihiiltä ja muita kiinteitä polttoaineita. Oheisissa piirustuskuvioissa l ja 2 on esitetty typpidioksidien pitoisuus polttoainehäviön funktiona (kuvio l) ja polttoainehäviöt ilmakertoimen funktiona (kuvio 2). Kuten kuvioista käy ilmi, kasvavat polttoainehäviöt varsin nopeasti, kun typpidioksidipäästöjen pitoisuuksia alennetaan yli-ilmamäärä säädöllä. Toisaalta on todettava, että parhaaseen termiseen hyötysuhteeseen päästään teoreettisesti silloin, kun yli-ilmäärä on alin mahdollinen, eli ekvivalentti, ja samaan aikaan polttoaine palaa täydellisesti. Yli-ilmamäärän laskeminen arvosta 1,25 arvoon 3 ^ 9 7 4 i 1.05 merkitsisi termisen hyötysuhteen nousemista 2,1 % tyypillisellä amerikkalaisella hiilellä, jos hiili palaisi kokonaan. Kuvion 2 käyrästä nähdään, että voimalassa jää 1,25-kertaisella ilmamäärällä kuitenkin palamatta noin 0,4 % hiiltä. Tämä ja yli-ilmäärän mukanaan viemä savukaasuhäviö (180eC) yhdessä merkitsevät vähintään 2,6 %:n laskua teoret-tisesta termisestä hyötysuhteesta. Otettaessa kivihiilen hinnaksi esim. 240 mk tonnilta ja laskettaessa mitä tämä merkitsee tyypillisessä hiilivoimalassa, jonka terminen teho on 600 MW, saadaan häviöiksi laskemalla noin 4,3 miljoonaa mk vuodessa.

Jos puolestaan normaalilla voimalaitoksella alennetaan yli-ilmamäärä arvosta 1,25 arvoon 1,05 lisääntyy palamattoman hiilen määrä noin arvoon 4,5 %, mikä merkitsisi rahassa noin 7.6 miljoonaa mk vuodessa. Näin menetelleen saadaan aikaan lentotuhkaa, joka sisältää 30...35 % palamatonta hiiltä. Fraktioitaessa tällaista lentotuhkaa seulomalla tai ilma-luokituksella saadaan lentotuhkasta talteen hiili kaikkein hienoimmasta päästä ja kaikkein karkeimmasta päästä, jossa hiili on sintrautunut yhteen tuhkan kanssa. Fraktointi tai luokitus eivät auta juurikaan tässä tapauksessa, koska hiiletöntä tuhkaa saadaan keskifraktiossa vain 20...25 % koko tuhkasta. Tuhkan kierrättäminen takaisin kattilaan on yksi ratkaisu. Se auttaa polttamaan hienojakoisen osan hiilestä, joka on irrallaan, mutta ei auta siihen hiileen, joka on aglomeroituneena tuhkan joukkoon. Menetelmä samalla lisäisi suuresti kiertokuormaa kattilassa, ja lisäisi mekaanista kulumista.

Hiilen jauhatus entistä hienommaksi on yksi ratkaisu, jolla saadaan tuhkan hiilipitoisuutta parannetuksi ja tuhkan laatua nostetuksi. Jauhaminen kuitenkin maksaa merkittävästi sähköenergiana, jolla pyritään nostamaan termistä hyötysuhdetta. Kaikki kivihiililaadut eivät myöskään jauhaudu helposti hienoksi. Kivihiili, joka voidaan halvalla jauhaa hienoksi, on laadultaan kovaa ja haurasta, eli se sisältää vähän haihtuvia aineita ja on tästä syystä muutenkin huonommin palavaa kuin sitkeämmät laadut.

4 Τ'Ό 74 :

Lentotuhkan jauhaminen, jotta sen sisältämä hiili olisi helpommin poltettavaa ei myöskään ole edullista, koska silloin rikotaan helposti lentotuhkan sisältämät pallomaiset hiukkaset "genospheres'', jotka ovat lentotuhkan arvokkain osa.

Lentotuhkan arvo on jatkuvasti noussut samalla kun sen sijoittaminen kaatopaikoille on käynyt vaikeammaksi. Arvo on noussut niiden hyödynnettävyystutkimusten tuloksina, joilla on pyritty löytämään uutta käyttöä lentotuhkalle. Lentotuhkan suurin käyttö on sementti- ja betoniteolisuudessa.

Näissä yhteyksissä on erittäin toivottavaa, että käytettävä lentotuhka olisi lähes täysin hiiletöntä, koska hiili pilaa monien orgaanisten lisäaineiden käytön, se lisää kovettuneen betonin hiipumaa ja muuttelee betonin väriä.

Kuten edellä esitetystä käy ilmi, tunnetun tekniikan mukaan on mahdotonta sovittaa yhteen yllä esitetyt vaatimukset pienen polttoainehäviön, alhaisen typpioksidipitoisuuden ja sopivan ilmakertoimen suhteen.

Esillä olevan keksintömme tarkoituksena on poistaa tunnetun tekniikan epäkohdat ja saada aikaan aivan uudenlainen menetelmä voimalaitoksen käyttämiseksi.

Keksintömme perustuu seuraaviin ajatuksiin: Kiinteän polttoaineen, kuten kivihiilen poltto suoritetaan hyvin pienellä yli-ilmamäärällä, edullisesti 1,02...1,15 kertaisella ilmamäärällä typpioksidipäästöjen minimoimiseksi. Poltosta saatava tuhka, joka sisältää jopa yli 30 % palamatonta hiiltä, johdetaan jälkipolttoon, jossa jälkipolttouunin teho suhteessa pääpolttokattilaan on valittu kivihiilessä olevan tuhkan pitoisuuden mukaan. Jälkipolttouunin teho on korkeintaan likimain yhtä suuri kuin tuhkan pitoisuus, jotta kaikki hiilipitoinen tuhka saataisiin poltetuksi. Jälkipoltolla saadaan aikaan ainakin lähes hiiletöntä lentotuhkaa, joka sopii moneen käyttöön. Kierrättämällä jälkipolton savukaasut takaisin pääkattilaan saadaan samalla prosessin polttoaine-häviötä piennennetyksi ja hyötysuhdetta parannetuksi.

Täsmällisemmin sanottuna keksinnön mukaiselle menetelmälle on pääasiallisesti tunnusomaista se, mikä on esitetty pa tenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.

5 Λ') i \ Tämän hakemuksen puitteissa tarkoitetaan ilman ylimäärällä tai yli-ilmamäärällä sellaista ilmamäärää, joka ylittää polttoaineen täydelliseksi polttamiseksi teoreettisesti tarvittavan määrän. Näin ollen 1,02-...1,15-kertainen ilma-määrä on teoreettista ilmamäärää 2...15 % suurempi.

Suomalaisessa patenttijulkaisussa 81970 käsitellään rikin oksidien poistamista ja lentotuhkan sisältämän palamattoman hiilen jälkipolttamista. Rikkiyhdisteet hapetetaan katalyt-tisesti rikkitrioksidiksi. Mainitussa patentissa ei kuitenkaan ole puututtu typen oksidien poistamistekniikkaan eikä alhaisen yli-ilmamäärän käyttöön.

Tyypillisesti keksinnön mukaan toimittaessa jälkipolttouunin teho on vähemmän kuin 10 %, edullisesti noin 3...8 % varsinaisen pääpolttokattilan tehosta.

Jälkipolttouunia ei tarvitse varustaa lämmön talteenotolla. Tämän keksinnön mukaan on edullista johtaa kaikki sen savukaasut pääkattilaan. Siinä keksinnön edullisessa sovellutus-muodossa, jossa kattilassa käytetään Low-NOx-polttimia, niin savukaasut syötetään näiden kerrostusilmaksi, kun halutaan saada aikaan todella alhaiset savukaasujen typpioksidi-pitoisuudet. Menetelmä sinänsä ilman Low-ΝΟχ polttimia ajaa kuitenkin typen oksidien pitoisuudet samalle tasolle, kuin parhaat Low-ΝΟχ polttimet.

Menetelmän mukaan saadaan parhaat jälkipolttotulokset aikaan syötettäessä pienet määrät vettä tai vesihöyryä jälkipolttouuniin, mikä edesauttaa hiilen kaasuuntumista vesikaasureaktion avulla. Tämä sinänsä tunnettu menetelmä on osoittautunut suorittamissamme kokeissa erittäin helposti hallittavaksi polttolämpötilan säätökeinoksi.

Jälkipolttouunista saatava savukaasu sisältää erittäin vähän typen oksideja, koska poltto suoritetaan alhaisessa lämpö-

6 8 9 7 4 I

tilassa. Syötetty pieni määrä vettä tai vesihöyryä alentaa edelleen typen oksidien määrää. Tätä menetelmää käytetään yleisesti kaasuturbiineissa, joissa höyryn syötöllä saadaan aikaan typen oksidien alenema arvosta 161 mg/MJ arvoon 80 mg/MJ.

On tunnettua, että ilma-ylimäärän aletessa vielä arvosta 1,05 lähelle arvoa 1,00 alkaa hiilimonoksidin määrä nopeasti nousta savukaasuissa. Hiilimonoksidi reagoi kuitenkin hyvin typpioksidin kanssa sopivan katalyytin läsnäollessa. Kaupallisista katalyyteistä mainittakoon General Motors:in rhodium-katalyytti. Lentotuhkan pinnalla on monia katalyttisiä vaikutuksia, joita voidaan hyödyntää voimalaitosolosuhteissa-kin. Lentotuhkan katalyyttiset ominaisuudet ovat kuitenkin huomattavasti alemmat kuin jalometallipintojen. Niinpä, jotta lentotuhkan katalyyttisiä vaikutuksia voitaisiin käyttää hyväksi, on sitä käytettävä suuria määriä. Tämä koskee pääasiassa reaktiota, jossa hiilimonoksidi reagoi typpioksidin kanssa reaktioyhtälön 2CO + 2N0 —> CO2 + N2 mukaan. Suuri lentotuhkan käyttömäärä saadaan keksinnön mukaan aikaan kierrättämällä kaasuvirrassa suurta määrää lentotuhkaa.

Katalysoimalla hiilimonoksidin ja typpioksidin välistä reaktiota poltossa voidaan löytää sellainen optimi-ilmaylimäärä, joka johtaa siihen, että typenoksidien ja hiilimonoksidin savukaasupitoisuuksissa päästään jo muodostumisvaiheessa hyvin lähellä 0-tasoa. Tämä yli-ilmamäärä on mitä ilmeisemmin lähellä arvoja 1,05...1,03. Vielä alhaisemmilla ilmamäärillä alkaa muodostua syaanivetyä ja muita pyrolyysikaasuja, jotka ovat varsin epätoivottavia.

Oli polttomenetelmä mikä tahansa on polttokammion lämpötilan tasaisuudella suuri merkitys lopputulokseen ja säädettävyy-teen. Näin on haluttiinpa säätää poistojen määrää, palamis-hyötysuhdetta tai muuta seikkaa. Tässä suhteessa erilaiset leijupetikattilat ovat termodynaamisesti mahdollisimman lähellä optimaalista kattilaa. Tästä syystä tämän keksinnön mukainen jälkipolttokattila on edullisesti, muttei väittä- Γ, t~7 < 7 +? / '♦ : mättä, leijukerroskattila tai kiertopetikattila, joka on leijukerroskattilan eras muunnos.

Jotta jälkipoltto ei vapauttaisi jo sidottua rikkiä, milloin samanaikainen rikinpoistomenetelma on käytössä, eikä aiheuttaisi tuhkan sintrautumista on polttolämpötilan oltava alle 900eC, edullisesti 800...850°C.

Keksinnön avulla saavutetaan huomattavia etuja. Niinpä koska samaan aikaan voimalalla tarvitaan alhaisen yli-ilman käyttöä, hiilettömän tuhkan tuottamista ja joissakin tapauksissa vielä tarvetta kierrättää savukaasuja polttimeen laimennus-kaasuksi, saadaan tämä kaikki suoritettua tämän keksinnön mukaisella menetelmällä erittäin yksinkertaisesti ja uudella tavalla.

Keksintöä ryhdytään seuraavassa lähemmin tarkastelemaan oheisten piirustusten avulla, joista kuviossa 1 on esitetty typpidioksidin pitoisuus (mg/MJ) savukaavuissa polttokattilan polttoainehäviön funktiona, kuviossa 2 on puolestaan esitetty polttoainehäviö (%) polttokattilaan syötetyn ilman funktiona, ja kuviossa 3 on esitetty normaalivoimalaan soveltuvan typpi-oksidipoistojärjestelyn kaaviokuva.

Kuvioiden 1 ja 2 sisältöä on jo selostettu yllä.

Kuviossa 3 tarkoitetaan viitenumerolla 1 kivihiiltä käyttävää polttoainekattilaa, johon syötetään polttoainetta, ilmaa ja kaasua. Kuten yllä jo todettiin, on keksinnön mukaan edullista käyttää Low-NOx-tyyppisiä polttimia. Kattilassa voi kuitenkin myös olla tavalliset polttimet. Syötettävän ilman määrä on noin 2...15 % teoreettista määrää suurempi. Pääpoltto suoritetaan tyypillisesti lähes adiabaattisessa lämpötilassa, joka on noin 1200..,1600eC.

Kattilasta 1 saatavat savukaasut johdetaan suotimeen 2, jossa kiintoaineet erotetaan. Käytettävä suodin voi olla mitä 8 :· V A ' tahansa sinänsä tunnettua tyyppiä, kuten sähkösuodin (= sähköstaattinen suodatin), hiekkasuodin, leijukerrossuodin, sykloni, keraaminen suodin tai näiden yhdelmä tai jokin muu suodin, joka pystyy toimimaan korkeissa tai normaalissa lämpötiloissa.

Suotimessa 2 erotetaan kiintoaines savukaasuista, jotka tarvittaessa johdetaan lisäpuhdistukseen. Kiintoaines johdetaan puolestaa jälkipolttimeen 3, jossa tuhka poltetaan mahdollisimman hiilivapaaksi. Jäännöshiilipitoisuus on tavallisesti noin 0,1...0,5 %. Jälkipolttimeen syötetään ilmaa ja polttotapahtuman säätämiseksi vettä tai vesihöyryä. Ilmaa käytetään jälkipoltossa tavallisesti runsas ylimäärä, esim.

1,2...2,0 kertainen ylimäärä. Polttolämpötila pidetään alle 900eC:n, edullisesti 800...850°C:ssa. Jälkipolttimena voidaan edullisesti käyttää leijukerrosuunia tai kiertävää leijukerrosuunia.

Jälkipolttimesta 3 saatavat savukaasut kierrätetään poltto-ainekattilaan 1 laimennuskaasuksi typpioksidien pitoisuuden alentamiseksi. Savukaasut voidaan johtaa pääpolton polttimoin tai ne voidaan yhdistää pääpolton syöttöilmaan. Haluttaessa savukaasut johdetaan ensin erotuslaitteeseen 4, joka tässä on kuvattu sykloniksi. Erotuslaite voi olla tämän lisäksi mikä tahansa tunnettu erotuslaite, joka poistaa ainakin suurimman osan lentotuhkan hiukkasista savukaasusta kiertokuorman pienentämiseksi. Erotettu aines poistetaan jätteenä. Kaikkein hienointa tuhkan osuutta ei välttämättä tarvitse poistaa, koska tässä osuudessa on vielä osa palamatonta hiiltä. Osa kiertävästä ja syntyvästä lentotuhkasta toimii katalyyttinä edesauttaen typenoksidien ja hiilimonoksidin välistä reaktiota.

Esimerkki:

Voimalaa, jonka terminen teho oli 580 MW, käytettiin kolumbialaisella kivihiilellä, joka oli jauhettu hienouteen 95 % < 0,2 mm. Kattilaan syötettävän ilman ylimäärä oli 1,08, 9 i : jolloin päästiin savukaasun typpioksidipitoisuuteen 200 mg NO2 /MJ. Lentotuhkan jäännöshiilipitoisuus oli 30 %. Lento-tuhka poltettiin jälkipolttokattilassa vesi-injektiolla ja kaksinkertaista ilmamäärää käyttäen. Tuhkan jäännöshiilipitoisuus oli noin 0,5 % C hiilettömän tuhkamäärän ollessa noin 14 % syötetystä kuivasta hiilestä.

Sanotulla teholla oli syötetyn hiilen määrä 24,84 kg/s, josta saatiin tuhkaa 4,97 kg/s, joka puolestaan sisälsi hiiltä 1,74 kg/s.

Tämä palamaton hiili merkitsee vuodessa: 1,74 x 3600 x 8000 /1000 = 50.112 t/a x 250 mk/t = 12,5 Mmk/a

Puhdas tuhka, joka ei sisällä olennaisesti hiiltä on arvoltaan noin 35 mk/t voimalaitoksella ja > 5 % hiiltä sisältävän kustannus on noin 10 mk/t vietynä kaatopaikalle.

Tuhkasta saadaan lisäarvoa: (4,97 - 1,74) x 3600/1000 X 8000 x(35 + 10) = 4,2 Mmk/a.

Menetelmän taloudellinen arvo on tämän laskelman mukaan 16,7 Mmk/a, mikä vastaa 9.4 % ostetun polttoaineen hinnasta voimalaitokselle. Samalla on päästy suuriin typen oksidien määrien alenemisiin.

Uusimman Suomen ympäristöministeriön ehdotuksen mukaan (mietintö 59/1991) olisi säästö tulevissa tyyppioksidin päästömaksuissa edellisten lisäksi vastaavan kokoisessa voimassa luokkaa 40 Mmk/a kun NOx määrät saadaan alenemaan arvosta 500 arvoon 200 mg/MJ.

Claims (7)

10 /·. ^ Γ, . . V ' / -'· .

1. Menetelmä kiinteää polttoainetta käyttävän voimalaitoksen typpioksidipäästöjen vähentämiseksi ja kiinteän polttoaineen palamishyötysuhteen samanaikaiseksi parantamiseksi, jonka menetelmän mukaan - voimalaitoksen polttoprosessia ohjataan säätämällä ilman syöttöä, tunnettu siitä, että - pääkattilassa (1) tapahtuvaan polttoon syötetään noin 1,02-...l,15-kertainen ilmaylimäärä ja - poltetun kiinteän polttoaineen tuhka jälkipoltetaan erillisessä kattilassa (3), jonka teho suhteessa pää-kattilan (1) tehoon on korkeintaan likimain yhtä suuri kuin tuhkan osuus kiinteässä polttoaineessa.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnet-t u siitä, että polttoon (1) syötetään noin 1,05-...1,12-kertainen ilmaylimäärä ja jälkipoltossa käytetään kattilaa (3), jonka teho on pienempi kuin noin 10 %, edullisesti 5...8 % pääkattilan tehosta.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että tuhkan jälkipoltosta (3) saatu savukaasu johdetaan pääpolton (1) polttimiin laimennuskaa-suksi typpioksidipitoisuuden alentamiseksi.

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen menetelmä, tunnet-t u siitä, että jälkipoltosta (3) saatu savukaasu johdetaan sellaisenaan pääpolton (1) syöttöilmaan.

5. Patenttivaatimuksen 3 tai 4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että jälkipolton (3) yhteydessä ei oteta erikseen talteen muodostuvaa lämpöä.

6. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että jälkipolttokattilaan (3) syötetään höyryä tai vesisumua polttolämpötilan säätämiseksi. '> Λ r~* ·Ί * 11 i / /J :

7. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että jälkipoltto (3) suoritetaan alle 900eC:n lämpötilassa, edullisesti 800...850°C:ssa. f ) 'Λ » 7 » - * y / '' ! 12