FI92858B - Menetelmä vettä sisältävän polttoaineen lämpöenergian hyödyntämiseksi - Google Patents

Description

92858

Menetelmä vettä sisältävän polttoaineen lämpöenergian hyödyntämiseksi 5 Tämän keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 johdannon mukainen menetelmä vettä sisältävän polttoaineen, esimerkiksi turpeen, biomassan tai kivihiilen lämpö-energian hyödyntämiseksi erityisesti kaasuturbiinilaitoksissa.

Nykyisin esikuivattua kiinteää polttoainetta, esimerkiksi turvetta, puuhaketta tai 10 kivihiiltä, poltetaan paineistamattomana mm. arinakattilalla, pölypoltolla tai leijuker-rospoltolla. On myös tunnettua käyttää polttoöljyä ja maakaasua kaasuturbiiniproses-sissa lämmön ja sähkön tuottamiseen. Kaasuturbiiniprosessiin voidaan yhdistää myös ns. Rankine-prosessi, jossa kehitetään höyryä turbiinin pakokaasukattilalla ja syötetään se erilliseen höyryturbiiniin. Ratkaisun eräässä versiossa vesihöyry syötetään 15 injektiohöyrynä itse kaasuturbiiniin, jolloin sekä massavirta kaasuturbiinin läpi että kaasun ominaislämpö kasvavat, ja kaasuturbiinin akselilta saatava teho ja prosessin hyötysuhde nousevat.

Tällaisella kaasuturbiinilaitoksella voidaan hyödyntää polttoaineen lämpöenergia 20 ilman monimutkaista esikäsittelyä. Erityisiä etuja saavutetaan turpeen poltossa käyttämällä turpeen kaasutusta ja kuivausta painekuivaimella. Polttoaineen kuivaukseen käytettävä höyry voidaan johtaa kuivurin jälkeen injektiohöyryksi kaasuturbiiniin, jolloin turpeen kosteus ei heikennä prosessihyötysuhdetta, vaan kosteus voidaan käyttää hyödyksi. Parhaassa tapauksessa on tarpeellista ainoastaan turpeen mekaani-25 nen puristus ennen käyttöä, jolloin suon esikäsittely ja turvemateriaalin kuivaus ennalta käsin jäävät pois. Ratkaisu on taloudellisesti edullinen, koska polttoaine on nykyiseen verrattuna edullista. Prosessissa hyödynnettävissä olevan turpeen hinta on olennaisesti alhaisempi nykyisin käytettävän kuivatun turpeen hintaan verrattuna. Erityisen edulliseksi tilanne muodostuu, mikäli kaasuturbiinilaitos voidaan sijoittaa 30 turvesuon läheisyyteen, jolloin polttoaineen kuljetuskustannukset minimoituvat. Tämänlaisia prosesseja on kuvattu esimerkiksi julkaisuissa FI 76866 ja WO 90/00219.

2 92858 Tämän keksinnön tarkoituksena on saada aikaan menetelmä, jonka avulla vettä sisältäviä polttoaineita, kuten turvetta, biomassaa ja ruskohiiltä ja hiiltä voidaan käyttää aiempaa tehokkaammin hyödyksi esimerkiksi kaasuturbiiniprosesseissa.

5 Keksintö perustuu siihen, että käytettävä polttoaine pyrolysoidaan osittain jo kuivai-messa tai muussa vastaavassa reaktiolaitteessa nostamalla reaktorin lämpötila riittäväksi.

Täsmällisemmin sanottuna keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista se, 10 mitä on esitetty patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.

Keksinnön avulla saavutetaan huomattavia etuja.

Polttoaineen kuivauksen ja pyrolysoinnin yhdistämisellä polttoaineen kosteus saadaan 15 tavanomaista alhaisemmaksi, mikä parantaa kaasuttimen lämpötasetta ja nostaa saadun tuotekaasun lämpöarvoa. Polttoaineen reaktiivisuus kasvaa käsittelyn johdosta, koska jäännöshiili kaasuuntuu nopean, korkeapaineisen höyrykäsittelyn jälkeen helpommin ja nopeammin. Tämä johtuu partikkelikoon, huokoisuuden sekä kemiallisen koostumuksen muuttumisesta. Polttoaineen viipymäaika kuivaimessa on erittäin 20 lyhyt, tyypillisesti 0,5 - 5 sekuntia. Tässä ajassa lämpötila nousee, tapahtuu kuivumista ja pyrolyysiin liittyviä kemiallisia reaktioita korkeassa paineessa, joten poltto-ainepartikkeleihin kohdistuu voimakkaita vaikutuksia hyvin lyhyessä ajassa. Partikkelikoko pienenee selvästi, mikä parantaa polttoaineen kaasuuntumisominaisuuksia. Kaasuttimeen tai polttoon syötettävän polttoaineen lämpöarvo nousee haihtuvien 25 aineiden osuuden pienetessä ja hiilipitoisuuden noustessa. Haitallisia aineita, kuten klooria ja rikkiä erottuu polttoaineesta höyry virtaan, josta ne voidaan poistaa suhteellisen helposti. Tällöin näiden yhdisteiden pitoisuudet kaasuttimessa alenevat, mikä vähentää korroosiota.

30 Kuivaukseen ja polttoaineen pyrolyysiin voidaan käyttää voimalaitosprosessin jäte-lämpöä, mikä parantaa laitoksen sähköntuotannon hyötysuhdetta. Koska osa pyrolyy- tl 3 92858 sistä tehdään jo kuivaimessa, kaasuttimessa pyrolyysiin kuluva energia pienenee ja tuotekaasun energiapitoisuus kasvaa. Jätelämpöä voidaan käyttää tällä tavoin enemmän hyödyksi.

5 Keksintöä selitetään seuraavassa tarkemmin oheisen piirustuksen avulla, joka esittää yhtä kytkentää, jonka avulla keksintöä voidaan soveltaa.

Kuvion kytkentä esittää kytkentää sähkön tuottamiseksi kaasuturbiinilla, jossa käytetään polttoaineena turvetta. Märkä polttoturve tuodaan ensin yhteellä 1 painekuivai-10 meen 2. Kuivaimen 2 tarvitsema kuivaushöyry tuotetaan jätelämpökattilalla 5 ja höyryä kierrätetään puhaltimella 4 kylläisenä kuivaimen 2 ja jätelämpökattilan 5 kautta höyryputkistossa 3. Kuivaimesta 2 lähtevään höyryputkiston 3 linjaan on liitetty erotin 6 kuivatun polttoaineen ja höyryn erottamiseksi. Erottimena 6 voidaan käyttää esimerkiksi syklonierotinta. Erottimen 6 jälkeen polttoaine johdetaan syöttö-15 linjaa 7 pitkin painekaasuttimeen 9, jossa polttoaineesta muodostetaan tuotekaasua johtamalla siihen ilmaa.

Kuivaushöyrykierrossa 3 on erottimen 6 jälkeen haaroitus 8, jonka kautta polttoaineesta vapautunut höyry poistetaan kuivaushöyrykierrosta. Vapautunut höyry johde-20 taan haaroitusta 8 pitkin kaasuttimelta 9 lähtevään tuotekaasulinjaan 10, jolloin se sekoittuu tuotekaasuun. Tämän jälkeen sekoittuneet höyry ja kaasu joutuvat kaasun puhdistimeen 11, jossa ne käsitellään ja puhdistetaan kaasuturbiinia 14 varten ja johdetaan siten kaasuturbiinin polttokammioon 12. Kaasuturbiinin 14 kanssa samalle akselille on sijoitettu kompressori 15 ja generaattori 13. Turbiinin 14 pyörittämä 25 kompressori 15 syöttää paineistettua ilmaa ilmaputkistoon 16, joka haarautuu kaasu-turbiinin polttokammioon 12 ja kaasuttimeen 9. Kaasuttimeen 9 menevässä haarassa on tehostepuhallin 17.

Kaasuturbiinin 14 pakokaasut johdetaan jätelämpökattilaan 5, jossa niiden lämmöllä 30 kuumennetaan kuivaimen 2 kiertohöyryä ja injektiohöyryä. Kaasuturbiinin injek- tiohöyry kehitetään jätelämpökattilaan sovitetulla höyrystimellä 18 ja höyry johdetaan 92858 4 putkistoa 19 myöten kaasuturbiinin polttokammioon 12. Kaasuturbiiniin 14 johdettavan lisähöyryn ja polttoaineesta vapautuvan höyryn avulla korvataan osittain kompressorin 15 syöttämää ilmaa, jolloin kompressorin tehontarve pienenee ja generatto-rin 13 kautta saatava teho vastaavasti lisääntyy. Jätelämpökattilassa 5 jäähtynyt kaasu 5 johdetaan puhdistukseen ja savupiippuun 20.

Keksinnön mukaan vettä sisältävä polttoaine kuivataan paineistetussa reaktorissa ja reaktorin lämpötila nostetaan niin korkeaksi, että kuivattava polttoaine osittain pyro-lysoituu jo kuivauksen aikana. Tällöin reaktiolämpötila nostetaan tyypillisesti välille 10 250 - 400°C. Joissakin tapauksissa lämpötila voidaan pitää hieman alhaisempanakin, mutta jo välillä 200 - 250°C kuivaus-ja pyrolysointitulos jää matalan lämpötilan takia heikommaksi kuin edellä mainitulla lämpötilavälillä. Alhaisin lämpötila, jossa pyrolyysi alkaa, voidaan selvittää kulloinkin käytettävän polttoaineen ja prosessilait-teiston koeajoin. Kuivauslämpötila voidaan nostaa ainakin 450°C, mutta lämpötilan 15 nostaminen esimerkiksi kaasuturbiinikytkennässä korkeammaksi kuin turbiinin savukaasujen ulostulolämpötilaan 450 - 550°C ei enää oleellisesti lisää osittaisella pyrolysoinnilla saatavaa hyötyä. On selvää, että lopulliset laitoskohtaiset prosessiar-vot sovitetaan käytön aikana siten, että laitoksesta saadaan suurin mahdollinen hyöty käytettävällä polttoaineella.

20

Edellisen mukaan voimalaitoksella käytettävä kiinteä polttoaine kuivataan ja pyro-lysoidaan ennen syöttämistään kattilaan tai kaasuttimeen. Kuivaus ja pyrolyysi tapahtuvat korkeapaineisessa höyryatmosfaärissä. Polttoaineen kuivumisen jälkeen, ja osin myös sen aikana, tapahtuva pyrolysoituminen saadaan aikaan saattamalla polt-25 toainepartikkelin lämpötila riittävän korkeaksi, tyypillisesti 250 - 400°C:een. Siten keksintö soveltuu käytettäväksi kiinteän polttoaineen paineistettua polttoa tai kaasu-' tusta hyödyntävissä voimalaitoksissa, esimerkiksi edellä kuvatun kaltaisessa laitokses sa. Tällöin kuivattava polttoaine syötetään korkeapaineiseen reaktoriin 2, jossa vallitsee höyryatmosfääri. Reaktorina voidaan käyttää tavanomaista paineistettua 30 kuivainta, esimerkiksi flash-, leijukerroshöyry- tai muuta paineistettua kui vain laitetta. Käytettävä paine on tyypillisesti 5 - 30 bar. Reaktorissa 2 polttoaine ensin lämpenee tl 5 92858 höyryn painetta vastaavaan kylläiseen lämpötilaan, minkä jälkeen se alkaa kuivua. Alkuvaiheessa kuivuminen tapahtuu kuten kostealta nestepinnalta, jolloin partikkelin lämpötila pysyy kylläisen höyryn lämpötilassa. Kuivumisen edistyessä partikkelin sisäinen aineensiirto alkaa rajoittaa kosteuden siirtymistä, jolloin partikkelin lämpöti-5 la nousee. Veden poistuttua partikkelien lämpötila nousee samaksi kuin ympäristön lämpötila, mikäli lämpenemiseen vaadittava aika on riittävän pitkä. Lämpenemisen ja osittain jo kuivumisen aikana polttoainepartikkelit pyrolysoituvat, ts. vapauttavat osan sisältämästään orgaanisesta aineksesta. Pyrolyysillä poistetaan edullisesti merkittävä osa polttoaineen haihtuvista osista, jolloin polttoaineen hiilipitoisuus ja kuiva-10 aineen lämpöarvo kohoavat. Polttoaineen viipymäaika reaktorissa on 0,5 - 5 sekuntia, mutta pidempiä viipymäaikoja voidaan käyttää, jos halutaan pyrolysoida suurempi osa polttoaineesta jo reaktorissa.

Reaktorin 2 jälkeen polttoaineesta vapautunut höyry samoin kuin pyrolyysissa vapau-15 tuneet yhdisteet johdetaan kaasuturbiinin polttokammioon 12, jossa pyrolyysituotteet palavat ennen paisumistaan turbiinin 14 siivistön läpi ja kulkeutumistaan savupiippuun 20.

Polttoaineesta vapautuvat pyrolyysituotteet ovat erilaisia orgaanisia yhdisteitä sekä 20 vettä ja kaasuja. Orgaanisten yhdisteiden vapautumiseen vaikuttaa suuresti reak-tiolämpötila; lämpötilan nostaminen lisää yhdisteiden vapautumista. Vapautuva vesi on kuivumisessa höyrystyvää polttoaineen kosteutta, mutta pyrolyysivaiheessa erottuu lisäksi osin polttoaineeseen kemiallisesti sitoutunutta vettä. Kaasut ovat hiilivetyjä sekä mm. hiilidioksidia, hiilimonoksidia ja vetyä. Jos polttoaineessa on haitallisia 25 aineita, kuten klooria, nämä aineet erottuvat käsittelyssä höyryvirtaan ja ne voidaan erottaa helposti.

Keksinnön mukaan käytettävässä reaktorissa 2 käsiteltävä polttoaine on suorassa kosketuksessa ympäröivän höyryn kanssa. Lämmön tuonti reaktioon voi tapahtua 30 joko suoraan ympäröivästä höyrystä tai epäsuorasti lämmönsiirrinpintojen avulla. Reaktorin 2 jälkeen polttoaine erotetaan höyry virrasta esim. syklonierottimella, mistä 6 92858 polttoaine johdetaan polttoon tai kaasutukseen. Höyry- ja pyrolyysituotteet erotetaan höyrypiiristä syklonin jälkeen ja johdetaan joko suoraan tai puhdistimen kautta kaasuturbiinin polttokammioon. Toinen vaihtoehto on sekoittaa höyryn ja pyro-lyysituotteiden seos kaasuttimen tuotekaasuun tai kattilan savukaasuun ennen kaasu-5 jen puhdistusta.

Tätä keksintöä voidaan soveltaa monenlaisiin järjestelmiin, joissa käytetään kuivain-ta. Kuivaimen on kuitenkin aina oltava sellainen, jonka lämpötila voidaan nostaa riittävän korkeaksi. Kuivaushöyry voidaan tuottaa erillisellä höyrynkehittimellä, 10 höyrykattilan kierrosta tai muulla tavalla esimerkiksi jossain piirin kohdassa syntyvällä jätelämmöllä. Kaasuttimen ja kaasuturbiinin sijasta polttoaine voidaan käyttää muullakin tavalla, se voidaan polttaa suoraan lämmitys- tai höyrykattilassa tai kaasuttaa ja polttaa käyttämättä kaasuturbiinia. Erityisesti silloin, kun kaasuturbiinia ei käytetä, polttoaineen kuivauksessa vapautuva höyry voidaan käyttää muulla tavalla 15 hyödyksi tai päästää puhdistettuna ilmaan.

Polttoaine voidaan kuivata ja pyrolysoida höyryatmosfaärin sijasta muussakin riittävän inertissä atmosfäärissä. Prosessissa voi olla tai siihen voidaan johtaan myös happea sopivan pyrolyysiasteen saavuttamiseksi, jolloin atmosfääri ei ole täysin 20 inertti. Hapen määrä pidetään kuitenkin yleensä pienenä. Polttoaineeksi soveltuvat monet aineet, esimerkiksi turve, puu, ruskohiili, erilaiset orgaaniset ja kemialliset jätelietteet ja vastaavat.

Vaikkakin keksintöä voidaan soveltaa monenlaisiin energiantuotantojäijestelmiin, 25 kuten edellä on mainittu, hakijan tämänhetkisten tutkimusten mukaan edullisimmat tulokset saavutetaan esimerkissä kuvatun kaltaisella järjestelyllä, jossa polttoaine * kuivataan ja kaasutetaan ja poltetaan kaasuturbiinissa, johon injektoidaan lisähöyryä ja polttoaineen kuivatuksessa vapautunut höyry. Keksintöä voidaan kuitenkin soveltaa kaikkiin sellaisiin käyttökohteisiin, joissa vettä sisältävä polttoaine kuivataan paine-30 kuivurissa ja käytetään sen jälkeen hyödyksi suoraan polttamalla tai kaasuttamalla.

Il

Claims (9)

1. Menetelmä vettä sisältävän polttoaineen lämpöenergian hyödyntämiseksi, jossa 5 - vettä sisältävää polttoainetta kuivataan reaktorissa (2), * kuivaneesta polttoaineesta erotetaan ainakin osa kuivausväliaineesta ja polttoaineesta vapautunut vesihöyry sekä muut aineet, 10 - polttoaine johdetaan erotuksen jälkeen korkeapainekaasuttimeen (9), jossa se kaasutetaan, - kaasutettu polttoaine käytetään kaasuturbiinin (14) polttoaineena, ja 15 - ainakin osa polttoaineesta vapautuneesta vesihöyrystä ja pyrolyysituot-teista johdetaan kaasuturbiiniin injektiohöyryksi tai sekoitetaan kaasuturbiinin polttoaineeseen tai palamisilmavirtaan, 20 tunnettu siitä, että kuivattavaa polttoainetta pyrolysoidaan osittain reaktorissa : · nostamalla reaktorin (2) lämpötila ainakin niin korkeaksi, että pyrolyysiä esiintyy.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että reaktorin (2) lämpötila sovitetaan välille 200 - 550°C. 25

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että reaktorin (2) lämpötila sovitetaan välille 250 - 400°C.

4. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu 30 siitä, että polttoaineen viipymäaika reaktorissa (2) on 0,5 - 5 sekuntia. 8 92658

5. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että reaktorin (2) paine sovitetaan välille 5-30 bar.

6. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu 5 siitä, että polttoaineen kosteus reaktorin jälkeen sovitetaan pienemmäksi kuin 25 %.

7. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että reaktorissa (2) käytetään oleellisen inerttiä atmosfääriä.

7 92658

8. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että polttoaine kuivataan ja pyrolysoidaan reaktorissa (2) höyry atmosfäärissä ja reaktorin kuivaus-höyry tuotetaan kaasuturbiinin (14) pakokaasuja käyttävällä jätelämpökattilalla.

9. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu 15 siitä, että reaktori (2) on flash-, leijukerros- tai muu paineistettu kuivain. tl 9 92858