FI94463C - Tapa ja laite jätelämpökattilan lämmön ja pölyn talteenoton tehostamiseksi - Google Patents

Description

94463

TAPA JA LAITE JÄTELÄMPÖKATTILAN LÄMMÖN JA PÖLYN TALTEENOTON TEHOSTAMISEKSI

Keksintö kohdistuu sulatusuunin, erityisesti liekkisulatusuunin jälkeiseen kattilakonstruktioon, jonka avulla estetään suora virtaus jätelämpökattilan säteily-osasta sen konvektio-osaan kattilaan sijoitetun, olennaisesti virtauksen suuntaisen, edullisesti jäähdytysputkista muodostetun välilevyn avulla. Samalla estetään kaasuvirtauksen paluu takaisin sulatusuunin poistoaukkoon kaasujen aiheuttaman pölykasvannaistaipumuksen vähentämiseksi. Näin optimoidun virtauskuvion ansiosta säteilyosan akanvirrat eli kuolleitten alueiden osuus vähenee huomattavasti lisäten lähinnä lämmönsiirrolle edullista viiveaikaa.

Suspensiosulatusuunin jälkeinen jätelämpökattila on yleisesti tyypiltään vaakakattila, joka muodostuu kahdesta osasta, säteilyosasta ja konvektio-osasta. Säteilyosan tarkoituksena on jäähdyttää kaasut niin, että kaasussa olevat sulat partikkelit jähmettyvät ja lämpötila laskee partikkelien sintrauslämpötilan alapuolelle ennen kuin kaasut johdetaan kattilan konvektio-osaan. Tällä tavoin estetään sintrautuminen konvektio-osan jäähdytysputkistöihin, joiden avulla loppulämpö kaasusta otetaan talteen.

Suspensiosulatuksen jälkeisten kaasujen lämpötila on suuruusluokkaa 1300 °C ja pölypitoisuus korkeahko. Tämä aiheuttaa jo säteilyosassa vaikeuksia. Epäedullisesti hapen kanssa reagoinut pöly tarttuu seinän höyryputkien pintaan heikentäen näin syntyneen eristekerroksen vuoksi lämmönsiirtoa kaasusta putkissa virtaavaan paineistettuun höyryyn. Pahimmassa tapauksessa pölykeiros voi kasvaa niin suureksi, että muodostunut kerros irtoaa ja alaspudotessaan aiheuttaa vaaratilanteen. Mikäli lämmönsiirto säteilyosassa heikkenee, viilaavat kaasut liian kuumina konvektio-osan putkistoon aiheuttaen siellä vielä vaikeampia tukkeentumisongelmia. Tukkeentumista voi tapahtua myös liekkiuunin nousukuilun ja kattilan välisessä aukossa johtaen tunnetusti muutoksiin virtauksissa ja paineissa ja siten aiheuttaen tuotantokatkoksia.

Ennestään tunnetaan ravistinmenettely jätelämpökattilan pölykasvannaisten poistamiseksi. Ravistelu on vaikuttanut positiivisesti, mutta vain oireiden, ei syyn poistajana. Tämän menetelmän liian tehokkaan käytön haittapuolet tulevat pian näkyviin kattilalaitteiston käyttöiän vähentymisenä. Tunnetaan myös tapa syöttää happipitoista kaasua säteilyosaan edullisten reaktioiden aikaansaamiseksi.

• · 2 94463

Tunnettua on myös kattilavirtausten suuntaisten, erillisten jäähdytyspaneelien käyttö säteilyosassa tehostamassa lämmön talteenottoa, jolloin virtaus pääsee kulkemaan paneelin molemmilta puolilta. Samoin on säteilyosassa käytetty virtaukseen nähden poikittaista jäähdytysväliseinää, jolla päävirtaus pakotetaan kulkemaan seinän alitse ja siten lisäämään tehollista viiveaikaa, ja jolla tietenkin saadaan lisää jäähdyttävää pintaa. Poikittaissuuntaisista seinistä saadut kokemukset ovat huonoja, sillä niihin muodostuu herkästi kameja eli pölykasvannaisia.

Eräissä tapauksissa konvektio-osa on sijoitettu säteilyosaa alemmalle tasolle kaasun virtauskuvion muuttamiseksi. Tarkoituksena on ollut estää kaasun suora virtaus jätelämpökattilan säteilyosan kattoa pitkin siten, että konvektio-osa on sijoitettu säteilyosaa alemmaksi, jolloin säteilyosan katon takaosa suuntautuu vinosti alas. US patentissa 4,530,311 on esitetty tapa laskea säteilyosaa portaallisesti alaspäin ja näin estää suora virtaus konvektio-osaan. Samalla on lisätty säteilyosaan virtauksen suuntaisia jäähdytyspaneeleja lämmönsiirtopinnan kasvattamiseksi. Nämä toimivat hyvin, jos ne on suunniteltu oikein.

Tunnelityyppisissä jätelämpökattilakonstruktiossa esiintyy kuitenkin suspensio-sulatuksesta syntyvien kaasujen korkean pölypitoisuuden vuoksi pölykasvannaisia, jotka vaikeuttavat itse jätelämpökattilan toimintaa samoin kuin myös koko suspensio-sulatusta. Vaikeuksista johtuvat mahdolliset, prosessin tuotantokatkojen aiheuttamat menetykset ovat tuottajalle hyvin suuret.

• Pölykasvannaistaipumusta edistävät esimerkiksi seuraavat seikat: Jätelämpökattilan säteilyosassa on tehokkaassa käytössä vain katto ja seinien yläosat, nekin ainoastaan ollessaan puhtaina. Koska suuri osa lämpökuormasta kohdistuu pienelle osalle kattilaa, jätelämpökattilan puhtaanapito on vaikeaa. Edelleen kuumat pölypitoiset kaasut virtaavat osittain jäähtymättöminä suoraan kattilan konvektio-osaan, jolloin tapahtuu sulien pölypartikkelien tarttumista jäähdytysputkistoon ja jäähtyneiden partikkelien sintrautumista.

Kasvannaisten muodostumista edistää myös pölypartikkelien törmäysten kasvaminen kattilan seinille. Törmäystodennäköisyys on suurempi kaikille virtausta vastaan poikittain oleville seinille. Lisäksi jätelämpökattilan alaosa toimii säteilyn vastaanottajana huonosti ja sallii kuitenkin osalle pölypitoista kaasua haitallisen

il ltt-4 Klti l i t m i : I

3 94463 pitkän viipymäajan (akanvirrat) ja edellytyksen epäedullisen rikkidioksidin muodostumiselle. SC>3-muodostus voi kaasujen sisältämän kosteuden ja/tai mahdollisten kattilavuotojen takia synnyttää laitteistojen rakenteita syövyttävää rikkihappoa. On myös huomattava, että pölykasvannaisvaikeudet jätelämpökattilassa kasvavat kattilakoon suurentuessa.

Näissä ennestään tunnetuissa tapauksissa on tavoiteltu pölykasvannaisten poistoa (ravistimet), niiden estämistä (lisäilman syöttö), viiveajan kasvua (poikittaiset paneeliseinät, portaallinen säteilyosan lasku, konvektio-osan lasku) tai lämmönsiirtopinnan lisäystä (paneeliseinät). Kaikissa on kuitenkin jäänyt paluupyörteiden takia uunin ja kattilan välinen aukko otolliseksi kasvannaisille.

Esillä olevan keksinnön mukaisen jätelämpökattilakonstruktion tarkoituksena on poistaa edelläesitettyjen, tekniikan tason mukaisten laitekonstruktioiden haittapuolet ja aikaansaada entistä tehokkaampi ja toimintavarmempi jätelämpökattila, mikä soveltuu suspensiosulatusprosessissa syntyvien pölypitoisten kaasujen jäähdytykseen ja samalla pölynkeräykseen. Keksinnön mukainen rakenne soveltuu myös erinomaisesti vanhojen kattiloiden kapasiteetin kohottamiseen. Keksintö kohdistuu myös vastaavaan menetelmään bulkkimaisen virtauksen aikaansaamiseksi ja koko virtauksen viiveajan pidentämiseksi kattilan säteilyosassa. Keksinnön olennaiset tunnusmerkit käyvät esille oheisista patenttivaatimuksista.

Keksinnön mukaisesti jaetaan säteilyosa virtauksellisesti kahteen osaan pystysuoralla, katosta alaspäin ripustetulla ja höyryputkista muodostetulla välilevyllä eli paneeliseinällä, tai useamman, lähinnä peräkkäisten paneeliseinämien muodostaman seinämärakenteen avulla. Seinä tai seinämärakenne on olennaisesti säteilyosan pituussuuntainen, kuitenkin niin, että säteilyosan kaasun tulo- ja poistoaukko ovat eri puolella seinää. Seinämä on alapuolelta virtaukselle avoin. Keksinnön mukainen paneeliseinärakenne muodostaa säteilyosan tulovirtaukselle tilan, minkä virtauspoikkipinta ensimmäisessä osassa, tulolohkossa jatkuvasti pienenee ja toisessa osassa, poistolohkossa vastaavasti laajenee. Tällöin päävirtaus säilyttääkseen nopeutensa täyttää loppupään tilaa myös alempana. Koska virtaukselle ei ole mahdollista poistua suoraan konvektio-osaan ensimmäisen osan loppupäässä, virtaus kääntyy keksinnön mukaisen seinän alapuolelta poistolohkoon ja virtaa siten tämän puoliskon alaosassa ensin takaisin uuniin päin, mutta se ei voi virrata takaisin tuloaukolle, koska keksinnön mukainen väliseinä estää sen. Mutta sen sijaan, koska 4 94463 poistopuoli on vuorostaan loppuosaansa (konvektio-osaan) päin laajeneva, virtaus nousee ja kääntyy virtaamaan taas tulppamaisena kohti konvektio-osan sisäänmenoa. Tällä tavoin varmistetaan se, ettei kylmä virtaus palaa uunin nousukuilun poistoaukkoon takaisin. Samalla lämmönsiirron kannalta edullinen viiveaika kasvaa.

Suspensiosulatusuunista jätelämpökattilaan virtaavat pölyt sisältävät usein rikkidioksidin lisäksi sulatettavan metallin, kuten kuparin tai nikkelin oksidia tai sulfidia. Erityisesti sulfidi aiheuttaa helposti kattilassa pölykasvannaisia, kun se tarttuu jäähdytettyihin pintoihin ja muodostaa siinä hapettuessaan sulfaattia. On todettu, että jos pölypitoisia kaasuja lievästi hapetetaan kaasujen lämpötilan ollessa yli 600 °C, pölyjen metalliyhdisteet reagoivat sulfaatiksi, mutta lämpötila-alueella 450 -600 °C ensisijaisena reaktiona tapahtuu rikkidioksidin hapettuminen rikkitrioksidiksi, jota pyritään välttämään rikkihapon muodostumisen estämiseksi. Pölyjen reagoiminen sulfaatiksi on prosessille edullista, jos sulfatoituminen pystytään suorittamaan siten, että sulfaatit eivät muodosta pölykasvannaisia. Keksinnön mukaisella menetelmällä estetään kasvannaisten muodostuminen siten, että kaasut pidetään yhtenäisenä bulkkivirtauksena ilman pieniä erillisisä akanvirtoja. Koko bulkkivirtausta hapetetaan, ja näin hapettuminen tapahtuu yhtenäisesti korkeassa lämpötilassa, jolloin pölyjen tarttuminen pintoihin estetään.

Esillä oleva keksintö kohdistuu siten sulatusuunin, kuten suspensiosulatusuunin jälkeiseen jätelämpökattilakonstruktioon, jonka avulla jätelämpökattilan kokonaistilavuus edullisesti hyödynnetään ja samalla estetään suspensiosulatusuunissa syntyvien pölypitoisten kaasujen suora virtaus jätelämpökattilan säteilyosasta sen konvektio-osaan kaasujen aiheuttaman pölykasvannaistaipumusten vähentämiseksi.

Keksintöä selostetaan yksityiskohtaisemmin oheisten kuvien avulla, joissa kuva 1 esittää keksinnön mukaisen jätelämpökattilakonstruktion erään sovellutus- muodon kolmiulotteisena sivukuvantona, kuva 2 esittää erästä, kuvan 1 mukaista, yhtenäisellä väliseinällä varustettua sovellutusmuotoa ylhäältäpäin katsottuna, kuva 3 on eräs toinen kuvan 1 mukaisen konstruktion ratkaisu ylhäältäpäin katsottuna, kuvat 4 ja 5 esittävät samoin kuvan 1 mukaisen ratkaisun sovellutuksia ylhäältäpäin katsottuna, kuvassa 6 nähdään kuvan 3 mukaisesta ratkaisusta eräs toinen sovellutus ylhäältäpäin katsottuna, ja 5 94463 kuvassa 7 nähdään kuvan 4 mukaisen ratkaisun sovellutus ylhäältäpäin katsottuna.

Kuten kuvasta 1 nähdään, jätelämpökattila 1 muodostuu säteilyosasta 2 ja konvektio-osasta 3. Suspensiosulatusuunista (ei kuvassa) tuleva kaasu johdetaan aukon 4 kautta ensin kattilan säteilyosaan, jonne on sijoitettu keksinnön mukainen, höyryputkista muodostettu väliseinä 5. Kuvasta nähdään myös, että väliseinä on sijoitettu ainakin osittain vinosti siten, että kaasun tuloaukko 4 jää kokonaan väliseinän 5 ensimmäiselle eli tulopuolelle I, ja kaasun poistumisaukko 6 kattilan konvektio-osaan on säteilyosan toisella eli poistopuolella II. Väliseinä ulottuu olennaisesti koko säteilyosan • pituudelle. Kuvassa on nuolella 7 osoitettu kaasun kulkusuunta säteilyosassa.

Nähdään, että kaasuvirtaus kiertää ensin tulolohkossa I, ja kääntyy sen jälkeen alakautta poistolohkoon Π, josta se poistuu konvektio-osaan 3. Oleellista on, että kaasuvirta kiertää bulkkimaisena virtauksena siten, ettei pääse syntymään erillisiä akanvirtoja, jotka ovat useimmiten kattilarakenteiden ongelma.

Kaasuvirta joutuu uuden väliseinän 3 ansiosta käyttämään tehokkaasti hyödykseen koko säteilyosan tilavuuden. Kun kaasu joutuu myös kiertämään säteilyosan alaosassa, tämä edesauttaa pölyjen kerääntymistä säteilyosan alapuolella oleviin suppilomaisiin pölykouruihin 8. Korkeussuunnassa väliseinä 5 on ripustettu säteily-osan katosta olennaisesti kohtisuoraan alaspäin siten, että edullisesti ulottuu konvektio-osaan johtavaa aukkoa 6 alemmaksi. Kuvassa esitetyllä ratkaisulla estetään kaasuvirtauksen paluu suspensiosulatusuunin poistoaukolle 4, jolloin pölykasvan-naisten muodostuminen aukkoon olennaisesti pienentyy. Jos kaasuvirtaan syötetään happea, se tapahtuu virtaussuunnassa katsottuna ensimmäisessä lohkossa I, jolloin . kaasujen lämpötila on riittävän korkea edullisen sulfatoitumisreaktion tapahtumiseksi.

Kuten kuvasta 2 nähdään, eräs edullinen väliseinän muoto on, että väliseinä 5 ulottuu yhtenäisenä koko jätelämpökattilan säteilyosan pituudelle. Väliseinä alkaa säteilyosan etuseinästä, kaasun tuloaukon 4 toiselta puolelta, jatkuu vinosti säteilyosan poikki ja päättyy konvektio-osan alkupään seinämään 9.

Kuvassa 3 taas nähdään toinen väliseinän 3 sovellutus, jossa väliseinä on yhtenäinen, mutta se on varustettu polvekkeilla siten, että se on alku- ja loppupäästään säteilyosan pituussuuntainen, mutta keskiosastaan vinosti suunnattu konvektio-osaan päin.

6 94463

Kuvan 4 sovellutuksessa väliseinä 5 on muodostettu useammasta ja erillään olevasta, putkipaneelista 10. Kuvan 5 sovellutuksessa väliseinä on myös muodostettu useammasta putkipaneelista 11, jotka on liitetty toisiinsa suomumaisesti. Esimerkiksi kattilan lämpöliikkeen takia on joissakin tapauksissa edullista tehdä väliseinä useasta eri osasta. Eri osien väliset aukot ovat kuitenkin niin pieniä, että väliseinän eri puolilla kulkevien kaasuvirtausten välillä ei tapahdu sekoittumista.

Kuvan 6 mukainen ratkaisu on muuten samanlainen kuin kuvassa 3 esitetty, mutta tässä tapauksessa ensimmäinen, säteilyosan pituussuuntainen osa on kokonaan jätetty pois, ja kaasut voivat vapaasti virrata alkumatkan. Oleellista on, että kaasuvirtauksen impulssi on niin suuri, ettei kaasu ei virtaa jätetystä aukosta, vaan se jatkaa olennaisesti samansuuntaisesti kuin umpinaisessakin rakenteessa. Aukko voidaan jättää esim. rakenteellisista syistä.

Kuvassa 7 nähdään ratkaisu, joka on samantyyppinen kuin kuvassa 4 esitetty, mutta tässä tapauksessa putkipaneeleista muodostuvan väliseinän 10 lisäksi kattilan säteilyosaan on sijoitettu väliseinän kummallekin puolelle väliseinän suuntaisia lisäputkipaneeleita 12. Lisäpaneeleita voi olla useammassa rivissä. Tarkoituksena on, että voidaan käyttää hyväksi esim. ennestään olevia rakenteita.

Lopullinen lämmön talteenotto tapahtuu jätelämpökattilan konvektio-osassa, jonne kaasut tulevat sen jälkeen, kun niistä on poistunut suurin osa kiinteistä epäpuhtauksista, ja pölyt voidaan poistaa säteilyosan suppilomaisista kouruista niiden pudottua sinne. Myös paneeleihin tarttunut kiintoaines joutuu lopulta pohjalle, sillä väliseinän paneeleihin on kiinnitetty tavanomaiset ravistimet (ei kuvissa), jotka suorittavat kerääntyneen aineksen pudottamisen aika ajoin. Myös konvektio-osan pohja on varustettu suppilomaisilla osilla 13 kaasusta eronneen kiintoaineen talteenottamiseksi ja poistamiseksi. Konvektio-osassa lämpö otetaan talteen jäähdytysputkistossa kiertävään höyryyn/nesteeseen.

Jätelämpökattilasta ulospuhallettavat kaasut ovat jo melko puhtaita, ja niin ne voidaankin johtaa lopullista puhdistusta varten sähkösuotimeen ennen kuin pölyt johdetaan seuraavaan prosessivaiheeseen.

7 94463

Edelläkuvattu jätelämpökattilakonstruktio on helposti sovellettavissa jo toteutettuihin kattiloihin ja muodostettavan väliseinän avulla voidaan kattilan tehokkuutta oleellisesti nostaa.

Claims (12)

1. Tapa lämmön talteenottamiseksi ja pölykasvannaisten pienentämiseksi sulatusuunin poistokaasuista jätelämpökattilassa, erityisesti sen säteilyosassa tunnettu siitä, että sulatusuunista jätelämpökattilaan ohjattu bulkkimainen kaasuvirtaus saatetaan kulkemaan olennaisesti virtaussuunnassa kahteen osaan jaetussa säteilyosassa siten, että kaasut virtaavat ensin tulopuolen lohkossa, jossa virtauspoikkipinta menosuunnassa pienenee ja sen jälkeen kaasuvirtauksen suunta käännetään säteilyosan alaosan kautta virtaamaan poistolohkoon, jossa virtauspoikkipinta laajenee ja josta osasta virtaus saatetaan poistumaan kattilan konvektio-osaan.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen tapa, tunnettu siitä, että kattilan säteilyosan tulopuolen lohkoon syötetään hapettavaa ainetta.

3. Laite lämmön ja pölyn talteenoton tehostamiseksi sulatusuunin poistokaasuista jätelämpökattilassa, tunnettu siitä, että jätelämpökattilan (1) säteilyosa (2) on jaettu kahteen osaan (I,U) katosta alaspäin ripustetun, olennaisesti säteilyosan pituussuuntaisen mutta ainakin osittain vinosti asetetun, höyryputkista muodostetun väliseinän (5) avulla.

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen laite, tunnettu siitä, että kaasun tuloaukko (4) avautuu tulolohkoon (I).

5. Patenttivaatimuksen 3 mukainen laite, tunnettu siitä, että kaasun poistoaukko (6) konvektio-osaan (3) avautuu poistolohkoon (II).

6. Patenttivaatimuksen 3 mukainen laite, tunnettu siitä, että väliseinä (5) on ulotettu jatkumaan kaasun poistoaukkoa (6) alemmaksi.

7. Patenttivaatimuksen 3 mukainen laite, tunnettu siitä, että väliseinä (5) on yhtenäinen.

8. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen laite, tunnettu siitä, että väliseinä (5) on muodostettu useammasta osasta. ♦ 9 94463

9. Patenttivaatimuksen 8 mukainen laite, tunnettu siitä, että väliseinän (5) osien välillä on pienet aukot.

10. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen laite, tunnettu siitä, että väliseinä (5) on muodostettu suomumaiseksi..

11. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen laite, tunnettu siitä, että väliseinä (5) on saatettu ulottumaan koko säteilyosan (2) pituudelle.

12. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen laite, tunnettu siitä, että väliseinän (5) lisäksi säteilyosaan on sijoitettu väliseinän suuntaisia lisäpaneeleita (12). »« 94463