FI94597C - Menetelmä hienojakoisen pölyn erottamiseksi kuumasta paineenalaisesta prosessikaasusta - Google Patents

Description

- 94597

MENETELMÄ HIENOJAKOISEN PÖLYN EROTTAMISEKSI KUUMASTA PAI-NEENALAISESTA PROSESSIKAASUSTA

Keksinnön kohteena on paineistetulla leijukerrospoltolla tai 5 muulla kaasutustekniikalla aikaansaadun polttoainekaasun puhdistus ennen kaasuturbiineita ja erityisesti kuumapuhdistus-menetelmä ennen kaasuturbiinia.

Leijukerroskattilassa kiinteästä polttoaineesta tai palavasta 10 liemestä kaasutetaan vielä pidemmälle poltettavissa olevaa kaasua. Leijukerroskattliasta otetaan talteen vain vähäinen määrä tai ei ollenkaan osittaisessa palamisessa vapautuvasta lämpöenergiasta. Vapautunut energia jää kattilasta poistuvaan kaasuun lämpö- ja paine-energiana, joka halutaan ottaa, talteen 15 pääasiallisesti kattilan jälkeen kytketyllä kaasuturbiinilla samassa yhteydessä, kun kaasun lopunkin kemiallisen energian vapauttaminen polttamalla tapahtuu. Turbiinien jälkeen savukaasuista voidaan vielä ottaa talteen lämpöenergiaa jätelämpö-kattiloilla. Näin muodostetulla prosessilla saavutetaan korkea 20 sähkön- ja lämmöntuotannon hyötysuhde. Korkean hyötysuhteen aikaansaamiseksi pitäisi kattilasta tulevan ja turbiinin polt-toaineeksi tarkoitetun kaasun puhdistuksen tapahtua mahdollisimman pienin lämpöhäviöin.

25 Turbiinin siivistöt on valmistettu rauta-, nikkeli- tai ko- bolttipohjaisesta metalliseoksesta, johon hapettumisen estämiseksi on lisätty kromia ja/tai alumiinia. Lisäaineista johtuen turbiinin siipien pinnalle muodostuu hapettumisen etenemistä ehkäisevä tiivis oksidikerros. Tällainen kerros voi lohkeilla 30 siihen törmäävien pölyhiukkasten takia tai sen pinta voi sulaa pölyn mukana tulleiden alkalimetallien vaikutuksesta aiheuttaen korroosiota turbiinin siivistössä. Näiden ongelmien minimoimiseksi kaasun puhtaudelle ja pölyn hiukkaskoolle on annettava raja-arvot. Se, mikä taso kaasujen puhtaudelta vaaditaan, 35 riippuu kaasuturbiinien valmistusmateriaaleista mutta yleensä kuumakaasuturbiinien pölypitoisuus pitäisi olla vähemmän kuin 10 mg/m3 ja hiukkaskoko pienempi kuin 5 pm. Kaasujen sisältämät kemialliset epäpuhtaudet aiheuttavat korroosiota turbiinin 94597 2 siivistössä.

Paineistettujen kaasujen puhdistaminen riittävän puhtaaksi korkeassa lämpötilassa on osoittautunut vaikeaksi.

5

Kuumien, korkeapaineisten kaasujen puhdistamiseen on käytetty pölynerotussykloneita ensimmäisenä puhdistusvaiheena eli pri-määrierottimina. Leijukerrospoltossa kaasusta erotettava len-topöly palautetaan leijukerrokseen. Sekundäärierottimina käy-10 tetään törmäyssuodattimia, raesuodattimia, sähkösuodattimia tai muita, kuten sulakylpysuodattimia. Sekundäärierottimien toimintaolosuhteiden takia syntyy paine- ja lämpöhäviöitä.

Keksinnön mukaiselle menetelmälle ja laitteistolle on tun-15 nusomaista se, mitä on esitetty patenttivaatimusten tunnus-merkkiosissa.

Keksinnön merkittävänä etuna voidaan pitää sitä, että uudella keksinnöllä paremmin pystytään erottamaan kaasusta pienet 20 hiukkaset sekä erotus voidaan toteuttaa mahdollisimman pienin paine- ja lämpöhäviöin. Voidaan vähentää samalla poltosta aiheutuvia päästöjä. Suodattimien tukkeutumista voidaan hidastaa tai niiden käyttö voidaan kokonaan eliminoida. Niiden huolto-väli pitenee jne.

25

Seuraavassa keksintöä kuvataan yksityiskohtaisesti oheiseen piirustukseen viitaten.

Ainoassa kuvassa on esitetty kaasujen puhdistusmenetelmä kaa-30 viokuvana.

Kiinteä polttoaine kaasutetaan leijukerrostekniikalla. Leiju-kerroksen lämpötila voi olla esimerkiksi 850 °C. kaasun lämpötilaa voidaan vielä erityisjärjestelyin nostaa yli tuhannen 35 asteen tarvittaessa. Kun sitten tällainen korkeassa lämpötilassa ja korkeassa paineessa (esim. 10-16 bar) oleva kaasu halutaan puhdistaa, puhdistus toteutetaan keksinnön mukaisesti seuraavasti. Ennen kaasuturbiineja kaasun sisältämät hiukkaset 3 - 94597 sidotaan suurempiin kiintoaine- tai sulahiukkasiin, jotka injektoidaan suoraan paineenalaiseen kaasuvirtaukseen. Suuremmat n. 20-50 μιη:η injektoidut hiukkaset ja niihin tarttuneet pienemmät hiukkaset erotetaan kaasusta luokitustekniikkaa käyttä-5 en. Puhdistettavassa kaasussa olevat hiukkaset ovat yleensä alle 10 μιη:η kokoluokkaa.

Kuvassa on esitetty laitteisto puhdistusmenetelmää varten. Korkealämpötilaiseen ja paineistettuun kaasuun injektoidaan 10 ennen kaasuturbiineja 1 muutaman kymmenen mikrometrin kokoisia hiukkasia tai sulan materiaalin pisaroita kaasua johtavaan putkeen 3 sijoitetun suihkua hajottavan suuttimen 2 kautta. Injektointipaine säädetään suuremmaksi kuin kaasun paine, jotta kaasu ja syötettävät hiukkaset törmäisivät toisiinsa. Suu-15 tin 2 on sijoitettu esim. kaasuputken keskikohtaan tuodun putken 4 päähän. Suuttimella 2 saadaan aikaan jatkuva ja olennaisesti kaasuputken koko poikkileikkauksen alueelle jakautuva "hiukkassumu", joka tunkeutuu kaasuvirtaan. Injektoitavat hiukkaset sekoitetaan injektoitavaan kantajakaasuun erillises-20 sä säiliössä 8. Näin saatu kaasu johdetaan paine-eron säilyttävän syöttimen 9, esim. sulkusyöttimen, kautta injektointi-putkeen 4.

Erotuksen mahdollistamiseksi kaasuputkea 3 on supistettu suut-25 timen 2 jälkeen ennen kaasuturbiineja 1 ns. venturiputken 5 • muotoon. Venturiputkessa kaasun virtausnopeus kasvaa ja turbu lenssista johtuen injektoidut hiukkaset ja kaasun epäpuhtaudet törmäävät ja kiinnittyvät toisiinsa. Kiinnittyminen perustuu kaasun sisältämien pienten hiukkasten agglomeroitumiseen kor-30 keassa lämpötilassa suurempien injektoitujen hiukkasten pinnoille. Sähköiset varaukset voivat myös altistaa hiukkasten kiinnittymistä toisiinsa.

Venturiputken 5 jälkeen kaikkien hiukkasten nopeus on sama 35 kuin kaasuvirtauksen nopeus. Välittömästi venturiputkeen on liitetty luokitin 6 tai useita luokittimia 6 ja 7. Kun luokitus tapahtuu heti venturiputken jälkeen luokittimeen 6 ja 7 tulevan kaasun ja hiukkasten nopeus on suurimmillaan, mikä 4 - 94597 mahdollistaa luokittimien tehokkaan toiminnan.

Kuumien kaasujen puhdistuksessa luokittimena käytetään syklo-neita. Sykloneita voidaan hyödyntää, jos kaasun sisältämät 5 hiukkaset saadaan täydellisesti sitoutumaan injektoituihin suurempiin hiukkasiin. Yksi mahdollinen luokitintyyppi on syklonit. Nykyään on olemassa useita, tehokkuudeltaan parempia luokitintyyppe j ä.

10 Kiintoainehiukkasten, esim. lentotuhkahiukkasten sijasta voidaan käyttää sulaa. Sulan injektoinnissa sulatettava materiaalia sulatetaan ja paineistetaan erillisessä säiliössä, josta se suoraan injektoidaan kaasuvirtaukseen. Sula injektoidaan esimerkiksi keraamisten suuttimien avulla kaasuvirtaukseen.

15 Paineistetun kaasun epäpuhtaudet tarttuvat ja kiinnittyvät sulapisaroihin, esim. pintavoimien, liukenemisen, kemiallisten reaktioiden kautta. Sulana materiaalina voidaan käyttää esim. epäorgaanisia suoloja.

20 Injektoitavaa ainetta voidaan käyttää myös kemiallisten aineiden kuten rikki- ja typpiyhdisteiden poistamiseen paineistetusta ja kuumasta kaasuvirtauksesta. Injektoitava aine reagoi kemiallisten yhdisteiden kanssa, jolloin syntyvä uusi yhdiste joko poistetaan kiinteässä muodossa tai uusi yhdiste ei ole 25 haitallinen, jolloin se voidaan johtaa prosessissa eteenpäin.

·* Injektoitava aine voi toimia myös katalyyttinä kemiallisten yhdisteiden reagoimiselle. Esimerkiksi rikkiyhdisteiden poistoon tai vähentämiseen voidaan injektoida CaO eli poltettua kalkkia tai BaO:a tai alkalimetallisuoloja. Typpiyhdisteille 30 esim. alumiinioksidi toimii katalyyttinä typpioksidien hajoamis tapahtumassa .

Luokittimien materiaaleina voidaan käyttää esimerkiksi vallitsevat kuumakorroosio- ja eroosio-olosuhteet kestäviä keraami-35 siä materiaaleja, kuten esim. tiivistä alumiinioksidia.

Injektoitavien suurempien hiukkasten määrä paineistetussa kaasussa riippuu esim. puhdistettavan kaasun laadusta, esim. epä-

II

5 - 94597 puhtauksien määrästä jne. Suuttimia voidaan käyttää useita. Ne voidaan sijoittaa myös paineistetun kaasun putken kehälle välimatkan päähän toisistaan.

5 Erityisesti on huomattava, että keksintöä on edellä selitetty vain yhteen sen edulliseen toteuttamisesimerkkiin viitaten.

Tällä ei kuitenkaan millään tavoin haluta rajoittaa keksintöä vain tätä esimerkkiä koskevaksi vaan monet muunnokset ovat mahdollisia seuraavien patenttivaatimusten määrittelemän kek-10 sinnöllisen ajatuksen puitteissa.

Claims (9)

1. Menetelmä kaasuturbiiniin ohjattavan paineistetun ja kor-kealämpötilaisen kaasun puhdistamiseksi, jossa menetelmässä 5 paineistettuun kaasuvirtaukseen injektoidaan hiukkasia, johdetaan kaasu ja injektoidut hiukkaset kapenevaan putkiosaan (5), ohjataan sekoitettu seos luokitinlaitteistoon (6, 7), jolla kaasun epäpuhtautena olevat hiukkaset erotetaan, tunnettu siitä, että paineistettuun kaasuvirtaukseen injek-10 toidaan hiukkasia, joiden kantajakaasun paine on suurempi kuin puhdistettavan polttokaasun kaasun sisältämien epäpuhtaushiuk-kasten ja injektoitujen hiukkasten törmäysten ja toisiinsa tarttumisen mahdollistamiseksi, tyypillisesti leijukerrosmene-telmällä saadun polttokaasun lämpötilaa vastaavan polttokaasun 15 puhdistamiseksi kovassa paineessa, erotetaan hiukkaset, jotka sisältävät agglomeroituneita hiukkasia, kaasuturbiiniin (1) johdettavasta paineistetusta kaasusta ennen kaasuturbiineja (1)·

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että paineistettuun kaasuun johdettavien hiukkasten hiukkaskoko on suurempi kuin kaasussa olevien epäpuhtauksien hiukkaskoko.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kapeneva putkiosa on venturiputki (5).

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kaasun ja hiukkasten erottimiin (6, 7) kaasu joh- 30 detaan suoraan venturiputkesta (5) ja että kaasun ja hiukkasten erotus tapahtuu olennaisesti paineistetun kaasun paineessa • ja lämpötilassa.

5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu 35 siitä, että injektoitavat hiukkaset koostuvat aineista, joita käytetään kaasun puhdistamiseen, kuten esim. rikkiyhdisteiden poistoon poltetulla kalkilla ja esim. alumiinioksidia katalyyttinä typpiyhdisteiden hajoamistapahtumassa. - 94597

6. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että injektoitavat hiukkaset koostuvat fluidisoituvista kiintoainehiukkasista, esim. lentotuhkahiukkasista tai sula-pisaroista, esim. epäorgaanisista suoloista. 5

6 · 94597

7. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kaasussa olevat epäpuhtaudet ovat kokoluokkaa n. 10 μιη ja alle.

8. Laitteisto käytettäväksi jossakin edellisen patenttivaati muksen mukaisessa menetelmässä kaasuturbiiniin ohjattavan paineistetun ja korkealämpötilaisen kaasun puhdistamiseksi ennen kaasuturbiineja (1), tunnettu siitä, että siihen kuuluu injektointilaitteet (2) hiukkasten injektoimiseksi kaasun 15 puhdistamiseksi paineistettuun kaasuun kovassa paineessa, ka-peneva putkiosa (5) injektoitujen hiukkasten syöttämisen jälkeen kaasun ja injektoitujen hiukkasten sekoittamiseksi, luo-kitinlaitteisto (6, 7), jolla kaasun epäpuhtautena olevat hiukkaset erotetaan kaasuturbiiniin johdettavasta pai-'20 neistetusta kaasusta.

9. Patenttivaatimuksen 8 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että luokitinlaitteisto (6, 7) koostuu vähintään yhdestä erotinyksiköstä, edullisesti pyörrepuhdistimista. 25 ':' PATENTKRAV