FI96136B - Menetelmä lämmön siirtämiseksi regeneratiivisesti - Google Patents

Description

96136

Menetelmä lämmön siirtämiseksi regeneratiivisesti

Keksintö kohdistuu kiertomassareaktorien käyttöön perustuvaan menetelmään lämmön siirtämiseksi regeneratiivisesti virtauksesta toiseen. Menetelmän avulla voidaan ratkaista tunnettujen kiinteäelementti-, kiinteäkerros- ja leijukerrosregeneraattorien ongelmat.

Lämmönsiirtäminen virrasta toiseen on eräs prosessi- ja energiatekniikan olennaisimpia prosesseja. Lämmönsiirtoon käytetään nykyisin pääasissa kahta siirrintyyppiä, joita toimintatapansa mukaan kutsutaan rekuperatiivisiksi tai regeneratiivisiksi.

Rekuperatiivisissa siirtimissä lämpöenergia siirtyy virtoja erottavan, ainetta läpäisemättömän seinämän läpi. Rekuperaattorin perustyypissä lämpöenergia siirtyy seinämän läpi suoraan virrasta toiseen. Oman rekuperaattoriryhmänsä muodostavat ns. välikiertorekuperaattorit, joissa lämmönsiirtoaine kiertää kahden rekuperatiivisen lämmönsiirtimen välillä. Tälläisiä siirtimiä käytetään mm. ydinreaktoreissa, joissa halutaan varmistaa, ettei korkea-aktiivinen virta pääse onnettomuustilanteessa sekoittumaan sekundaarikierron kanssa. Toisena esimerkkinä välikiertorekuperaattoreista voidaan mainita polttokammion ulkopuolisilla tulistimilla varustetut leijukerroskattilat, joissa polttokammiossa kuumennettua hiekkaa jäähdytetään erillisessä leijukerrostulistimessa. Rekuperatiivisten siirtimien olennaisimmat rajoitukset liittyvät seinämämateriaalien eroosioon, korroosioon ja lämpötilaan. Mekaanisesti tai kemiallisesti vaativiin oloihin ei nykyisin ole olemassa käyttökelpoisia seinämämateriaaleja. Rekuperaattoreilla saavutettavissa oleva suurin lämpötila rajoittuu usein seinämämateriaalin lujuusominaisuuksiin. Lisäksi rekuperaattorit ovat kalliita ja niiden säätöominaisuudet huonot. Välikiertorekuperaattoreilla voidaan kylläkin saavuttaa hyvä säädettävyys.

Regeneratiivisissa siirtimissä lämpöenergia siirretään siten, että kuumennettu lämmönsiirtoaine luovuttaa energiaa kylmempään virtaan ja jäähtynyt lämmönsiirtoaine ·: regeneroidaan uudelleen kuumemmassa virrassa. Regeneratiiviset lämmönsiirtimet jaetaan edelleen toimintatapansa perusteella jaksollisiin ja jatkuvatoimisiin.

Jaksollisissa regeneraattoreissa kuumempi ja kylmempi virta ajetaan jaksottain saman, kiinteän rakenteen läpi, joka täten vuoroin varastoi ja luovuttaa lämpöenergiaa. Epäilemättä vanhin laajassa käytössä ollut jaksottainen regeneraattori on kertalämmitteinen kiuas.

# • Jatkuvatoimisissa regeneraattoreissa lämpöä varastoiva aine kiertää jatkuvasti virrasta toiseen. Tunnetuin jatkuvatoiminen regeneraattori on ns. Ljungström-regeneraattori, missä pyörivä, kiekkomainen lämmönsiirtolevy siirtää energiaa virrasta toiseen. Tästä regeneraattorista on kehitetty erilaisia sovellutuksia, kuten esim. ilmanvaihtotekniikassa käytetty, myös vesihöyryä siirtävä, litiumkloridimassalla päällystetty regeneraattori.

96136

Em. tyyppisten kiinteään, yhtenäiseen lämmönsiirtoelimeen perustuvien regeneraattoreiden lisäksi tunnetaan erilaisia raemaisiin lämmönsiirtoaineisiin perustuvia regeneraattoreita.

Tunnetaan useita erilaisia regeneraattoreita, joissa raemainen lämmönsiirtoaine on kiinteäkerrostilassa ja joissa lämmönsiirtoainetta kierrätetään mekaanisesti kerroksesta toiseen.

Saksalaisessa patentissa n:o DE 3,225,838 /A/, käytetään raemaista lämmönsiirtoainetta (esim. posliinipellettejä) lämmön siirtämiseksi kaasuvirtojen välillä. Raemainen materiaali leijutetaan, jolloin rakeet pysyvät puhtaina eikä lämmönsiirrin tukkeudu. US. pantentissa numero 4,307,773 on esitetty toinen prosessi ja laitteisto, jossa kupliviin leijukerroksiin perustuvan regeneraattorisysteemin avulla otetaan lämpöä talteen likaavista kaasuista. Em. patenttien lisäksi tunnetaan useita regeneraattoreita, joissa raemainen materiaali vuoroin lämmitetään ja jäähdytetään erillisissä, rinnakkaisissa, kuplivissa leijukerroksissa. UK patentti numero 2 118 702 A esittää erään valuviin kuntoainekerroksiin perustuvan regeneraattorin.

Kiinteään lämmönsiirtoelimeen ja reamaisten aineiden kiinteäkerrosvyöhykkeisiin perustuvien regeneraattorien keskeinen ongelma on niiden puhtaanapito. Myös virtausten sekoittumisen estäminen aiheuttaa näissä tiivistysongelmia. Lisäksi lämmönsiirtomateriaaliin muodostuvat lämpötilaerot aiheuttavat mekaanisia jännityksiä, jotka rajoittavat lämmönsiirtoelimen tai materiaalin käyttöikää. Kiinteäkerrosregeneraattorin eräs epäkohta on myös virtausten kanavoituminen kiinteäkerroksissa. On lisäksi selvää, että kiinteäkerroksiin muodostuu tuna virtauksen suuntaisia lämpötilagradientteja ja kerroksen lämpötilanhallinta on huono.

Leijukerrosregeneraattoreissa joudutaan virtausnopeudet sovittamaan käytetyn lämmönsiirtoaineen fysikaalisten ominaisuuksien mukaan ja regeneraattorin säätöalue rajoittuu minimileijutusnopeuden ja pneumaattisen kuljetusnopeuden väliin.

* ‘ Käytännössä tämä merkitsee sitä, että regeneraattorin lämmönsiirtoaineen on oltava raekooltaan karkeaa tai käytettyjen virtausnopeuksien pieniä. Lisäksi lämmönsiirtoaineen kierrätys leijukerrosten välillä siten, että virtojen liiallinen sekoittuminen estyy, on ongelmallista. Tämä ongelma korostuu, jos lämpöäsiirtävien virtojen paine-ero on suuri. Tällöin joudutaan yleensä käyttämään mekaanisia venttiilejä, joiden kuluminen ja lämpötilarajoitus vie olennaisen osan regeneraattorin eduista. Tunnetuissa leiju- ja kiinteäkerrosregeneraattoreissa joudutaan käyttämään * mekaanista tai pneumaattista kuljetinta lämmönsiirtomateriaalin palauttamiseksi * alemmasta yksiköstä ylempään. Tälläiset kuljettimet ovat sekä laite- että prosessiteknisesti lähes mahdottomia. Itseasiassa raemaisen lämmönsiirtoaineen kierrätyssysteemi onkin eräs tämän regeneraattorikeksinnön olennainen osa.

Edellä mainittuihin epäkohtiin saadaan ratkaisevat parannukset keksinnön mukaisella menetelmällä, jolle on tunnusomaista, että kiinteä- tai leijukerrosreaktorien sijasta keksinnönmukaisessa regeneraattorissa käytetään ns. kiertomassareaktoreita

II

96136 (Circulating Fluidised Bed). Menetelmälle on tunnusomaista se, mitä on esitetty patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.

Keksinnön tärkeimpinä etuina kiinteäkerros- ja leijukerrosregeneraattoreihin nähden voidaan pitää seuraavia asioita: 1. Kiertomassatekniikan virtaus- ja lämmönsiirtotekniset ominaisuudet ovat ratkaisevasti paremmat kuin missään tunnetussa regeneraattorissa. Tehokkaan erottimen avulla voidaan kiertomassaregeneraattoreissa käyttää hienojakeista lämmönsiirtoainetta ja samalla mitoittaa laitteistot suurelle virtausnopeudelle.

2. Suuren virtausnopeuden ansiosta kiertomassatekniikkaan perustuvat regeneraattorit ovat kooltaan pieniä ja investointikustannuksiltaan halvempia kuin tunnetut regeneraattorit.

3. Kiertomassatekniikkaan perustuvien regeneraattorien osakuorma-alue on selvästi laajempi kuin tunnettujen, leijukerrostekniikkaan perustuvien regeneraattorien.

4. Kiertomassaregeneraattoreissa voidaan käyttää fysikaalisilta ominaisuuksiltaan heterogeenista materiaalia ja tämä mahdollistaa mm. kahden tai useamman fysikaalisesti ja/tai kemiallisesti erilaisen lämmönsiirtomateriaalin samanaikaisen käytön.

5. Kiertomassatekniikkaan perustuvissa regeneraattoreissa voidaan rinnakkaisten reaktorien välinen sekoittuminen estää yksinkertaisella kiertomassan paluukanavan järjestelyllä, joka mahdollistaa samalla regeneraattorin nopean ja täsmällisen säädön.

6. Kiertomassatekniikalle ominaisen tehokkaan sekoittumisen ansiosta reaktorien lämpötilanhallinta on erinomainen, mikä on ratkaisevan tärkeää käsiteltäessä likaavia virtoja.

7. Käyttämällä regeneraattorissa kiertomassareaktoreita voidaan välttää erillisten mekaanisten tai pneumaattisten kuljettimien käyttö kiertomateriaalin kierrättämisessä regeneraattorin yksiköstä toiseen. Kupliviin leijukerroksiin tai valuviin kiintoainekerroksiin perustuvissa regeneraattoreissa tarvittavien pneumaattisten kuljettimien kuljetuskaasuvirrat ovat yleensä suuria suhteessa prosessikaasuvirtoihin, minkä vuoksi niitä ei voida useassa tapauksessa lainkaan käyttää.

;· 8. Kiertomassareaktoreissa voidaan nousukammioiden suspensiosakeutta säätää helposti jäljestämällä kiertomassareaktoreihin ulkoisen kierron lisäksi tavanomainen sisäinen kiintoainekierto.

Keksintöä selostetaan seuraavassa viitaten oheiseen piirustukseen 1.

Kuvio 1 esittää keksinnön mukaisen regeneraattorin perusmuotoa, joka muodostuu kahdesta kiertomassareaktorista (Circulating Fluidised Bed reactor) A ja B, jotka on kytketty kuvion 1 mukaisella tavalla. Lämmönsiirtoon osallistuvat virrat tulevat sisään regeneraattoriin yhteiden 9 kautta ja sekoittuvat kiertomassarektorissa kiertävien partikkelien kanssa kammioiden 1 alaosassa. Tällöin virran ja kiertävien partikkelien lämpötilaero tasoittuu nopeasti ja virta asettuu käytännöllisesti katsoen isotermisen kammion lämpötilaan. Virta kuljettaa hiukkaset ylöspäin kammioiden 1 läpi syklonien 2 sisäänvirtauskanaviin 10, josta suspensio saapuu tangentiaalisesti syklonikammioon 2. Hiukkaset erottuvat kaasuvirrasta, joka poistuu keskusputken 11 kautta. Erottuneet hiukkaset kulkeutuvat sykloninkammion 2 pohjalle, jossa pinnat 12 pidetään halutussa 96136 tasossa. Pintojen 12 tasot määräytyvät siten, että toisessa syklonissa pinta säädetään tarkoin haluttuun arvoon ja toisessa syklonissa pinnan taso vaihtelee kiertomateriaalimäärän ja ajotilanteen mukaan sallituissa rajoissa. Sykloneista kiertomateriaali johdetaan kuvion 1 mukaisesti kanaviin 3 ja 4. Osa kiertomateriaalista ohjataan kanavien 3 ja pneumaattisen venttiilin 6 kautta takaisin kammioon 1. Näillä reaktorien A ja B sisäisillä kierroilla voidaan säätää hiukkasmäärää kammioissa 1, jolloin mm. voidaan käyttää matalampaa kammioa kuin jos sisäisiä kiertoja ei käytettäisi. Sisäisillä kierroilla voidaan myös varmistaa regeneraattorikammioiden puhtaanapysyminen, kun kiertomateriaalivirta kammioiden välillä on pieni. Kanavan 4 alapäästä osa reaktorin A kiertohiukkasista siirretään pneumaattisen venttiilin 8 kautta reaktoriin B. Pneumaattisten venttiilien 6 ja 8 toiminta perustuu kiinteäkerrosten alapäähän syntyvän tukireaktion säätöön käyttäen hyvin pientä kaasuvirtaa. Kun tukireaktio on pienempi kuin tasapainotilan edellyttämä, lähtee kiinteäkerros maan vetovoiman vaikutuksesta liikkumaan alaspäin. Selostetun toimintatavan etuina mekaanisiin ja pneumaattisiin kuljettimiin nähden ovat mm. vähäinen kuluminen ja hyvin pieni tarvittava säätökaasuvirta. Kanavissa 3 ja 4 ylläpidetään kiinteäkerrostilassa oleva, kiertohiukkasten muodostama patsas, joka liikkuu maan vetovoiman vaikutuksesta alaspäin. Kiinteäkerrokset 4 estävät virtojen A ja B sekoittumisen. Kiinteäkerrokset 3 estävät kaasun kulkeutumisen sykloniin väärää kautta. Reaktorin B kannalta katsoen tilanne ja toiminta on täysin vastaava. Virtojen A ja B välistä lämmönsiirtoa säädetään ohjaamalla reaktorien välistä hiukkasvirtaa.

Edellä on selostettu ainoastaan keksinnön mukaisen regeneraattorin perusmuoto ja on selvää, että saman keksinnöllisen ajatuksen puitteissa voidaan aikaansaada useita erilaisia sovellutusmuotoja. Esimerkiksi kanava 4 on joissakin tapauksissa tarkoituksenmukaista kallistaa, jolloin se samalla kuljettaa hiukkasia vaakasuunnassa ja kuitenkin estää edellä selostetulla tavalla virtojen sekoittumisen keskenään. Jos paine-ero regeneraattorin yksiköiden välillä on hyvin suuri, voidaan joissakin tapauksissa kanava 4 jakaa useaan Saijaan kytkettyyn osaan, jolloin regeneraattorin korkeus ei kasva liian suureksi. Kahden rinnakkaisen reaktorin sijasta voidaan rinnan kytkeä useita eri lämpötilatasoilla toimivia reaktoreita. On myös selvää, että em. regeneraattoriyksiköitä voidaan kytkeä Saijaan. Käyttämällä kemiallisesti aktiivisia lämmönsiirtomateriaaleja, voidaan samalla aikaansaada haluttuja kemiallisia prosesseja. Kyseistä regeneraattoria voidaan myös käyttää kemiallisen tai fysikaalisen prosessin toteuttamiseen erityisesti silloin, kun tarkka lämpötilan säätö on prosessin kannalta olennaista.

li

Claims (8)

1. Menetelmä lämmön siirtämiseksi regeneratiivisesti virrasta toiseen kahdessa tai useammassa rinnakkaisessa reaktorissa, jossa väliainevirtauksia ohjataan lämmönsiirron säätämiseksi tunnettu siitä, että regeneraattorin muodostaa kaksi tai useampi rinnakkaista kiertomassareaktoria, joihin kuhunkin ohjataan lämmönsiirtoon osallistuva virta kammion (1) alapäähän, jossa yhdestä tai useammasta regeneraattorin kiertomassareaktorin ulkoisen kierron kanavasta (4) tulevat sekä saman kiertomassareaktorin sisäisenkierron kanavasta (3) tuleva lämpöäsiirtävä jauhemainen kiintoaine saatetaan kosketukseen lämmönsiirtoon osallistuvan virran kanssa ja kiintoaine nostetaan virran mukana kammion (1) läpi kiertomassareaktorin sykloniin (2), josta erotettu kiintoaines ohjataan kanavan (4) yläpäähän, jonka kautta halutun suuruinen kiintoainevirta ohjataan regeneraattorin toiseen kiertomassareaktoriin ja loppuosa syklonissa (2) erotetusta hiukkasvirrasta ohjataan kanavan (3) kautta takaisin saman kiertomassareaktorin alaosaan ja lämmönsiirtoon osallistunut, hiukkasista vapaa virta poistuu syklonin (2) keskusputken (11) kautta.

2. Vaatimuksen 1 mukainen menetelmä tunnettu siitä, että ainakin jossakin regeneraattorin muodostavien kiertomassareaktorien välisessä kanavassa (4) kiintoaine liikkuu alaspäin kiinteäkerrostilassa.

3. Vaatimuksien 1 tai 2 mukainen menetelmä tunnettu siitä, että toisen kiertomassareaktorin kiintoainepinta (12) säädetään vakiopintasäätönä ja toisen kiertomassareaktorin kiintoainepinta (12) määräytyy vapaasti kiintoainemäärän ja ajotilanteen mukaan.

4. Jonkin edellämainitun vaatimuksen mukainen menetelmä tunnettu siitä, että ainakin jonkin regeneraattorin muodostavan kiertomassareaktorin pinnan (12) säätö toteutetaan ohjaamalla syklonin (2) erottama kiintoainevirta ensisijaisesti kanavaan (4), josta haluttu osa kiertoaineventtiilin (8) avulla ohjataan toiseen kiertomassareaktoriin ja : loppuosa ylijuoksuna kanavaan (3).

5. Jonkin edellämainitun vaatimuksen mukainen menetelmä tunnettu siitä, että kiertoaineventtiilien (6) ja (8) säätö tapahtuu vaikuttamalla virtauksella kanavien (3) ja (4) alapäähän muodostuviin tukireaktioihin.

5 96136

6. Jonkin edellämainitun vaatimuksen mukainen menetelmä tunnettu siitä, että kolmen tai useamman kiertomassareaktorin muodostaman regeneraattorin kiintoainevirrat muodostavat vähintäin kolme kiertomassareaktoria käsittäviä silmukoita.

7. Jonkin edellämainitun vaatimuksen mukainen menetelmä tunnettu siitä, että kolmen tai useamman kiertomassareaktorin muodostaman regneraattorin ainakin jonkin kiertomassareaktorin poistovirta kytketään regeneraattorin toisen kiertomassareaktorin sisääntulovirraksi. 96136

8. Jonkin edellämainitun vaatimuksen mukainen menetelmä tunnettu siitä, että vähintäin yhdessä regeneraattorin kiertomassareaktorissa tapahtuu kemiallisia reaktioita. • · 11 7 96136