FI97081C - Menetelmä kuumien prosessikaasujen jäähdyttämiseksi - Google Patents

Description

97081

Menetelmä kuumien prosessikaasujen jäähdyttämiseksi

Keksintö liittyy menetelmään kuumien prosessi-kaasujen jäähdyttämiseksi, jossa prosessikaasut johdetaan 5 jäähdytyselementeillä varustettuun stationaariseen pyör- rekerrokseen, osa kaasuvirtaan suspendoituneista kiinteistä aineista erottuu pölykammiossa pyörrekerroksen yläpuolella ja johdetaan takaisin pyörrekerrokseen, ja poisto-kaasusta erotetaan pölynpoistossa kiinteä aine ja johde-10 taan takaisin pyörrekerrokseen.

Joissakin prosesseissa syntyy kuumia prosessikaa-suja, joiden jäähdyttämisessä on huomattavia vaikeuksia. Prosessikaasut voivat sisältää kondensoituvia rakenneosia tai mukaan riistäytyneitä pieniä pisaroita, esimerkiksi 15 metalleja tai sakkoja, jotka muodostavat jäähdytettäessä kerrostumia jäähdytyspinnoille. Prosessikaasut voivat sisältää hienopölyjä huonoilla virtausominaisuuksilla, jotka jo prosessikaasun lämpötilassa tai jäähdytettäessä voivat muodostaa samoin kerrostumia. Lisäksi prosessikaa-20 sut voivat sisältää S03:a, tai jäähdytettäessä voi muodostua S03:a ja tapahtuu ei-toivottu sulfatisoituminen.

DE-patentista 34 39 600 on tunnettu menetelmä hii-lipitoisten kiintoaineiden kaasutuksessa syntyvien pro-sessikaasujen jäähdyttämiseksi, jossa kuuma prosessikaasu 25 johdetaan stationaariseen rikkiä sitovia kiintoaineita sisältävään pyörrekerrokseen ja jäähdytetään siinä. Pyörre-kerrokseen on sijoitettu jäähdytyselementtejä, joiden läpi virtaa jäähdytysainetta. Virtausta ylläpitäväksi kaasuksi johdetaan pyörrekerrosreaktorista poistuvan prosessikaasun 30 osavirta. Prosessikaasu johdetaan sivulta tai ylhäältä : pyörrekerrokseen. Pyörrekerroksesta poistuvasta, jäähdyte tystä prosessikaasusta poistetaan pöly syklonissa, sitä jäähdytetään lisää lämmönvaihtimessa ja se johdetaan kaa-sunpuhdistukseen. Syklonissa ja kaasunpuhdistuksessa ero-35 tettu kiinteä aine johdetaan takaisin pyörrekerrokseen.

2 97081

Prosessikaasun ja jäähdytyspintojen välistä kosketusta ei estetä, josta johtuen on olemassa kerrostumien vaara. Prosessikaasun ja kiinteän aineen seos ei ole optimaalinen.

US-patentista 3 977 846 on tunnettu hiilivetyjä 5 sisältävän prosessikaasun jäähdyttäminen stationaarisessa pyörrevirrassa, jossa pyörrevirran alempaan osaan on sijoitettu jäähdytyspintoja, joiden läpi virtaa jäähdytys-aine. Virtausta ylläpitävänä kaasuna käytetään hiilivedy-töntä seoskaasua. Prosessikaasu johdetaan jäähdytyspinto-10 jen yläpuolelle pyörrekerrokseen sijoitettujen suuttimien avulla. Suuttimet on eristetty termisesti kerrostumien välttämiseksi. Reaktorista poistuva, jäähdytetty prosessikaasu johdetaan pölynerottajaan. Kondensoidu!11a hiilivedyillä ladattu kiinteä aine otetaan pois pyörrekylvystä 15 ja uutta kiinteätä ainetta panostetaan pyörrekylpyyn.

Korrodoivien aineosien ja prosessikaasussa olevien kiinteiden aineiden vuoksi on odotettavissa voimakas suuttimien kuluminen. Lisäksi on olemassa tukkeutumisvaara.

US-patentista 4 120 668 on tunnettu sulaneita suo-20 lahiukkasia ja höyrystyviä aineosia sisältävän prosessi-kaasun jäähdyttäminen stationaarisessa pyörrekerroksessa, jossa prosessikaasu johdetaan virtausta ylläpitäväksi kaasuksi pyörrekerrokseen. Prosessikaasun sisääntulokohdan . yläpuolelle pyörrekerrokseen on sijoitettu jäähdytyspinto-25 ja. Jäähdytetystä kaasusta poistetaan pöly syklonissa ja : erotettu kiinteä aine johdetaan takaisin pyörrekerrokseen.

Osa kiinteästä aineesta poistetaan alaspäin pyörrekerroksesta ja uutta kiinteätä ainetta panostetaan pyörrekerrokseen. Myös tässä pätevät edellä mainitut hai-30 tat.

W0-julkaisusta 88/08741 on tunnettu prosessikaasu jen jäähdyttäminen kiertoliikkeessä olevassa pyörrekerroksessa, jossa prosessikaasu jäähdytetään sekoituskam-miossa valmiiksi kierrätetyllä, jäähdytetyllä prosessi-35 kaasulla ja valmiiksi kierrätetyllä, jäähdytetyllä kiin- 3 97081 teällä aineella, jossa sekoituskammion pohja on kartion-muotoinen ja siinä on aukko prosessikaasun ja kierrätetyn kaasun sisään johtamiseksi. Sekoituskammiosta poistuvaa suspensiota voidaan jäähdyttää lisää reaktorin yläosassa 5 jäähdytyspinnoilla, seuraavaksi erottaa kiinteä aine sykloneissa ja johtaa takaisin reaktoriin ja kierrättää kaasun osavirta uudestaan reaktorissa. Voidaan myös tuoda suspensio ulos ilman lisäjäähdytystä, erottaa kiinteä aine sykloneissa ja johtaa takaisin reaktoriin, jäähdyt-10 tää kaasu ja kierrättää uudestaan osa siitä reaktorissa. Kierrätettävän pyörrekerroksen suspensiotiheys säätyy 75 -100 %:sen prosessikaasumäärän takaisinjohtamisen ja kiinteän aineen takaisinjohtamisen määrällä 0,92 - 11,5 kg/Nm3 arvoihin 1-5 kg/m3 ja pienempiin arvoihin. Suuren kaasun 15 takaisinjohtamisen vaatima suuri poistokaasujen tilavuus johtaa työlääseen kaasunpuhdistukseen. Suspensiotiheyden pienuuden takia tarvitaan verrattain suuri lämmönvaihto-pinta.

Keksinnöllä on tehtävänä, kuumien prosessikaasujen 20 jäähdyttäminen mahdollisimman taloudellisella tavalla estämällä kerrostumien ja sulfaatin muodostuminen.

Tämä tehtävä ratkaistaan keksinnön mukaisesti siten, että jäähdytyselementeillä varustettu stationaarinen pyörrekerros on renkaanmuotoinen ja ammeenmuotoinen, am-25 meen virtauspohjan läpi johdetaan virtauksen ylläpito-kaasua pyörrekerrokseen, prosessikaasu johdetaan pyörre-kerroksen keskeisen aukon kautta, jäähdytetty kiinteä aine virtaa pyörrekerroksesta ammeen sisäreunan yli pro-sessikaasuvirtaan ja kulkee tämän mukana pölykammioon 30 pyörrekerroksen yläpinnan yläpuolelle, pölykammiossa : erottunut kiinteä aine putoaa takaisin renkaanmuotoiseen pyörrekerrokseen, lopun kiinteän aineen sisältävä ja jäähdytetty kaasu johdetaan jäähdytyspinnoilla varustettuun kaasunjäähdyttimeen, kaasunjäähdyttimen yläosasta 35 poistuva jäähdytetty kaasu johdetaan pölynerottimeen, ja 4 97081 erotettu kiinteä aine johdetaan takaisin pyörrekerrok-seen. Stationaariselle pyörrekerrokselle on ominaista selvä tiheyden hyppy tiheän faasin ja sen yläpuolisen pö-lykammion välillä. Stationaarisen pyörrekerroksen ren-5 kaanmuotoinen muoto voi olla sekä pyöreä että suorakulmainen tai monikulmainen. Pyörrekerrokseen sijoitetut jäähdytyspinnat tehdään tarkoituksenmukaisesti vaihdettaviksi. Jäähdytyspinnat voidaan kytkeä haihduttimiksi ja/-tai tulistimiksi. Jäähdytyspinnat koostuvat yleensä putkilo nipuista. Ammeen seinät on varustettu jäähdytysputkilla. Ammeen sisäseinä muodostaa pyörrekerroksen keskeisen aukon, jonka läpi prosessikaasu johdetaan. Jäähdytetty kiinteä aine virtaa ammeen sisäseinän reunan yli stationaari-sesta pyörrekerroksesta keskeiseen aukkoon, sekoittuu pro-15 sessikaasun kanssa ja riistäytyy tiheänä suspensiona keskeisenä suihkuna pyörrekerroksen yläpuoliseen pölykammi-oon. Samalla prosessikaasu jäähtyy nopeasti ja voimakkaasti. Tilavuuden suurenemisen ansiosta pölykammiossa kiinteä aine erottuu keskeisestä suihkusta suurimmaksi osaksi pö-20 lykammioon, putoaa takaisin stationaariseen pyörrekerrokseen ja jäähtyy siellä jälleen. Prosessikaasun jäähtyminen pölykammion toivottuun lämpötilaan saavutetaan jäähdyttämällä kiinteä aine vastaavasti stationaarisessa pyörreker-roksessa ja johtamalla vastaava määrä kiinteää ainetta . 25 keskeiseen aukkoon. Pölykammion seinä jäähdytetään jäähdy-

• I

" tysputkilla. Lopun kiinteän aineen sisältävä kaasuseos prosessikaasua ja virtauksen ylläpitokaasua johdetaan kaasun jäähdy ttimeen ja jäähdytetään siellä lisää. Kaasunjääh-dytin on sijoitettu edullisesti pölykammion yläpuolelle. 30 Kaasunjäähdytin on varustettu seinänjäähdytyksellä ja sii nä voi olla lisäksi riippuvia jäähdytyspintoja. Osa kaa-·' suun vielä suspendoituneesta kiinteästä aineesta erottuu kaasunjäähdyttimessä, putoaa pölykammioon ja sieltä stationaariseen pyörrekerrokseen. Jäähdytysaineena käytetään 35 yleensä vettä ja kaasunjäähdytintä kytkettynä haihdutti-meksi. Jäähdytetty kaasu sisältää enää vain suhteellisen 5 97081 pieniä määriä kiinteitä aineita. Se johdetaan pölynerotti-meen, kuten esimerkiksi sykloniin, suodattimeen tai EGR:n, poistetaan siellä pöly ja johdetaan poistokaasuksi tai johdetaan lisäkaasunpuhdistukseen. Kaasunerottimessa erot-5 tunut kiinteä aine johdetaan kokonaan tai osittain sta-tionaariseen pyörrekerrokseen. Prosessikaasun kulloisenkin koostumuksen mukaan osa kiinteästä aineesta poistetaan ja korvataan uudella kiinteällä aineella. Täten estetään, että kiinteä aine ei kyllästy liikaa erottuneilla aineil-10 la. Virtauksen ylläpitokaasuna voidaan käyttää kaikkia kaasuja, jotka eivät häiritse jäähdytyksessä tai myöhemmissä prosesseissa. Tapauksissa, joissa on käytettävä ilmaa poistokaasun jatkokäsittelemiseksi, kuten esimerkiksi kaasujen sisältäessä paljon S02:a, tai ilma ei häiritse, 15 voidaan käyttää ilmaa virtauksen ylläpitokaasuna. Muuten voidaan myös osa poistokaasua kierrättää. Se täytyy aikaisemmin puhdistaa aineista, jotka voivat vahingoittaa vir-tauspohjaa. Jotta pidettäisiin virtauksen ylläpitokaasun määrä mahdollisimman pienenä, on tarkoituksenmukaista pi-20 tää kiinteän aineen raekoko pyörrekerroksessa pienempänä kuin 1 mm ja d50:llä pienempänä kuin 0,5 mm.

Edullinen kehitys on siinä, että suspensiotiheys on stationaarisessa pyörrekerroksessa 300 - 1500 kg/m3 reakto-rikammiota, edullisesti 500 - 1000 kg/m3. Näissä alueissa 25 saavutetaan erityisen hyvät toimintaolosuhteet, koska silloin esiintyvät lämmönvirtausluvut ovat suuret.

Edullinen kehitys on siinä, että prosesslkaasuvir-taan johdetaan 1-10 kg/Nm3 kiinteää ainetta, edullisesti 2,5 - 6 kg/Nm3, stationaarisesta pyörrekerroksesta. Nämä 30 alueet antavat toivotun nopean prosessikaasun jäähtymisen eivätkä erittäin suuret jäähdytyspinnat ole välttämättömät.

Edullinen kehitys on siinä, että kaasunjäähdyttimen yläosasta poistuvan kaasun pitoisuus on 0,1 - 1 kg kiin-35 teää ainetta, edullisesti 0,2 - 0,6 kg kiinteää 6 97081 ainetta/Nm3. Täten saavutetaan suhteellisen pieni paine-häviö kaasunjäähdyttimessä ja hyvä kaasun jäähtyminen.

Edullinen kehitys on siinä, että virtauspohjan läpi stationaariseen pyörrekerrokseen johdetun virtauksen yllä-5 pitokaasun tilavuus on 10 - 30 %, edullisesti 15 - 20 %, prosessikaasun tilavuudesta. Täten virtauksen ylläpito-kaasun energiantarve on suhteellisen pieni, ja johdettaessa poistokaasu takaisin vähenevät lisäksi vaadittavan kaa-sunpuhdistuksen kustannukset.

10 Edullinen kehitys on siinä, että pölynerottimessa erottunut kiinteä aine johdetaan ohjatusti takaisin stationaariseen pyörrekerrokseen. Pölynerottimessa aikayksikköä kohden erotettu kiinteän aineen määrä ei ole vakio. Suorassa, ohjaamattomassa takaisinjohtamisessa voi vaihte-15 leva määrä johtaa huonontuneisiin tuloksiin. Tämä vältetään ohjatulla, tasaisella takaisinjohtamisella. Pölyn-erottimen ja takaisinjohtamisputken väliin on sijoitettu pyörrekerrokseen väliastia, joka toimii puskurivarastona ja josta kiinteä aine otetaan ohjatusti. Kiinteä aine vä-20 liastiassa on tarkoituksenmukaisesti helposti virtautetta-vaa.

Edullinen kehitys on siinä, että stationaarisen pyörrekerroksen keskeinen aukko on eristetty tulenkestävällä verhouksella. Keskeinen aukko koostuu peltivaipasta, 25 joka on varustettu ulkopinnaltaan jäähdytyspinnoilla. Pel-tivaipan sisäpuolella on tulenkestävä verhous. Täten vältetään kerrostumien muodostuminen prosessikaasun jähmettyneistä aineosista. Prosessikaasun sisältämät sulat nestemäiset aineosat, jotka erottuvat verhoukselle, valuvat 30 takaisin reaktoriin.

: Edullinen kehitys on siinä, että pyörrekylvyn mate riaalina käytetään kiinteitä aineita, jotka mahdollistavat jatkokäsittelyn yhdessä erotettujen materiaalien kanssa.

Keksintöä selvennetään lähemmin kuvion ja esimerkin 35 avulla.

7 97081

Kuviossa kuvataan kaaviomaisesti pituusleikkauksessa jäähdytysjärjestelmää menetelmän toteuttamiseksi.

Renkaanmuotoiseen ammeeseen 1 puhalletaan puhalti-mesta 2 virtauksen ylläpitoilmaa virtauspohjan läpi. Am-5 meeseen 1 on sijoitettu jäähdytyselementtejä 3. Ammeen 1 sisäseinä muodostaa prosessikaasulle keskeisen sisääntulo-aukon 4. Ammeessa 1 olevasta stationaarisesta pyörreker-roksesta 5 virtaa kiinteää ainetta ammeen 1 sisäreunan yli sisääntuloaukkoon 4 prosessikaasuvirtaan 6 ja sekoittuu 10 sen kanssa paksuksi suspensioksi, jolloin seuraa samanaikaisesti nopea ja voimakas prosessikaasun jäähtyminen. Tämä suspensio puhalletaan keskeisenä suihkuna pölykam-mioon 21, missä johtuen tilavuudenkasvusta suurin osa kiinteästä aineesta erottuu ja putoaa takaisin pyörreker-15 rokseen 5. Lopun kiinteän aineen sisältävä kaasu virtaa kaasunjäähdyttimeen 7, joka on varustettu kaaviomaisesti esitetyllä, läpikulkevalla seinänjäähdytyksellä 8 ja riippuvilla jäähdytyspinnoilla 9. Lisää jäähdytetty kaasu virtaa pitkin ylivirtausputkea 10 sykloniin 11. Erottunut 20 kiinteä aine putoaa väliastiaan 12, joka toimii välivarastona. Kiinteää ainetta johdetaan säädösteltyjä määriä poistolaitteen 13 ja putken 14 avulla takaisin pyörreker-rokseen 5. Pölystä erotettu kaasu poistetaan pitkin putkea 15. Putkea 16 pitkin poistetaan osa kiinteää ainetta 25 pyörrekerroksesta. Säiliöstä 17 voidaan pyörrekerrokseen 5 lisätä uutta kiinteää ainetta käynnistämiseksi ja kylvyn korkeuden tasoittamiseksi. Kaasua voidaan jäähdyttää jääh-dyttimessä 18 lisää, jolloin esimerkiksi kuumennetaan talousvettä. Jäähdytyselementit ammeen 1 ulkoseinän ja pöly-30 kammion 21 seinän jäähdyttämiseksi on esitetty ainoastaan kaaviomaisesti yläputkilla 19 ja alaputkilla 20.

Esimerkki Jäähdytetään poistokaasua lyijymalmin sulatuksesta QSL-reaktorissa. Poistokaasua virtaa lämpötilassa 1010 -35 1050 eC määrällä 21 800 Nm3/h. Pölyn määrä on 215 g/Nm3.

« I

8 97081

Koostumus on : 10.80 % S02 15,67 % C02 22,90 % H20 5 7,83 % 02 39.80 % N2.

Poistokaasu puhalletaan läpi sisääntuloaukosta 4, joka on halkaisijaltaan 100 cm. Ammeen 1 virtauspohjan läpi puhalletaan 5 000 Nm3/h limaa lämpötilassa 60 °C ja 10 paineessa 250 mbaaria stationaariseen pyörrekerrokseen. Pyörrekerrokseen on sijoitettu jäähdytysnippuja 3 pinta-alaltaan 42 m3. Ammeesta 1 virtaa jäähdytettyä kiinteää ainetta lämpötilaltaan 480 °C sisääntuloaukkoon 4 sellainen määrä, että poistokaasun kiinteän aineen määrä on noin 15 5 kg/Nm3. Poistokaasun kanssa tuodusta 5,27 MW:n lämmöstä johdetaan noin 3,78 MW jäähdytysnippuihin pyörrekerrokses-sa. Jäähdytetty poistokaasu tulee lämpötilassa 600 eC ja nopeudella 5,5 m/s kaasunjäähdyttimeen 7, joka on varustettu 250 m2:llä jäähdytyspintaa. Lisää jäähdytetty pois-20 tokaasu jättää kaasunjäähdyttimen ylivirtausputken 10 kautta lämpötilassa 350 eC, pölyn määrällä 0,5 kg/Nm3 ja nopeudella 4 m/s. Putkea 14 pitkin syklonista 11 johdetulla kaasulla on pölymäärä 5-10 g/Nm3. Väliastiasta 12 johdetaan takaisin pyörrekerrokseen 5 13,4 t/h lämpötilassa 25 350 °C. Pyörrekerroksesta 5 poistetaan 4,5 t/h kiinteää ainetta putkea 16 pitkin. Muodostettu höyrymäärä on 12,1 t/h paineessa 40 baaria ja lämpötilassa 250 °C. Käynnistämiseksi tuodaan ammeeseen 1 kiinteänä aineena hiekkaa raekoolla alle 1 mm.

30 Keksinnöt edut ovat siinä, että prosessikaasut voi daan jäähdyttää suhteellisen pienillä lämmönvaihtimen pinnoilla ja pienellä lisäkaasumäärällä välttämällä kerrostumien muodostuminen ja sulfatisoituminen. Prosessissa edellä olevan aggregaatin pysähtyessä ja siihen sidoksissa 35 olevan prosessikaasun loppuessa voidaan kiinteän aineen putoaminen pyörrekerroksen läpi edellä oleviin aggregaat-teihin estää vähentämällä tai lopettamalla virtauksen yl-läpitokaasun virtaus.

tl

Claims (7)

9 97081

1. Menetelmä kuumien prosessikaasujen jäähdyttämiseksi, jossa prosessikaasut johdetaan jäähdytyselementeil- 5 lä (3) varustettuun stationaariseen pyörrekerrokseen (5), osa kaasuvirtaan suspendoituneista kiinteistä aineista erottuu pölykammiossa (21) pyörrekerroksen (5) yläpuolella ja johdetaan takaisin pyörrekerrokseen, ja poistokaasusta erotetaan pölynpoistossa kiinteä aine ja johdetaan takai-10 sin pyörrekerrokseen (5), tunnettu siitä, että jäähdytyselementeillä (3) varustettu stationaarinen pyör-rekerros (5) on renkaanmuotoinen ja ammeenmuotoinen, ammeen (1) virtauspohjan läpi johdetaan virtauksen ylläpito-kaasua pyörrekerrokseen, prosessikaasu johdetaan pyörre-15 kerroksen (5) keskeisen aukon (4) kautta, jäähdytetty kiinteä aine virtaa pyörrekerroksesta (5) ammeen (1)) sisäreunan yli prosessikaasuvirtaan (6) ja kulkee tämän mukana pölykammioon (21) pyörrekerroksen (5) yläpinnan yläpuolelle, pölykammiossa (21) erottunut kiinteä aine putoaa 20 takaisin renkaanmuotoiseen pyörrekerrokseen (5), lopun kiinteän aineen sisältävä ja jäähdytetty kaasu johdetaan jäähdytyspinnoilla (9) varustettuun kaasunjäähdyttimeen (7), kaasunjäähdyttimen (7) yläosasta poistuva jäähdytetty kaasu johdetaan pölynerottimeen, ja erotettu kiinteä aine 25 johdetaan takaisin pyörrekerrokseen (5).

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että suspension tiheys stationaarisessa pyörrekerroksessa (5) on 300 - 1 500 kg/m3 reaktorikammio-ta, edullisesti 500 - 1 000 kg/m3.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että prosessikaasuvirtaan (6) joh-‘ detaan stationaarisesta pyörrekerroksesta (5) 1 - 10 kg/Nm3 kiinteää ainetta, edullisesti 2,5-6 kg/Nm3.

4. Jonkin patenttivaatimuksen 1-3 mukainen mene-35 telmä, tunnettu siitä, että kaasunjäähdyttimen 10 97081 (7) yläosasta poistuvan kaasun pitoisuus on 0,1 - 1 kg kiinteää ainetta, edullisesti 0,2 - 0,6 kg kiinteää ainet-ta/Nm3.

5. Jonkin patenttivaatimuksen 1-4 mukainen mene-5 telmä, tunnettu siitä, että virtauspohjan läpi pyörrekerrokseen (5) johdetun virtauksen ylläpitokaasun tilavuus on 10 - 30 %, edullisesti 15 - 20 %, prosessi-kaasun tilavuudesta.

6. Jonkin patenttivaatimuksen 1-5 mukainen mene-10 telmä, tunnettu siitä, että pölynerottimessa erottunut kiinteä aine johdetaan ohjatusti takaisin sta-tionaariseen pyörrekerrokseen (5).

7. Jonkin patenttivaatimuksen 1-6 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että stationaarisen pyör- 15 rekerroksen (5) keskeinen aukko (4) on eristetty tulenkestävällä verhouksella. it U 97081