FI98854B - Menetelmä ja poltin nestemäisten ja laajan hiukkaskokojakauman omaavien kiinteiden aineiden polttamiseksi - Google Patents

Description

98854 ·

MENETELMÄ JA POLTIN NESTEMÄISTEN JA LAAJAN HIUKKA8KOKOJAKAUMAN JMAAVIEN KZINTBIDEN AINEIDEN POLTTAMISEKSI

Keksinnön kohteena on menetelmä nestemäisten ja laajan hiukkas-5 kokojakauman omaavien kiinteiden aineiden polttamiseksi hallitusti pyörrekammiota hyväksikäyttämällä, jossa aine syötetään pyörrekammioon tangentiaalisesti yhdessä ilmavirran kanssa ja synnytetään täten pyörre, jonka avulla aikaansaadaan karkeille hiukkasille selektiivinen viiveaika johtamalla ainevirta pyör-10 teen keskeltä pois. Keksintö kohdistuu myös menetelmän toteuttavaan polttimeen.

Perinteinen jauhemaisten materiaalien liekkipoltto on perustunut poltettavan aineen jauhamiseen hienojakoiseksi pölyksi, joka on 15 poltettu varsinaisen polttimon ulkopuolelle muodostuvassa liekissä. Liekkipolton sallima suurin viiveaika eli aika, jossa hiukkasen on ehdittävä palaa täysin, on selvästi pienempi kuin 1 sekunti ja yleensä vain joitakin sekunnin kymmenyksiä. Liekin stabiloimiseksi ja liekin pituuden pitämiseksi kohtuullisena on 20 poltettava aine jouduttu jauhamaan alle 0,1 mm:n kokoon. Jauhaminen on tapahtunut erillisessä mekaanisessa myllyssä. Biopolttoaineiden jauhaminen liekkipolttoon soveltuvaan hiukkaskokoon on paljon ongelmallisempaa kuin esim. kivihiilen jauhaminen.

*. Biopolttoaineiden jauhatus pölypolttoon soveltuvaksi kuluttaa . 25 energiaa 1-5 KJ/kg, mikä on taloudelliselta kannalta aivan ·. liian paljon. Myös jyrsinturve on jauhettava ennen sen sovel- • .* tumista liekkipolttoon. Varsinkin pienehköissä yksiköissä \ tehokkaan jauhamisen vaativa pölypoltto on ollut taloudellisesti • kilpailukyvytön ja näissä on jouduttu soveltamaan myös varsin : 30 kallista leijukerrospolttoa. Voidaankin todeta, että halvan polttoteknisen ratkaisun puuttuminen on ollut eräs turpeen ja biopolttoaineiden taloudellista kilpailukykyä heikentänyt tekijä.

» ·· • · .. .

.. 35 Pölypolton ongelmana on hiukkasten reaktioajan lyhyys, jonka ”* vuoksi poltettava materiaali on jauhettava hyvin hienoksi.

Pölypolttimien stabiliteettiehdot ovat tiukat syttymisvyöhykkeen ·.· erittäin pienen massan vuoksi. Stabiilin palamisen ehtona on myös poltettavan pölyn riittävä ja tasainen kuivuus. Turval-40 lisuussyistä pölypolttimet yleensä täytyy varmistaa öljyä tai ^000^ 2 kaasua käyttävin tukiliekein. Pölypolttojärjesteinä vaatii siis poltettavan materiaalin kuivauksen, jauhamisen, stabilointi-polttimet ja varsinaiset pölypolttimet. Pienissä yksiköissä tällainen järjestelmä ei ole taloudellisesti kilpailukykyinen.

5

Ennestään tunnettu ja aiemmin melko yleisesti käytäntöönkin sovellettu polttomenetelmä on ns. sulasyklonipoltto. Sykloni-polttimissa kaikki polttoilma on tuotu sykloniin ja ne ovat yleensä toimineet niin suuressa lämpötilassa, että sykloniin 10 kertynyt tuhka on poistettu sulana. Syklonipolttimien ongelmina on ollut mm. lämpötilan hallinta. Liian pieni lämpötila on johtanut syklonin seinämille kertyvän kuonakerroksen hallitsemattomaan kasvuun ja suuressa lämpötilassa on syklonin suoja-vuorausten elinikä jäänyt liian lyhyeksi. Suuresta polttoläm-15 potilasta johtuen ovat syklonipolttimien typpioksidipäästöt myös suuria ja ylittävät sallitut päästörajat. Näistä syistä ei syklonipolttoa enää juurikaan käytetä.

Edellä selostettujen pölypolton ja syklonipolton kustannuksiin 20 ja teknisiin ongelmiin on haettu ratkaisua mm. leijukerros-tekniikasta. Valitettavasti kuitenkin leijukerrostekniikan kehityksestä huolimatta näyttää siltä, että sen taloudellinen kilpailukyky jää kuitenkin huonoksi pienissä yksiköissä. Leiju-kerrostekniikka jaetaan ns. kupliviin leijukerroksiin (BFB) ja 25 kiertomassatekniikkaan (CFB) . Jälkimmäisessä polttokammion läpi kulkeutuu suuri kiintoainevirta, joka erotetaan syklonissa ja palautetaan takaisin pystysuoran polttokammion alaosaan. CFB-poltto vaatii monimutkaisen laitteiston, johon kuuluu ilman-jakokammio suutinpohjineen, pystysuora reaktiokammio, sykloni ja 30 kiintoaineen palautuslaitteisto. CFB-poltolla ja syklonipoltolla on siis yhteistä, että molempiin tekniikoihin kuuluu olennaisena osana sykloni, jolla aikaansaadaan karkeiden hiukkasten selek-. tiivinen viiveaika. CFB-poltossa hiukkasten viiveaika määräytyy . ensisijaisesti pystysuoran kammion (riserin) olojen mukaan.

35 Syklonipoltossa hiukkasten viiveaika muodostuu yksinomaan ’ syklonin olojen mukaan. Toinen olennainen ero CFB-polton ja : perinteisen syklonipolton välillä on systeemiin varastoituvassa kiintoainemäärässä. CFB-poltossa systeemin kiintoainemäärä on 98854 3 hyvin paljon suurempi kuin syklonipoltossa ja lähes poikkeuksetta CFB-poltossa käytetään polttoaineen lisäksi muuta kiintoainetta, joka muodostaa pääosan systeemin kiintoaineesta. Suuren kiintoainemäärän tarkoituksena on parantaa systeemin stabili-5 teettia ja joissakin sovellutuksissa päästöjen vähentäminen. On selvää, ettei CFB-poltto toimi tuhkan sintrautumislämpötilojen yläpuolella. Syklonipoltossa kiintoainemäärä on hyvin pieni ja polttimet toimivat yleensä sulatuhka-alueella. Molemmilla polttotekniikoilla on ilmeiset etunsa ja määrätyt yhdenmukai-10 suudet. Herääkin kysymys, onko mahdollista yhdistää syklonipol-ton laitetekninen yksinkertaisuus ja CFB-polton prosessitekniset edut. Tämä keksintö kohdistuu menetelmään, jossa yksinkertaisessa pyörrekammiossa saavutetaan CFB-reaktorin keskeiset edut. Huonolaatuiset nestemäiset polttoaineet muodostavat myös poltto-15 teknisen ongelman. Tällä keksinnölle pyritään ratkaisemaan nämä tunnetun teleniikan ongelmat.

Keksinnön mukaisen menetelmän tunnusmerkilliset piirteet on esitetty oheisessa patenttivaatimuksessa 1 ja vastaavan poltti-20 men tunnusmerkilliset piirteet on esitetty patenttivaatimuksessa 6. Muut keksinnön edut ja sovellusmuodot selviävät jäljempänä.

: Keksinnön mukaisella menetelmällä voidaan polttaa karkeajakeis- 1 ta, kiinteää ainetta ja huonolaatusta nestemäistä polttoainetta : 25 tehokkaasti ja pienin kustannuksin. Keksinnön mukaisessa mene- • telmässä pyörrekammiota käytetään käsiteltävän materiaalin • samanaikaiseen kemialliseen ja fysikaaliseen prosessointiin.

. Myöhemmin keksinnöstä käytetään sen toimintaa kuvaavaa nimitystä

Chemi Mechanical Reactor (CMR), joka toimii seuraavasti. Karkea-30 jakeinen polttoaine syötetään happea sisältävän kaasun kanssa CMR:iin. Hapen ja polttoaineen suhdetta säädetään selvästi • .....

alistökiömetrisellä puolella siten, että lämpötila CMRsssa *: asettuu sopivimmin välillä 600 - 750 C. Tyypillisimmin happea V sisältävänä kaasuna käytetään ilmaa, jolloin CMR: iin ohjattavan » .

. 35 ilmavirran määrä on kuivalle polttoaineelle 30 - 50 % täydelli- ·* sen palamisen ilmamäärästä. Hapettava kaasu tuodaan CMR:iin • ......

” tangentiaalisesti, jolloin CMR:iin syntyy pyörre, joka estää karkeiden hiukkasten poistumisen CMR:sta. Tämän seurauksena 4 yooun CHR:iin rikastuu kiinteää materiaalia, joka kiertää nauhamaises-ti pitkin CMR:n vaippaa. CMR:n sisäisen pyörteen vaikutuksesta : lämpötilan haurastuttamat hiukkaset törmäilevät toisiinsa sekä CHR:n seinämiin ja jauhautuvat täten hienojakeisiksi hiukkasik-5 si. Kun hiukkaset alittavat niiden fysikaalisesta tilasta riippuvan rajakoon, ne poistuvat CMRssta. CHR pyörre säädetään sellaiseksi, että se päästää lävitseen hiukkaset, joiden reaktioaika liekkipalamisessa on riittävän pieni. CMR:ssä suurten hiukkasten viipymäaika muodostuu suureksi, kun taas hienojakei-10 nen materiaali poistuu CHR:stä nopeasti. On selvää, että tällainen valikoiva viipymäaika on polton kannalta edullinen.

Edellä esitetyn perusteella CHR:ssä saavutetaan seuraavia etuja: 15 1. Runsaan kiintoainekierron ja alistökiömetrian ansiosta lämpötilan säätö on helppoa ja täsmällistä.

2. CHR:n sisään muodostuva kiintoainepyörre tasoittaa kehän- suuntaiset lämpötilaerot ja suojaa rakennetta ylikuumenemiselta.

20 3. Poltettavan materiaalin kemiallisella ja termisellä käsit- telyllä jauhatuksen vaatima energiankulutus saadaan merki- » · • · tyksettömän pieneksi.

4. CMR:n sisään kertyvä kiintoainemäärä stabiloi liekin V varmasti, joten tukipolttoa ei tarvita.

‘I 25 5. CMR: ssä saavutetaan suuri tehotiheys (MW/m3).

i.v 6. Orgaaniseen sidottu typpi vapautuu pelkistävissä oloissa, joten typen oksidien muodostuminen minimoituu.

7. CHR voidaan ilman materiaaliongelmia toteuttaa jäähdyttä- • : : mättömänä teräsrakenteena.

30

Keksinnön mukainen poltin voi toimia myös kaasuttimena. Tällöin • e ... voidaan puhua paremminkin reaktorista polttimen sijasta.

e ........ ...............................- · · e e ......

• .....

« ................' -.-s- ·"·'·'

Seuraavassa keksintöä kuvataan viittaamalla oheisiin kuviin, 35 jotka esittävät erästä keksinnön mukaista poltinta.

Kuva 1 esittää poltinta sivulta nähtynä osittain leikattuna.

98854 5

Kuva 2 esittää kuvan 1 polttimon poikkileikkausta kohdasta II-II.

Kuva 3 esittää polttimen osia aksonometrisessä kuvannossa.

5 Viitenumerolla 1 on merkitty pyörrekammiota (CMR-kammiota), johon polttoaine tuodaan kantoilman avulla putkesta 11 yhteen 12 kautta, joka on suunnattu tangentiaalisesti pyörrekammion 1 suhteen. Pyörrekammion 1 päädyssä on laippa 8.1, jolla se on kiinnitetty toisiokammion 6 päätyyn 8.2. Näiden päätyjen läpi on 10 asetettu pyörrekammion poistoputki, joka on nimetty välikanavak-si 4. Tämä ulottuu jonkin verran toisiokammioon 6. Toisesta päädystä ulottuu toisiokammion 6 poistokanava 5 osittain väli* kanavan 4 päälle, jolloin näiden väliin muodostuu rengasmainen rakokanava. Toisioilma tuodaan putken 2 ja yhteen 3 kautta, joka 15 on myös suunnattu samansuuntaisesti tangent iaalisesti kuin yhde 12. Poltin kiinnitetään esim. kattilan seinään laipasta 7.

Polttimen sytyttämiseksi pyörrekammion 1 ympärille kuuluu sähkövastukset 22 ja yhteeseen 12 öljysuutin 9. Sytyttämiseen 20 voidaan luonnollisesti käyttää myös kaasua. Pyörrekammion 1 . keskelle etupäätyyn kuuluu termoelementin suojaputki 21, jonka ··· · •j . sisään itse termoelementti asennetaan mittaamaan pyörrekammion .V l (CMR-kammion) lämpötilaa.

m · • · .....

9 099 9 .....

**I 25 Kuvassa 3 pyörrekammio ja toisioilmajärjestelmä on erotettu toisistaan ja pyörrekammiota 1 on kierretty noin 90* kuvien 1 ja '·’* 2 tilanteeseen nähden. Väliputki 4 on tässä kiinnitetty toi siokammion 6 laippaan 8.2 ja sitä varten pyörrekammion 1 laipas-* sa 8.1 on reikä 15. Kuvassa 3 ei ole esitetty sähkövastuksia, 30 lämpötila-anturia eikä sytytyspoltinta.

* ......

• 09 ' .......

• · · • 9 · ...... ......

Erään pilotlaitteen ja 2 MW polttimien päämitat ovat seuraavat: »e ......

··· 0 ........... y':\.

Pilot 2MW Yksikkö 35 CMR-kammion halkaisija 200 800 mm CMR-kammion pituus 150 600 mm

Poistoputkenhalkaisija 50 225 mm 98854 6

Sahanpurun ominaisuudet:

Vesi/kuiva-aine massasuhde 0,06 0,06

Maksimi hiukkaskoko 5 5 mm

Keskim. hiukkaskoko 1 1 mm 5 - :

Ilmavirta CMR:iin/stökiömetrinen ilmavirta:

Minimi 0,4 0,35

Maksimi 1,2 1,2 10 Purun syöttö:

Maksimi 4,0 110 g/s

Minimi 1,7 20 g/s

Minimi tehotiheys 5 1,33 MW/m3

Maksimi tehotiheys 11 6,6 MW/m3 15

Liekin pituus:

Maksimi 400 mm

Minimi 150 mm 20 Pyörrekammiossa 1 eli CMR-kammiossa alistökiömetrisen polton il-: mamäärä ohjataan niin, että lämpötila asettuu välille 600 - 7501 C. Tämä vastaa yleensä sitä, että 25 - 35 % hapen kulutuksesta tapahtuu pyörrekammiossa. On oleellista, että toisioilmavirta on samankeskinen rengasvirtaus, edullisimmin se on kuvan mukaisesti 25 pyörteinen rengasvirtaus ensiövirran ympärille. On myös tärkeää, että poistokanava 5 on niin lähellä päätyä 8.2, että niiden välillä syntyy painehäviö, joka tasaa rengasvirtausta.

i Pyörrekammion 1 (CMR-kammio) pituuden ja halkaisijan suhde on : 30 edullisimmin välillä 0,8 - 1,2. Toisiokammion 6 pituus on . edullisimmin 30 -50 % pyörrekammiokammion l pituudesta. Väli- » .. ---------------- , kanava 4 ja toisiokammion poistokanava 5 limittyvät edullisimmin 20 - 30 % välikanavan halkaisijasta. Välikanavan 4 halkaisija on : edullisimmin 25 - 35 % pyörrekammion 1 halkaisijasta.

: 35 " ...... ...

Pyörrekammiossa eli CMR-reaktorissa ei ole primäärisesti kyse erotuksesta, vaan kiinteiden hiukkasten prosessoimisesta kaasu- 98854 7 yhdisteeksi ja pieniksi koksihiukkasiksi. Nämä kaikki poistuvat pyörrekammiosta välikanavan kautta.

Eräissä tapauksissa on edullista käyttää pyörrekammiossa inert-5 tiä rakeista ainetta, joka parantaa kiinteän polttoaineen jauhautumista ja lisää kammion lämpökapasiteettia tasaten palamista. Inert in aineen käyttö voidaan usein järjestää siten, että sitä syötetään vain sen verran kuin sitä vähäisessä määrin poistuu pyörrekammiosta.

10 > · I · I · • · » · » · • · » · · »· · • ......

·· • · • · » · ........

> · • » • · .........

• · m· .....

· • e » · • · » · ·· • · .....

• .... .....

• 9 • » .......... ·· · · • ..... ..... 1 2 · ..... ......

2 ... ........ ..... ...... '

Claims (11)

98854 8

1. Menetelmä nestemäisten ja laajan hiukkaskokojakauman omaavien kiinteiden aineiden polttamiseksi hallitusti 5 pyörrekammiota hyväksikäyttämällä, jossa menetelmässä aine syötetään pyörrekammioon (l) tangentiaalisesti yhdessä ilmavirran kanssa ja ainevirta johdetaan pyörrekammiosta pyörteisenä keskeltä pois, tunnettu siitä, että tangentiaalisen syöttövirran ja keskeisen poistovirran välille synnytetään sellainen pyörre, 10 jonka avulla aikaansaadaan karkeille hiukkasille selektiivinen viiveaika poistuvien hiukasten koon pienentämiseksi asetettua rajakokoa pienemmäksi, ja että ilman syöttö jaetaan kahteen vaiheeseen, joista ensimmäisessä vaiheessa poltettava aine syötetään alistökiö-metrisen ilmamäärän kanssa pyörrekammioon 15 (1) säilyttäen lämpötila tuhkan sulamispisteen alapuolella ja seuraavassa vaiheessa lisätään toisioilmavirta samankeskeisenä rengasmaisena virtauksena pyörrekammiosta poistuvan virtauksen ympärille.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että sanotun ensimmäisen alistökiömetrisessä poltossa hapen ja polttoaineen suhdetta ohjataan siten, että lämpötila . . asettuu välille 800 - 750° C. • · • · · ··· · ·»· • · · *•** 25

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, • · ^ ' ...... ϊ.: : tunnettu siitä, että 25 - 35 % hapenkulutuksesta tapahtuu pyör- „!!’ rekammiossa. • · · • · · ··· · sT:

4. Patenttivaatimuksen 1, 2 tai 3 mukainen menetelmä, 30 tunnettu siitä, että toisioilmavirta muodostetaan samankes-. .·, keiseksi ja -suuntaiseksi pyörteeksi ensiövirtaan nähden.

• · · ..... • · · . . .... ....... *. 5. Jonkin patenttivaatimuksen 1 - 4 mukainen menetel- *’** mä, tunnettu siitä, että pyörrekammioon syötetään myös inerttiä J**: 35 rakeista ainetta. ·· · • » ιφ*.

6. Poltin patenttivaatimuksen 1 mukaisen menetelmän toteuttamiseksi, johon polttimeen kuuluu lieriömäinen pyörrekam- 9 y«öD4 mio (1) tangentiaalisine polttoaine- ja ilmayhteineen (11) ja keskeinen poistokanava nimettynä jäljempänä välikanavaksi (4), tunnettu siitä, että polttimeen kuuluu toisiokammio (6) järjestettynä samankeskeisesti pyörrekammion (1) perään, johon toi-5 siokammioon kuuluu tangentiaalinen toisioilmayhde (3) ja saman- keskeinen poistokanava (5), ja sanottu välikanava (4) ulottuu välin päähän toisiokammioon (6) toisiokammion poistokanavan (5) ulottuessa vastakkaisesta päädystä osittain välikanavan (4) päähän, jolloin nämä muodostavat rengasmaisen raon toisioilma-10 virran syöttämiseksi päävirran ympärille.

7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen poltin, tunnettu siitä, että pyörrekammion (1) pituuden ja halkaisijan suhde on välillä 0,8 - 1,2. 15

8. Patenttivaatimuksen 6 tai 7 mukainen poltin, tunnettu siitä, että pyörrekammion ympärille kuuluu sähkövastukset pyörrekammion kuumentamiseksi ja edelleen ensiöilmayhteeseen öl-jy/kaasusuutin polttimen sytyttämiseksi. 20

9. Patenttivaatimuksen 6, 7 tai 8 mukainen poltin, tunnettu siitä, että toisiokammion (6) pituus on 30 - 50 % , . pyörrekammion (1) pituudesta. • * • ·· V * 25

10. Jonkin patenttivaatimuksen 6-9 mukainen poltin, # · : tunnettu siitä, että välikanava (4) ja toisiokammion poisto- kanava (5) limittyvät 20 - 30 % välikanavan halkaisijasta

• ♦ · ► « · >·· · '·*: 11. Jonkin patenttivaatimuksen 6-10 mxikainen poltin, 30 tunnettu siitä, että välikanavan (4) halkaisija 25 - 35 % pyör- ,·, rekammion (1) halkaisijasta. • · ··· ··· . . • ψ ...... ..... • · .....- • ........ » · ............ » · . i.V. . . ·«·· • · • .......'f.;,'...;.;..;. ......' » « .. ·.··· : v".". ".~' ; ·····-......... ...... - • · • ..... ............ • ....... »·»· f · 98854 10