NO141941B - Fremgangsmaate for fremstilling av brensel - Google Patents

Description

Forbrenning av kull foregår som regel på en rist eller ved forstøvning av fint fordelte pulveriserte partikler. Hvis kullene inneholder betydelige mengder svovel, omformes dette til svoveloksyd, vanligvis svoveldioksyd, under forbrenningen. Disse svoveloksyder er blant de verste luftforurensninger, og

av den grunn er der i de siste år blitt opprettet meget strenge regler for utslipp av disse oksyder i atmosfæren. Dette forhold krever at kullene enten må ha lite svovelinnhold, høyst 1%, eller må utsettes for en behandling som fjerner svovel. I begge tilfeller betyr dette større utgifter. Det. er derfor blitt fore-slått at pulverisert kalk eller kalksten blandes med kullene, hvilket medfører at betraktelige mengder av svoveldioksyd blir oksydert videre til kalsiumsulfat under forbrenningen, idet det forutsettes at tilstrekkelig oksygen alltid er til"stede. Dette kalsiumsulfat forekommer da som fine partikler og kan lett fjernes med konvensjonelle fremgangsmåter, for eksempel elektrostatisk utfelling. Men forbrenningen blir da ikke så fullstendi som man kunne ønske, og, hvis det ikke er meget store mengder kalk til stede,vil mengden av fjernede svoveloksyder lett bli utilstrekkelig, når kullene er sterkt svovelholdige.

Foreliggende oppfinnelse har som formål å angi en fremgangsmåte

for fremstilling av et brensel basert på finfordelt kull,

og som er av en sådan art at det ovenfor nevnte svovelproblem overvinnes, samtidig som eksplosjonsfare som vanligvis er for-bundet med anvendelse av pulverisert kull, nedsettes.

Oppfinnelsen gjelder således en fremgangsmåte for fremstilling av brensel i form av en dispersjon av finfordelt kull i vann og olje, idet fremgangsmåtens særtrekk i henhold til oppfinnelsen består i at det fremstilles en dispersjon hvor de dispergerte kullpartikler har en diameter mindre enn 100 /im, og denne dispersjon underkastes en kraftig akustisk omrøring ved lyd- eller ultralydfrekvens og med en intensitet på mer enn 11,625 watt/cm , hvilket stabiliserer dispersjonen slik:at'utfelling av kullpartikler hindres, og oljeoverskudcfet fjernes som separat fase, hvis det er for meget olje.

I henhold til foreliggende oppfinnelse anvendes således pulverisert kull med partikkelstørrelser under lOO^Aim. En betraktelig andel av partiklene er imidlertid vanligvis meget mindre, nemlig helt ned til 1 pm. Dette material er så å si identisk med den type kull som for tiden anvendes i pulver-brennere. Ser man på disse kullpartiklene i et mikroskop, vil overflaten synes ganske porøs.

Pulverisert kull blir oppslemmet i vann og olje, idet oljen, for eksempel vanlig fyringsolje, fortrinnsvis tilføres etter kullpartiklenes oppslemming i vann, og hele denne blanding eller oppslemming blir så utsatt for kraftig akustisk omrøring. Lydfrekvensen ligger vanligvis i området 20.000 - 30.000 Hz og kanskje enda høyere, altså i det ultrasoniske område, men frekvensområdet 15«000 - 20.000 Hz kan også brukes. I denne beskrivelse vil derfor uttrykket "akustisk" eller "sonisk" om-fatte både hørbare lydfrekvenser og ultralydfrekvenser. Det skal understrekes at nevnte omrøring må være meget intens og gi sterk kavitasjon. I henhold til foreliggende oppfinnelse må effekttettheten eller intensiteten være minst 11,625 watt/cm , og den ligger vanligvis i praksis i området 3°%75 - 5^25 watt/cm 2 . Skjønt det såoledes er en bestemt nedre grense for denne intensitet, og tilfredsstillende brensel ikke vil kunne fremstilles under denne grense, er det ingen skarp øvre grense. Over 5^j25 watt/cm er det imidlertid lite å vinne i forhold

til de økede omkostninger.

Så lenge effekt-intensiteten . ligger i det ovenfor nevnte område, spiller det mindre rolle hvordan den frembringes. Foreliggende oppfinnelse er således ikke begrenset til noen bestemt akustisk apparatur. En såkalt sonisk eller ultrasonisk sonde er imidlertid meget praktisk og anvendelig for dette formål.

Ved hjelp av denne sonde frembringes longitudinale vibrasjoner på konvensjonell måte under utnyttelse av piezoelektriske eller magnetostriktive organer eller lignende. Denne soniske generator blir så koplet til en akustisk transformator som smalner av, fortrinnsvis eksponensielt, og har en endeflate som er meget mindre enn den som er koplet til den soniske generator. Dette betyr at den mindre endeflate må bevege seg meget hurti-ere enn den større flate, i henhold til loven om energiens konstans. Dette innebærer en konsenstrasjon av energi, og idet den tilgjengelige effekt blir overført fra et større område til et mindre, kalles den anvendte innretning en "transformator", i analogi med en elektrisk transformator som øker spenningen, Sonder av denne art er kommersielt tilgjengelige, for eksempel fra Bransom Instruments under handelsbetegnelsen "Sonifier". Denne type apparat er en meget tilfredsstillende løsning for å frembringe den nødvendige soniske energikonsentrasjon, idet den er rimelig og pålitelig.

Det ser ut til at den høye soniske intensitet driver vann inn

i porene i kullpartiklene, slik at det fremkommer en blanding

som likner meget på vann/olje-emulsjon. Men den er ingen virkelig emulsjon, da den faktisk utgjøres av en suspensjon av kullpartikler i en dispersjon av olje og vann. Det oppnådde produkt oppfører seg som væske med en viss viskositet-, og for meget olje vil gi et overflatelag av ren olje, mens en ren vann/olje-emulsjon derimot kan spes ut med mere olje uten at denne skiller seg ut. Skjønt det er teoretisk mulig å finne frem til et nøyaktig forhold mellom kull, vann og olje som ikke gir noe utskilt oljelag, er dette neppe praktisk, da forholdet er ytterst kritisk, og det er derfor bedre å arbeide med et visst overskudd av olje og heller fjerne nevnte overflatelag for å resirkulere overskuddsoljen. Til tross for at brenselet i henhold til foreliggende oppfinnelse, som nevnt ovenfor, egentlig ikke er en vann/olje-emulsjon, har likevel brenselet visse emulsjonslignende egenskaper. Hvis f.eks. overflateoljen fjernes, vil den gjenværende olje og vannet være i stabil til-stand i og omkring kullpartiklene, slik at brenselet kan lagres i en viss tid uten en ytterligere adskillelse av dets bestanddeler. Av denne grunn vil brenselet her bli omtalt som en emulsjon, skjønt dette rent teknologisk ikke er tilfelle. Det er imidlertid en stabil dispersjon av kullpartikler og meget små vanndråper. Når dette brensel forbrennes, vil flammen være meget ren og likne mere på en oljeflamme med hensyn til farve og andre karakteristiske egenskaper enn på flammen fra pulverisert kull. Det ser ikke ut til at det frembringes fine kullpartikler under forbrenningen, men det er ikke helt klarlagt hva som egentlig foregår, og foreliggende oppfinnelse er derfor ikke begrenset til noen spesiell teori.

Forholdet mellom kull, vann og olje er ikke kritisk, hvilket er en fordel. Det varierer imidlertid noe med oljens densitet og kullenes beskaffenhet. Et utmerket forhold i praksis er 20 deler finfordelt kull, 15 deler olje, og 10 deler vann. Denne blanding gir bare en liten mengdeandel overflateolje, og er meget stabil.

Men noe mere olje kan gjerne brukes, og i visse tilfelle er

det å foretrekke, all den stund overflateoljen lett kan anvendes på nytt. Nevnte forhold er derfor bare å forstå som et utførelseseksempel for et typisk brensel i henhold til oppfinnelsen. Det skal bemerkes at for mye vann likeledes vil kunne føre til at vann blir utskilt som separat fase. Av praktiske grunner er det derfor best at der bare er for mye olje.

Den nevnte kraftige soniske omrøring har også en annen funksjon, nemlig den å nedsette kullpartiklenes størrelse, idet partiklene utsettes for kraftige innbyrdes kollisjoner. Om-fanget av denne reduksjon i partikkelstørrelse vil være bestemt av den soniske intensitet såvel som av kullenes egenskaper. Sprøtt kullmateriale vil naturligvis bli mest redusert, men partikkelstørrelsen etter omrøringen vil i alle tilfeller ligge i området 1-100 ^um.

Skjønt den foreliggende dispersjon har ganske høy viskositet, vil den allikevel være tilstrekkelig lettflytende til at den ikke trenger å oppvarmes før den mates til brenneren. Dette er da en fordel sammenliknet med visse tungtflytende fyringsoljer, som må varmes opp med damp før de kan forstøves i en brenner. En av fordelene ved foreliggende oppfinnelse er således at den medfører at oppvarmingsutstyr kan utelates.

Selve forstøvningen av brenselet i en brenner inngår ikke i foreliggende oppfinnelse, og enhver passende brenner kan anvendes. En viss hensiktsmessig sådan brenner omfatter en sonisk sonde som forstøver brenselet ved sin ytterende.

Hvis der anvendes kull med så lavt svovelinnhold at utslipp

av svoveloksyder fra skorsten ligger under tillatt grensenivå,

kan det fremstilte brensel i henhold til oppfinnelsens fremgangsmåte bestå av bare pulverisert kull, olje og vann. Oppfinnelsen gjør det imidlertid mulig å eliminere store mengder svoveloksyder på meget enkel og rimelig måte.- Den gir nemlig muligheter for å anvende billige kull med høyt svovelinnhold og lav pris, som ellers ikke ville kunne oppfylle kravene til begrenset utslipp av svoveloksyder. Når reduksjon av sådant utslipp er påkrevet, kan fint pulverisert kalk eller kalksten blandes i vannet. Dette material vil heretter bli benevnt "kalk", og kan tilføres enten før eller etter tilsetning-en av olje, men fortrinnsvis tilsettes det omtrent samtidig med at brenselets bestanddeler tilføres den soniske sonden,

som så frembringer det ferdige brensel. Pulverisert kalk vil vanligvis bli anvendt i fOrm av en oppslemning i vann, og dette vann må da regnes med som en del av brenselets totale vanninn-hold. Den tilsatte pulveriserte kalk blir en stabil del av oppløsningen, og vil ikke felles ut under lagring. En reduksjon av svoveloksyd på denne måte, uten at der oppstår problemer, er ennå en fordel ved foreliggende oppfinnelse.

Kalk er et foretrukket alkalisk material for anvendelse der

hvor kullene har høyt svovelinnhold. Dette material har mange praktiske fordeler, først og fremst lav pris, men også det forhold at kalsiumsulfat, som frembringes ved forbrenningen, er tungt oppløselig i vann. Andre alkalier kan anvendes, f.eks. natriumkarbonat (soda) , men de fleste av disse gir sulfater som er ganske godt oppløselige i vann. Dette kan gi problemer, da vanndamp alltid opptrer under forbrenningen, og temperaturen i avgasssystemet ett eller annet sted kan være så lav at vann kondenseres. Det kan da hende at vannet blander seg med sul-fatene til en deigaktig masse. Denne gjør det så vanskeligere å utføre elektrostatisk utfelling, da en sådan utfelling vanligvis krever at de partikler som skal fjernes, må være tørre. Videre vil slike deigaktige masser kunne slå seg ned

andre steder i utstyret for behandling av avløpsgassen og derved medføre større renseutgifter, hvilket er ennå en grunn til at kalk er å foretrekke. Det er allilævel klart at foreliggende oppfinnelse ikke er begrenset til bruk av kalk, men at kalk utgjør det foretrukne materiale for det foreliggende formål.

Fjerning av svoveloksyder avhenger av hvilke mengder kalk

eller andre alkalier som er til stede. Kalkmengden bør nor-malt være større enn den støkiometriske mengde i forhold til svovelinnholdet i kullene. Hvis det for eksempel er 50% for mye kalk, vil 50% av svoveloksydene bli bundet som kalsiumsulfat. Når kalkinnholdet er dobbelt så stort som den støkio-metriske mengde, vil 80% av svoveloksydene bli bundet. Utover dette vil kurven flate ut, så kalkmengder utover den dobbelt støkiometriske mengde vanligvis ikke vil være lønnsomt. Selv med høyt svovelinnhold i kullene vil en 80% reduksjon tilfreds-stille miljøvernforskriftene de fleste steder. Kalk er billig, men når kullene har lite svovelinnhold, kan der allikevel spares noe ved å bruke mindre kalk og være tilfreds med en 50% reduksjon av svoveloksyd. Nevnte kalsiumsulfat, som ut-skilles ved elektrostatisk utfelling eller på annen, måte, kan teoretisk sett selges. Men dette er ikke alltid en lønnsom forretning, så i de tilfeller luftforurensning ikke legger hind-ringer i veien, vil mindre mengder kalk lønne seg.

Oppfinnelsen vil nå bli nærmere forklart under henvisning til de vedføyede tegninger, hvorpå: Fig. 1 viser ekjematisk en eksperimentell brenner, hvor kull forbrennes på en rist, Fig. 2 viser en kurve som angir hvor meget svoveldioksyd som fjernes ved forskjellige tilsatsmengder av kalk, Fig. 3 er et diagram over prosessforløpet i en praktisk installasjon hvor brenselet sprøytes ut i forstøvet form i en brenner, og

Fig. 1+ viser en ultrasonisk sonde eller generator.

Fig. 1 og 2 angår en eksperimentell brenner hvor forbrenning av en kulldispersjon foregår på en rist. Denne dispersjon fremstilles typisk ved dispergering av 20 deler kull i 10

deler vann, tilsetning av 15 deler olje, f.eks. fyringsolje nr. 2, og kraftig ultrasonisk omrøring med intensistet mellom 38,75 og 5^525 watt/cm . Hurtig dispersjon krever at tykkelsen av væskelaget i kontakt med den vibrerende flate ligger innen-for visse grenser, slik det vil bli nærmere forklart i forbind-else med fig. h. Denne tykkelsen er ikke særlig kritisk,

men må vanligvis være betraktelig mindre enn diameteren av den vibrerende flaten. Er den vesentlig større enn dette, vil prosessen gå meget langsommere og lønnsommheten vil bli mindre. Det er videre åpenbart at nevnte tykkelse, tilsvarende avstanden mellom den vibrerende flate og den motstående beholdervegg,

må være større enn diameteren av den største kullpartikkel, nemlig større enn 100 pm. Skjønt det ikke har vært praktisk mulig å foreta nøyaktige målinger, så ser det ut til at den således oppnådde dispersjon er ganske jevn.

Foreliggende oppfinnelse gjelder ikke anvendelse av noen bestemt type finpulverisert kull. Typiske kull for de utførelser som vil bli nærmere beskrevet er bitumen-kull fra østkysten av USA (1-2% svovel) og et litt mere svovelholdig kull fra vestre Kentucky.

Fremstilling av en kull-dispersjon som vil gi mindre svoveloksyd ved forbrenning, går ut på å tilsette en oppslemming av pulverisert kalk i vann omtrent samtidig med tilsetning av olje. Vannet i denne oppslemming må selvfølgelig medregnes i forholdet mellom brenselets bestanddeler. Hvis kullene har meget lite svovel, kan kalkmengden være 50% større enn den støkio-metriske mengde, men for kull med betraktelig svovelinnhold,

og for hvilke oppfinnelsens fremgangsmåte er særlig fordel-aktig, bør kalkinnholdet være det dobbelte av den støkiomet-riske mengde.

På fig. 1 er vist en eksperimentell brenner 1, med elektrisk forvarmer i form av tråder viklet rundt brennermantelen. Diameteren på denne var ca. 355 cm. Brenselet ligger på en rist 2, og luft tilføres som vist på figuren, i mengder som er litt større enn det selve forbrenningsprosessen krever, da dette gir mest økonomisk forbrenning. Forbrenningsgassene strømmer inn i et prøverør 3 fyllt med glassull. Denne fjerner faste partikler og visse andre forurensninger før gassene strømmer gjennom en gassvasker !+som i det foreliggende tilfelle inneholder 3% hydrogenperoksyd i vann. Videre strømmer gassene gjennom en første felle 5 samt en ytterligere spesiell felle 6 for vann og utstyrt med glassull. Avgassene trekkes ut ved partielt vakuum, som vist på tegningen og frembragt på hvilken som helst hensiktsmessig måte. Gasstrømmen måles med et rota-meter 7- Tabell I viser resultatene av de eksperimentelle forbrenningsprøver.

Som det fremgår av tabell I ble der foretatt prøver med forskjellige mengder av olje og vann, enten med kalk som angitt i

tabellen eller helt uten kalk. Tabellen angir også hvor meget brensel som ble forbrent, og mengden av fjernede svoveloksyder ble bestemt ved titrering med en oppløsning av natriumhydroksyd (NaOH).

De fire første prøvene ble brent på en rist, mens den femte besto i å brenne forstøvet brensel avgitt fra enden av en ultrasonisk sonde. Fig. 2 viser hvor meget svoveldioksyd som ble fjernet, som funksjon av tilsatt kalkmengde, opp til $ 0% kalkoverskudd. Når kalkmengden blir større enn det dobbelte av den støkiometriske mengde, vil kurven rette seg ut langs en asymptote svarende til 80% fjerning av soveldioksyd.

Fig. 3 viser skjematisk et større anlegg for forbrenning av forstøvet brensel fra en ultrasonisk sonde. Kullene blir først malt i en kulemølle utstyrt med en pulverisator 8, til partikler i størrelse-området 1-100 pm.- Disse partikler over-føres ved hjelp av en vibrerende anordning 9 til en vannstrøm og føres med denne inn i en tank 10. Her blir blandingen rørt ut (forslemmet) med en propellskrue, mens luft tillates å unn-slippe fra tanken. Kullslammet blir så tilført olje, og kalk-slam tilsettes litt senere, idet tilførselen av de tre bestanddeler reguleres 11 hver for seg. Kalkmengden er omtrent det dobbelte av den støkiometriske mengde i forhold til svovelinnholdet i kullene.

Brenselslammet blir så godt blandet i en formikser 12 og derpå utsatt for ultrasonisk energi i en akustisk dispergator eller sonde 13, med frekvens i området 20.000 - 22.000 Hz, idet denne sonde er utført slik som vist i fig. h. Avstanden mellom sondens vibrerende flate og endeveggen i beholderen er betraktelig mindre enn diameteren av sondens ytterende. Dette gir meget kraftig ultrasonisk omrøring og kavitasjon, hvis effekt-intensiteten ligger i området fra ca. 38,75 til ca. 5^,25 watt/ cm 2. Dette frembringer en stabil dispersjon som så strømmer ut i en separator Ih, utstyrt med en skillevegg 15, som gjør det mulig å separere ut overflateolje og pumpe denne olje gjennom røret 16 tilbake til formikseren 12.

Brenselet (kull/vann/olje/kalk) strømmer til slutt inn i ennå

en ultrasonisk sonde 17, hvorfra det i forstøvet form sprøytes inn i brenselkammeret 18. Forbrenningen finner sted i dette kammer,mens avgassene avgis gjennom et elektrostatisk utfellings-apparat til en skorsten. Dette apparat feller ut finpulverisert kalsiumsulfat, som kan fjernes og selges. Hvis kullene har 2 - 3% svovel, vil omtrent 80% av den resulterende svoveldioksyd bli ■ fjernet under denne prosess, hvilket gir avgasser som tilfreds-stiller miljøkravene.

Fig. h viser en typisk ultrasonisk sonde 20. Elektrisk spen-ning med frekvens 20.000 - 22.000 Hz påtrykkes fra venstre, og frembringer kraftige mekaniske vibrasjoner med samme frekvens. Dette skjer i en piezoelektrisk stabel 21 og vibrasjonene blir overført til den brede enden 22 på en akustisk transformator av stål. Denne smalner av gradvis(eksponensielt) mot sin annen ende 23, hvilket innebærer at denne ende vil vibrere med større amplitude og hastighet enn den brede ende. Den smale ende anvendes derfor for å røre om oppslemningen i enheten 13 i fig. 3, og en lignende sonde 17 forstøver brenselet.

Forbrenning av det forstøvede brensel frembringer en flamme som er klar og gir fullstendig forbrenning. Denne flamme ser ikke ut som en vanlig flamme ved forbrenning av pulverisert kull. Det er sannsynlig at det er vannet i dette spesielle brensel som gir den fine flamme og den meget fullstendige forbrenning. Denne forbrenning er så fullstendig at der er meget ]ite eller intet varmetap på grunn av nærvær av vann, som nærmest eksplo-sjonsartet går over i damp under forbrenningen.

Vesentlige mengder av overflateaktive stoffer eller stoffer som letter emulgeringen bør ikke være til stede ved omrøringen. Disse vil nemlig føre til at altfor store mengder av små vanndråper vil bli permanent dispergert i oljen, og vil ikke eksplodere i flammen som tidligere nevnt. Slike mikro-eksplosjoner krever dråpestørrelser omkring 2-20 pm. Partikler vesentlig mindre enn 2 pm vil ikke eksplodere, og hvis der er mange av disse, vil de redusere forbrenningens effektivitet og gi en mindre god flamme. Denne henvisning til overflateaktive stoffer har sin grunn i at visse oljer, f.eks. tunge fyringsoljer, inneholder små mengder av slike stoffer, men ikke så meget at de ikke kan anvendes i henhold til foreliggende oppfinnelse.

Claims (3)

1. Fremgangsmåte for fremstilling av brensel i form av en dispersjon av finfordelt kull i vann og olje, karakterisert ved at det fremstilles en dispersjon hvor de dispergerte kullpartikler har en diameter mindre enn 100 pm, og denne dispersjon underkastes en kraftig akustisk omrøring ved lyd- eller ultralydfrekvens og med en intensitet på mer enn 11,625 watt/cm o, hvilket stabiliserer dispersjonen slik at utfelling av kullpartikler hindres, og oljeoverskuddet fjernes som separat fase, hvis det er for meget olje.

2. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, i det tilfelle det finfordelte kull har et svovelinnhold som ved vanlig forbrenning ville frembringe mer svoveloksyd enn det som er tillatt ifølge gjeldende miljøvernforskrifter, karakterisert ved at dispersjonen av kull, vann og olje tilsettes en dispersjon av fint fordelt alkalisk material, hvor alkalimengden er minst 50% større enn den støkiometriske mengde i forhold til kullenes svovelinnhold.

3. Fremgangsmåte som angitt i krav 2, karakterisert ved at det tilsettes alkalisk material i form av pulverisert kalk eller kalksten.