NO156388B - Fremgangsmaate til drift av en varmegenerator og varmegenerator til utfoerelse av fremgangsmaaten. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte til drift

av en varmegenerator og en varmegenerator til utførelse av fremgangsmåten, der et brendsel inneholdende forurensninger brennes med en innstrømning av luft til frembringelse av varm forbrenningsgass som etter overføring av varme fra gassene slippes ut som en avtrekksgass ved en høy temperatur og inneholder partikler av gassformede forurensninger.

Varmegeneratorer som benytter brendsel som f.eks. olje, kull, gass eller avfallsmaterialer o.l., frembringer en betydelig mengde avfallsstoffer i form av forurensende gasser og partikler. Kommunale og statlige miljøkrav har innført standarder for maksimale utslipp av disse avfallsstoffer. Oppfyllelse av disse utslippstandarder, innebærer betydelige investeringer i passende utstyr for kontroll med utslippene og omkostningene ved dette kan bli så høye at utstyret forbyr seg selv.

F.eks. finnes det store systemer som skal fjerne partikler ved hjelp av en tørrbehandling av avtrekksgassene. Typiske anordninger som anvendes for dette formål kan innbefatte elektrostatiske utfellingsanordninger, filterhus o.l.

Disse anordninger er egnet for fjernelse av partikler,

men gassformede forurensninger blir ikke fjernet og som man vil forstå, vil tilføyelse av slike anordninger øke omkostningene og redusere virkningsgraden for varmegeneratoren. Mengden av gassformede forurensende stoffer som oppstår ved forbrenningen av brendsel over hele verden er enorm. Som et resultat er mange teknikker blitt beskrevet for utskillelse av de forurensende stoffer fra avtrekksgasser som kommer fra varmegeneratorer. En gene-rell informasjon om forskjellige våte skrubbe prosesser for fjernelse av forurensende stoffer fra avtrekksgasser som kommer fra store elektriske kraftanlegg, kan finnes i et kapittel med tittelen "Wet Scrubbing Process - S0X

and N0X Removal Chemistry" på sidene 9-312 i "Energy

Technology Handbook" redigert av D.M. Considine og publi-sert av McGraw-Hill Book Company.

Våt-skrubbe teknikk av avtrekksgasser innebærer også betydelige investeringer med kompliserte systemer. I f.eks. US PS 3.320.906 og 3.733.777 er det beskrevet våt-skrubbere der avtrekksgassene føres gjennom et filterlag for intim kontakt med en vaskevæske. Vaskevæsken kan være en vanlig oppløsning av bisulfitsalt som beskrevet i US PS 3.733.777 eller alkaliske skrubbvæsker som er

angitt som nyttige med den våtskrubber som er beskrevet i US PS 4.049.399.

Da små korroderende væskedråper lett blir revet med av

den skrubbede avtrekksgass, kan spesielle teknikker,

f.eks. som beskrevet i US PS 4.049.399 eller 3.844.740, benyttes for å unngå korrosjon på påfølgende utstyr,

f.eks. en vifte for kunstig trekk anbragt i skorstenen der avtrekksgassene slipper ut i atmosfæren.

En annen teknikk for fjernelse av forurensende stoffer, kan innebære kjøling av avtrekksgassen til så lave temperaturer at gassformede forurensninger som SOs og SO3 kondenserer ut. Et system av denne art er beskrevet i US

PS 3.839.948, der avtrekksgassen kjøles til omtrent 10°C for å kondensere ut svovelholdige forurensninger, hvoretter avtrekksgassen varmes opp på nytt før den slippes ut i atmosfæren.

Disse og andre teknikker for fjernelse av avfallsstoffer fra avtrekksgassen, medfører betydelige energimengder hvor-av en stor del går tapt for alltid. Som et resultat vil den totale virkningsgrad, d.v.s. den energi som er til-gjengelig for salg fra et kraftanlegg, bli betydelig redusert.

Teknikker for forvarming av luft er også kjent og benyttet i mange år i forbindelse med kjeler for å forbedre forbrenningen. En slik forvarmingsteknikk anvender en Ljungstrøm luftforvarmer. Her anvendes det en rotor der avtrekksgass føres gjennom på en side, mens en innkommen strøm av forbrenningsluft føres gjennom på den annen side, og med de to gasser strømmende i motsatte retninger. Luft-forvarmere blir imidlertid drevet med tilstrekkelig høye temperaturer for å unngå kondensering inne i varmeutveksleren av forurensende stoffer så som SO3 som finnes i avtrekksgassen .

Ved en teknikk i henhold til oppfinnelsen for drift av en varmegenerator som fyres med brendsel, er den termiske virkningsgrad forbedret ved å kombinere forvarming av luften for varmegeneratoren med fjernelse av forurensende stoffer fra avtrekksgassen.

F.eks. som beskrevet her i forbindelse med en fremgangsmåte i henhold til oppfinnelsen for drift av en varmegenerator som drives med brendsel, blir både innstrømmende luft og avtrekksgass fra forbrenningen, ført gjennom en varmeutveksler som samtidig overstrømmes med en skrubbe-væske for fjernelse av partikler og gassformede forurensende stoffer i avtrekksgassen. Varme fra avtrekksgassen over-føres gjennom varmeutveksleren til den innstrømmende luft for forvarming av denne, mens de forurensende stoffer i avtrekksgassen fjernes ved at de samles i væsken etter dennes passasje gjennom varmeutveksleren.

Kjøling av avtrekksgassene kan utføres til en temperatur ved hvilken et forurensende stoff kan kondensere ut.

F.eks. kan avtrekksgassen kjøles i varmeutveksleren til en temperatur ved hvilken SO3 unngås, men allikevel blir en vesentlig del av SO3 i avtrekksgassen fjernet.

Med en teknikk i henhold til oppfinnelsen for drift av en varmegenerator, kan den netto termiske virkningsgrad bli betydelig øket. Teknikken kan anvendes for å forbedre arbeidsvirkningsgradene for eksisterende varmegeneratorer slik de kan benyttes i elektriske kraftanlegg, stålovner, anlegg til fremstilling av svovel o.l.

Det er derfor en hensikt med oppfinnelsen å forbedre den termiske virkningsgrad for en varmegenerator der det anvendes brendsel samtidig med at man fjerner forurensende stoffer fra avtrekksgassen generatoren frembringer.

Oppfinnelsen er kjennetegnet ved de i kravene gjengitte trekk og vil i det følgende bli beskrevet nærmere under henvisning til tegningene der: Fig. 1 viser skjematisk en vanlig termisk seksjon i et kraftanlegg og

fig. 2 viser skjematisk en termisk seksjon forbedret i henhold til oppfinnelsen.

På fig. 1 er den termiske seksjon 10 i et vanlig kraftanlegg vist med en kjele 12, der man brenner et passende brendsel så som fossilt brendsel i form av kull, olje eller gass eller annet brendsel så som avfall. Man har her en innstrøm-ning av forbrenningsluft som antydet med pilene 16 gjennom passende kanaler 14 til kjelen 12.

Kjelen 12 har en hensiktsmessig varmeutvekslingsanordning (ikke vist) der et arbeidsfluidum (vann eller damp) sirku-leres for å bli varmet opp av forbrenningsgassene som oppstår i kjelen 12. Avtrekksgasser som er antydet med pilene 18, kommer ut ved utløpet 20 fra kjelen 12 ved en høy temperatur som i et typisk eksempel kan ligge rundt 345°C og ført gjennom en varmeutveksler 22 for for-

varming av den innstrømmende luft 14. Etter passasje gjennom varmeutveksleren 22, slippes avtrekksgassen 18 ut i atmosfæren ved en skorsten 24. Luftstrømmen gjennom den

termiske seksjon 10 skapes med kunstig trekk ved hjelp av en vifte 26 og en vifte 28 for indusert trekk.

Avtrekksgassen 18 kan inneholde forurensende stoffer i form av partikler så som flyveaske og gasser så som SC>2/ SO3

og andre. Teknikker for fjernelse av de forurensende stoffer, er vanligvis en del av den termiske seksjon 10, men for å forenkle fig. 1, er disse kontrollanordninger med forurensninger utelatt i den skjematiske gjengivelse.

Det er tilstrekkelig å si at teknikker og anordninger for samling av partikler og forurensende gasser fra avtrekksgassene er blitt omfattende beskrevet i teknikkens stand.

Det er alminnelig anerkjent at særlig i store elektriske kraftanlegg skal utløpstemperaturen for avtrekksgassen fortrinnsvis holdes over duggpunktet for SO3 for å unn-

gå korrosjonsvirkninger ved kontakt mellom utfelt SO3 og utstyr så som trekkviften 28. Gjenvinningen av varme fra avtrekksgassen blir derfor vanligvis begrenset til å holde avtrekksgassens temperaturer over duggpunktet for SO3, d.v.s. rundt 150°C. Resultatet av dette er at temperaturen for den innstrømmende luft 16 ved kjelen 12 vanligvis ligger på 235°C og den termiske virkningsgrad for den termiske seksjon 10 er ikke så høy som den teoretisk kunne være. Med en teknikk for drift av en varmegenerator i henhold til oppfinnelsen, kan en vesentlig større mengde varme gjenvinnes fra avtrekksgassene, slik at man får en høy termisk virkningsgrad med samtidig fjernelse av forurensningene. Dette kan gjøres med en termisk seksjon 30, som beskrevet for et kraftanlegg som vist på fig. 2.

På fig. 2 blir avtrekksgassen 18, etter passasje gjennom forvarmeren 22, ført gjennom en varmeutveksler 32, der en vesentlig del av varmen i avtrekksgassen trekkes ut for overføring til den instrømmende luft 16.

Varmeveksleren 32 har en arbeidsvæske som tilføres gjennom et innløp 34 fra en kilde (ikke vist) til dusjer 36 i varmeveksledelen 38, der avtrekksgassen 18 føres gjennom. Dusjene 36 overflommer delen 38 for å muliggjøre intim

og direkte kontakt mellom avtrekksgasser og væsker. Væsken tilføres i en slik mengde at den samler partiklene i avtrekksgassen, mens den også virker som en beskyttende omhylning for varmeutveksleren for å hindre at denne skades av korroderende bestanddeler i avtrekksgassen.

Væsken er fortrinnsvis laget med bestanddeler som er egnet til absorbsjon og nøytralisering av forskjellige forurensninger i avtrekksgassen. Disse forurensninger kan være SC>2f SO3 og andre, for hvilke absorbsjon-og nøytraliserings-teknikker er velkjent, se f.eks. noen av de tidligere nevnte kjente publikasjoner. En alkalisk vaskevæske kan benyttes f.eks. for å nøytralisere kondensert SO3 og absorbere SO2.

I noen tilfeller kan varmeutveksleren 32 dusjes med et pulver samtidig med at væsken tilføres. Pulveret kan være av en type som nøytraliserer korroderende komponenter. Anvendelse av slike pulvere for å beskytte varmeutveksler-ne mot korrosjon er kjent på dette tekniske område.

Selv om varmevekslere 32 av den rekuperative type, den regenerative type og av varmepumpetypen kan benyttes, er varmeutveksleren 32 fortrinnsvis av den roterende, regenerative type. Det store overflateareal i slike varmevekslere understøtter blandingen og kontakten mellom avtrekksgassens forurensninger og den absorberende alkaliske vaskevæske. Avtrekksgassen 8 blir i dette tilfelle ført-gjennom en varm sonedel av en rotor som benyttes i varmeveksleren 32 og væskedusjen rettes inn i denne varme sone med en strømningshastighet som er valgt for å hindre opp-hopning av partikler og korroderende virkninger fra kondenserte og absorberte forurensninger. Den brukte væske blir samlet ved et utløp 40 for behandling i en hensikts-

messig vanlig skrubbesyklus.

Tilstrekkelig varme blir overført fra avtrekksgassen med rotoren i den roterende varmeveksler 32 til den innstrøm-mende luft 16, for å øke temperaturen på denne luft betydelig, mens avtrekksgassen 18 blir betydelig nedkjølt når den slipper ut ved utløpet 42 fra varmeveksleren 32.

Avtrekksgassens temperatur kan i virkeligheten være så

lav at hvis gassen slippes ut i atmosfæren, vil vanndampen i avtrekksgassen danne en synlig søyle. Da dette er u-ønsket, anvendes det en teknikk som undertrykker synlig-heten, hvorved avtrekksgassen 18 fra varmeutveksleren 32 varmes på nytt med en varmeutveksler 44, som dermed også hjelper til med utføringen av avtrekksgass fra skorstenen. Passende fuktighetsutskillere 46 og 48 er anbragt ved ut-løpene 42, 42' fra varmeveksleren 32 for å samle opp og muliggjøre fjernelse av små dråper, som er revet med av gasstrømmen gjennom varmeveksleren 32.

En betydelig forbedring i den totale virkningsgrad for

den termiske seksjon 30 oppnås med en varmeveksler som f.eks. varmeveksleren 32, med hvilken en betydelig del av varmen i avtrekksgassen 18 gjenvinnes, samtidig med at forurensningen er fjernet og varmeveksleren 32 er beskyttet mot korrosjonsvirkningene fra utskilte forurensninger.

Den termiske virkningsgrad for varmegeneratoren kan økes med omtrent tre og en halv prosent (3,5%). Den netto termiske virkningsgrad, d.v.s. etter at det er tatt hensyn til økte energikrav til utførelse av forbedringen i henhold til oppfinnelsen, vil da være omtrent to og seks-tienedele av en prosent (2,6%). I tillegg til dette kan mindre kostbare fossile brendsler med høyt svovelinnhold benyttes, slik at driftsomkostningene for den termiske seksjon 30 kan reduseres betydelig.

Som et resultat av forbedringen i termisk virkningsgrad, er temperaturen på den innstrømmende luft 16 til kjelen 12 ved 50 øket. Det ventes at temperaturen på luftstrøm-men kan heves opp til 30°C eller mindre fra temperaturen på avtrekksgassen 18 ved utløpet fra kjelen 12.

Den forbedring i virkningsgrad som oppfinnelsen fører til, kan illustreres med den følgende tabell over normale temperaturer man støter på, idet tidligere kjente system på fig. 1 i sammenligning med temperaturer som ventes 'å jopp-, stå i et system etter fig. 2.

Ved her å ha beskrevet en illustrerende utførelsesform for oppfinnelsen til forbedring av virkningsgraden ved den termiske seksjon i et kraftanlegg, vil man bli klar over fordelen oppfinnelsen byr på. Oppfinnelsen kan fordel-aktig benyttes for forskjellige varmegeneratorer, f.eks.

de som anvendes ved masovner, kommunale søppenforbrennings-anlegg, kjemiske prosesser o.l. Avvikelser fra den beskrevne utførelsesform kan gjøres, f.eks. når det gjelder valg av vaskevæske og varmevekslere, uten at man dermed går utenom oppfinnelsens ramme.

Claims (13)

1. Fremgangsmåte til drift av en varmegenerator der et brendsel inneholdende forurensninger brennes med en innstrømning av luft (16) til frembringelse av varm forbrenningsgass som etter overføring av varme fra gassene, slippes ut som en avtrekksgass (18) ved en høy temperatur og inneholder partikler og gassformede forurensninger, karakterisert Ved føring av avtrekksgassen (18) og den innstrømmende luft (16) gjennom en varmeutveksler (32) for overføring av varme fra avtrekksgassen til den innstrømmende luft for forvarming av denne og, under varmeutvekslingen, påføring av væske (36) for fjernelse av forurensninger på varmeutveksleren (32) i et område (38) som gjør det mulig for væsken å fjerne forurensninger og partikler fra avtrekksgassen samtidig med at varmeutveksleren beskyttes mot korroderende utfelte forurensninger og partikler for forbedret termisk virkningsgrad ved varmegeneratoren.

2. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at varmeutvekslingsforholdet ved innstrømningen av luft er tilstrekkelig til å redusere temperaturen på avtrekksgassen ved varmeoverføring fra denne til innstrømningen av luft med forbedret termisk virkningsgrad for varmeutveksleren der temperaturen på avtrekksgassen ved varmeoverføring i varmeutveksleren reduseres til et nivå der i det minste en av forurensningene kondenserer ut fra avtrekksgassen inne i varmeutveksleren og den kondenserte forurensning fjernes av væsken.

3. Fremgangsmåte som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert ved at trinnet med påføring av væsken innbefatter påføring av en væske som nøytrali-serer og absorberer forurensningene fra avtrekksgassen (18) i varmeutveksleren (32).

4. Fremgangsmåte som angitt i et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved føring av avtrekksgassen (18) som er blitt renset for forurensninger og partikler i varmeutvekslende forhold (44) med den avtrekksgass (18) som finnes før rensetrinnet for gjenoppvarming av den forurensningsfrie og partikkel-frie avtrekksgass til en temperatur som er tilstrekkelig høy til undertrykkelse av en røysøyle ved utslipp av avtrekksgassen til atmosfæren.

5. Fremgangsmåte som angitt i et vhilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at avtrekksgassen (18) føres i varmeutvekslende forhold til innstrømningen av luft ved hjelp av en roterende re-generativ varmeutveksler.

6. Fremgangsmåte som angitt i et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at væskepåføringstrinnet innebærer oversprøytning (36) av varmeutveksleren (38) med væsken for å skape en løp-ende væsketilstand i varmeutveksleren (32).

7. Fremgangsmåte som angitt i et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at fuktighet (46) som rives med av den innstrømmende luft (16) fra varmeutveksleren (32) skylles ut og at fuktighet (48) som rives med av avtrekksgassen (18) fra varmeutveksleren (32) også skilles ut.

8. Fremgangsmåte som angitt i et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at væsken er dannet av en alkalisk nøytraliserende opp-løsning .

9. Fremgangsmåte som angitt i et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved overføring av varme til innstrømningen av luft (16) ved hevning av temperaturen på den innstrømmende luft (16) til et nivå som stort sett ligger innenfor 10°C fra temperaturen på avtrekksgassen der denne strømmer ut fra kjelen.

10. Varmegenerator der et brendsel inneholdende forurensninger brennes med en innstrømning av luft (16) for å frembringe varme forbrenningsgasser som slippes ut som avtrekksgass (18) med en høyere temperatur og inneholder partikkelformede og gassformede forurensninger, karakterisert ved en varmeutveksler (32) for over-føring av varme fra avtrekksgassen (18) til innstrømningen av luft (16) og en anordning (36) for under varmeutvekslingen å påføre en forurensningsfjernende væske på varmeutveksleren (32) i et område (38) som er valgt for å mulig-gjøre direkte kontakt mellom avtrekksgassen og væsken for fjernelse av forurensninger og partikler fra avtrekksgassen og for beskyttelse av varmeutveksleren mot korroderende virkninger av forurensningene.

11. Varmegenerator som angitt i krav 10, karakterisert ved at den er innrettet slik at varmeutvekslingsforholdet vil redusere temperaturen på avtrekksgassen ved overføring av varme fra denne til den innstrøm-mende luft for økning av varmegeneratorens termiske virkningsgrad, der temperaturen på avtrekksgassen reduseres ved varmeoverføringen i varmeutveksleren til et nivå der minst en av forurensningene kondenserer i avtrekksgassen inne i varmeutveksleren.

12. Varmegenerator som angitt i krav 10 eller 11, karakterisert ved at varmeoverførings-anordningen er en roterende varmeutveksler med en varm sone som avtrekksgassene føres gjennom og ved at væske tilføres denne varme sone.

13. Varmegenerator som angitt i et hvilket som helst av kravene 10-12, karakterisert ved fuktighetsseparatorer (46, 48) som er anbragt henholdsvis i banen for luftinnstrømningen (16) og avtrekksgassen (18), idet den slipper ut fra varmeveksleren.