NO179843B - Fremgangsmåte ved partiell forbrenning av celluloseavlut, og brenner for utförelse av fremgangsmåten - Google Patents

Abstract

Oppfinnelsen vedrører en fremgangsmåte for partiell forbrenning av cellulose av lut under anvendelse av en brenner forsynt med en lutlanse og et atomiseringsmunnstykke, hvilken brenner er forbundet til en reaktor som arbeider ved trykk i området 1,1 - 150 bar under til-førsel av en oksygeninneholdende gass, og hvor vektforholdet mellom den oksygeninnholdende gass som tilføres brenneren og tørrstoffene i avluten tilført gjennom brenneren er mindre enn 2:1, og at minst halvparten av ikke-brennstoffbundet oksygen, nødvendig for partiell forbrenning, innføres i reaktoren gjennom atomiserings-munnstykket.

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte av den art som er angitt i krav l's ingress for partiell forbrenning av celluloseavlut fra celluloseindustrien, under anvendelse av en brenner forbundet med en reaktor, under tilførsel av en oksygeninneholdende gass som oksydasjonsmiddel. Brenneren omfatter en lutlanse forsynt med et munnstykke ved dens nedstrømsende, og som tilfører lut og en større del av ikke-brennstoffrelatert oksygen nødvendig for partiell forbrenning, hvori eller i hvis nærhet den oksygeninneholdende gass bringes i kontakt med avluten, som deretter disintegrerer inn i en divergerende dusj.

Oppfinnelsen vedrører også en brenner som angitt i krav 9.

Hensikten med den foreliggende oppfinnelse er å lette partiell forbrenning av celluloseavlut ved hjelp av en brenner, som er i stand til å danne en stabil, selvanten-nende flamme med lave luft/brennstofforhold og forhøyede trykk.

Celluloseindustrien genererer avlut med forskjellig sammen-setning i henhold til den anvendte delignifiseringsprosess. Innen sulfatmasseindustrien inneholder avluten (vanlig om-talt som svartlut), verdifulle kjemikalier og energi i form av forbrennbare karbonholdige forbindelser. For tiden blir disse kjemikalier og energi normalt gjenvunnet i en gjen-vinningskoker, i hvilken svartluten fullstendig forbrennes.

Partiell forbrenning av svartlut i en forgasningsreaktor, slik som i henhold til foreliggende oppfinnelse, genererer en brennbar gass omfattende H2, CO, C02 og dråper av smel-tede uorganiske kjemikalier.

I forbindelse med massebleking, erholdes en fortynnet lut omfattende organisk materiale og natriumsalter. Mekaniske og halv-kjemiske masseprosesser genererer også fortynnede avluter med forskjellig sammensetninger. Disse, såvel som andre avfallsvæske og avluter, dannet innen celluloseindustrien, kan etter konsentrasjon anvendes som innmatning til fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen.

Selv om oppfinnelsen i det etterfølgende beskrives under henvisning til anvendelse av svartlut, så er den ikke begrenset til kun å gjelde anvendelse av denne spesielle lut.

Mekanismen som vedrører partiell forbrenning av svartlut er relativt godt forstått, og anvendes bla. i den nedre del av sodagjenvinningskokeren. Forskjellen mellom foreliggende brenner og lutbrenneren i sodagjenvinningskokeren er imid-lertid stor, bla. som følge av den lave grad av lutatomi-sering i gjenvinningskokerne, og fravær av en veldefinert lutflamme. En annen viktig forskjell mellom en gjenvin-ningskoker-brenner og brenneren i henhold til oppfinnelsen, er at foreliggende brenner hovedsakelig er påtenkt for forgasning ved forhøyet trykk.

En hovedforskjell mellom foreliggende brenner og konvensjo-nelle oljebrennere er at en stabil flamme må dannes ved hjelp av anvendelse av betydelig lavere mengde luft eller oksygenbærer.

Som eksemplene nedenfor viser er svartlut, som brennstoff særpreget ved et relativt lavt kaloriinnhold, og høye vann og askeforhold.

Tilstedeværelsen av natriumforbindelser i svartluten og dens iboværende høye oksygeninnhold gjør den til et meget reaktivt brennstoff, hvilket betyr, forutsatt at en egnet brenner er tilgjengelig, at karbonomdannelsen blir høy allerede i flammen, dette til tross for det faktum at forbrenningen er understøkiometrisk.

Graden av atomisering av luten er av stor viktighet for erholdelse av en svartlutflamme, utstrekning av flammen og høy karbonomdannelse. De reologiske egenskaper for svartluten er av vesentlig riktighet for graden av atomisering, som kan oppnås i et gitt munnstykke. Viskositeten for svartlut kan påvirkes bla. ved oppvarming og/eller tilset-ning av additiver, og normalt vil svartluten oppvarmes til over 100°C for anvendelse i henhold til foreliggende oppfinnelse. Viskositeten for svartlut bør ved atomiserings-tidspunktet fortrinnsvis være under 200 cSt.

Atomisering av svartluten kan ytterligere fremmes ved å flashe luten inn i reaktoren, i hvilket tilfelle luten forvarmes til en temperatur over dens kokepunkt ved arbeids-trykket for reaktoren.

Flere typer atomiseringsmunnstykker er tilgjengelige, men kun noen ganske få varianter er regnet for atomisering av celluloseavluter, såsom svartlut, ifølge oppfinnelsen.

"Twin-fluid" munnstykker er mest egnet for anvendelse i foreliggende brenner. Et felles trekk for "twin-fluid" munnstykker er at en relativt høy gasstrømningshastighet er nødvendig for å tilføre energi for atomiseringen. Et annet trekk ved disse munnstykker er at den resulterende dråpe-størrelse avtar med økende densitet av atomiseringsgassen. Avhengig av hvorledes de to fluidumfaser bringes sammen kan det forutses flere mekanismer for dannelse av smådråper, såsom skjæring mellom lag (ligaments), kombinasjon og dannelse av sfærer av lutsmådråper og høy turbulensspalt-ning av lutdusjen.

Foreliggende fremgangsmåte er særpreget ved det som er angitt i krav l's karakteriserende del, nemlig at det anvendes et vektforhold mellom den oksygeninneholdende gass som tilføres gjennom brenneren og avluten som tilføres gjennom brenneren på mindre enn 2:1, og at minst halvparten av ikke-brennstoffbundet oksygen, nødvendig for den par-tielle forbrenning, innføres i reaktoren gjennom atomi-seringsmunnstykket. Ytterligere trekk fremgår av kravene 2-8.

Effektiv atomisering av avluten er spesielt viktig, og oppnås i foreliggende brenner ved direkte kontakt mellom avluten og den oksygeninneholdende gass ved forhøyet trykk, i eller direkte tilstøtende et munnstykke som er konstruert spesielt for dette formål. Avluten som bør være forvarmet for å senke viskositeten før den innmates i brenneren, til-føres reaktoren gjennom en lutlanse. Ved nedstrømsenden av lutlansen bringes luten i kontakt med en atomiseringsgass hvorved lutens gjennomstrømningshastighet raskt økes, hvilket resulterer i dannelse av en divergerende dusj av atomisert avlut.

Som ovenfor nevnt er avluten er brennstoff med usedvanlige egenskaper med hensyn til reaktivitet og aske- og vanninn-hold. Tørrstoffene i avluten inneholder et høyere nivå av bunnet oksygen, hvilket betyr at det oksygen som kan til-føres gjennom forbrenningsluften er relativt liten, spesielt for partiell forbrenning.

Oksygenet som tilføres reaktoren tilsvarer et støkiometrisk forhold i området 0,3 - 0,6 i forhold til fullstendig forbrenning av avluten, og det foretrukne forhold ligger i området 0,35 - 0,5. Luft, oksygen-anriket luft eller oksygen som skal tilføres reaktoren er lite i forhold til avluten som tilføres, og vektforholdet er lavere en 2:1 når det arbeides med luft som oksydasjonsmiddel og lavere enn 0,4:1 når det arbeides med oksygen som oksydasjonsmiddel. Den større del og fortrinnsvis mer enn 80% av ikke-brennstoffbundet oksygen, som er nødvendig for partiell forbrenning av avluten, tilføres til reaktoren som en oksygeninnholdende gass, hvilken gass utføres sammen med luten gjennom munnstykket. Strømningshastigheten for den oksygeninneholdende gass i munnstykket bør være 40 - 350 m/s.

Munnstykket kan være konstruert med et sirkulært gap eller en sirkulær åpning for utføring av avlut, hvori den bringes i kontakt med en atomiserende oksygeninneholdende gass, ved høy hastighet, og disintegrerer til små dråper som danner en divergerende dusj. I en alternativ konstruksjon av munnstykket blir avluten utført sammen med atomiseringsgassen, gjennnom tre eller flere symmetrisk anordnede åpninger.

De vedlagte tegninger viser to forskjellige "twin-fluid" munnstykker, hvor

FIG. 1 viser en utførelsesform av et "twin-fluid" munnstykke i aksielt tverrsnitt, FIG. 2 viser et frontbilde av munnstykket ifølge fig. 1, sett langs linjen III-III av fig. 1; FIG. 3 viser en annen utførelsesform av et "twin-fluid" munnstykke i aksielt tverrsnitt, og FIG. 4 viser et frontbilde av munnstykket ifølge fig. 3, sett langs linjen V-V i fig. 3. Fig. 1 og 2 viser et "twin-fluid" munnstykke hvor lut og gass blandes og deretter presses ut under høyt trykk gjennom flere symmetrisk anordnede sirkulære anordninger 3. Disse åpninger er endene av såkalte stor Y-stråleatomise-ringsmunnstykke, omfattende to rør 4 og 5 hvorav det ene er i kontakt med et utløpsrør 6 i den hensikt å tilsette svartlut og det sistnevnte i kontakt med et indre konsen-trisk, ringformet rør 7 i den hensikt å tilføre atomiseringsgass. Åpningene 3 divergerer og danner divergerende atomiserte stråler fra den nedre del 2 av lutlansen 1. En hette 9 er anordnet på legemet 10 av lutlansen, og holder Y-stråleatomisøren 8 på plass. Legemet 10 omhyller de

konsentriske, ringformede rør 6 og 7. Svartluten innføres i lutlansen 1 gjennom innløpsrøret 20 og luften innføres gjennom det andre innløpsrøret 21.

Fig. 3 og 4 viser en utførelsesform av brenner/kanonen med tre konsentriske, ringformede rør eller 11, 12 og 13. Luft innføres gjennom de indre og ytre rør 11 og 13, mens svartluten innmates gjennom det mellomliggende rør 12. Luften deles symmetrisk gjennom de 18 symmetrisk fordelte hull 14 og 15, vist på tegningene, mens svartluten presses gjennom det ringformede gap 16. Hullene 14 er skrått rettet i en retning og hullene 15 skrått rettet i den motsatte retning. Svartluten innmates gjennom gapet 16 og møter en leppe 17 som presser luten i en retning innad. Nå vil svartluten i form av en film møte luften som kommer gjennom hullene 16 og atomiserer. Den initiale luft-svartlutblanding møter den ytterligere luft utenfor leppen 17 og danner en divergerende stråle av finfordelt svartlut. Svartluten tilføres brenneren gjennom et innløpsrør 20, og luften gjennom to innløpsrør 21.

Ved konstruksjonen av brennerne må stor oppmerksomhet rettes mot vektforholdet mellom oksydasjonsmiddel og brennstoff.

Forskjellige brennstoffer inneholder forskjellige mengder av kjemisk bundet oksygen. Bitumenøst kull vil vanligvis inneholde 4 - 10% bundet oksygen. Brennstoffoljen inneholder mindre enn 1% bundet oksygen.

Tørrstoffene i svartlut inneholder ca. 35 vekt-% bundet oksygen, regnet på tørrstoffet. Dette påvirker konstruksjonen av brennerne for forbrenning av svartlut fordi en betydelig mindre mengde oksygen, luft og anriket luft må tilsettes til reaktoren for å oppnå den ønskede grad av forbrenning.

Luft/brennstoff forhold (pr. vekt) for noen brennstoffer ved støkiometrisk forbrenning er eksemplifisert i det etterfølgende:

Brenneren konstruert i henhold til oppfinnelsen danner en stabil flamme i en reaktor, som fortrinnsvis arbeider med trykk i området 0,1 - 150 bar over overgivelsestrykket og ved en temperatur i området 700 - 1400°C.

Avhengig av faktorer, såsom temperatur og strømningshastig-heter i brenneren og sammensetningen av luten, kan brenner-munnstykket i tillegg til termiske effekter utsettes for oksydasjon og reaksjoner med svovel, hvilket kan ha en øde-leggende effekt på graden av atomisering. Brennermunn-stykket ifølge foreliggende oppfinnelse bør derfor fortrinnsvis avkjøles av en sirkulerende væske.

En foretrukken utførelsesform for foreliggende oppfinnelse er å anvende oksygen eller oksygenanriket luft som oksydasjonsmiddel. I en slik foretrukket utførelsesform vil alt eller nesten alt oksygen nødvendig for partiell forbrenning tilføres gjennom munnstykket, for å understøtte atomisering av avluten.

En del av oksygeninneholdende gass kan tilsettes til reaktoren gjennom et rør anordnet koaksialt rundt lutlansen eller gjennom én eller flere porter. For å kompensere for de lave luft/brennstoff-forhold og for å oppnå en rimelig gasshastighet, bør alt av den oksygeninneholdende gass forvarmes til minst 100°C, fortrinnsvis 300°C og bør ytterligere gis en virvelbevegelse, hvilket bla. kan oppnås ved å føre gassen gjennom virveldannende bladanordning i det koaksiale rør. Denne radielle strømningshastighet av den oksygeninneholdende gass ble derved markert, påvirket med en bibeholdt aksiell strømningshastighet. Hovedprinsippet for virvelbrennere er å resirkulere en del av gassene gjennom en indre resirkulasjonssone mot lutlansen. Denne interne resirkulasjonssone letter forbrenningen og stabili-serer flammen, og de resirkulerende varme gasser tilfører energi for antennelse av væskedusjen. Den indre resirkulasjonssone tjener også som et depot for varme, og reaktive gasskomponenter.

Claims (9)

1. Fremgangsmåte ved partiell forbrenning av celluloseavluter under anvendelse av en brenner forsynt med en lutlanse, og et atomiseringsmunnstykke, hvilken brenner er forbundet med en reaktor som arbeider ved trykk i området 1,1 -150 bar under tilførsel av en oksygeninneholdende gass, karakterisert ved at det anvendes et vektforhold mellom den oksygeninneholdende gass som til-føres gjennom brenneren og avluten som tilføres gjennom brenneren på mindre enn 2:1, og at minst halvparten av ikke-brennstoffbundet oksygen, nødvendig for den par-tielle forbrenning, innføres i reaktoren gjennom atomi-seringsmunnstykket.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at vektforholdet mellom oksygen tilført med den oksygeninneholdende gass og avluten er mindre enn 0,4:1.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at mer enn 80% av den oksygeninneholdende gass, nødvendig for partiell forbrenning, tilføres gjennom munnstykket.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at den oksygeninneholdende gass i det vesentlige er oksygen eller oksygen-anriket luft.

5. Fremgangsmåte ifølge ett eller flere av kravene 1-4, karakterisert ved at strømningshastig-heten for gassen og luten som utføres fra munnstykket ligger i området 40 - 350 m/s.

6. Fremgangsmåte ifølge ett eller flere av kravene 1-5, karakterisert ved at avluten og en oksygeninneholdende gass utføres fra munnstykket gjennom minst tre symmetrisk anordnede åpninger.

7. Fremgangmåte ifølge ett eller flere av kravene 1-6, karakterisert ved at avluten utføres fra munnstykket gjennom en sirkulær åpning.

8. Fremgangsmåte ifølge ett eller flere av kravene 1-7, karakterisert ved at celluloseavluten som utføres inn i reaktoren, har en temperatur over dens kokepunkt ved trykket som hersker i reaktoren.

9. Brenner for utførelse av fremgangsmåten ifølge krav 1, karakterisert ved den består av minst to konsentriske rør (6,7; 11,12,13) for tilføring av henholdsvis svartlut og atomiseringsgass og atomiseringsmunnstykker (4,5; 14,15,16) forbundet med de konsentriske rør (6,7; 11,12,13), hvilke atomiseringsmunnstykker (4,5;

14,15,16) er forbundet med åpning(er) (3,17) for forde-ling av atomisert avlut.