NO880447L

NO880447L - PROCEDURE FOR DIRECT SULFURATION OF SMOKE GASES IN AN OVEN

Info

Publication number: NO880447L
Application number: NO880447A
Authority: NO
Inventors: Ingemar Bjerle; Owe Svensson; Peter Stroemberg; Hans-Bertil Haakansson
Original assignee: Euroc Research Ab
Priority date: 1986-06-03
Filing date: 1988-02-02
Publication date: 1988-02-02
Also published as: DE3769293D1; NO880447D0

Description

Oppfinnelsen angår en fremgangsmåte for direkte avsvovling av røkgasser i en ovn ved tørrinjeksjon av en kalsiumbasert SO2-absorbent i ovnen. The invention relates to a method for direct desulphurisation of flue gases in a furnace by dry injection of a calcium-based SO2 absorbent into the furnace.

Tørrinjeksjon av kalsiumbaserte SO2-absorbenter, såsom kalksten, dolomitt såvel som brent og lesket kalk, i ovner er Dry injection of calcium-based SO2 absorbents, such as limestone, dolomite as well as burnt and slaked lime, in kilns is

en teknikk som er blitt anvendt i flere decennier i den hensikt å hindre at svovel, ved forbrenningen av svovelholdige brenn-stoffer, kommer ut i atmosfæren med de avgående røkgasser og forårsaker alvorlige miljøproblemer. Det har imidlertid vist seg vanskelig å oppnå en effektiv binding av svovelet ved sådan injekson; i aller beste fall er en separasjonsgrad på 50 % blitt målt ved støkiometrier større enn 2, hvor det med støkiometri menes molforholdet Ca/S. På grunn herav har metoden ikke kunnet anvendes mer generelt; fremgangsmåten har vært anvendt bare i slike tilfeller hvor en begrenset rensning av røkgassene er blitt vurdert som tilstrekkelig. I andre tilfeller er mer kompliserte og kostbare metoder blitt tydd til. Nettopp fordi tørrinjeksjonsteknikken er så enkel sammenlignet med andre metoder, skulle det imidlertid være fordelaktig om den kunne forbedres og dens effektivitet dervedøkes. Formålet med den foreliggende oppfinnelse er å tilveie-bringe en slik forbedring uten derved å gjøre metoden mer komplisert. a technique that has been used for several decades with the aim of preventing sulphur, during the combustion of sulphur-containing fuels, from escaping into the atmosphere with the outgoing flue gases and causing serious environmental problems. However, it has proved difficult to achieve an effective binding of the sulfur by such an injection; at best, a degree of separation of 50% has been measured at stoichiometries greater than 2, where by stoichiometry is meant the molar ratio Ca/S. Because of this, the method has not been able to be used more generally; the method has only been used in such cases where a limited cleaning of the flue gases has been considered sufficient. In other cases, more complicated and expensive methods have been resorted to. However, precisely because the dry injection technique is so simple compared to other methods, it would be beneficial if it could be improved and its effectiveness increased. The purpose of the present invention is to provide such an improvement without thereby making the method more complicated.

Til tross for at man har utført omfattende forskning over hele verden i flere decennier, har man hittil ikke lykkes i å oppnå full klarhet vedrørende tørrinjeksjonsprosessens reak-sjons-mekanisme. Mange forsøk på å klarlegge de grunnleggende og begrensende mekanismer for absorpsjonen er blitt utført i stor skala, men det har da ikke vært mulig å definere forsøks-parametrene nøyaktig. Despite the fact that extensive research has been carried out all over the world for several decades, it has not yet succeeded in achieving full clarity regarding the reaction mechanism of the dry injection process. Many attempts to clarify the basic and limiting mechanisms for the absorption have been carried out on a large scale, but it has not been possible to define the experimental parameters precisely.

Det aktuelle reaksjonssystem er heterogent, hvilket innebærer at reaktanter og produkter må diffundere både gjennom en gassfilm som omgir hver partikkel av absorbenten, og et produktlag, nemlig et lag av CaS04dannet på partikkelen ved reaksjonen. Dette lag omgir den aktive del av partikkelen bestående av den kalsiumbaserte SO2-absorbent, og dets tykkelse øker etter hvert som reaksjonen skrider frem. Hvis reaksjonen hele tiden fant sted på kornets overflate, skulle bare gass film-diffusjonen bestemme reaksjonshastigheten. Under det utviklingsarbeide som gikk forut for oppfinnelsen, har man imidlertid ved laboratorieforsøk helt kunnet eliminere gass-fase-motstanden ved å utføre forsøkene ved lave totaltrykk av størrelsesorden 1 mbar, og det har da vært mulig å vise at det i realiteten er diffusjonen av SO2og O2gjennom produktlaget som bestemmer reaksjonshastigheten. For å oppnå en tilstrekkelig hurtig reaksjon og dermed gjøre tørrinjeksjons-metoden mer effektiv kreves derfor en liten partikkelstørrelse på absorbenten slik at reaksjonsoverflatenøkes. Det er derved blitt funnet at partikkelstørrelsen skal være mindre enn 10 pm og fortrinnsvis bør være så liten som 1 pm, hvilket er stikk i strid mot den gjengse oppfatning at materiale med små partikkel-størrelser under 50 pm ikke bare er vanskelige å håndtere og å tilføre ovnen, men dessuten ikke er egnet til å forbedre bindingen av svovel til absorbenten. Så små partikkelstørrelser har derfor ikke tidligere vært aktuelle i forbindelse med røkgass-rensning under anvendelse av tørrinjeksjonsteknikken. The relevant reaction system is heterogeneous, which means that reactants and products must diffuse both through a gas film that surrounds each particle of the absorbent, and a product layer, namely a layer of CaS04 formed on the particle during the reaction. This layer surrounds the active part of the particle consisting of the calcium-based SO2 absorbent, and its thickness increases as the reaction progresses. If the reaction always took place on the surface of the grain, only the gas film diffusion should determine the reaction rate. During the development work that preceded the invention, however, it was possible in laboratory experiments to completely eliminate the gas-phase resistance by performing the experiments at low total pressures of the order of 1 mbar, and it has then been possible to show that it is in reality the diffusion of SO2 and O2 through the product layer which determines the reaction rate. In order to achieve a sufficiently fast reaction and thus make the dry injection method more efficient, a small particle size is therefore required on the absorbent so that the reaction surface is increased. It has thereby been found that the particle size should be less than 10 pm and should preferably be as small as 1 pm, which is completely contrary to the common opinion that material with small particle sizes below 50 pm are not only difficult to handle and to add to the furnace, but is also not suitable for improving the binding of sulfur to the absorbent. Such small particle sizes have therefore not previously been relevant in connection with flue gas cleaning using the dry injection technique.

Med den innsikt at den tidligere forfektede oppfatning angående valget av partikkelstørrelse for absorbenten er feilaktig og at det kreves vesentlig mindre partikkelstørrelser for å gjøre tørrinjeksjonsmetoden mer effektiv, har fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen fått de kjennetegn som fremgår av krav 1. With the insight that the previously advocated opinion regarding the choice of particle size for the absorbent is incorrect and that substantially smaller particle sizes are required to make the dry injection method more efficient, the method according to the invention has acquired the characteristics that appear in claim 1.

Den positive effekt av en liten partikkelstørrelse kan imidlertid gå tapt hvis partiklene foreligger som agglomerater, og i henhold til en viktig videreutvikling av oppfinnelsen til-siktes oppnåelse av denønskede partikkelstørrelse ved anvendelse av et fluidisert sjikt i umiddelbar tilslutning til injiseringen av absorbenten i ovnen, hvorved de problemer som er forbundet med lagring og håndtering av materialer med meget liten partikkelstørrelse unngås. However, the positive effect of a small particle size can be lost if the particles are present as agglomerates, and according to an important further development of the invention, the desired particle size is to be achieved by using a fluidized bed in immediate connection to the injection of the absorbent into the furnace, whereby the problems associated with the storage and handling of materials with very small particle sizes are avoided.

For nærmere forklaring av oppfinnelsen henvises til tegningene, hvor Fig. 1 er et skjematisk bilde av et anlegg for utøvelse av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen, og Fig. 2 skjematisk viser et vertikalsnitt av et fluidiseringskar i en modifisert utførelsesform. For a further explanation of the invention, reference is made to the drawings, where Fig. 1 is a schematic view of a plant for carrying out the method according to the invention, and Fig. 2 schematically shows a vertical section of a fluidization vessel in a modified embodiment.

På fig. 1 vises fragmentarisk en kjele 10, i hvilken tørrinjisering av en kalsiumbasert SO2-absorbent skal finne sted for direkte avsvovling av de røkgasser som dannes i kjelen. Et i tilslutning til kjelen anordnet anlegg for til-førsel av absorbenten innbefatter en lagringssilo 11 for opptak av absorbenten som partikkelformig materiale i tørr tilstand. Dette materiale kan innbefatte partikler og/eller agglomerater av partikler med en størrelse som er større enn partikkel-størrelsen av det materiale som skal anvendes for avsvovling i kjelen; eksempelvis kan partikkelstørrelsen være 100 % under 40 um. Dette materiale er således for grovt til å anvendes ved utførelse av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen, men kan være lettere å lagre og håndtere. Ved hjelp av en skruetransportør 12 tilføres materialet et fluidiseringskar 13, i hvilket det opprettholdes et materialnivå innen forutbestemte grenser som bestemmes av nivåfølere 14, som via kontrollautomatikk 15 styrer transportørens drivmotor 16. Materialsjiktet i fluidiseringskaret er understøttet av en luftgjennomtrengelig bunn 17, og under denne finnes en ledning 18 for tilførsel av trykkluft, hvis trykk og strømning kan reguleres ved anvendelse av kjent teknikk ved hjelp av midler som ikke er vist i detalj her. Oventil kommuniserer fluidiseringskaret gjennom en ledning 19 med et munnstykke 20 som munner ut i kjelen 10. In fig. 1 shows a fragmentary boiler 10, in which dry injection of a calcium-based SO2 absorbent is to take place for direct desulphurisation of the flue gases that are formed in the boiler. A plant connected to the boiler for supplying the absorbent includes a storage silo 11 for receiving the absorbent as particulate material in a dry state. This material may include particles and/or agglomerates of particles with a size that is larger than the particle size of the material to be used for desulphurisation in the boiler; for example, the particle size can be 100% below 40 µm. This material is thus too coarse to be used when carrying out the method according to the invention, but can be easier to store and handle. By means of a screw conveyor 12, the material is supplied to a fluidization vessel 13, in which a material level is maintained within predetermined limits determined by level sensors 14, which control the conveyor's drive motor 16 via control automation 15. The material layer in the fluidization vessel is supported by an air-permeable bottom 17, and below this there is a line 18 for the supply of compressed air, the pressure and flow of which can be regulated using known techniques by means that are not shown in detail here. Above, the fluidizing vessel communicates through a line 19 with a nozzle 20 which opens into the boiler 10.

Ved tilførsel av trykkluft gjennom ledningen 18 fluidiseres sjiktet av absorbent i fluidiseringskaret. Partiklene i det fluidiserte sjikt vil derved stadig holdes i bevegelse. De vil slites mot hverandre og vil kollidere med hverandre, hvilket hindrer dannelse av agglomerater, samtidig som forekommende agglomerater slås sund, og produserer partikkelfraksjoner med en mindre kornstørrelse enn den som det fra lagringssiloen tilførte materiale har. Den tilførte trykkluft vil avgå fra fluidiseringskaret gjennom ledningen 19 for å injiseres i kjelen gjennom munnstykket 20, og ved hensiktsmessig regulering av trykket og strømningen av trykkluften kan det oppnås at bare partikler av absorbenten med størrelser under en forhåndsbestemt maksimumsstørrelse medrives av den avgående luftstrøm og injiseres i kjelen gjennom munnstykket 20, suspendert i luft-strømmen, mens grovere partikler fraskilles i rommet over sjiktet og returneres til dette. Nevnte maksimumsstørrelse skal i henhold til oppfinnelsen være 10 pm, men er fortrinnsvis betydelig mindre, helst under 5 pm og i det optimale tilfelle ca. 1 pm. Injiseringen av absorbenten i kjelen gjennom munnstykket 20 må skje med tilstrekkelig høy hastighet slik at det oppnås en luftstråle med deri suspendert absorbent, som har en tilstrekkelig rekkevidde i kjelen for effektiv behandling av de i kjelen forekommende røkgasser. Eventuelt kan det til ett og samme fluidiseringskar være tilsluttet flere munnstykker, fordelt over kjelens omkrets, eller alternativt kan flere fluidiseringskar være anordnet som kan være plassert med sine respektive munnstykker på forskjellige steder langs kjelens omkrets. When compressed air is supplied through line 18, the layer of absorbent in the fluidizing vessel is fluidized. The particles in the fluidized layer will thereby be constantly kept in motion. They will wear against each other and will collide with each other, which prevents the formation of agglomerates, at the same time that occurring agglomerates are broken down, and produce particle fractions with a smaller grain size than that of the material supplied from the storage silo. The supplied compressed air will depart from the fluidizing vessel through the line 19 to be injected into the boiler through the nozzle 20, and by appropriate regulation of the pressure and flow of the compressed air, it can be achieved that only particles of the absorbent with sizes below a predetermined maximum size are entrained by the outgoing air flow and injected in the boiler through the nozzle 20, suspended in the air stream, while coarser particles are separated in the space above the layer and returned to this. According to the invention, said maximum size should be 10 pm, but is preferably considerably smaller, preferably below 5 pm and in the optimal case approx. 1 p.m. The injection of the absorbent into the boiler through nozzle 20 must take place at a sufficiently high speed so that an air jet with absorbent suspended therein is obtained, which has a sufficient range in the boiler for effective treatment of the flue gases occurring in the boiler. Alternatively, one and the same fluidizing vessel can be connected to several nozzles, distributed over the boiler's circumference, or alternatively several fluidizing vessels can be arranged which can be placed with their respective nozzles at different places along the boiler's circumference.

Således kan absorbenten ved utførelse av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen foreligge i en form, dvs. ha en relativt stor partikkelstørrelse, som gjør at absorbenten er lett å transportere og lagre frem til anvendelsen, idet den da gis den kornstørrelse som den skal ha i henhold til oppfinnelsen i umiddelbar tilslutning til injiseringen. Man behøver da ikke regne med brodannelser og agglomerat-dannelse av den art som forekommer ved lagring og håndtering av materialer med så små kornstørrelser som det her dreier seg om ved utførelse av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen, og hvis agglomerater likevel skulle bli dannet, vil de bli slått sund i det fluidiserte sjikt. Denne forenkling av håndteringen er viktig, likesom naturligvis den effektivisering av absorbentens virkning som oppnås ved anvendelse av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen. Thus, when carrying out the method according to the invention, the absorbent can be in a form, i.e. have a relatively large particle size, which means that the absorbent is easy to transport and store until use, as it is then given the grain size that it should have according to the invention immediately following the injection. There is then no need to count on bridging and agglomerate formation of the kind that occurs during storage and handling of materials with such small grain sizes as is the case here when carrying out the method according to the invention, and if agglomerates were to form nonetheless, they would beaten sound in the fluidized bed. This simplification of handling is important, as is of course the streamlining of the absorbent's effect which is achieved by using the method according to the invention.

Den malevirkning som utøves i det fluidiserte sjikt, kan forbedres betydelig ved at det i det fluidiserte sjikt inngår malelegemer av et annet materiale enn absorbenten, eksempelvis sand eller annet partikkelformig materiale, som er hardere enn absorbenten. The grinding effect exerted in the fluidized layer can be significantly improved by the fact that the fluidized layer includes grinding bodies of a material other than the absorbent, for example sand or other particulate material, which is harder than the absorbent.

Til tross for den ovenfor nevnte fordring vedrørende høy injiseringshastighet av hensyn til rekkevidden i kjelen, er det samtidig viktig å holde luftmengden lav. Dette kan oppnås ved at sjiktet i fluidiseringskaret opptas i et konisk parti av karet som utvider seg oppover fra den nedre ende hvor den luft- gjennomtrengelige bunn er anordnet, eller enda bedre ved at fluidiseringskaret konstrueres som på fig. 2. Ved det der viste fluidiseringskar opptas materialsjiktet i et sylindrisk parti 13A, og karet utvider seg konisk over sjiktet ved 13B, slik at det over sjiktet finnes et fribord med større tverrsnittsareal enn sjiktet for fraskillelse av grovere partikler og tilbakeføring av disse til det fluidiserte sjikt. Despite the above-mentioned requirement regarding a high injection speed due to the range in the boiler, it is also important to keep the amount of air low. This can be achieved by the layer in the fluidizing vessel being taken up in a conical part of the vessel that expands upwards from the lower end where the air-permeable bottom is arranged, or even better by constructing the fluidizing vessel as in fig. 2. With the fluidization vessel shown there, the material layer is taken up in a cylindrical part 13A, and the vessel expands conically above the layer at 13B, so that above the layer there is a freeboard with a larger cross-sectional area than the layer for separating coarser particles and returning these to the fluidized layer.

Fig. 2 viser også en annen modifikasjon. I sjiktet er det innlagt en rørkveil 21 for sirkulering av vanndamp eller annet varmemedium som tjener til oppvarmning av sjiktet i fluidiseringskaret 13. Denne oppvarmning er påkrevet i det tilfelle at absorbenten foreligger i form av en oppslemning av vann og absorbent i partikkelform og lagres i en lagringstank. Absorbenten kan da ha mindre partikkelstørrelse, eksempelvis 100 % under 2 pm eller mindre, og pumpes fra lagringstanken inn i materialsjiktet, som oppvarmes for fordampning av det tilførte vann. Fig. 2 also shows another modification. A pipe coil 21 for the circulation of water vapor or other heating medium is inserted in the layer, which serves to heat the layer in the fluidizing vessel 13. This heating is required in the event that the absorbent is in the form of a slurry of water and absorbent in particulate form and is stored in a storage tank. The absorbent can then have a smaller particle size, for example 100% below 2 pm or less, and is pumped from the storage tank into the material layer, which is heated to evaporate the added water.

Claims

1. Method for direct desulphurisation of flue gases in a furnace by dry injection of a calcium-based SO2 absorbent into the furnace, characterized in that the SO2 absorbent is injected as a particulate material suspended in an air stream with a particle size of no more than 10 pm.

2. Method according to claim 1, characterized in that the particle size is less than 5 pm and preferably approx. 1 p.m.

3. Method according to claim 1 or 2, characterized in that the absorbent is stored as a particulate material comprising particles and/or agglomerates of particles with a size that is larger than the particle size of the material to be suspended in the air flow, and that this particle size is reduced and occurring agglomerates are beaten soundly, respectively, immediately before the injection.

4. Method according to claim 3, characterized in that the absorbent is stored in a dry state.

5. Method according to claim 3, characterized in that the absorbent is stored as a water slurry.

6. Method according to claims 1-5, characterized in that the material before the injection is allowed to remain in a layer of the absorbent fluidized by means of compressed air to reduce the particle size and/or break down agglomerates and prevent the formation of agglomerates.

7. Method according to claim 6, characterized in that, in addition to the absorbent, the fluidized layer contains grinding bodies of another material which is preferably harder than the absorbent, for example sand.

8. Method according to claims 5 and 6, characterized in that the slurry of particulate material in water is dried in the fluidized layer by keeping it at an elevated temperature.

9. Method according to claim 6, characterized in that the speed of the compressed air is reduced when the air has passed through the fluidized layer, in that the compressed air is allowed to depart to an extended freeboard arranged above the layer, for the separation of coarse particles and their return to the fluidized layer.