PL189901B1

PL189901B1 - Method of combusting gaseous fuel of high sulphur content

Info

Publication number: PL189901B1
Application number: PL98325982A
Authority: PL
Inventors: Robert Sekuła; Adam Nowarski
Original assignee: Abb Sp Zoo
Priority date: 1998-04-22
Filing date: 1998-04-22
Publication date: 2005-10-31
Also published as: PL325982A1

Abstract

1. A method of burning gas fuel with high sulphur content in a reactor with stationary or circulating fluidising bed, containing calcium compounds. Fluidising gas is introduced axially into the bed, from its bottom side. It is characterised in that before gas fuel with high sulphur content is directed to the fluidising bed, it is mixed with fluidising air in a mixing chamber, located under the fluidising bed. Then, the mixture of fuel and air is introduced into the fluidising bed by means of nozzles, installed on a distribution plate above the mixing chamber. Then, the combustion process is carried out in the presence of a material able to bind sulphur oxides, located in the inert fluidising bed.

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób spalania zasiarczonego paliwa gazowego w reaktorach ze złożem fluidalnym, stałym i cyrkulacyjnym, znajdujący zastosowanie w procesach energetycznego wykorzystania przede wszystkim złóż gazu ziemnego zwłaszcza o dużej zawartości H2 S.The subject of the invention is a method of combustion of sulphated gas fuel in fluidized bed, fixed bed and circulation reactors, which is used in the processes of energetic use of mainly natural gas deposits, especially with a high content of H2 S.

Znane są sposoby spalania paliw stałych w paleniskach fluidalnych. Sposoby te polegają na wprowadzaniu gazu fluidyzacyjnego, najczęściej powietrza, do nieruchomego złoża, od jego dolnej strony. Powietrze, wprowadzane jest zwykle do złoża pod pewnym ciśnieniem i powoduje ruch (fluidyzację) złoża. Jako wypełnienie złoża fluidalnego stosuje się materiał niepalny zwykle w postaci piasku, kamienia wapiennego bądź popiołów, które stanowią ponad 90% masy złoża. Pozostałą resztę stanowi materiał spalany.There are known methods of burning solid fuels in fluidized furnaces. These methods consist of introducing a fluidising gas, most often air, into the fixed bed from its lower side. Air is usually introduced into the bed under a certain pressure and causes the bed to move (fluidize). Non-flammable material is used as filling of the fluidized bed, usually in the form of sand, limestone or ashes, which constitute more than 90% of the mass of the bed. The remainder is combusted material.

Spalanie odbywa się w przedziale temperatur od 750°C do 950°C (w praktyce od 850°C do 950°C). W rezultacie niskiej temperatury spalania ilość tworzonych tlenków azotu jest ograniczona. Ponadto wprowadzenie do złoża dolomitu lub kamienia wapiennego przyczynia się do efektywnego wiązania tlenków siarki bezpośrednio w palenisku. Ponieważ fluidyzacja powoduje znaczne mieszanie materiału tworzącego złoże, zachodzi intensywna wymiana ciepła pomiędzy cząsteczkami paliwa i materiałem inertnym, a gazowymi produktami reakcji zachodzących w procesie. Dzięki ruchowi złoża współczynniki wnikania ciepła osiągają wartości od 280 W/m²K do 570 W/m²K, podczas gdy w klasycznych układach kotłowych nie przekraczają 70 W/m2K. Tak wysoka intensywność wymiany ciepła pozwala na spalanie w złożu fluidalnym paliw stałych niskokalorycznych z wysoką zawartością siarki i popiołu.Combustion takes place in the temperature range from 750 ° C to 950 ° C (in practice from 850 ° C to 950 ° C). As a result of the low combustion temperature, the amount of nitrogen oxides formed is limited. Moreover, the introduction of dolomite or limestone into the deposit contributes to the effective binding of sulfur oxides directly in the furnace. Since fluidization causes significant mixing of the bed material, an intense heat exchange takes place between the fuel particles and the inert material and the gaseous products of the reactions taking place in the process. Due to the movement of the bed, the heat transfer coefficients range from 280 W / m ² K to 570 W / m ² K, while in classic boiler systems they do not exceed 70 W / m2K. Such a high intensity of heat exchange allows for the combustion of low calorific solid fuels with a high content of sulfur and ash in the fluidized bed.

Znane instalacje energetyczne pracujące w układzie fluidalnym wykorzystują jako materiał palny paliwa stałe (węgiel kamienny i brunatny) oraz odpady stałe lub szlamy (drewno, pozostałości olejow e). Spalanie paliw gazowych, zwłaszcza paliw gazowych wysokozasiarczonych w reaktorach ze złożem fluidalnym nie jest znane w przemysłowych rozwiązaniach. Badania eksperymentalne dotyczące spalania gazów w złożu fluidalnym, ograniczają się do poznania samego mechanizmu reakcji przebiegających w reaktorze fluidalnym.Known energy installations operating in a fluidized bed system use solid fuels (hard coal and brown coal) and solid waste or sludge (wood, oil residues) as combustible material. Combustion of gaseous fuels, especially highly sulfurized gaseous fuels in fluidized bed reactors, is not known in the art. Experimental research on the combustion of gases in a fluidized bed is limited to understanding the very mechanism of the reactions taking place in the fluidized bed reactor.

Z amerykańskiego opisu patentowego nr US 4 130 071 znany jest sposób spalania stałego paliwa w złożu fluidalnym, gdzie mieszanina węgla i dolomitu jest mielona do otrzymaniaFrom US 4 130 071 there is known a method of burning solid fuel in a fluidized bed, where a mixture of coal and dolomite is ground to obtain

189 901 odpowiedniej granulacji i wprowadzana jest do komory fluidyzacyjnej, a powietrze służące do spalania podawane jest od dołu komory poprzez system dystrybucyjny. Powietrze to powoduje ruch złoża fluidyzacyjnego. W złożu zachodzą, w miarę wzrostu temperatury, reakcje rozpadu węglanu wapnia, a wydzielający się tlenek wapnia reaguje z tlenkami siarki, co przyczynia się do ograniczenia emisji związków siarki do atmosfery.189 901 of suitable granulation is introduced into the fluidization chamber, and the combustion air is supplied from the bottom of the chamber through the distribution system. This air causes the movement of the fluidized bed. As the temperature increases, calcium carbonate decomposition reactions take place in the bed, and the released calcium oxide reacts with sulfur oxides, which contributes to reducing the emission of sulfur compounds to the atmosphere.

Z kolei z polskiego opisu patentowego nr PL 168 255 znany jest sposób spalania paliw zawierających azot, w reaktorze ze złożem fluidalnym, zmniejszający emisję podtlenków azotu do atmosfery. W szczególności wynalazek dotyczy sposobu, dzięki któremu zmniejsza się emisję N 2O przy spalaniu stałych paliw. Wynalazek obejmuje ciągłe doprowadzanie paliwa zawierającego azot i gazu zawierającego tlen, do spalania paliwa w pierwszym stopniu spalania w reaktorze i utrzymywanie w tym stopniu spalania temperatury około 700-900°C oraz ciągłe odprowadzanie gazów spalinowych zawierających cząstki z pierwszego stopnia spalania i wydzielanie większości cząstek z gazów spalinowych w separatorze cząstek. Do pierwszego stopnia spalania doprowadza się gaz zawierający tlen w nadmiarze, otrzymując gazy spalinowe zawierające resztkowy tlen. Do odprowadzanych gazów spalinowych wprowadza się dodatek dostarczający rodniki wodorowe, zdolny do wytworzenia rodników wodorowych w temperaturach równych lub wyższych od temperatury gazów spalinowych, w ilości wystarczającej do redukcji N2 O. Wykorzystuje się co najmniej część resztkowego tlenu z dodatkiem, podnosząc temperaturę gazów spalinowych powyżej 900°C i przeprowadza się dobre wymieszanie dodanych rodników wodorowych z gazami spalinowymi, ułatwiające redukcję N 2 O.On the other hand, the Polish patent description no. PL 168 255 describes a method of combustion of nitrogen-containing fuels in a fluidized bed reactor, reducing the emission of nitrogen oxides to the atmosphere. In particular, the invention relates to a method by which the N 2O emission is reduced when burning solid fuels. The invention comprises continuously feeding a nitrogen-containing fuel and an oxygen-containing gas to combust the fuel in the first combustion stage in a reactor and maintaining the combustion stage at a temperature of about 700-900 ° C, and continuously discharging the particulate flue gas from the first combustion stage and separating most of the particles from the reactor. flue gas in the particle separator. An excess oxygen-containing gas is fed to the first combustion stage to produce a flue gas containing residual oxygen. A hydrogen radical providing additive capable of generating hydrogen radicals at temperatures equal to or higher than the temperature of the exhaust gas in an amount sufficient to reduce N2O is introduced into the exhaust gas. At least a portion of the residual oxygen with the addition is used, raising the temperature of the exhaust gas to above 900 ° C and good mixing of the added hydrogen radicals with the flue gas is carried out, facilitating the reduction of N 2 O.

Przedstawione rozwiązania przyczyniają się do ograniczenia emisji szkodliwych związków siarki czy azotu do atmosfery, jednakże dotyczą one spalania w złożu fluidalnym wyłącznie paliwa stałego.The presented solutions contribute to the reduction of the emission of harmful sulfur and nitrogen compounds to the atmosphere, however, they concern only solid fuel combustion in the fluidized bed.

Paliwo gazowe zasiarczone, zwłaszcza wysokozasiarczone wymaga przeprowadzenia wstępnego odsiarczania w kosztownej intalacji odsiarczania gazu, ponieważ spalanie gazu z tak znaczną zawartością siarkowodoru powoduje problemy korozji w komorze spalania i układach spalinowych. Również zastosowanie koncepcji bezpośredniego spalania gazu z wewnątrzpaleniskowym odsiarczaniem poprzez wdmuchiwanie sorbentów wapiennych jest ograniczone ze względu na zbyt niską sprawność odsiarczania takiej metody, nie przekraczającą zwykle 60%.Sulfurized gas fuel, especially highly sulfurized fuel, requires preliminary desulfurization in an expensive gas desulfurization installation, since combustion of gas with such a high content of hydrogen sulfide causes corrosion problems in the combustion chamber and flue systems. Also the application of the concept of direct gas combustion with internal combustion desulphurization by injection of lime sorbents is limited due to the too low desulphurization efficiency of this method, usually not exceeding 60%.

Istota sposobu spalania zasiarczonego paliwa gazowego według wynalazku, gdzie spalanie odbywa się w reaktorze ze złożem fluidalnym, stacjonarnym lub cyrkulacyjnym, zawierającym związki wapnia, w którym gaz fluidyzacyjny wprowadza się do złoża osiowo i od dolnej strony złoża, polega na tym, że zasiarczone paliwo gazowe przed skierowaniem do złoża fluidalnego miesza się z powietrzem fluidyzacyjnym w komorze mieszania, usytuowanej pod spodem złoża fluidalnego. Następnie mieszankę paliwowo-powietrzną doprowadza się do złoża fluidalnego za pomocą dysz zainstalowanych w płycie dystrybucyjnej, umieszczonej nad komorą mieszania i przeprowadza się proces spalania w obecności materiału zdolnego do wiązania tlenków siarki, umieszczonego w inertnym złożu fluidalnym. Spalanie w złożu fluidalnym przeprowadza się w obecności dolomitu i/lub kamienia wapiennego, których ilość w inertnym złożu fluidalnym ustala się w zależności od ilości siarki zawartej w paliwie gazowym, przy czym stosunek molowy wapnia Ca zawartego w złożu fluidalnym do siarki S zawartej w paliwie gazowym korzystnie wynosi co najmniej 2. Podczas spalania mieszanki paliwowo-powietrznej w złożu fluidalnym, uzupełnia się ubytek dolomitu i/lub kamienia wapiennego w tym złożu.The essence of the method of combustion of sulfurized gas fuel according to the invention, where combustion takes place in a fluidized bed, stationary or circulating reactor containing calcium compounds, in which the fluidizing gas is introduced into the bed axially and from the bottom side of the bed, is that the sulfurized gas fuel before being introduced into the fluidized bed, it is mixed with fluidizing air in a mixing chamber located beneath the fluidized bed. The air-fuel mixture is then fed to the fluidized bed by means of nozzles installed in the distribution plate above the mixing chamber, and the combustion process is carried out in the presence of a material capable of binding sulfur oxides placed in the inert fluidized bed. Combustion in the fluidized bed is carried out in the presence of dolomite and / or limestone, the amount of which in the inert fluidized bed is determined according to the amount of sulfur contained in the gaseous fuel, the molar ratio of calcium Ca contained in the fluidized bed to sulfur S contained in the gas fuel preferably it is at least 2. During combustion of the air-fuel mixture in the fluidized bed, the loss of dolomite and / or limescale in this bed is made up for.

Zaletą sposobu spalania według wynalazku jest wyeliminowanie wstępnego kosztownego odsiarczania, a ponieważ zasiarczony gaz może posiadać wysoką kaloryczność, można wykorzystać efektywnie ciepło z procesu spalania w złożu fluidalnym. Ponadto sprawność odsiarczania wewnątrzpaleniskowego w złożu fluidalnym jest wysoka i osiąga wartości ponad 90%.An advantage of the combustion process according to the invention is that costly preliminary desulfurization is eliminated, and since the sulfurized gas can have a high calorific value, heat from the fluidized bed combustion process can be used efficiently. Moreover, the efficiency of intra-furnace desulphurization in the fluidized bed is high and reaches values over 90%.

Sposób według wynalazku jest objaśniony na przykładzie realizacji w oparciu o rysunek przedstawiający schematycznie reaktor ze złożem fluidalnym w przekroju osiowym.The process according to the invention is elucidated on the basis of an embodiment on the basis of a diagram which schematically shows a fluidized bed reactor in axial section.

Reaktor fluidalny 1, w którym przeprowadza się sposób spalania według wynalazku, zaopatrzony jest w płytę dystrybucyjną 2, na której oparte jest złoże fluidyzacyjne 3 oraz wyposażony jest w komorę mieszania 4, usytuowaną wewnątrz reaktora 1, pod spodem płyty dystrybucyjnej 2. Komora mieszania 4 zaopatrzona jest w obwodowe otwory, którymi zaFluidized bed reactor 1, in which the combustion process according to the invention is carried out, is provided with a distribution plate 2 on which the fluidization bed 3 rests and is provided with a mixing chamber 4 located inside the reactor 1, underneath the distribution plate 2. Mixing chamber 4 provided with is in the circumferential holes behind

189 901 pomocą przewodów 5 doprowadza się zasiarczony gaz do jej wnętrza. Ilość tych przewodów oraz ich średnica zależy od mocy cieplnej układu. Komora mieszania 4 zaopatrzona jest również w otwór usytuowany w jej dnie, którym za pomocą przewodu 6 wprowadza się do jej wnętrza sprężone powietrze. W płycie dystrybucyjnej zainstalowane są nie uwidocznione na rysunku dysze, doprowadzające mieszankę paliwowo-powietrzną do złoża fluidalnego 3, gdzie następuje spalanie. Złoże 3 jest mieszaniną inertnych składników: piasku, dolomitu i kamienia wapiennego. Dostarczana do złoża 3 mieszanina zasiarczonego paliwa gazowego i powietrza, spala się płomieniowo lub bezpłomieniowo, a spalaniu towarzyszą reakcje rozkładu dolomitu i/lub kamienia wapiennego z wydzieleniem CaO, który reaguje z tlenkami siarki, powstałymi podczas spalania. Stały produkt odsiarczania odprowadzany jest ze złoża przez nie uwidoczniony na rysunku układ odbioru produktu stałego 7, a gazy spalinowe odprowadza się poprzez kanał wylotowy 8. Ubytek reagenta odsiarczającego w złożu 3 uzupełnia się poprzez jego okresowe wprowadzanie do złoża, za pomocą urządzenia zasypowego 9 nie uwidocznionego na rysunku.189 901, sulfurized gas is supplied to its interior via lines 5. The number of these lines and their diameter depends on the thermal power of the system. The mixing chamber 4 is also provided with an opening at its bottom through which compressed air is introduced into it by means of a conduit 6. Nozzles (not shown in the drawing) are installed in the distribution plate, supplying the fuel-air mixture to the fluidized bed 3, where combustion takes place. Bed 3 is a mixture of inert components: sand, dolomite and limestone. The mixture of sulfurized gas fuel and air supplied to the bed 3 burns with a flame or without a flame, and combustion is accompanied by decomposition reactions of dolomite and / or limestone with the release of CaO, which reacts with sulfur oxides formed during combustion. The solid desulphurization product is discharged from the bed through the solid product collection system 7 shown in the figure, and the flue gases are discharged through the outlet channel 8. The loss of desulphurization reagent in the bed 3 is supplemented by its periodic introduction into the bed by means of a charging device 9 not shown. in the drawing.

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 50 egz. Cena 2,00 zł.Publishing Department of the UP RP. Circulation of 50 copies. Price PLN 2.00.

Claims

Patent claims

A method of combustion of sulfurized fuel gas in a calcium-containing fluidized bed, stationary or circulating reactor, in which the fluidizing gas is introduced into the bed axially and from the bottom side of the bed, characterized in that the sulfurized fuel gas is mixed prior to entering the fluidized bed with fluidizing air in the mixing chamber located underneath the fluidized bed, and then the fuel-air mixture is fed to the fluidized bed by means of nozzles installed in the distribution plate located above the mixing chamber and the combustion process is carried out in the presence of a material capable of binding sulfur oxides, placed in an inert fluidized bed.

2. The method according to p. The method of claim 1, characterized in that combustion in the fluidized bed is carried out in the presence of dolomite and / or limestone, the amount of which in the inert fluidized bed is determined according to the amount of sulfur contained in the fuel gas, the molar ratio of calcium Ca contained in the fluidized bed to sulfur S contained in the gas fuel is at least 2.

3. The method according to p. The method of claim 2, characterized in that during combustion of the air-fuel mixture in the fluidized bed, the loss of dolomite and / or limestone in this bed is made up for.