SE514811C2 - Metod för förgasning av svartlut i sodapannor - Google Patents

Description

15 20 25 30 35 514311 2 Redan 1982 visades det praktiskt t.ex. i rapporten "Tillsats av syrgas vid förbränning av sulfittjocklut vid MoDomsjö sulfitfabrik, AGA, Svenska Sodahuskonferensen, Stockholm, Sweden, Nov.l8, S.Larsson, AGA, C.Nilsson, MoDo, L.Saltin, 1982" och i brochyren “Oxygen Enrichment increases capacity, AGA AB, GMl64e (l983)", att genom att berika primär och sekundärluft med syrgas upp till 23% (vol) syreinnehàll sà kunde kapaciteten pà en natriumbisulfitpanna ökas markant.

US-A-4,857,282, visade 1988 ett sätt att processa svartlut och/eller tillsats av ren syrgas i en mängd motsvarande 0,63 kg/kg genom att anrika primär sekundärluft genom torrsubstans och genom tillsats av 0,42 kg syre frän luft/kg torrsubstans, för förbränning av ett kilo ökande torrsubstansmàngd, vilket innebär en total syrenivà om 21,8 volyms-% :mn den extra tillsatta syrgasen fördelas jämnt mellan luftströmmarna, eller i extremfallet om all extra syrgas satsas enbart till en av de tvà luftströmmarna upp till en effektiv mängd av 5% (vol) till sagda luftström, sà kommer syrehalten att kunna höjas till maximala 24,8% om fördelningen mellan primär och sekundàrluft reduceras till 23/77% (vol) av total tillförd luft.

Detta patent hävdar att förbränningstakten eller kapaciteten av sodapannan kan ökas, genom en måttlig tillsats av syrgas till primär och/eller sekundärluftströmmen, pà tre sätt: l.

En ökning av den adiabatiska flamtemperaturen vilket ökar värmeflödet i den. nedre eldstaden, och 2. En ökning i förkolningshastigheten.eftersonlförkolningshastigheten.är'en linjär funktion av syrekoncentration, och, 3 Ökning av torkhastigheten genom ökad temperatur i den nedre eldstaden.

Detta bekräftar i stort sett de resultat som konstaterades sex àr tidigare och raporterades i de tvâ förstnämnda skrifterna.

Nackdelen med båda dessa kända metoder är att anrika förbränningsluften med syrgasanrikad luft i den nedre delen 10 15 20 25 30 35 514 3114 3 av eldstaden, d.v.s. primära och sekundära luftregister, utan att luftfaktorn reduceras (luftfaktorn definieras som verklig syrgastillsats dividerad med stökiometrisk syrgastillsats som behövs för fullständig förbränning) ökar bildande av NOx p.g.a. temperatur och ökande volym där det finns oxiderande miljö förutsättningarna för högre i den undre eldstaden. NOX emissionen kommer nu att bli den begränsande faktorn för ökad kapacitet p.g.a. strikta miljölagar. De första tvà publikationerna beskriver en del teoretiska beräkningar, som visar att temperaturen kan kontrolleras genom omfördelning av syrgastillsatsen mellan luftregistren. Flexibiliteten av dessa pannor från 80-talet var mycket begränsad beroende pà luftregister placerade i den undre eldstaden under lutsprutorna och luftfaktorn var normalt över 1 vid lutsprutenivàn, (d.v.s. stökiometriskt eller högre) oavsett hur syrgasen fördelades mellan registren.

Dagens sodapannor körs med en "ren" luft för att uppnå en total luftfaktor av 1 - 1,05 vid överhettarsektionen och understökiometriska förhållanden i inlopp till den undre eldstaden genom tillsats av luftnivàer i den övre eldstaden, s.k. “overfire air register" eller tertiära, kvartàra o.s.v. överluftsystem. Detta visas schematiskt i Fig. 1. omfördela "ren" förbränningsluft fràn den undre eldstaden till den övre eldstaden för att bibehålla NOx-nivån inom I dag är det i praktiken vedertagen praxis att acceptabla gränser. Detta kan göras eftersom kvaliteten pà svartluten sonxbrànsle har förbättrats. Svartlutens torrhalt har ökat avsevärt under de senaste 10 àren, vilket innebär, att det "avbrända" vàrmevärdet har ökat, vilket underlättar förbränningsluft till dessa omfördelningen av "ren" luftnivàer i den övre eldstaden. Ändamålet med föreliggande uppfinning är att erbjuda en metod som pà ett nytt sätt kombinerar de positiva effekter som uppnås med den syrgasanrikade luften i enlighet med de 10 15 20 25 30 35 514 311 4 tvà hàrovan först angivna publikationerna, med fördelarna hos dagens moderan utformning av sodapannor för att ytterligare kunna reducera luftfaktorn i den nedre delen av eldstaden, för att maximera kapaciteten och minimera emissionerna, och detta har ästadkommits i. enlighet næd innehållet i bifogade patentkrav 1.

Kortfattad beskrivning av uppfinningen En av uppfinningens huvudprinciper är att ersätta en del av förbränningsluften med syrgasberikad luft. Termen syrgas- berikad luft i detta sammanhang definieras som luft som har en förhöjd syrehalt, jämfört med vanlig luft, och som har uppnåtts genon1 tillsats av' passande mängder av teknisk syrgas, som normalt häller en renhet av 90-95%. Genom detta förfarande kan en avsevärd mängd av gasvolymen reduceras eftersom kvàveinnehàllet i luft inte längre tillförs pannan.

Denna reduktion i gasvolym kan utnyttjas till att bränna mera svartlut.

En annan huvudprincip är att åstadkomma sà mycket som möjligt av denna reduktion i gasvolym i den nedre eldstaden 'varifrän. överbäringen. härstammar. Den nedre eldstaden i detta sammanhang definieras som den del av pannan som är placerad under lutsprutorna och "vanlig" luft definieras som normal förbränningsluft med en syrehalt av 20,95% (vol torr). När gasvolymen minskar under den nivá där luten tillförs sà minskar den uppàtgáende gashastigheten, vilket annars är den bidragande orsaken till överbäring med igensättning av pannan som följd. (När denna hastighetsgräns har fastställts genom att använda “vanlig luft"definiera den maximala last pannan kan köras på med vanlig luft kan detta användas som en ungefärlig referenspunkt för hur mycket mera lut som kan brännas för att i huvudsak bibehålla samma uppàtgáende hastighet när luft ersätts med ren syrgas.

Orsaken till att det säges en ungefärlig referenspunkt är att den uppàtgáende hastigheten inte är den enda parametern, 10 l5 20 25 30 35 514, 81,1 5 sonlpåverkas när syrgasberikad luft införes. Också svällning av lutdroppar, densitet hos lutdropparna, torknings- och förbränningshastighet kommer att påverkas vilket allt har inverkan. pà karakteristika för on: dropparna kommer att “överbâras" eller inte). För att ytterligare reducera gashastigheterna i överhettaren och andraupphettningsytoroch för att minimera risken för tubpàslag och igensättning med överbäringspartiklar, som fortfarande finns i gasen, kan en partiell ersättning av luft i den övre eldstaden med syrgasberikad luft också göras, men inte i samma omfattning som i den nedre eldstaden.

Denna ytterligare minskning av gasvolymen (hastigheten) förbättrar också inloppsförhållandena till elfiltret bàde beroende pà att en reducerad hastighet och en ökad fukthalt (som en följd av reducerad ballast) förbättrar elfiltrets uppsamlingseffiktivitet, och förhoppningsvis undviker att elfiltret blir flaskhalsen om pannan kapacitet ökas.

En tredje huvudprincip är att i huvudsak bibehålla samma temperatur i den nedre eldstaden som den hade vid användning av "vanlig luft". Genom att göra sä kan kapaciteten ökas ännu mera under minskning av emissioner, i synnerhet Nox.

När man ersätter luft med syrgasberikad luft i den nedre eldstaden kommer den adiabatiska och följaktligen den verkliga förbränningstemperaturen att öka eftersom ballast (dödvikt) annars är närvarande i form av kall kvävgas, vilken skulle förbränningstemperatur. Denna temperaturökning skulle gynna behöva energi för uppvärmning till den icke önskade reaktionen mellan ammoniakgas och syrgas för bildande av NO. Till följd av det faktum, att mindre energi erfordras i den nedre eldstaden, när dödvikten (i form av kväve) reduceras, kan syrgas från luften, som annarsskulle behövas för förbränning, avlägsnas från den nedre eldstaden och tillföras i den övre eldstaden, och ännu mera stegad substökiometrisk förbränning kan uppnås för balansering av det stökiometriska behovet av syrgas för 10 15 20 25 30 35 5111811 6 total förbränning. Ju mera syrgasberikad luft som tillsätts ju næra vanlig luft kan omfördelas. Den nedre eldstaden skall bara tillföras så mycket syre som behövs för att hålla förgasningen självgående, medan det återstående syret tillförs total förbränning av de brännbara komponenterna i produktgasen, den övre eldstaden med därav följande som alstras i den nedre eldstaden. Denna superreduktion av syrefaktorn och substökiometriska förhållanden i den nedre eldstaden undertrycker en temperaturhöjning och förstärker värdet av uppfinningen signifikant eftersom gasvolymen och därmed de uppåtgàende gashastigheterna minskas ytterligare luften. ytterligare reduktion i uppátriktade gashastigheter gör att jämfört med om man bara syrgasberikar Denna ännu mera lut kan brännas samtidigt som låga emissionsvärden kan innehällas.

Den nedre gränsen för syrefaktorn bestäms av behovet av att upprätthålla förgasning av utan.behov av tillsatsbränsle och utan att man får svartnande bädd eller en sänkning av smältans reduktionsgrad, men i princip och trots det faktum att mera bränsle (svartlut) tillföres till eldstaden i en syrgasberikad omgivning skall temperaturen i den nedre eldstaden styras till omkring samma temperatur, som utan tillförsel av syrgas till luften. Detta kan uppnås genom att höja syrehalten i luften under lutsprutorna och sänka syrefaktorn, och ju högre syrehalt i luften desto mindre inert gas eller barlast år närvarande, vilket medger en lägre luftfaktor, och mera substökiometriska förhållanden och mer luft omfördelas och möjlighet till ännu högre kapacitet på pannan. Den övre gränsen på syrenivàn i luften bestäms, av ekonomiska faktorer, säkerhetsaspekter beträffande syrgashantering och andra kapacitetsbegränsande faktorer» i pannan såsom äng/vattensidiga begränsningar, t.ex. cirkulationshastighet. En jpraktisk. övre gräns har erfarenhetsmässigt visat sig vara cza 30% (vol)syrehalt i förbrànningsluften på befintliga sodapannor och cza 50% på nya sodapannor. Orsaken för det högre värdet vid nya pannor 10 15 20 25 30 35 s14_s11 7 år att cirkulationskretsar, luftsystem etcetera kan designas för dessa förhållanden från början.

Vad som uppnås med den i patentkravet 1 i föreliggande ansökan definierade metoden är att man i den nedre eldstaden i sodapannan skapar en reducerande miljö med lägre luftfaktor, utan att temperaturen stiger.

Detta åstadkommes genom att syrgas tillsättes och en del av den mera kylande luften, som innehåller endast 21% syrgas och 79% kvâveballast, flyttas till regionen ovanför lutsprutorna.

Gashastigheten från bottenzonen minskar härigenom för en given last. Härigenonx uppnås primärt, att eldningen av svartlut kan ökas, d.v.s. lasten. kan ökas avsevärt. En konsekvens av detta är att man dessutom uppnår bättre Nox- prestanda. Skulle nen. åstadkomma umtsvarande lasthöjning enbart med användande av luft så skulle man samtidigt få en sådan hastighetsökning av gaserna, att man får svårhanterliga processproblem, på grund av nædryckning av lutdroppar. miljön under Den förbättrade reducerande åstadkommas sålunda genom tillsats av syrgas samtidigt som lutsprutorna luftfaktorn sänks. Detta innebär att andelsmässigt mindre kvävgas måste värmas upp till aktuell temperatur. Härigenom blir förhållandena i den, nedre eldstaden avsevärt mera bildningen av brännbara gaser ökar reducerande, d.v.s. vilket bl.a. leder till en minskning av NOx-produktionen.

En typisk sodapanna har idag en luftfaktor av 0,8 - 0,9 vid Med tekniken enligt föreliggande uppfinning kan däremot luftfaktorn ligga på en en nivå strax under lutsprutorna. avsevärt lägre nivå, d.v.s. omkring 0,5-0,7, vilket innebär en avsevärt mera reducerande miljö, d.v.s. mera förgasning.

Slutförbrånning sker sedan ovanför lutsprutorna vid en mera normal luftfaktor pà ca 1,05 på konventionellt sätt med ett eller flera luftregister. 10 15 20 25 30 35 n: ' ' , . 'Ä ( W . _. _ _, t UU f '_ _, (_ 4 .. _ 4 ( « i. 4 2 ,, i... - -l ' ' < f “_ , - = ' . « ~ - , f" g . » - ......- - . i « > " 8 Denna slutförbränning i. ett eller flera steg' pà nivåer nàgot att göra med förhållandena i den nedre eldstaden, ovanför lutsprutorna har inte förutom att däri alstrade gaser skall förbrännas.

I bifogade Fig.2 visas schematiskt den potentiella kapacitetshöjningen och ökningen i den adiabatiska förbränningstemperaturen vid varierande syrehalt i luften definierad som konstant uppàtgàende gashastighet under lutsprutorna, d.v.s. pannkapaciteten har ökat medan barlasten (kvävgas) har minskats till en nivà där den uppàtgàende gashastigheten hålls konstant men utan att kompensera för en ökande adiabatisk temperatur.

I Fig. 2 visas schematiskt ett scenario son1 mycket väl skulle kunna användas om det inte fanns nägra restriktioner och/eller emissionerna kunde kontrolleras pä nàgot annat sätt. Den på NOx emissioner stoftemissioner eller om enda nackdelen i så fall skulle vara en betydligt högre syrgaskonsumption för att nä samma kapacitetshöjning jämfört med föreliggande uppfinning, med superstegad förgasning.

I Fig.3 visas schematiskt effekten av den potentiella kapacitetshöjningen vid konstant uppàtgàende gashastighet, och där pannlasten har ökats genom att reducera barlasten 1) dels genom en syrgasanrikning av förbränningsluften och 2) genonl borttagande av' luft och tillförsel till den övre eldstaden för att undertrycka en temperaturhöjning till den punkt där den uppàtgàende gashastigheten hälls konstant Ett driftssätt kallat Super Stegad Förgasning skall användas när extra kapacitet behövs och där det föreligger ett behov av att hålla emissionsnivàer under gällande myndighetskrav och det finns intresse för att. minimera anvàndnigen av syrgasberikad luft. 10 15 20 25 30 35 514 9 Ett tredje driftsscenario kan tänkas vara en kombination av de tvà ovan beskrivna där av någon anledning sodapannan behöver köras med en förhöjd temperatur i den nedre eldstaden utan att emissionskraven överskrids och där det är motiverat att betala för den extra mängd syrgas som behövs för att uppnà denna högre temperaturnivà.

Den positiva effekten med att höja syrehalten och använda sig av förfarandet superstegad förgasning med en mera utpräglat reducerande atmosfär i den nedre eldstaden p.g.a. den lägre luftfaktorn, är som tidigare nämnts att bränsle NOX emissioner kan reduceras. Bränsle NOx, d.v.s. det kväve som är bundet till svartluten och som omvandlas till NOX, bildas primärt under förgasnings- och förkolningsstegen i förbränningsprocessen. Fig.4 visar schematiskt hur bränsle-N sker. Det (pyrolys) fasen och bildar aminer, företrädesvis ammoniak, som i sin reaktionerna i svartlutförbrànningsprocessen bränslebundna kvävet frigörs under förgasnings- tur i en oxiderande hög temperatur atmosfär oxideras till kväveoxid. Detta förhållande sker om syrgasanrikad luft ersätter den "vanliga luften" utan någon ytterligare kompensation av omfördelning av luft (syre) till en högre nivà i pannan. Genom att tillämpa superstegad förgasning, där syrgas fràn luften omfördelas till en högre nivä i pannan (ovanför lutsprutorna) sker en mera stegad förbränning som beskrivits tidigare och en maximalt reducerande atmosfär skapas i den nedre delen av ugnen. De bränslerika gasförhàllandena, som bildas under substökiometriska pyrolysförhàllanden skall bibehàllas så länge soul möjligt (superstegat) innan den möter luften ovanför eldstaden för total förbrnning. Pä dtta sätt har det bränslebundna kvävet tid att konverteras till fri kvävgas 5) eftersom ammoniakmolekylen inte är termo- dynamiskt stabil i temperaturbetingelser utan sönderfaller till kvâvgas och (se Fig. reducerande atmosfär under rådande vätgas. Det skall noteras att i den nedre figuren i Fig.5 ¿visar att en "hög" temperatur gynnar bildningen av NOx genom 10 15 20 25 30 35 514 811 10 formeln NH3+Oz ger NO+H2O trots att temperaturen fortfarande är under gränsen där termiskt NOX den schematiska bildas, d.v.s. en hög temperatur' i den nedre eldstaden genererar NOx men inte genom termisk bildning utan genom reaktionen beskriven ovan.

Det är emellertid oundvikligt att en viss mängd av NOx bildas i syrgasanrikad luft och där en överstökiometrisk zon bildas. gränsskiktet där bränslet först möter en När den feta gasen möter överluft i zon B (se Fig.4), sker en s.k. reburning effekt som reducerar NOX mängden till ett minimum.

Trots att superstegad förgasning är mer tillämpbart pä existerande sodapannor som redan har en inbyggd fysisk begränsning sä kan det också tillämpas pä nya sodapannor pä sä sätt att de kan byggas mindre för en given last jämfört med sodapannor som designas för "vanlig luft".

En annan fördel med att använda syrgasberikad luft, utan luftfaktorn, i den nedre eldstaden och sänkning av framförallt i primärluftnivàn är att nedeldningsförfarandet kan göras snabbare och enklare eftersom den ökade syrehalten ökar förbränningshastigheten för restkoks.

Behovet av 'och fördelen med att också syrgasberika luftniväerna i den övre delen av eldstaden är, utöver vad som nämnts tidigare, att kostsamma ombyggnaden av dessa luftregister kan minimeras eftersom volymen av den luft som omdistribuerats från den nedre eldstaden kan minskas. I annat fall mäste fler luftportar installeras och kapaciteten pà luftfläktarna ökas.

För att fullt ut utnyttja fördelen med syrgasberikad luft i den undre eldstaden och att bibehålla en god penetration i eldstaden kan trycket i luftskàpen höjas.

Claims (8)

»e lO 15 20 25 30 35 514 sm l| PATENTKRAV

1. l. En nætod för svartlutsförgasning i. sodapannar av det slag, som har en undre del som benämnes den nedre eldstaden och en övre del som benämnes den övre eldstaden, lutsprutor för tillförsel av svartlut anordnade i pannan ovanför den nedre eldstaden, och ett antal förbränningsluftnivàer, inne- fattande tillsättning av syrgasanrikad luft till förbränningsluften eller direkt in i den nedre eldstaden vid minst en nivå under lutsprutorna under sänkning av luftfaktorn i syfte att skapa bästa möjliga reducerande atmosfär i den nedre eldstaden, reducering av mängden förbränningsluft som matas in i den nedre eldstaden, behövs, till följd av tillsatsen av syrgasberikad luft, eftersom denna förbränningsluft inte varigenonlde uppåtgàende gashastigheterna under lutsprutorna reduceras avsevärt, vid konstant svartlutsinmatning, för att därmed tillåta en ökad svartlutsinmatning i pannan, och ökning av mängden förbränningsluft i den övre eldstaden, för att därigenom åstadkomma reducerande förhållanden och. kont- rollerad temperatur i nedre eldstaden för emissionskontroll, k ä n n e t e c k n a d a v att man använder en luftfaktor av 0,5 - 0,7.

2. En metod enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k n a d a v reducering av energibehovet i den nedre eldstaden genom minskning av' ballast i form av kväve som ingår i den omdistribuerade normala och åstad- kommande av förbättrade förbränningsförhàllanden i den övre eldstaden genom införande av denna omdistribuerade luft däri, varvid den avsevärda reduktionen av den uppåtgående förbränningsluften, gashastigheten under lutsprutorna därvid tillåter att mera svartlut brännes upp till den nivå där överbäring av svartlutdroppar, smälta, koks, etcetera blir flaskhalsen i pannan. l0 15 20 25 30 35 514ls11 Q

3. En metod enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d a v applicering därav på en ny sodapanna, vilken kan göras mera kompakt än en sodapanna med användande endast av normal samtidigt uppnående av högre förbränningsluft, under kapacitet och lägre emissioner.

4. En metod enligt patentkrav 2, k ä n n e t e c k n a d a v åstadkommande av en stökiometrisk zon i den undre eldstaden med reducerande förhållanden och temperaturkontroll för nedbrytning av ammoniak, som bildas under torkfasen, pyrolys och förgasningsfasen, och koks/smälta-bränningsfasen till fri kvävgas (N2) och väte.

5. En metod enligt patentkravet 2 och 4, k ä n n e t e c k n a d a v superstegad fördelning av syrgas från luft i den 'undre eldstaden för att bibehålla reducerande förhållanden på en luftnivå ovanförlutsprutorna och en ombränningsförbränning på en högre Ibelägen luftnivå för att skapa tillräcklig för att nedbrytas till fri kvävgas och att reducera den lilla uppehållstid för ammoniakmolekyler som alstras mängden Nox, som fortfarande finns i ombränningszonen.

6. En metod enligt patentkrav l, k ä n n e t e c k n a d a v anrikning av alla luftnivåer i den övre eldstaden med syrgasanrikad luft utöver den som anges i patentkravet l, för att därigenom åstadkoma reducering av gashastigheten vid inträde i överhettarsektionerna och i inloppet till en stoftavskiljare för att minimera risken för direkt inverkan stoft- på/igensättning av värmeytor och försämring av avskiljarens insamlingseffektivitet. 10 15 514 8116 B

7. En metod enligt nàgot av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d a v reducering av luftvolymen genom anrikning av alla luftnivàer i den övre eldstaden och därigenom reducering av behovet av ytterligare luftöppningar i tryckdelen, vilka annars skulle ha behövts för att underlätta superstegad förgasning.

8. En metod enligt nàgot av föregående patentkrav, kännetecknad av anrikning av alla luftnivàer i den nedre eldstaden med ökning av syrgas under nedsläckning av pannan för koksförbränningstakten och förkortning av den för utbränning av bädden erforderliga tiden.