SE514811E

SE514811E - Method for gasification of black liquor in soda pans

Info

Publication number: SE514811E
Application number: SE9903413A
Authority: SE
Inventors: Kent K Sandquist; Anders Kullendorff
Original assignee: Aga Ab
Priority date: 1997-10-15
Filing date: 1999-09-22
Publication date: 2001-04-30
Also published as: SE9903413D0; SE9903413L; SE514811C2

Description

Föreliggande uppfinning hänför sig till en metod för förgasning av svartlut i sodapannor genom att utnyttja syrgasberikad luft Uppfinningens bakgrund Produktion av kemisk pappersmassa uppdelas i två områden, fiberlinjen, där den kemiska massan produceras med avlut som en biprodukt och återvinningslinjen, där kemikalier som behövs i fiberlinjen återvinnes ur avluten. Den enskilt dyraste utrustningen i hela massafabriken år sodapannan och den totala massaproduktionen är starkt beroende av kapaciteten och tillgängligheten hos sodapannan. Om sodapannan blir flaskhalsen i fabriken, påverkar det direkt fabrikens möjligheter att kunna öka massaproduktionen. The present invention relates to a method for gasifying black liquor in recovery boilers by utilizing oxygen-enriched air. Background of the invention Production of chemical pulp is divided into two areas, the fiber line, where the chemical pulp is produced with waste as a by-product and the recycling line, where chemicals needed in the fiber line are recycled from the waste. The single most expensive equipment in the entire pulp mill is the recovery boiler and the total pulp production is strongly dependent on the capacity and availability of the recovery boiler. If the recovery boiler becomes the bottleneck in the factory, it directly affects the factory's opportunities to be able to increase pulp production.

Sodapannan når sin produktionsbegränsning när värmeytor blir igensatta p.g.a. s,k, "överbäring" av fysiska partiklar från den nedre delen av eldstaden. Mängden överbäring beror på fyra parametrar; den uppåtgående gashastigheten, partiklarnas (lutdropparnas) storlek, paxtikeldensitet, och antal partiklar med ogynnsamma egenskaper. Når kapaciteten ökar behövs mera luft, vilket tillsammans ökar den uppåtgående gashastigheten. Högre kapacitet ökar också antalet ogynnsamma partiklar och den kombinerade effekten blir att överbäringen ökar med ökande last. Pannan har nått sin kapacitetsgräns när pannan blir igensatt p.g.a. överbäring och fabriken är oförmögen att producera mera massa såvida inte en stor investering görs i en ny sodapanna eller en kostsam ombyggnad av den befintlig panna, vilket också kräver ett långt produktionsstopp för installation och medför ytterligare produktionsförluster och intåktsbrotfall. Redan 1982 visades det praktiskt t.ex. i rapporten "Tillsats av syrgas vid förbränning av sulfittjocklut vid MoDomsjö sulfitfabrik, S.Larsson, AGA, C.Nilsson, MoDo, L.Saltin, AGA, Svenska Sodahuskonferensen, Stockholm, Sweden, Nov.18,1982" och i brochyren "Oxygen Enrichment increases capacity, AGA AB, GM164e (1983)", att genom att berika primär och sekundärluft med syrgas upp till 23% (vol) syreinnehåll så kunde kapaciteten på en natriumbisulfitpanna ökas markant. The recovery boiler reaches its production limit when heating surfaces become clogged due to s, k, "transfer" of physical particles from the lower part of the fireplace. The amount of transmission depends on four parameters; the upward gas velocity, the size of the particles (liquor droplets), paxticle density, and number of particles with unfavorable properties. As capacity increases, more air is needed, which together increases the upward gas velocity. Higher capacity also increases the number of unfavorable particles and the combined effect is that the transfer increases with increasing load. The boiler has reached its capacity limit when the boiler becomes clogged due to overburden and the factory is unable to produce more pulp unless a large investment is made in a new recovery boiler or a costly rebuild of the existing boiler, which also requires a long production stoppage for installation and entails further production losses and revenue breaches. As early as 1982, it was shown practically e.g. in the report "Addition of oxygen in the combustion of sulphite thick liquor at MoDomsjö sulphite factory, S.Larsson, AGA, C.Nilsson, MoDo, L.Saltin, AGA, Swedish Soda House Conference, Stockholm, Sweden, Nov.18,1982" and in the brochure "Oxygen Enrichment increases capacity, AGA AB, GM164e (1983) ", that by enriching primary and secondary air with oxygen up to 23% (vol) oxygen content, the capacity of a sodium bisulfite boiler could be significantly increased.

US-A-4,857,282, visade 1988 ett sått att processa svartlut genom att anrika primär och/eller sekundärluft genom tillsats av ren syrgas i en mängd motsvarande 0,63 kg/kg torrsubstans och genom tillsats av 0,42 kg syre från luft/kg torrsubstans, för förbränning av ett kilo ökande torrsubstansmängd, vilket innebär en total syrenivå om 21,8 volyms-% om den extra tillsatta syrgasen fördelas jämnt mellan luftströmmarna, eller i extremfallet om all extra syrgas satsas enbart till en av de två luftströmmarna upp till en effektiv mängd av 5% (vol) till sagda luftström, så kommer syrehalten att kunna höjas till maximala 24,8% om fördelningen mellan primär och sekundårluft reduceras till 23/77% (vol) av total tillförd luft. US-A-4,857,282, showed in 1988 a method of processing black liquor by enriching primary and / or secondary air by adding pure oxygen in an amount corresponding to 0.63 kg / kg dry matter and by adding 0.42 kg oxygen from air / kg dry matter, for combustion of one kilogram of increasing dry matter, which means a total oxygen level of 21.8% by volume if the extra added oxygen is distributed evenly between the air streams, or in the extreme case if all extra oxygen is charged only to one of the two air streams up to a effective amount of 5% (vol) to said air flow, then the oxygen content will be able to be increased to a maximum of 24.8% if the distribution between primary and secondary air is reduced to 23/77% (vol) of total supplied air.

Detta patent hävdar att förbränningstakten eller kapaciteten av sodapannan kan ökas, genom en måttlig tillsats av syrgas till primär och/eller sekundärluftströmmen, på tre sätt: 1. En ökning av den adiabatiska flamtemperaturen vilket ökar värmeflödet i den nedre eldstaden, och 2. En ökning i förkolningshastigheten eftersom förkolningshastigheten är en linjär funktion av syrekoncentration, och, 3 Ökning av torkhastigheten genom ökad temperatur i den nedre eldstaden. This patent claims that the rate of combustion or capacity of the recovery boiler can be increased, by a moderate addition of oxygen to the primary and / or secondary air stream, in three ways: 1. An increase in the adiabatic flame temperature which increases the heat flow in the lower fireplace, and 2. An increase in the charring rate because the charring rate is a linear function of oxygen concentration, and, 3 Increasing the drying rate by increasing the temperature in the lower fireplace.

Detta bekräftar i stort sett de resultat som konstaterades sex år tidigare och raporterades i de två förstnämnda skrifterna. This largely confirms the results found six years earlier and reported in the first two writings.

Nackdelen med båda dessa kända metoder år att anrika förbränningsluften med syrgasanrikad luft i den nedre delen 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 förutsättningarna för bildande av NOx p.g.a. högre temperatur och ökande volym där det finns oxiderande miljö i den undre eldstaden. NOx emissionen kommer nu att bli den begränsande faktorn för ökad kapacitet p.g.a. strikta miljölagar. De första två 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 på luftregister placerade i den undre eldstaden under lutsprutorna och luftfaktorn var normalt över 1 vid lutsprutenivån, (d.v.s. stökiometriskt eller högre) oavsett hur syrgasen fördelades mellan registren. The disadvantage of both of these known methods is to enrich the combustion air with oxygen-enriched air in the lower part of the fireplace, i.e. primary and. secondary air registers, without reducing the air factor (the air factor is defined as the actual oxygen additive divided by the stoichiometric oxygen additive needed for complete combustion) increases the conditions for the formation of NOx due to higher temperature and increasing volume where there is an oxidizing environment in the lower fireplace. The NOx emission will now be the limiting factor for increased capacity due to strict environmental laws. The first two publications describe some theoretical calculations, which show that the temperature can be controlled by redistributing the oxygen additive between the air registers. The flexibility of these boilers from the 80s was very limited due to air registers placed in the lower fireplace under the sprayers and the air factor was normally above 1 at the spray level, (i.e. stoichiometric or higher) regardless of how the oxygen was distributed between the registers.

Dagens sodapannor körs med en "ren" luft för att uppnå en total luftfaktor av 1 - 1,05 vid inlopp till överhettarsektionen och understökiometriska förhållanden i den undre eldstaden genom tillsats av luftnivåer i den övre eldstaden, s.k. "overfire air register" eller tertiära, kvartära o.s.v. överluftsystem. Detta visas schematiskt i Fig. 1. I dag är det i praktiken vedertagen praxis att omfördela "ren" förbränningsluft från den undre eldstaden till den övre eldstaden för att bibehålla NOx-nivån inom acceptabla gränser. Detta kan göras eftersom kvaliteten på svartluten som bränsle har förbättrats. Svartlutens torrhalt har ökat avsevärt under de senaste 10 åren, vilket innebär, att det "avbrända" vårmevärdet har ökat, vilket underlättar omfördelningen av "ren" förbränningsluft till dessa luftnivåer i den övre eldstaden. Ändamålet med föreliggande uppfinning är att erbjuda en metod som på ett nytt sått kombinerar de positiva effekter som uppnås med den syrgasanrikade luften i enlighet med de två hårovan 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 åstadkommits i enlighet med innehållet i bifogade patentkrav 1. Today's recovery boilers are run with a "clean" air to achieve a total air factor of 1 - 1.05 at the inlet to the superheater section and sub-stoichiometric conditions in the lower fireplace by adding air levels in the upper fireplace, so-called "overfire air register" or tertiary, quaternary, etc. exhaust system. This is shown schematically in Fig. 1. Today, it is practically accepted practice to redistribute "clean" combustion air from the lower fireplace to the upper fireplace in order to maintain the NOx level within acceptable limits. This can be done because the quality of black liquor as a fuel has improved. The dry matter content of black liquor has increased considerably over the last 10 years, which means that the "burned" heat value has increased, which facilitates the redistribution of "clean" combustion air to these air levels in the upper fireplace. The object of the present invention is to offer a method which in a new way combines the positive effects achieved with the oxygen-enriched air in accordance with the two above-mentioned publications, with the advantages of today's modern design of recovery boilers to further reduce the air factor in the lower part of the fireplace, to maximize capacity and minimize emissions, and this has been achieved in accordance with the content of appended claims 1.

Kortfattad beskrivning av uppfinningen En av uppfinningens huvudprinciper är att ersätta en del av förbränningsluften med syrgasberikad luft. Termen syrgasberikad luft i detta sammanhang definieras som luft som har en förhöjd syrehalt, jämfört med vanlig luft, och som har uppnåtts genom tillsats av passande mängder av teknisk syrgas, som normalt håller en renhet av 90-95%. Genom detta förfarande kan en avsevärd mängd av gasvolymen reduceras eftersom kväveinnehållet i luft inte längre tillförs pannan. Denna reduktion i gasvolym kan utnyttjas till att bränna mera svartlut. Brief description of the invention One of the main principles of the invention is to replace part of the combustion air with oxygen-enriched air. The term oxygen-enriched air in this context is defined as air which has an elevated oxygen content, compared to ordinary air, and which has been obtained by adding appropriate amounts of technical oxygen, which normally maintains a purity of 90-95%. By this method a considerable amount of the gas volume can be reduced because the nitrogen content in air is no longer supplied to the boiler. This reduction in gas volume can be used to burn more black liquor.

En annan huvudprincip är att åstadkomma så mycket som möjligt av denna reduktion i gasvolym i den nedre eldstaden varifrån 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 nivå där luten tillförs så minskar den uppåtgående 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 uppåtgående hastighet när luft ersätts med ren syrgas. Orsaken till att det säges en ungefärlig referenspunkt är att den uppåtgående hastigheten inte är den enda parametern, som påverkas når syrgasberikad luft införes. Också svallning av lutdroppar, densitet hos lutdropparna, torknings- och förbränningshastighet kommer att påverkas vilket allt har inverkan på karakter istika för om dropparna kommer att "överbäras" eller inte). För att ytterligare reducera gashastighet erna i överhettaren och andraupphettningsytoroch för att minimera risken för tubpåslag 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. Another main principle is to achieve as much as possible of this reduction in gas volume in the lower fireplace from which the transfer originates. The lower fireplace in this context is defined as the part of the boiler that is placed under the spray nozzles and "ordinary" air is defined as normal combustion air with an oxygen content of 20.95% (vol dry). When the gas volume decreases below the level where the lye is supplied, the upward gas velocity decreases, which is otherwise the contributing cause of overburden with clogging of the boiler as a result. (Once this speed limit has been set using "ordinary air" define the maximum load the boiler can run on with ordinary air this can be used as an approximate reference point for how much more lye can be burned to essentially maintain the same upward speed when air is replaced The reason why an approximate reference point is said is that the upward velocity is not the only parameter that is affected when oxygen-enriched air is introduced. on character istika for whether the drops will be "transferred" or not). To further reduce the gas velocities in the superheater and second heating surfaces and to minimize the risk of tube overheating and clogging with transfer particles still present in the gas, a partial replacement of air in the upper fireplace with oxygen-enriched air can also be made, but not to the same extent as in the lower fireplace.

Denna ytterligare minskning av gasvolymen (hastigheten) förbättrar också inloppsförhållandena till elfiltret både beroende på 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. This further reduction in gas volume (velocity) also improves the inlet conditions of the electric filter both due to the fact that a reduced speed and an increased moisture content (as a result of reduced ballast) improve the collection efficiency of the electric filter, and hopefully avoid the electric filter becoming bottlenecked.

En tredje huvudprincip år att i huvudsak bibehålla samma temperatur i den nedre eldstaden som den hade vid användning av "vanlig luft". Genom att göra så 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) år närvarande i form av kall kvävgas, vilken annars skulle behöva energi för uppvärmning till förbränningstemperatur. Denna temperaturökning skulle gynna 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 total förbränning. Ju mera syrgasberikad luft som tillsätts ju mera 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 den övre eldstaden med därav följande total förbränning av de brännbara komponenterna i produktgasen, 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 uppåtgående gashastigheterna minskas ytterligare jämfört med om man bara syrgasberikar luften. Denna ytterligare reduktion i uppåtriktade gashastigheter gör att ännu mera lut kan brännas samtidigt som låga emissionsvärden kan innehållas. A third main principle is to essentially maintain the same temperature in the lower fireplace that it had when using "ordinary air". By doing so, capacity can be increased even more while reducing emissions, especially Nox. When replacing air with oxygen-enriched air in the lower fireplace, the adiabatic and consequently the actual combustion temperature will increase as ballast (dead weight) is present in the form of cold nitrogen gas, which would otherwise need energy to heat to combustion temperature. This temperature increase would favor the undesired reaction between ammonia gas and oxygen to form NO. Due to the fact that less energy is required in the lower fireplace, when the dead weight (in the form of nitrogen) is reduced, oxygen from the air, which would otherwise be needed for combustion, can be removed from the lower fireplace and supplied to the upper fireplace, and still more stepped substochiometric combustion can be achieved to balance the stoichiometric need for oxygen for total combustion. The more oxygen-enriched air that is added, the more ordinary air can be redistributed. The lower fireplace shall be supplied with only as much oxygen as is necessary to keep the gasification going, while the remaining oxygen shall be supplied to the upper fireplace with consequent total combustion of the combustible components of the product gas generated in the lower fireplace. This super-reduction of the oxygen factor and sub-stoichiometric conditions in the lower fireplace suppresses a temperature increase and significantly enhances the value of the invention because the gas volume and thus the rising gas velocities are further reduced compared to if one only enriches the air with oxygen. This further reduction in upward gas velocities means that even more lye can be burned at the same time as low emission values can be contained.

Den nedre gränsen för syrefaktorn bestäms av behovet av att upprätthålla förgasning av utan behov av tillsatsbrånsle 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 är 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 syrenivån i luften bestäms. av ekonomiska faktorer, säkerhetsaspekter beträffande syrgashantering och andra kapacitetsbegränsande faktorer i pannan såsom ång/vattensidiga begränsningar, t. ex. cirkulationshastighet. En praktisk övre gräns har erfarenhetsmässigt visat sig vara c:a 30% (vol)syrehalt i förbränningsluften på befintliga sodapannor och c:a50% på nya sodapannor. Orsaken för det högre värdet vid nya pannor är att cirkulationskretsar, luftsystem etcetera kan designas för dessa förhållanden från början. The lower limit of the oxygen factor is determined by the need to maintain gasification without the need for additive fuel and without a blackening bed or a reduction in the degree of reduction of the melt, but in principle and despite the fact that more fuel (black liquor) is added to the fireplace in an oxygen-enriched ambient, the temperature in the lower fireplace should be controlled to about the same temperature as without the supply of oxygen to the air. This can be achieved by raising the oxygen content of the air under the lye sprayers and lowering the oxygen factor, and the higher the oxygen content in the air the less inert gas or ballast is present, allowing a lower air factor, and more substochiometric conditions and more air redistribution and the possibility of even higher capacity on the forehead. The upper limit of the oxygen level in the air is determined. of economic factors, safety aspects regarding oxygen handling and other capacity limiting factors in the boiler such as steam / water side restrictions, e.g. circulation speed. Experience has shown that a practical upper limit has been approximately 30% (vol) oxygen content in the combustion air on existing recovery boilers and approximately 50% on new recovery boilers. The reason for the higher value of new boilers is that circulation circuits, air systems, etc. can be designed for these conditions from the beginning.

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. What is achieved with the method defined in claim 1 of the present application is that in the lower fireplace of the recovery boiler a reducing environment with a lower air factor is created, without the temperature rising.

Detta åstadkommes genom att syrgas tillsåttes och en del av den mera kylande luften, som innehåller endast 21% syrgas och 79% kväveballast, flyttas till regionen ovanför lutsprutorna. This is accomplished by adding oxygen and moving some of the cooler air, which contains only 21% oxygen and 79% nitrogen ballast, to the region above the liquor sprayers.

Gashastigheten från bottenzonen minskar härigenom för en given last. Härigenom 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 man åstadkomma motsvarande lasthöjning enbart med användande av luft så skulle man samtidigt få en sådan hastighet sökning av gaserna, att man får svårhanterliga processproblem, på grund av medryckning av lutdroppar. The gas velocity from the bottom zone is thereby reduced for a given load. This primarily achieves that the firing of black liquor can be increased, i.e. the load can be increased significantly. One consequence of this is that you also achieve better Nox performance. If you were to achieve a corresponding load increase only with the use of air, you would at the same time get such a speed search of the gases, that you get difficult-to-handle process problems, due to entrainment of lye drops.

Den förbättrade reducerande miljön under lutsprutorna åstadkommes sålunda genom tillsats av syrgas samtidigt som luftfaktorn sänks. Detta innebär att andelsmässigt mindre kvävgas måste värmas upp till aktuell temperatur. Härigenom blir förhållandena i den nedre eldstaden avsevärt mera reducerande, d.v.s. bildningen av brännbara gaser ökar vilket bl.a. leder till en minskning av NOx-produktionen. The improved reducing environment under the lye sprayers is thus achieved by adding oxygen at the same time as the air factor is lowered. This means that proportionally less nitrogen gas must be heated to the current temperature. As a result, the conditions in the lower fireplace become considerably more reducing, i.e. the formation of combustible gases increases, which i.a. leads to a reduction in NOx production.

En typisk sodapanna har idag en luftfaktor av 0,8 - 0,9 vid en nivå strax under lutsprutorna. Med tekniken enligt föreliggande uppfinning kan däremot luftfaktorn ligga på en avsevärt lägre nivå, d.v.s. omkring 0,5-0,7, vilket innebär en avsevärt mera reducerande miljö, d.v.s. mera förgasning. Slutförbränning sker sedan ovanför lutsprutorna vid en mera normal luftfaktor på ca 1,05 på konventionellt sätt med ett eller flera luftregister. A typical recovery boiler today has an air factor of 0.8 - 0.9 at a level just below the lye sprayers. With the technique according to the present invention, on the other hand, the air factor can be at a considerably lower level, i.e. about 0.5-0.7, which means a considerably more reducing environment, i.e. more gasification. Final combustion then takes place above the lye sprayers at a more normal air factor of about 1.05 in a conventional way with one or more air registers.

Denna slutförbränning i ett eller flera steg på nivåer ovanför lutsprutorna har inte något att göra med förhållandena i den nedre eldstaden, förutom att däri alstrade gaser skall förbrännas. This final combustion in one or more stages at levels above the liquor sprayers has nothing to do with the conditions in the lower fireplace, except that gases generated therein must be burned.

I bifogade Fig.2 visas schematiskt den potentiella kapacitetshöjningen och ökningen i den adiabatiska förbränningstemperaturen vid varierande syrehalt i luften definierad som konstant uppåtgående gashastighet under lutsprutorna, d.v.s. pannkapaciteten har ökat medan barlasten (kvävgas) har minskats till en nivå där den uppåtgående gashastigheten hålls konstant men utan att kompensera för en ökande adiabatisk temperatur. Fig. 2 schematically shows the potential increase in capacity and the increase in the adiabatic combustion temperature with varying oxygen content in the air defined as a constant upward gas velocity under the lye sprayers, i.e. the boiler capacity has increased while the ballast (nitrogen gas) has been reduced to a level where the upward gas velocity is kept constant but without compensating for an increasing adiabatic temperature.

I Fig. 2 visas schematiskt ett scenario som mycket väl skulle kunna användas om det inte fanns några restriktioner på NOx emissioner och/eller stoftemissioner eller om emissionerna kunde kontrolleras på något annat sätt. Den enda nackdelen i så fall skulle vara en betydligt högre syrgaskonsumption för att nå samma kapacitetshöjning jämfört med föreliggande uppfinning, med superstegad förgasning. Fig. 2 schematically shows a scenario that could very well be used if there were no restrictions on NOx emissions and / or dust emissions or if the emissions could be controlled in some other way. The only disadvantage in that case would be a significantly higher oxygen consumption to achieve the same capacity increase compared to the present invention, with super-stepped gasification.

I Fig.3 visas schematiskt effekten av den potentiella kapacitetshöjningen vid konstant uppåtgående gashastighet, och där panniasten har ökats genom att reducera barlasten 1) dels genom en syrgasanrikning av förbränningsluften och2) genom borttagande av luft och tillförsel till den övre eldstaden för att undertrycka en temperaturhöjning till den punkt där den uppåtgående gashastigheten hålls konstant Ett driftssätt kallat Super Stegad Förgasning skall användas när extra kapacitet behövs och där det föreligger ett behov av att hålla emissionsnivåer under gällande myndighetskrav och det finns intresse för att minimera anvåndnigen av syrgasberikad luft. Fig. 3 schematically shows the effect of the potential capacity increase at a constant upward gas velocity, and where the panniast has been increased by reducing the ballast 1) partly by an oxygen enrichment of the combustion air and2) by removing air and supply to the upper fireplace to suppress a temperature increase to the point where the upward gas velocity is kept constant An operating mode called Super Staged Gasification should be used when extra capacity is needed and where there is a need to keep emission levels below current regulatory requirements and there is interest in minimizing the use of oxygen-enriched air.

Ett tredje driftsscenario kan tänkas vara en kombination av de två ovan beskrivna där av någon anledning sodapannan behöver köras med en förhöjd temperatur i den nedre eldstaden utan att emissionskraven överskrids och där det år motiverat att betala för den extra mängd syrgas som behövs för att uppnå denna högre temperaturnivå. A third operating scenario may be a combination of the two described above where for some reason the recovery boiler needs to be run with an elevated temperature in the lower fireplace without exceeding the emission requirements and where it is justified to pay for the extra amount of oxygen needed to achieve this higher temperature level.

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 reaktionerna i svart lut förbränningsprocessen sker. Det brånslebundna kvävet frigörs under förgasnings- (pyrolys) fasen och bildar aminer, företrädesvis ammoniak, som i sin 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 nivå i pannan. Genom att tillämpa superstegad förgasning, där syrgas från luften omfördelas till en högre nivå 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 gasförhållandena, som bildas under substökiometriska pyrolys förhåll anden skall bibehållas så länge som möjligt (superstegat) innan den möter luften ovanför eldstaden för total förbrnning. På dtta sätt har det bränslebundna kvävet tid att konverteras till fri kvävgas (se Fig. 5) eftersom ammoniakmolekylen inte är termo-dynamiskt stabil i reducerande atmosfär under rådande temperaturbetingelser utan sönderfaller till kvävgas och vätgas. Det skall noteras att i den nedre figuren i Fig. 5 ?visar att en "hög" temperatur gynnar bildningen av NOx genom den schematiska formeln NH3+02ger NO+H20 trots att temperaturen fortfarande är under gränsen där termiskt NOx bildas, d.v.s. en hög temperatur i den nedre eldstaden genererar NOx men inte genom termisk bildning utan genom reaktionen beskriven ovan. The positive effect of raising the oxygen content and using the process super-step gasification with a more pronounced reducing atmosphere in the lower fireplace due to the lower air factor, is as previously mentioned that fuel NOx emissions can be reduced. Fuel NOx, i.e. the nitrogen which is bound to the black liquor and which is converted to NOx, is formed primarily during the gasification and charring steps in the combustion process. Fig. 4 schematically shows how the fuel-N reactions in the black liquor combustion process take place. The fuel-bound nitrogen is released during the gasification (pyrolysis) phase and forms amines, preferably ammonia, which in turn are oxidized to nitrogen oxide in an oxidizing high temperature atmosphere. This relationship occurs if oxygen-enriched air replaces the "ordinary air" without any further compensation of redistribution of air (oxygen) to a higher level in the boiler. By applying super-stepped gasification, where oxygen from the air is redistributed to a higher level in the boiler (above the liquor sprayers), a more stepped combustion takes place as described earlier and a maximum reducing atmosphere is created in the lower part of the furnace. The fuel-rich gas conditions formed under substochiometric pyrolysis conditions must be maintained for as long as possible (super-stage) before it meets the air above the fireplace for total combustion. In this way, the fuel-bound nitrogen has time to be converted to free nitrogen gas (see Fig. 5) because the ammonia molecule is not thermodynamically stable in reducing atmosphere under prevailing temperature conditions but decomposes to nitrogen gas and hydrogen gas. It should be noted that in the lower figure in Fig. 5 shows that a "high" temperature promotes the formation of NOx by the schematic formula NH3 + O2 gives NO + H2O even though the temperature is still below the limit where thermal NOx is formed, i.e. a high temperature in the lower fireplace generates NOx but not by thermal formation but by the reaction described above.

Det är emellertid oundvikligt att en viss mängd av NOx bildas i gränsskiktet där bränslet först möter en syrgasanrikad luft och där en överstökiometrisk zon bildas. 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. However, it is inevitable that a certain amount of NOx is formed in the boundary layer where the fuel first meets an oxygen-enriched air and where an overstoichiometric zone is formed. When the fatty gas meets excess air in zone B (see Fig.4), a so-called reburning effect that reduces the NOx amount to a minimum.

Trots att superstegad förgasning år mer tillämpbart på existerande sodapannor som redan har en inbyggd fysisk begränsning så kan det också tillämpas på nya sodapannor på så sätt att de kan byggas mindre för en given last jämfört med sodapannor som designas för "vanlig luft". Although super-step gasification is more applicable to existing recovery boilers that already have a built-in physical limitation, it can also be applied to new recovery boilers in such a way that they can be built less for a given load compared to recovery boilers designed for "ordinary air".

En annan fördel med att använda syrgasberikad luft, utan sänkning av luftfaktorn, i den nedre eldstaden och framförallt i primärluftnivån är att nedeldningsförfärandet kan göras snabbare och enklare eftersom den ökade syrehalten ökar förbränningshastigheten för restkoks. Another advantage of using oxygen-enriched air, without lowering the air factor, in the lower fireplace and especially in the primary air level is that the decomposition process can be made faster and easier as the increased oxygen content increases the combustion rate of residual coke.

Behovet av och fördelen med att också syrgasberika luftnivåerna i den övre delen av eldstaden är, utöver vad som nämnts tidigare, att kostsamma ombyggnader av dessa luftregister kan minimeras eftersom volymen av den luft som omdistribuerats från den nedre eldstaden kan minskas. I annat fall måste fler luftportar installeras och kapaciteten på luftfläktarna ökas. The need for and advantage of also enriching the oxygen levels in the upper part of the fireplace is, in addition to what has been mentioned earlier, that costly rebuilding of these air registers can be minimized as the volume of air redistributed from the lower fireplace can be reduced. Otherwise, more air ports must be installed and the capacity of the air fans increased.

För att fullt ut utnyttja fördelen med syrgasberikad luft i den undre eldstaden och att bibehålla en god penetration i eldstaden kan trycket i luftskåpen höjas. To take full advantage of oxygen-enriched air in the lower fireplace and to maintain good penetration in the fireplace, the pressure in the air cabinets can be increased.

Claims

A method for black liquor gasification in recovery boilers of the kind having a lower part called the lower fireplace and an upper part called the upper fireplace, liquor sprayers for supplying black liquor arranged in the boiler above the lower fireplace, and a number of combustion vessels. air levels, including the addition of oxygen-enriched air to the combustion air or directly into the lower fireplace at at least one level below the spray nozzles while lowering the air factor in order to create the best possible reducing atmosphere in the lower fireplace, reducing the amount of combustion air fed into the lower fireplace, as this combustion air is not needed, due to the addition of oxygen-enriched air, thereby significantly reducing the upward gas velocities under the liquor sprayers, at constant black liquor supply, thereby allowing an increased black liquor feed into the boiler, and increasing the amount of combustion air, to thereby achieve reducing conditions and controlled temperature in the lower fireplace for emission control, characterized by the use of an air factor of 0.5 - 0.7.

A method according to claim 1, characterized by reducing the energy requirement in the lower fireplace by reducing ballast in the form of nitrogen contained in the redistributed normal combustion air, and achieving improved combustion conditions in the upper fireplace by introducing this redistributed air therein, whereby the considerable reduction of the upward gas velocity under the lye sprayers thereby allows more black liquor to be burned up to the level where transfer of black liquor droplets, melt, coke, etc. becomes the bottleneck in the boiler.

A method according to claim 1, characterized by applying it to a new recovery boiler, which can be made more compact than a recovery boiler using only normal combustion air, while at the same time achieving higher capacity and lower emissions.

A method according to claim 2, characterized by providing a stoichiometric zone in the lower fireplace with reducing conditions and temperature control for decomposition of ammonia formed during the drying phase, pyrolysis and gasification phase, and the coke / melt burning phase to free nitrogen gas (N2) and hydrogen.

A method according to claims 2 and 4, characterized by super-step distribution of oxygen from air in the lower fireplace to maintain reducing conditions at an air level above the spray nozzles and a reburning combustion at a higher air level to create sufficient residence time for ammonia molecules being generated. decomposes to free nitrogen gas and to reduce the small amount of Nox, which is still present in the combustion zone.

A method according to claim 1, characterized by enriching all air levels in the upper fireplace with oxygen-enriched air in addition to that specified in claim 1, thereby achieving a reduction of the gas velocity upon entry into the superheater sections and into the inlet of a dust separator to minimize the risk for direct impact on / clogging of heating surfaces and deterioration of the dust collector's collection efficiency.

A method according to any one of the preceding claims, characterized by reducing the air volume by enriching all air levels in the upper fireplace and thereby reducing the need for additional air openings in the pressure part, which would otherwise have been needed to facilitate super-stepped gasification.

A method according to any one of the preceding claims, characterized by enriching all air levels in the lower fireplace with oxygen while extinguishing the boiler to increase the rate of coke combustion and shortening the time required for burning out the bed.