SE514811E - Metod för förgasning av svartlut i sodapannor - Google Patents

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.

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.

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.

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.

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

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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 tillsåttes och en del av den mera kylande luften, som innehåller endast 21% syrgas och 79% kväveballast, flyttas till regionen ovanför lutsprutorna.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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".

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.

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.

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.

Claims (8)

1. En metod för svartlutsförgasning i sodapannor 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 förbrännings luftnivåer, inne-fattande tillsättning av syrgasanrikad luft till förbränningsluften eller direkt in i den nedre eldstaden vid minst en nivå under lutsprutorna under sänkning av luftfaktom i syfte att skapa bästa möjliga reducerande atmosfär i den nedre eldstaden, reducering av mängden förbränningsluft som matas in i den nedre eldstaden, eftersom denna förbränningsluft inte behövs, till följd av tillsatsen av syrgasberikad luft, varigenom de uppåtgående 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 kontrollerad temperatur i nedre eldstaden för emissionskontroll, kännetecknad av att man använder en luftfaktor av 0,5 - 0,7.

2. En metod enligt patentkravet 1, kännetecknad av reducering av energibehovet i den nedre eldstaden genom minskning av ballast i form av kväve som ingår i den omdistribuerade normala förbränningsluften, och åstadkommande av förbättrade förbränningsförhållanden i den övre eldstaden genom införande av denna omdistribuerade luft däri, varvid den avsevärda reduktionen av den uppåtgående gashastigheten under lutsprutorna därvid tillåter att mera svartlut brännes upp till den nivå där överbäring av svartlutdroppar, smälta, koks, etcetera blir flaskhalsen i pannan.

3. En metod enligt patentkrav 1, kännetecknad av applicering därav på en ny sodapanna, vilken kan göras mera kompakt än en sodapanna med användande endast av normal förbränningsluft, under samtidigt uppnående av högre kapacitet och lägre emissioner.

4. En metod enligt patentkrav 2, kännetecknad av 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, kännetecknad av 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 belägen luftnivå för att skapa tillräcklig uppehållstid för ammoniakmolekyler som alstras för att nedbrytas till fri kvävgas och att reducera den lilla mängden Nox, som fortfarande finns i ombränningszonen.

6. En metod enligt patentkrav 1, kännetecknad av anrikning av alla luftnivåer i den övre eldstaden med syrgasanrikad luft utöver den som anges i patentkravet 1, för att därigenom åstadkomma reducering av gashastigheten vid inträde i överhettarsektionerna och i inloppet till en stoftavskiljare för att minimera risken för direkt inverkan på/igensättning av värmeytor och försämring av stoft-avskiljarens insamlingseffektivitet.

7. En metod enligt något av föregående patentkrav, kännetecknad av reducering av luftvolymen genom anrikning av alla luftnivåer 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 något av föregående patentkrav, kännetecknad av anrikning av alla luftnivåer i den nedre eldstaden med syrgas under nedsläckning av pannan för ökning av koksförbränningstakten och förkortning av den för utbränning av bädden erforderliga tiden.