SE514813C2 - Metod för förgasning av svartlut i sodapannor - Google Patents

Description

lO l5 514 315, 2 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.l8, 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 så 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 fràn luft/kg torrsubstans, för förbränning av ett kilo ökande torrsubstansmängd, vilket innebär en total syrenivà 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 tvà luftströmmarna upp till en effektiv mängd av 5% (vol) till sagda luftström, sä kommer syrehalten att kunna höjas till maximala 24,8% om fördelningen mellan primär och sekundärluft 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 eftersonzförkolningshastigheten.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 är tidigare och raporterades i de tvà förstnämnda skrifterna.

Nackdelen med båda dessa kända metoder är att anrika förbrànningsluften med syrgasanrikad luft i den nedre delen 514 81.3 e -4 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 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 pà luftregister placerade i den undre eldstaden under lutsprutorna och luftfaktorn var normalt över 1 vid lutsprutenivån, (d.v.s. stökiometriskt oavsett hur fördelades mellan eller högre) syrgasen 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, 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" värmevärdet 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 på ett nytt sätt kombinerar de positiva effekter som uppnås med den syrgasanrikade luften i enlighet med de l5 514 8,13, 4 tvà härovan 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 emissionerna, och. detta har' àstadkommits j. enlighet med maximera kapaciteten och minimera 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 genom 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 kväveinnehàllet 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 nivà där luten tillförs sä minskar den uppàtgàende 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 pà med vanlig luft kan detta användas som en ungefärlig referenspunkt för hur mycket mera lut som kan brännas för att i huvudsak bibehålla samma uppàtgàende hastighet när luft ersätts med ren syrgas.

Orsaken till att det säges en ungefärlig referenspunkt är att den uppàtgàende hastigheten inte är den enda parametern, « < . » < . m- BM 313, som påverkas när syrgasberikad luft införes. Också svällning av lutdroppar, densitet hos lutdropparna, torknings- och förbränningshastighet kommer att påverkas vilket allt har inverkan på karakteristika för om dropparna kommer att "överbàras" eller inte). För att ytterligare reducera gashastigheterna.i óverhettaren 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 inloppsförhällandena till elfiltret både 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 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) ânnarS är närvarande i form av' kall kvävgas, 'vilken skulle förbränningstemperatur. Denna temperaturökning skulle gynna behöva energi för uppvärmning till den icke önskade reaktionen nællan 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 fràn 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 514 813 6 total förbränning. Ju mera syrgasberikad luft som tillsätts ju næra vanlig luft kan omfördelas. Den nedre eldstaden skall bara tillföras sä 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 uppåtgående gashastigheterna minskas ytterligare luften. ytterligare reduktion i uppåtriktade gashastigheter gör att jämfört med om man bara syrgasberikar Denna 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 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 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 pà syrenivån i luften bestäms av ekonomiska faktorer, säkerhetsaspekter beträffande syrgashantering och andra kapacitetsbegränsande faktorer i pannan såsom äng/vattensidiga begränsningar, t.ex. cirkulationshastighet. En. praktisk övre gräns har erfarenhetsmàssigt visat sig vara cza 30% (vol)syrehalt i förbränningsluften på befintliga sodapannor och c:a 50% på nya sodapannor. Orsaken för det högre värdet vid nya pannor 514* 313 j 7 är att cirkulationskretsar, luftsystem etcetera kan designas för dessa förhållanden från början.

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

I Fig. 2 'visas schematiskt ett scenario soul 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 uppåtgàende gashastighet, och där pannlasten har ökats genom att reducera barlasten 1) dels genom en syrgasanrikning av förbränningsluften och 2) genonx borttagande av luft och tillförsel till den. övre eldstaden för att undertrycka en temperaturhöjning till den punkt där den uppåtgàende gashastigheten hålls 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 användnigen av syrgasberikad luft.

Ett tredje driftsscenario kan tänkas vara en kombination av de tvà ovan beskrivna där av någon anledning sodapannan den nedre behöver köras med en förhöjd temperatur i 514 1.313 8 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 Fig.4 bränsle-N reaktionerna.i svartlutförbränningsprocessen sker. i förbränningsprocessen. visar schematiskt hur Det bränslebundna kvävet frigörs under förgasnings- (pyrolys) fasen och bildar aminer, företrädesvis ammoniak, som i sin tur i en oxiderande hög temperatur atmosfär oxideras till kvàveoxid. 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 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 bildas substökiometriska pyrolysförhàllanden skall bibehàllas sà bränslerika gasförhâllandena, som under länge som möjligt (superstegat) innan den möter luften ovanför eldstaden för total förbrnning. Pà dtta sätt har det bränslebundna kvävet tid att konverteras till fri kvävgas (se Fig. 5) eftersom ammoniakmolekylen inte är termo- stabil i temperaturbetingelser utan sönderfaller till kvävgas och dynamiskt 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 NO+H§) trots att temperaturen fortfarande är under gränsen där termiskt NOX bildas, den schematiska formeln Näfiøz ger d.v.s. en hög temperatur' i den nedre eldstaden lO 5141813 9 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 nær tillämpbart pà existerande sodapannor som redan. har en inbyggd fysisk begränsning sä kan det också tillämpas på nya sodapannor pà 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 luftfaktorn, i den framförallt i primärluftnivàn är att nedeldningsförfarandet nedre eldstaden och sänkning av 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 son1 nämnts tidigare, att kostsamma ombyggnader av' dessa luftregister kan minimeras eftersom volymen av den luft som omdistribuerats fràn den nedre eldstaden kan minskas. I annat fall måste fler luftportar installeras och kapaciteten pà luftflàktarna 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)

10 15 20 25 30 35 ":gššä:t8%l3 ' 'ft ; >;fQ(f§ff' 10 PATENTKRAV

1. l. En metod för svartlutsförgasning i sodapannor, av det slag, som har en undre del som benåmnes den nedre eldstaden och en övre del som benåmnes den övre eldstaden, lutsprutor för tillförsel av svartlut anordnade i pannan ovanför den nedre eldstaden, och ett antal förbränningsluftnivàer, k ä n n e t e c k n a d a v tillsättning av syrgasanrikad luft till förbränningsluften eller direkt in i den nedre eldstaden vid minst en nivå syfte att reducerande atmosfär i den nedre eldstaden, under lutsprutorna i skapa bästa möjliga omfördelning av förbränningsluft från den nedre eldstaden, vilken inte längre behövs, till följd av tillsatsen av syr- gasberikad luft, varigenom de uppåtgàende gashastigheterna under lutsprutorna reduceras avsevärt, och införande av den omfördelade förbränningsluften i den övre eldstaden, för att därigenom åstadkomma de reducerande förhållanden och eldstaden för en kontrollerad temperatur i den nedre emissionskontroll.

2. En metod enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d a v reducering zur energibehovet i den nedre eldstaden genom minskning av ballast i form av kväve som ingàr i den omdistribuerade normala förbränningsluften, och åstad- kommande 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. 10 15 20 25 30 35 514 813 ll

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

4.En metod enligt patentkrav 2, k ä n n e t e c k n a d a v àstadkommande av en stökiometrisk zon i den unedre 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 f superstegad fördelning av syrgas från luft i den nedre eldstaden för att bibehålla reducerande förhållanden pä en luftnivà ovanförlutsprutorna och en ombränningsförbränning pà en, högre belägen luftnivà. för att skapa tillräcklig uppehàllstid 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, k ä n n e t e c k n a d a v anrikning av alla luftnivàer i den övre eldstaden med syrgasanrikad luft utöver den som anges i patentkravet l, för att därigenom åstadkomma reducering av gashastigheten vid inträde i överhettarsektionerna och i inloppet till en stoftavskiljare för att minimera risken för direkt inverkan vàrmeytor och pà/igensättning av försämring av stoftavskiljarens insamlingseffektivitet. 10 514 813 12

7. En metod enligt nàgot av föregående patentkrav, k à n n e t e c k n a d a v reducering av luftvolymen genom anrikning av alla luftniváer 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, k à n n e t e c k n a d a v anrikning av alla luftnivàer' i dens nedre eldstaden med nedslàckning av pannan för ökning av syrgas under koksförbrånningstakten och förkortning av den för utbränning av bädden erforderliga tiden.