SE520927C2 - Förfarande vid drift av en värmeproducerande anläggning för förbränning av klorinnehållande bränslen - Google Patents

Description

b) UI 520 927í“ï?f%ë3+ï 2 ligt sämre avskiljningsförmåga hos stoftavskiljare. Genom att tillsätta lämpliga mängder av ett svavelinnehållande additiv kan rökgaspartiklarnas resistivitet optimeras vid eldning av lågsvavligt kol; allt i syfte att ernå god stoftavskiljning. I den beskrivna anläggningen är stoftavskiljaren placerad omedel- bart uppströms rökgasutloppet eller skorstenen, men nedströms ett flertal värmeöverföringsanordningar, såsom en sekundär överhettare, en återuppvärmande överhettare, ett sk "ball- room", en primär överhettare, en economizer och en luftför- värmare. I det föredragna utförande som beskrivs i US 4043768 införs det svavelinnehållande additivet i en punkt uppströms stoftavskiljaren, men nedströms ett antal värmeöverförings- anordningar. Närmare bestämt föredras att additivet sprutas in i rökgaskanalen i ett avsnitt beläget mellan inloppet till sagda "ball-room" och den primära överhettaren, där temperatu- ren ligger inom området 900-550°C.

Uppfinningens bakgrund Fasta bränslen i form av bio- och avfallsbränslen blir en alltmer etablerad energikälla för kraftvärmeproduktion, bl a till följd av att dylika bränslen är långsiktigt tillgängliga och ger en energieffektiv förbränning. Till kategorin biobräns- len hör bl a träflis, bark, halm, sågspån, svartlut och liknan- de, medan avfallsbränslen kan innehålla exempelvis sorterat hushållsavfall, industriavfall, rivningsvirke, slam, etc. Prin- cipiellt skall med avfallsbränsle förstås sådana material som redan använts för annat ändamål, medan biobränslen är sådana växtmaterial som tillvaratas ur naturen utan annat ändamål än att producera energi.

Sedan bio- och avfallsbränslen tagits i bruk i stor skala har det emellertid visat sig att dylika bränslen i flera aspekter är betydligt svårare att elda än kol. Detta beror bl a på att bio- och avfallsbränslenas aska har en annan sammansätt- ning och andra smältegenskaper än askan från kol. Ett av de mest kostsamma problemen är korrosion och askbeläggningar på de överhettartuber och andra delar som ingår i anläggningarnas värmeöverföringsanordningar. Allvarlig högtemperaturkorrosion har sålunda kunnat påvisas i ett stort antal kraftvärmeverk efter några års drifttid med 100% biobränsle. Korrosionen vid 10 20 25 30 DJ UI 520 927 3 träbränsleeldning startar vid ångtemperaturer i överhettaren på ca 480 °C och ökar sedan med temperaturen upp till ca 550-600 °C. Detta motsvarar ångtemperaturen i de varmaste överhettarna i moderna kraftvärmeverk. Det finns en trend i branschen att blanda in rivningsvirke och sorterade avfallsfraktioner i bränsleblandningen, vilket kan ytterligare accentuera ovan- nämnda problem och utvidga korrosionen även till värmeöverfö- rande ytor med lägre materialtemperatur. Av fackmannen inom om- rådet anses klor vara den huvudsakliga korrosionsacceleratorn.

Det antas att kloren transporteras till ytan på överhettar- tuberna i form av gasfasig alkaliklorid (vid träbränsle före- trädesvis kaliumklorid), alternativt såsom mycket små aerosoler av alkaliklorid som kondenserat strax uppströms överhettaren.

På tubytan sker reaktioner mellan alkalikloriderna och exempel- vis järnoxid under bildning av fri klor, som i denna form är mycket korrosiv. Den exakta mekanismen för korrosionen är ej helt klarlagd, men det står utom allt tvivel att klor har en central roll.

Inom fackmannakretsar har förhållandet svavel/klor eller S/Cl-kvoten i bränslet föreslagits som parameter indikerande risken för klorinducerad högtemperaturkorrosion. Det är sedan tidigare känt att tillsats av svavel till bränslet reducerar klorinducerad korrosion vid avfallseldning. Det har antagits att en S/Cl-kvot högre än 4 skulle vara tillräcklig för att överhettarkorrosionen skulle bli acceptabelt låg. Skogsbränslen har emellertid en S/Cl-kvot inom området l-2, och Osorterat hushållsavfall ca 0,2-1. Även bränslen med relativt hög S/Cl-kvot kan ge upphov till problem relaterade till alkaliklorider, nämligen om de eldas under förutsättningar som innebär att en stor andel av svavlet binds i form av sulfatföreningar redan i själva för- bränningsförloppet. Sådana förhållanden råder exempelvis vid förbränning av kol i fluidbädd med tillsats av kalksten, dolo- mit eller andra ämnen som bildar basiska oxider i förbrännings- rummet i syfte att minska S02-utsläppen. Speciellt vid förhål- landevis hög dosering eller förekomst av den svavelbindande tillsatsen, för att möta strängare miljökrav, har klorkorrosion inträffat på överhettarytor belägna nedströms förbrännings- ZOflefl .

W Ü 20 25 520 927 4 att minska överhet- tarbeläggningarnas klorhalt är att alkalikloriderna i rökgasen Hypotesen kring svavlets förmåga omvandlas till alkalisulfat innan de når överhettaren enligt följande summaformel: 2Kc1 + soz + af oz + H20 <1» Kzsoq + zHcl (i) vars jämvikt är förskjuten till höger vid rökgastempera- turer under ca 800 °C.

Provmätningar har visat att det krävs en tämligen hög koncentration av S02 i rökgasen för att KCl skall reduceras signifikant vid rökgastemperaturer omkring 700-900 °C, vilket motsvarar det temperaturomràde inom vilket överhettarna arbetar i de vanligaste panntyperna. Exempelvis har mätningar vid eld- ning av skogsflis visat att det krävs en S02-halt i rökgasen motsvarande ca 50-150 mg S/per MegaJoule (MJ) bränsle för att uppnå 50% reduktion av kaliumkloridhalten i rökgasen före över- hettarna. Detta motsvarar ett S/Cl-molförhàllande i rökgasen på ca 3-10. Ökningen av svaveldioxidhalten i rökgasen får negativa konsekvenser i form av ökade S02-emissioner från anläggningen (problem med utsläppsvillkor och miljötillstànd) och ökad risk för lägtemperaturkorrosion. Orsaken till att det krävs ett så stort S02-överskott är att reaktionen (1) är kinetiskt begrän- sad vid aktuell rökgastemperatur och hinner därför aldrig nå jämvikt innan kloriden träffar överhettaren.

Reaktion (1) steg. Ett viktigt delsteg anses vara: är en summareaktion innefattande flera del- soz + o om) <:> so: <+M> <2) där M är en katalysator för oxidationen. Den bildade svaveltrioxiden reagerar sedan vidare med alkalikloriderna enligt formeln: 2Kc1 + so: + H20 ® K2so4 + 2Hc1 (3) M kan exempelvis vara järnoxid. Jämvikten för reaktionen (2) gär mot höger vid sjunkande temperatur. Vid temperaturer 20 25 520 927 5 omkring 700 °C är halterna S02 respektive S03 lika stora vid jämvikt (beror av svavelhalten och syrehalten). I frånvaro av katalysatorn M är reaktion (2) långsam vid temperaturer under 900 °C. I rökgas är koncentrationen av M normalt låg i förhål- lande till de gasfasiga reaktanterna syre och svaveldioxid.

Därför hinner ej speciellt stor andel svaveldioxid oxideras till svaveltrioxid innan rökgaserna lämnar anläggningen. Detta har verifierats genom mätningar av S03-halten i rökgas vid ca 150 °C, oxidinnehållet i gasfas föreligger som SO, vilka visar att endast ca 1-3% av det totala svavel- Tillsats av svavel vid förbränningen kan ske på olika sätt. Den vanligast förekommande metoden är att samelda ett bränsle med låg S/Cl-kvot med ett bränsle med (t ex biobränsle) högre svavelinnehåll, exempelvis vanligt förekommande kolsorter eller torv. Mätningar har visat att andelen kol eller torv dock behöver vara relativt stor (20-50%) för att en påtaglig minsk- ning av alkalikloridflödet till överhettaren skall åstadkommas.

En så stor inblandning av fossilt bränsle är inte alltid fören- lig med energiproducentens krav på den externa och den interna miljön, och vanligen ej heller ekonomiskt fördelaktig. Många förbränningsanläggningar saknar dessutom bränslehanteringssys- tem avpassade för att hantera flera bränsleflöden. I samband med kommande ekonomiska styrmedel för minskning av C02-utsläpp kan sameldning med en stor andel kol förväntas bli klart olön- sam i jämförelse med ren bio- eller avfallsbränsleeldning.

Dessutom är bio- och avfallsbränslen såväl som de flesta sva- velrika bränslen inhomogena med avseende på bl a svavelinnehål- let. Detta innebär att olika blandningsförhållanden mellan bränslena krävs vid olika tidpunkter för att upprätthålla en tillräckligt hög S/Cl-kvot utan att svavelemissionen blir hög.

Eftersom fördröjningarna och buffertvolymerna i bränslehanter- ingssystemen i regel är avsevärda (en typisk inmatningsficka kan rymma bränsle för ca 1 timmes drift) är det uppenbart att det blir reglertekniskt mycket svårt att upprätthålla optimala blandningsförhållanden vid varierande svavel- och klorinnehåll i bränsleströmmarna.

En annan teoretiskt tänkbar metod att tillföra svavel är att dosera elementärt svavel i granul- eller pulverform direkt i bränsleflödet omedelbart innan bränslet matas in i pannan. 20 35 520 927 6 Oavsett metod att tillföra svavel till bränslet före förbränningen enligt ovan kommer utsläppen av S02 att påtagligt öka.

Uppfinninqens syften och särdrag Föreliggande uppfinning tar allmänt sikte på att undan- röja eller åtminstone påtagligt lindra de problem som är för- knippade med klorinducerad korrosion på de överhettare eller värmeöverföringsanordningar som ingår i värmeproducerande an- läggningar av aktuellt slag. Ett primärt syfte med uppfinningen i en första aspekt är därför att skapa ett driftförfarande vid vilket halten av alkaliklorider i rökgasen reduceras till ett minimum innan rökgasen träffar den första av de olika värme- överföringsanordningar som är placerade i rökgaskanalen mellan förbränningsutrymmet och anläggningens utlopp, utan att för den skull ge upphov till signifikant förhöjda S02-emissioner till omgivningen. Ett ytterligare syfte är att åstadkomma den önska- de reduktionen av rökgasens alkalikloridinnehåll medelst sva- velmängder som är betydligt mindre än de mängder som krävs vid de ovan beskrivna sulfateringsmetoderna.

Enligt uppfinningen nås åtminstone det primära syftet medelst de särdrag som är angivna i patentkravets l känneteck- nande del. Fördelaktiga utföranden av det uppfinningsenliga förfarandet är vidare definierade i de osjälvständiga patent- kraven.

Ytterligare belysning av teknikens ståndpunkt Genom DE l9849022 är tidigare känt att på ingressvis an- givet sätt dosera in en svavelhaltig kemikalie i rökgasen ned- ströms en förbränningszon och uppströms en uppsättning värme- växlare i syfte att reducera klorinducerad korrosion på värme- växlarna. Upphovsmannen till förfarandet enligt denna patent- publikation har emellertid ej insett fördelarna med att primärt tillsätta SO3 snarare än S02. Sålunda regleras additivdose- ringen vid det kända förfarandet utifrån uppmätt S02-halt i rökgaskanalen och när SO2-halten underskrider ett visst gräns- värde startas doseringen så att SO2-halten höjs över gränsvär- det. Såsom enda exempel på ett sulfaterande additiv anges 10 15 20 25 30 35 520 927 7 MGSO4, varvid all mät- ning och reglering i rökgasen sker på basis av just S0; I motsats till förfarandet enligt DE l9849022 som vid injicering i rökgasen bildar S09 bygger föreliggande uppfinning på tanken att primärt tillsätta enbart S03, och effektivt med förekommande alkaliklorider under bildande av som - utan långsam oxidation av S02 - reagerar mycket snabbt alkalisulfat som är betydligt mer harmlös i korrosionshänseende.

Härvid krävs ej något överskott av S02 för att åstadkomma till- räcklig sulfateringsreaktion. Med andra ord undviks onödiga S02- utsläpp. Vidare kan flödet av S03 enligt uppfinningen snabbt an- passas till förändrad pannlast och/eller rökgassammansättning så att optimal S/Cl-kvot kontinuerligt upprätthålls i rökgasen upp- ströms samtliga överhettare eller värmeöverföringsanordningar under varierande förbränningsbetingelser.

Detaljerad beskrivning av det uppfinningsenliga förfarandet Det uppfinningsenliga förfarandet bygger på tanken att spruta in ett alkalikloridreducerande ämne eller additiv i anläggningen i ett område eller kanalavsnitt som är beläget å ena sidan nedströms den förbränningszon i vilken väsentligen allt bränsle förbränns (>90% skall brinna uppi denna zon), och å andra sidan uppströms och på avstånd från den värmeöverförings- anordning som först träffas av rökgasen. Närmare bestämt skall insprutningen ske i en punkt där rökgasens temperatur ligger inom området 1000-600°C. I motsats härtill förordas i US 4043768 tillförsel av ett svavelinnehållande additiv i en punkt belägen nedströms ett flertal av de i anläggningen ingående värmeöverföringsanordningarna, vilka av detta enkla skäl utsätts för klorinducerad korrosion. Vidare skall additivet i samband med sitt inträde i rökgasströmmen i allt väsentligt utgöras av reaktiv svaveltrioxid (S09, 20 mg S/nån (normalkubikmeter) rökgas. Det ämne som sprutas in som tillsätts i en mängd av minst kan ha olika former, men benämns fortsättningsvis generellt "additiv". det genererar S03 vid upphettning till de temperaturer som är Utmärkande för additivet skall emellertid vara att För detta ändamål väljs enligt ((NH4)25O4), aktuella i doseringsområdet. ammoniumsulfat (FGSO4) . uppfinningen en förening ur gruppen: ((NH4)HS04) och järnsulfat ammoniumbisulfat 20 25 520 927 8 Dessa salter år lättlösliga i vatten och kan med fördel injice- ras såsom vattenlösning, t ex en 25%ig vattenlösning (vikt-%) av ett ammoniumsulfat. Ett tänkbart vätskeformigt additiv ut- (Hzsq) I och med att insprutning sker på avstånd från den för- görs av svavelsyra av olika koncentration. sta värmeöverföringsanordningen hinner den reaktiva svaveltri- oxiden under sin väg fram till denna anordning sulfatera i syn- nerhet gasformiga alkaliklorider så att dessa reduceras till ett minimum innan rökgasströmmen når sagda första värmeöver- föringsanordning.

De vätskeformiga additiven doseras lämpligen med hjälp av dysor (se "Doseringsutrustning" nedan). Det är även möjligt att i pannan injicera SC5-bildande additiv i fast fas (partiku- lär form) med hjälp av exempelvis en luft- eller rökgasström.

Detta kan lämpligen realiseras genom att använda en lans för additivdoseringen (se "Doseringsutrustning" nedan). Ytterligare en möjlighet att åstadkomma den effekt som eftersträvas enligt uppfinningen är att generera S03-gas utanför själva pannan och leda in den S03-berikade gasen i rökgasen i det specificerade avsnittet av rökgaskanalen. Detta kan exempelvis åstadkommas genom upphettning/kokning av svavelsyra. En annan metod är att först generera S02, exempelvis genom förbränning av svavel i en ugn, och därefter leda S02-gasen över en vanadinkatalysator, där den omvandlas till S03. Huruvida upphettningen av det S03- generande ämnet sker utanför pannan, inne i rökgasen eller inuti någon form av lans placerad i rökgaskanalen är av under- ordnad betydelse för uppfinningens genomförande.

Uppfinningens fördelar En fördel med att spruta in ämnen som direkt bildar SOW utan att gå vägen kring den långsamma oxidationen av S02, är att S03 reagerar mycket snabbt och effektivt med förekommande alkaliklorider under bildande av alkalisulfat som är betydligt mer harmlös i korrosionshänseende. Härvid krävs ej något över- skott av S02 för att åstadkomma sulfateringsreaktionen och där- med undviks onödiga S02-utsläpp. Vidare kan svavelåtgången be- gränsas, dels tack vare ovannämnda effektivare reaktionsväg, dels genom att S03-tillsatsen sker efter själva förbrännings- zonen, där andelen svavel som binds till bränsleaskans basiska 10 15 25 f; .== « ". i ' ' 1 v' i É 'j i < v q ,°° v , í y :f t» .v , ï | 9 oxider eller till avsvavlingsprodukter såsom kalksten eller do- lomit är minimal. Flödet av S03-tillsatsen enligt uppfinningen kan snabbt anpassas efter förändrad pannlast och/eller rökgas- sammansättning så att optimal S/Cl-kvot kontinuerligt upprätt- hålls i rökgasen uppströms samtliga överhettare eller värme- överföringsanordningar under varierande förbränningsbetingel- ser, t ex till följd av variationer i bränslena.

Optimalt temperaturintervall Anledningen till att någon större mängd S03 ej omvandlas till S02vid hög temperatur, exempelvis närmare 1000 °C, där den termodynamiska jämvikten är förskjuten mot S02, är att kinetiken för reaktionen (2) enligt ovan är långsam (gäller i båda riktningarna). Hastigheten för reaktionen (2) ökar med ökad rökgastemperatur. Då gastemperaturen i insprutningspunkten stiger över exempelvis 1000 °C ökar därför omvandlingen av S03 till S02 påtagligt, varvid effektiviteten hos det uppfinnings- enliga förfarandet minskar. Det fördelaktiga temperaturinter- vallet för insprutning eller tillförsel av det S0,-genererande ämnet är därför 600-1000 °C. Vid temperaturer under 600 °C är halten alkaliklorid i gasfas mycket låg på grund av att klorid- gasens daggpunkt underskrids. Därvid kondenserar alkalikloriden 100 nm) veltrioxiden sulfaterar även en viss andel av dessa alkaliklo- ridaerosoler i de fall de bildas, men laboratorieexperiment har och bildar mycket små (5 - aerosoler i rökgasen. Sva- visat att sulfateringen av alkaliklorider sker avsevärt snabb- are i gasfas än i kondenserad fas. Det är därför fördelaktigt att genomföra doseringen av additivet i ett område där merpar- ten av alkalikloriden befinner sig i gasform, dvs på visst av- stånd uppströms den första värmeöverföringsanordningen, men nedströms själva förbränningszonen.

Val resp. reqlerinq av optimal mängd additiv Doseringen av additiv bör i varje tillämpning respektive driftförhållande kontinuerligt anpassas till det aktuella rök- gasflödet samt alkalikloridhalten i rökgasen. Rökgasflödet kan beräknas utifrån pannans producerade effekt samt bränslets fukthalt och elementarsammansättning eller mätas med för fack- mannen kända metoder. Alkalikloridhalten i rökgasen kan med 20 25 520 927-»2 10 fördel mätas med den teknik som är beskriven i SE patentet 9903656-8 eller approximativt beräknas baserat på uppgifter om bränslets klorhalt. Andra faktorer som påverkar valet av addi- tivflöde är exempelvis bränslets svavelhalt samt rökgastempe- raturen i det avsnitt av rökgaskanalen där additivet förs in.

Bränslets svavelinnehåll oxideras först till svaveldioxid, var- efter denna svaveldioxid kan sulfatera alkaliklorid i rökgasen.

Dock är det endast en mindre andel av bränslesvavlet som bidrar till sulfatering av alkaliklorid innan rökgaserna träffar över- hettaren. Ett alltför lågt additivflöde leder till begränsad effekt på klorkorrosionen, medan ett alltför högt flöde innebärl onödigt hög additivförbrukning samt ökad risk för korrosion och beläggningsbildning på anläggningens lågtemperaturvårmeväxlare, exempelvis luftförvärmaren som arbetar med materialtemperaturer inom området 80-200 °C.

Det är ej nödvändigt att helt eliminera alkalikloriden i rökgasen för att undvika klorkorrosion. Ofta är en minskning av koncentrationen med omkring 50-80% tillräcklig för att uppnå en avsevärt lindrigare korrosion. Nödvändig reduktionsgrad beror på bränslesammansättning, driftbetingelser, överhettarmaterial, ängtemperatur m.m. och bör avgöras från fall till fall.

Teoretiskt skall, 0,5 mol S03 vara tillräcklig för att sulfatera 1 mol alkaliklorid. Prak- enligt reaktion (3) ovan, tiska mätningar i förbränningsanläggningar indikerar dock att det krävs en additivtillsats motsvarande ett molförhållande SOy¶KCl+NaCl] inom området 0,75-2,0 för att erhålla 75% klorid- reduktion. Uttrycket [KCl+NaCl] representerar här antalet mol kaliumklorid plus antalet mol natriumklorid per kubikmeter gas i rökgaserna precis uppströms det kanalavsnitt i vilket addi- tivdoseringen sker. Detta motsvarar för träbränsle med en anta- gen klorhalt av 0,027 vikt% en svaveltillsats om ca 10-28 mg S/MJ bränsle eller ca 0,18-0,49 g S/kg (torrsubstanshalt TS) bränsle. Genom att beräkna den specifika rökgasmängd som upp- står vid förbränning av träbränsle i enlighet med detta exempel ger ovannämnda additivdosering ett tillskott av svavel i rökga- sen motsvarande 24-63 mg S/nfn våt rökgas. För bränslen som in- nehåller en större mängd vid förbränning flyktigt alkali jäm- är den approximativa be- fört med klor, exempelvis träbränslen, räkningen av additivbehovet förhållandevis enkel, eftersom den 20 520 92fi“fÜfï5Ü ll helt övervägande delen av bränslets klorinnehåll kommer att föreligga såsom alkaliklorid i rökgasen när denna inträder i det kanalavsnitt där additivsdoseringen sker. För bränslen med ett högre klor/alkali-förhållande, exempelvis vissa avfalls- bränslen, kommer en viss del av bränslets klorinnehåll att bilda saltsyra (HCl) direkt i förbränningszonen, vilket behöver tas hänsyn till vid approximativ beräkning av lämplig additiv- mängd.

Anledningen till att en högre S0fl¶KCl+NaCl]-molkvot krävs i praktiken jämfört med teorin är att S03 reagerar även med andra alkaliska föreningar i rökgasen vid sidan av alkali- kloriderna, samt att en liten andel S03 reduceras till S02, där den senare är i princip overksam för reaktion med alkaliklori- derna. Under alla omständigheter är den mängd svavel, som krävs för att nå en viss reduktion av alkalikloridhalten i rökgas, betydligt mindre vid insprutning av S03-genererande additiv i rökgasen jämfört med svaveltillsats till bränslet.

Tillvägagångssättet vid bestämning av det optimala flö- det av S03-additiv i en given tillämpning är följande. Additi- vet doseras proportionellt mot bränsleflödet enligt nedanstå- ende formel (4); Additivflöde [g svavel/tinne] = bränsleflöde [kg TS/tinne] x K (4) Formel (4) beräknar vilket flöde av svavel som krävs för att uppnå en viss kloridreduktion. Då typen av svavelförening som används för att generera S03-gasen är känd kan flödet av svavelföreningen därefter enkelt beräknas. Exempel avseende ammoniumsulfat redovisas nedan. Bränsleflödet kan beräknas uti- från aktuell, producerad termisk effekt och total pannverk- ningsgrad eller mätas direkt med vedertagna metoder. K är en parameter som varierar med bränslets klorhalt, svavelhalt, alkalihalt samt anläggningsspecifika faktorer. Exempelvis kan parametern K uppgå till z 0,28 g svavel/kg (TS) bränsle vid förbränning av träbränsle. Vid en sådan additivtillsats kan förväntas 70-80% reduktion av alkalikloridhalten i rökgasen, vilket är tillräckligt för att radikalt minska korrosionshas- tigheten på överhettaren. Om ammoniumsulfat används såsom S03- genererande additiv motsvarar ovannämnda flöde ca 1.13 gram W U 20 12 ammoniumsulfat/kg (TS) bränsle eller 157 mg ammoniumsulfat/m3n rökgas.

Typiska riktvärden på parametern K för andra fastbräns- len redovisas nedan.

- Hushållsavfall: l-3 g S/kg TS - Återvunnet trä (flis): 0,7 - Brunkol (klorrikt, l,5% Cl): 0,8 - Torv; 0,15 Det skall observeras att samtliga bränsletyper oftast äri inhomogena. Stora variationer kan förekomma både vad avser klorinnehàll och övriga egenskaper, vilket innebär att det optimala additivflödet kan behöva injusteras i varje enskild tillämpning. Injusteringen kan ske vid ett enda tillfälle eller intermittent i de fall då ett bränsle med relativt homogen kva- litet används. I de fall bränslekvaliteten varierar i högre grad (dä exempelvis avfallsbränslen eller en blandning av olika typer av biobränslen används) bör kontinuerlig mätning i rök- gasen ske, samtidigt som doseringen av additiv regleras. De metoder som finns för att kampanjvis trimma in optimalt addi- tivflöde, eller närmare bestämt finjustera parametern K enligt sambandet (5), Nödvändigt additivflöde för att uppnå önskad reduktion av alkalikloridhalten i rökgasen kan undersökas med följande redovisas nedan. metoder: 1) Direkt in-situ mätning av alkalikloridhalten i rökgasen i området av den första överhettaren, företrädesvis medelst den mätmetod som är beskriven i SE 9903656-8. Injusteringen av additivflödet begränsas ej av svarstiden på själva mät- ningen utan snarare av omställningstiden för respektive flödesnivä. 2) Kampanjmätning av sammansättning och tillväxt hos den ask- beläggning som bildas på en temperaturreglerad sond som ex- En dylik poneras för rökgas i anslutning till överhettaren. kampanjmätning tar dock vanligen 3-12 timmar i anspråk för att erhålla användbara resultat. 20 25 30 3) 520 92753Ü*§7i 13 Korrosionsmätning med en temperaturreglerad sond som expo- neras för rökgas i anslutning till överhettaren. En dylik mätning tar vanligen 1-12 veckor i anspråk för att erhålla användbara resultat. Den är därför i praktiken mycket tids- ödande och opraktisk.

On~line mätning av överhettarkorrosion med moderna sondmeto- der baserade på elektrokemi. Metoden har dock ca 1-12 tim- mars svarstid efter en stegvis förändring av rökgaskemin innan tillförlitliga mätresultat uppnås.

Mätning av HCl (reaktionsprodukten i sulfateringsreaktionen [1]), antingen i området kring den första överhettaren eller senare i rökgasstråket. När HCl-halten ej längre ökar med ökad additivdosering kan det antas att i princip all till- gänglig alkaliklorid i rökgasen har sulfaterats. kan an- Ovannämnda metoder 1-5 (företrädesvis metod 1) vändas för att kontrollera den mängd additiv som krävs för att erhålla det resultat som eftersträvas. Dock är det vanskligt att med dessa metoder kontrollera att överdosering ej sker, med ökad risk för negativa och kostsamma bieffekter. Dylika bief- fekter kan utgöras av korrosion och beläggningsbildning på an- läggningens lågtemperaturvärmeväxlare. För att kontrollera ten- densen till överdosering kan följande metoder tillämpas: 6) SO3flnätning i rökgasen nedströms det område där additivet doseras, med hjälp av för fackmannen välkända metoder.

Mätning av rökgasens syradaggpunkt med hjälp av kommersiellt tillgänglig mätutrustning.

Mätning av korrosion och beläggningsbildning med sond, i princip enligt metod 3) eller 4), men nu i anläggningens lågtemperaturdel, där rökgaserna antagit en temperatur av omkring 100-200 °C. 20 520 92%*ïÜ5äïÜ 14 Doserinqsutrustninq En viktig faktor för att åstadkomma avsedd alkaliklorid- reduktion är att det S03-genererande additivet sprutas in i rökgasen på ett sådant sätt att god omblandning av S03 och rök- gasens metallklorider sker innan denna gasblandning träffar överhettaren. Närmare bestämt behöver doseringen utföras så att koncentrationsförhållandet mellan S03 och metallklorid år i det närmaste konstant över ett tvärsnitt av rökgaskanalen innan rökgasen träffar den första överhettaren. Om insprutningen skulle ske på ett sådant sätt att exempelvis S03-additivet ej tränger in till rökgaskanalens centrum, utan fördelas till ka- nalens icke-centrala områden kommer klorkorrosion att alltjämt ske på överhettarens centrala parti, medan svavelrelaterad kor- rosion kan uppträda på de delar av överhettaren som exponeras för förhållandevis höga halter S03. Att i praktiken åstadkomma optimal inblandning av additivet i rökgasen försvåras av det faktum att rökgasflödet respektive alkalikloridkoncentrationen praktiskt taget aldrig är helt jämnt fördelade spatialt över det tvärsnitt av rökgaskanalen i vilken additivet införs. Bero- ende på utformning och drift av förbränningsanläggningen kan påtaglig stråkbildning förekomma i rökgasen mellan förbrän- ningszonen och överhettarna.

För att uppnå bästa möjliga spridning och fördelning av additivet över rökgastvärsnittet kan med fördel användas vägg- monterade dysor eller tvärställda lansar. Ett tredje alternativ är att utnyttja någon form av blandningsinrättning som är pla- cerad mellan insprutningspunkten och överhettaren. Denna bland- ningsinrättning kan i praktiken utgöras av en eller flera cyk- loner som är standardutrustning i den vanligt förekommande panntekniken CFB (Cirkulerande Fluidiserad Bädd).

För att uppnå ovannämnda krav på homogen koncentrations- fördelning av S03 över rökgastvärsnittet behöver rökgasflödes- profilen samt koncentrationsprofilen av metallklorider kartläg- gas. Detta för att utröna hur additivflödet skall fördelas över samma tvärsnitt. Det kan antas att alkalikloridkoncentrationen följer någon bränslespecifik komponent i rökgasen, exempelvis koldioxid. Kartläggning av gasflöde och koldioxidhalt över rök- gastvärsnittet kan göras genom mätning med för fackmannen kända metoder i fullskala, modellering i fysiska skalmodeller eller 10 15 20 25 . , . . , . « » < - .- 520 927 15 matematisk modellering (s k CFD). När den spatiala flödesför- delningen av alkaliklorid är kartlagd dimensioneras och injus- teras lämplig doseringsanordning enligt ovan (dysor eller lans) så att additivet tillsätts i proportion till det lokala klorid- flödet i varje del av rökgastvärsnittet. Resultatet kan kon- trolleras genom att i rökgastvärsnittet nedströms insprutnings- punkten kartera koncentrationsfördelningen hos en spårkomponent som tillsätts SO,-additivet och som är möjlig att mäta. Om ex- empelvis ammoniumsulfatlösning används kan ammoniak (som bildas då ammoniumsulfaten upphettas) användas såsom spårkomponent.

Dysornas antal, dimensionering och placering bör väljas noggrant i varje enskild tillämpning. Normalt bör minst två dysor användas. Vätskeformiga additiv har i detta avseende klara fördelar framför additiv i gasfas eller fast fas genom att i dysorna formas droppar, som lätt kan kastas åtskilliga meter motströms in i rökgasen. Om exempelvis 25%-ig ammonium- sulfatlösning sprutas in kommer vätskeflödet att vara så litet i förhållande till rökgasflödet att spädvatten kan behöva till- sättas sulfatlösningen innan lösningen pumpas in i dysorna.

Detta för att uppnå tillräcklig droppstorlek och inträngnings- djup i rökgaskanalen. I de vanligaste kommersiella dysorna tillsätts även tryckluft för att styra droppstorlek, sprid- ningsvinkel och kastlängd.

Kort beskrivning av bifogade ritningar På ritningarna är: Fig 1 en schematisk sidovy visande den allmänna uppbyggnaden av en värmeproducerande anläggning jämte en utrustning för additivdosering, Fig 2 en schematisk planvy av samma anläggning jämte dose- ringsutrustning, Fig 3 en mot fig 1 svarande sidovy visande en anläggning med en alternativ utrustning för additivdosering, Fig 4 en planvy visande samma anläggning jämte doserings- utrustning som i fig 3, Fig 5 en schematisk sidovy visande en alternativ anläggning, oci_ Fig 6 en scheïatisk planvy av anläggningen enligt fig 5. 10 20 k) U! 520 927:-ir w 16 Detaljerad beskrivning av föredragna utföranden av den uppfin- ningsenliqa anläggningen I fig 1 och 2 visas en förbränningsanläggning, som kan utgöras av en industriångpanna med huvudsaklig uppgift att alstra ånga, t ex för elproduktion, men som även kan utgöras av ett kraftvärmeverk. Anläggningen inbegriper en panna I med ett förbränningsutrymme 2 från vilket sträcker sig en generellt med 3 betecknad rökgaskanal, som ändar i ett utlopp i form av en som kan ha en höjd inom området 10-40 (BFB). I rökgaskanalen 3 är anordnade ett flertal efter varandra föl- skorsten 4. Pannan 1, meter, kan arbeta med konventionell virvelbäddsteknik jande värmeöverföringsanordningar genom vilka fluider, såsom ånga, vatten eller luft, kan passera i syfte att värmas av den passerande, heta rökgasen. I fig 1 exemplifieras dessa anord- ningar i form av tre överhettare 5, 5', 5". Varje dylik över- hettare inbegriper en sats rör eller rörslingor genom vilka ånga kan passera i syfte att överhettas genom värmeöverföring från rökgasen. Mellan förbränningsutrymmet 2 och rökgaskanalen 3 sträcker sig en snedställd vägg 6 ingående i en avskiljare som har till uppgift att samla nedfallande fasta partiklar ur rökgaserna och återföra dessa till förbränningsutrymmet. Sedan rökgasen passerat överhettarna 5, 5', 5" kyls densamma i en eller flera sk economizers och passerar en luftför- (ej visade) värmare (ej visad) för att slutligen släppas ut via skorstenen 4 (vanligen efter att först ha passerat ett eller flera icke visade elektrostatfilter).

Enligt uppfinningen är i ett kanalavsnitt beläget ned- ströms förbränningsutrymmet 2 anordnad en i sin helhet med 7 betecknad anordning för insprutning av additiv i rökgasen. I det visade utförandet inbegriper denna insprutningsanordning 7 ett flertal, närmare bestämt fyra dysor 7', 7", vilka samtliga är placerade i närheten av en kanalavgränsande takvägg 8. In- sprutningsanordningen 7 är, såsom tydligt framgår av fig 1 och 2, placerad uppströms och på avstånd från den överhettare 5 som först träffas av rökgasen. Avståndet mellan insprutningsanord- ningen 7 och den första överhettaren 5 bör uppgå till minst 0,75 m och företrädesvis 2 m eller mer.

Förutom insprutningsanordningen 7 ingår i additivdose- ringsutrustningen även en såsom additivkälla tjänande tank 9. 15 30 520 927- = 17 Från tanken 9 kan t ex 25%-ig ammoniumsulfatlösning pumpas med hjälp av en pump 10 till ett reglerdon 11, som reglerar den to- tala mängd additiv som skall doseras till pannan. I praktiken kan reglerdonet 11 utgöras av en pneumatiskt eller elektriskt styrd ventil i kombination med en flödesmätare för vätska. En separat styrenhet 12 beräknar lämpligt additivflöde baserat på en analog signal S, som svarar mot pannlasten sådan denna be- räknas medelst pannans styrsystem samt alkalikloridhalten i rökgasen. Denna alkalikloridhalt mäts med hjälp av en mätin- rättning 13, vilken med fördel kan vara utförd på det sätt som beskrivs i SE 9903656-8. av en dator. Beräkningen av det optimala additivflödet sker en- ligt de principer som redovisats ovan. Additivflödet delas ned- ströms reglerdonet 11 upp i ett antal delflöden via grenled- ningar med ventiler 14, vilka kan individuellt justera storle- ken av de olika delflödena fram till dysorna 7', 7". Flödena i respektive grenledningar kan avläsas på flödesindikatorer 15.

Av de fyra dysor som tillsammans bildar insprutningsan- ordningen 7 är två, nämligen dysorna 7', placerade i ett cent- ralt område av kanalen och axiellt riktade för att spruta tvenne additivplymer väsentligen axiellt i kanalen, närmare be- stämt motströms rökgasflödet. Med andra ord är dysorna riktade bakåt mot rökgasens inlopp i kanalen. De övriga båda dysorna 7" närmare bestämt i närheten av två kanal- är så beskaffade att de snett bakåt mot rökgasströmmen. är sidligt placerade, avgränsande sidoväggar 8'. Dysorna 7" sprutar in additivplymer 16' Additivplymerna 16, 16', vilka är snedställda i riktning nedåt från takväggen 8, bör vara så stora att de tangerar eller något överlappar varandra. Utflödet av additiv möter sålunda den framströmmande rökgasen och blandas väsentligen jämnt med denna. För att styra dysornas droppstorlek, kastlängd och spridningsvinkel oberoende av additivmängden kan spädvatten från en spädvattenkälla 17 tillföras till dysorna tillsammans med tryckluft från en tryckluftkälla 18. Flödena av spädvatten och tryckluft är justerbara med hjälp av ventiler 19 resp. 20.

Av det ovanstående framgår att tillförseln av delflödena av additiv via de olika dysorna kan regleras individuellt. På så sätt kan optimala mängder additiv tillsättas även om stråk- bildningar förekommer i rökgasströmmen.

Styrenheten 12 kan i praktiken utgörasi U 20 25 520 92¿”äÖ5iïi W Det må påpekas att rökgasens temperatur vid insprut- ningsanordningen, dvs uppströms den första överhettaren 5, normalt ligger inom området 600-lO0O°C.

Resultatet av additivdoseringen, dvs reduktionen av alkalikloridhalten i rökgasen, mäts in situ med hjälp av mät- inrättningen 13, vilken med fördel är placerad omedelbart ned- ströms den första överhettaren 5.

I fig 3 och 4 visas ett alternativt utförande av en additivdoseringsutrustning. I stället för enskilda dysor an- vänds här en sk lans, som har formen av ett rör 7, vilket är placerat i närheten av takväggen 8 och sträcker sig mellan si- doväggarna 8'. Sprutdonen utgörs av munstycken eller hål 7'” som är axiellt åtskilda utmed röret för att åstadkomma sprut- ning av motströms riktade, varandra tangerande additivplymer 16. Hålen 7'” är lämpligen ekvidistant åtskilda. Via lansen eller röret kan sprutas additiv, som icke blott kan vara gas- eller våtskeformiga utan även ha fast, partikulär form. I ex- emplet tänkes insprutningsanordningen använda sig av en 25%-ig vattenlösning av ammoniumsulfat, som finfördelas i en dysa 21 i en kammare 22 genom vilken luft eller rökgas flödar. Temperatu- ren i kammaren 22 hålls vid ungefär l50°C genom tillförsel av värme via ett värmebatteri 23. Det är även tänkbart att använda förvärmd luft eller rökgas. Värmen i kammaren 22 medför att vattnet i sulfatlösningen förångas, samtidigt som ammoniumsul- fatet bildar mycket små, fasta partiklar som medbringas av ett gasflöde inuti lansen och fördelas i den ankommande rökgasen via munstyckena eller hålen 7'”.

I detta sammanhang må påpekas att fler än en lans kan vara monterade i rökgaskanalen.

I fig 5 och 6 exemplifieras en sk CFB-panna som utnytt- jar en befintlig cyklon 25 för blandning av via dysor 7" till- förda additivplymer 16 med rökgasen.

Ytterligare fördelar med uppfinningen I de fall bränslet innehåller tungmetaller såsom zink och bly (ämnen s_m är vanligt förekommande i exempelvis av- fallsbränslen) kan zinkklorid respektive blyklorid bildas i rökgasen vid sidan av alkalikloriderna. Dessa tungmetallklori- der har ett högre ångtryck än alkalikloriderna och kan före- 10 15 20 25 520 9277ä komma helt i gasfas även vid rökgastemperaturer under 600 °C.

Zink- och blyklorider har egenskaper som liknar alkaliklorider- nas såtillvida att de ofta anrikas på överhettarrören och på- skyndar korrodering av dessa. Beläggningar som innehåller på- tagliga andelar tungmetall angriper ofta även överhettare som drivs vid låga ångtemperaturer, exempelvis 380-480 °C. Detta antas ske genom att tungmetallkloriderna bildar lågsmältande blandningar med exempelvis alkaliklorider i överhettarrörens askbeläggningar. Tillsats av svaveltrioxid uppströms överhet- tarrören enligt uppfinningen kommer även att sulfatera tung- metallkloriderna, vilket medför en signifikant minskning av korrosionshastigheten i de tillämpningar och temperaturinter- vall där tungmetallerna spelar en påtaglig roll för korrosions- angreppen.

En ytterligare fördel med uppfinningen är att använd- ningen av ammoniumsulfat eller ammoniumbisulfat för att gene- rera SO] samtidigt medför en påtaglig NOK-reduktion om dose- ringen sker inom temperaturintervallet 800-950 °C. Genom att blanda ammoniumsulfatlösning och ammoniaklösning i olika pro- portioner kan såväl optimal alkalikloridreduktion som optimal NOX-reduktion upprätthållas under varierande rökgasbetingelser.

Tillsatsen av SCg-genererande additiv till rökgasen kan även ha följande fördelar: 1) Dioxinutsläppen från anläggningen kan minskas genom sulfate- ring av katalytiska asksubstanser i rökgasen, såsom koppar- oxider. 2) I de fall förbränningsanläggningen använder sk SCR-katalysa- tor för NOX-rening kan S03-tillsatsen bidra till att redu- cera deaktivering av katalysatorn (dvs förgiftning av kata- lysatorns aktiva centra, vilket leder till nedsatt renings- förmåga). Deaktivering av katalysatorer är speciellt proble- matisk vid eldning av alkalirika bränslen, såsom bio- och avfallsbränslen. 3) Kalciumoxid ('osläckt kalk') kalciumsulfat, vilket ger en mer lätthanterlig aska som har i flygaskan kan sulfateras till bättre egenskaper vad gäller nyttiggörande för vägbyggen, etc. Osläckt kalk i flygaskan kan annars utgöra ett påtag- ligt problem till följd av stark värmeutveckling vid befukt- ning. lO 15 20 20 4) Kalciumoxid kan även bygga upp hårda beläggningar i de kal- lare anordningarna i anläggningen (200-600 °C), exempelvis i economizern. Om kalciumoxiden sulfateras innan den när dessa anordningar reduceras risken för beläggningsbildning.

Avslutningsvis skall påpekas att vissa typer av värme- producerande anläggningar kan inbegripa värmeöverföringsanord- ningar som är placerade i den förbränningszon där förbränning av bränslet fortfarande äger rum. Förbränningszonen definieras som det område i pannan där minst 90% av bränslet brinner upp.

Den första värmeöverföringsanordning som träffas av rökgasen enligt definitionen i efterföljande patentkrav utgörs av en värmeöverföringsanordning som är distanserad från själva för- bränningszonen. I detta sammanhang mä även nämnas att avståndet mellan förbränningszonen och sagda första värmeöverföringsan- ordning kan vara avsevärt större än nägra få meter, t ex lO-50 meter. Enligt uppfinningen bör additivdoseringen ske på ett så stort avstånd från den första värmeöverföringsanordningen som möjligt utan att för den skull additivet doseras i själva för- bränningszonen.

Claims (8)

W 15 20 25 30 35 520 927§vf¿j§§j Zl Patentkrav

1. Förfarande vid drift av en värmeproducerande anläggning av det slag som inbegriper ett utrymme (2) för förbränning av klorinnehållande bränslen och en till detta utrymme ansluten kanal (3) i vilken är placerade ett flertal efter varandra föl- jande värmeöverföringsanordningar (5, 5', 5") der, såsom ånga, vatten eller luft, kan passera i syfte att värmas av het rökgas som genomströmmar kanalen i riktning från genom vilka flui- förbränningsutrymmet (2) mot ett utlopp (4), varvid rökgasen konditioneras genom tillsättning av ett svavelinnehållande additiv, vilket sprutas in i rökgasströmmen i ett kanalavsnitt beläget å ena sidan nedströms en förbränningszon i vilken väsentligen allt bränsle förbränns och å andra sidan uppströms och på avstånd från den nedstöms förbränningszonen befintliga värmeöverföringsanordning (5) som först träffas av rökgasen, och vilket efter sitt inträde i rökgasströmmen har till uppgift att under sin väg fram till sagda första värmeöverföringsanord- ning sulfatera framförallt gasformiga alkaliklorider ingående i rökgasen i syfte att reducera klorinducerad korrosion på värme- överföringsanordningarna, k ä n n e t e c k n a t därav, att såsom additiv används en förening vald ur gruppen: ammoniumsul- fat ((NHQ2SO4), ammoniumbisulfat ((NH,)HSO,), (FeSO,), och svavelsyra ügSOQ, för att vid inträdestillfället bilda järnsulfat reaktiv svaveltrioxid (S03), som tillsätts i en mängd av minst 20 mg S/nfn (normalkubikmeter) rökgas i en från förbrän- ningszonen (i vilken åtminstone 90% av bränslet förbränns) fjärmad punkt där rökgasens temperatur ligger inom området 1000-600°C.

2. Förfarande enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t därav, att additivet tillsätts i en mängd av minst 35 mg S/nfn (normalku- bikmeter) rökgas.

3. Förfarande enligt krav 1 eller 2, k å n n e t e c k n a t därav, att additivet sprutas in i rökgasströmmen i flera åt- skilda punkter (7', 7", 7"Û ring av alkalikloriderna. i syfte att ernä optimal sulfate- 10 15 20 - = - » . ß 520 927 ïïfiÅü¥¿ïfi.t .Zl k ä n n e t e c k n a t därav, att

4. Förfarande enligt krav 3, tvärsnitt, l6') additivet fördelas väsentligen jämnt i kanalens (3) (16, som närmare bestämt genom bildande av sprutplymer tangerar varandra.

5. Förfarande enligt något av föregående krav, k ä n n e - t e c k n a t därav, att additivet sprutas in motströms rökga- sens strömningsriktning.

6. Förfarande enligt något av föregående krav, k ä n n e - t e c k n a t därav, att additivet sprutas in i vätskeform, närmare bestämt i form av droppar som förgasas av rökgasen under bildande av sagda svaveltrioxid.

7. Förfarande enligt något av föregående krav, k ä n n e - t e c k n a t därav, att additivet tillsätts till rökgasen i en mängd svarande mot ett molförhállande S03/[KCl+NaCl] av 0,5-3,0, lämpligen 0,75 - 2,0.

8. Förfarande enligt något av kraven 3-7, k ä n n e - t e c k n a t därav, att tillförseln av additiv till de olika insprutningspunkterna (7', 7", 7'”) regleras individuellt.