FI89519C - Foerfarande och anordning foer oekande av saekerheten i en aotervinningspanna foer avlut - Google Patents

Description

8951 9

MENETELMÄ JA LAITE JÄTELIEMEN TALTEENOTTOKATTILAN TURVALLISUUDEN LISÄÄMISEKSI

FÖRFARANDE OCH ANORDNING FÖR ÖKANDE AV SÄKERHETEN I EN ÄTERVINNINGSPANNA FÖR AVLUT.

Esillä oleva keksintö kohdistuu menetelmään ja laitteeseen selluloosateollisuuden jäteliemen talteenottokattilan, kuten soodakattilan, turvallisuuden lisäämiseksi, kun kattila, kemikaalien ja energian talteenottamiseksi, 5 käsittää kattilan vesi/höyrykiertoon yhdistetyn vesiputki j äähdytteisen tulipesän.

Soodakattilassa tapahtuva keittokemikaalien talteenotto ja regenerointi ovat sulfaatti- ja muiden Na-pohjaisten 10 selluloosanvalmistusprosessien olennainen osa. Jäteliemeen liuenneita orgaanisia aineita poltetaan siten synnyttäen lämpöä, jota käytetään hyväksi toisaalta jäteliemen sisältämien epäorgaanisten yhdisteiden muuttamisessa takaisin keitossa käytettäviksi kemikaaleiksi ja toisaalta höyryn 15 muodostamisessa. Jäteliemen epäorgaaninen aines eli tuhka sulaa soodakatilan korkeassa lämpötilassa ja valuu sulana alaspäin tulipesän pohjalle, josta se valuu ulos kattilasta liuottimeen. Soodakattila toimii myös höyrykattilana, jossa poltossa vapautuvaa lämpöä otetaan talteen höyrynä lähinnä 20 kattilan seiniä verhoavilla vesiputkilla ja, esim. 450-480*C/ 65 - 85 bar, suuripaineisena tulistettuna höyrynä kattilan yläosaan sovitetuilla tulistimilla. Soodakattilan tulipesän sisällä lämpötila nousee hyvin korkealle, usein yli 1000eC:seen, jolloin siellä lämpötilasta ja jäteliemen 25 alkali- ja rikkiyhdisteistä johtuen vallitsee erittäin korrodoivat olosuhteet.

Nämä erikoisolosuhteet asettavat soodakattilan rakenteelle konstruktiivisia vaatimuksia, jotka poikkeavat tavanomaisten 30 voimakattiloiden vaatimuksista. Käytössä olevissa tulipesä-rakenteissa koko tulipesän pohja ja seinät ovat vesijääh- 2 89519 dytteiset, jotta lämpötila putkien kohdalla ei pääsisi nousemaan korroosiolle otollisiin lämpötiloihin.

Nykyiset soodakattilan tulipesän pohja- ja seinäputket 5 ovat yleensä kaasunpitäviksi hitsattua membraanirakennetta, joissa putket on evien välityksellä hitsattu toisiinsa. Evän leveys on tavallisesti 10 - 25 mm. Putkien ulkoläpimitta on yleensä 57 - 70 mm. Toisen tyyppisissä kattiloissa putket on hitsattu kiinni toisiinsa vieri viereen tangentiaali-10 rakenteena ilmaan suurempia välejä. Hitsaamalla putket toisiinsa tulipesä on rakennettu kaasutiiviiksi.

Kattilavesi, joka usein on korkeassa painessa ja yli 300 C:n lämpötilassa, johdetaan yleensä tulipesän pohjan alapuo-15 lelle, josta se jakaantuu pohjan ja seinän putkiin. Poh-japutkissa vesi virtaa ensiksi kohti seiniä ja siitä edelleen ylöspäin. Seinäputkissa vesi virtaa yleensä ainoastaan ylöspäin.

20 Soodakatilan vedenkierto toimii luonnonkierrolla. Kunnollisella vedenkierrolla on ratkaiseva merkitys kattilan käyttöturvallisuudelle. Jos vedenkierto häiriintyy, seurauksena saattaa olla putkimateriaalin ylikuumentuminen, korroosio ja putkivaurio. Lämpötilan jyrkät vaihtelut 25 putkissa kuten myös suuret muutokset putkia peittävissä kemikaali- ja tuhkakerrostumissa saattavat aiheuttaa vedenkierron häiriintymistä. Erikoisesti pohjaputkissa, joissa vesi virtaa vaakasuorassa tai lähes vaakasuorassa, häiriö vedenkierrossa saattaa olla kohtalokas.

30

Tulipesän pohjalla on ns. keko, joka muodostuu niistä aineista, joita jää jäljelle jäteliemeen haihtuvien ja helposti palavien aineiden poistuttua pyrolyysivaiheessa. Keko sisältää mm. hiiltä/koksia, natriumia ja rikkiä. Keon 35 massan määrä vaihtelee prosessiolosuhteista riippuen. Keon pohjalla lähellä tulipesän pohjaputkia on epäorgaanisten kemikaalien muodostama sulakerros, joka poistuu valumalla tulipesän seinässä olevasta aukosta tai aukoista.

3 39519

Kemikaalikerroksen alin osa, joka on suorassa kosketuksessa tulipesän vesijäähdytteisten pohjaputkien kanssa, on yleensä kiinteässä muodossa, putkien jäähdyttävästä vaikutuksesta 5 johtuen. Tämä kiinteä osa suojaa putkia.

Tulipesän pohjalla olevan kiinteän kerroksen muodostuminen saattaa häiriintyä tulipesän lämpötilan vaihtelusta, keon mataluudesta, tulipesän pohjan epäedullisesta kaltevuudesta 10 tai kattilaputkien huonosta jäähdyttävästä vaikutuksesta johtuen. Saattaa löytyä vielä muita syitä sille, että kiinteää kemikaalikerrosta ei synny ja tulipesän pohjaputket ovat vaarassa ylikuumentua.

15 Eräissä tapauksissa tämä putkia lähimpänä olevan kerroksen olomuoto vaihtelee kiinteän ja sulan välillä. Kattilan tulipesän alaosan ja pohjan rakenteesta tai poltto-olosuhteista riippuen olosuhteet putkien päällä saattavat vaihdella, jolloin putket toisinaan ovat kiinteän ja 20 toisinaan sulan kemikaalikerroksen peitossa ja toisinaan ainakin osittain täysin ilman mainittua suojaavaa kerrosta.

Kattilan pohjaputkiin sattaa edellä mainituista syistä syntyä vaurioita, esim. säröjä tai halkeamia, joista vesi 25 pääsee vuotamaan putkien sisältä kemikaalisulan joukkoon. Tällöin on vaarana, että tapahtuu veden ja sulan välinen erittäin voimakas räjähdys, ns. sularäjähdys. Tällaisia räjähdyksiä tapahtuu maailmassa silloin tällöin. Räjähdykset aiheuttavat miljoonien markkojen aineelliset vahingot. 30 Lisäksi korjaukset voivat kestää kuukausia, mikä johtaa huomattaviin tuotantotappioihin. Joskus sularäjähdykset ' . aiheuttavat jopa ihmishenkien menetyksiä.

Vuoto tulipesän putkissa voi syntyä edellä mainitun yli-35 kuumentumisen johdosta, tai kemikaalien aiheuttamasta korroosiosta, putkimateriaalin sisäisten jännitysten johdosta, materiaalin väsymisen johdosta tai niiden yhteisvaikutuksesta, tai jostakin muusta syystä.

4 89519

Kattilan pohjaputkistoa joudutaan räjähdysvaaran takia usein tarkastamaan. Näin pyritään ajoissa huomaamaan, jos pohjaputkisto on syöpynyt tai vahingoittunut ja putket 5 syytä osittain tai kokonaan vaihtaa tai korjata.

Vaurio- ja räjähdysvaaraa on pyritty vähentämään käyttämällä paremmin korroosiota kestäviä putkimateriaaleja, tai päällystämällä pohjaputkisto tulenkestävällä massalla, tai 10 pinnoittamalla putket ruiskutettavalla korroosiota kestävällä metallilla. Soodakattiloissa käytetään yleisesti pohjaputkistoihin esim. hiiliteräsputkia tai compound-putkia. Compound-putki on hiiliteräsputki, jonka pinnalla on ohut austeniittista terästä oleva suojakerros. Räjäh-15 dys- tai vauriovaaraa ei ole kuitenkaan pystytty täysin välttämään. Kattiloiden tarkastuksessa on huomattu pohjaput-kissa säröjä ja merkkejä syöpymisestä myös pinnoitteen alapuolella. Valitettavasti myös tarkastukset sinänsä saattavat vaikuttaa vaurioiden syntymiseen putkissa, koska 20 putket peittävä suojakerros on tarkastuksen ajaksi poistettava.

Esillä olevan keksinnön tarkoituksena on aikaansaada edellä 25 esitettyä parempi menetelmä ja laite talteenottokattilan turvallisuuden lisäämiseksi.

Esillä olevan keksinnön tarkoituksena on erikoisesti aikaansaada talteenottokattilan tulipesän alaosaan rakenne, 30 joka ei ole herkkä aiheuttamaan sula/vesiräjähdystä vaurio-tilanteessa.

Esillä olevan keksinnön tarkoituksena on lisäksi aikaansaada talteenottokattilan tulipesän alaosaan rakenne, joka on 35 aikaisemmin tunnettuja nopeammin ja helpommin vaihdettavissa uuteen.

Edellä mainittujen tarkoitusperien saavuttamiseksi keksinnön 5 89519 mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista, että tulipesän pohjan jäähdytys aikaansaadaan erillisellä jäähdytysköerrol-la.

5 Vastaavasti keksinnön mukaiselle laitteelle on tunnusomaista, että laite käsittää tulipesän pohjan, joka on muodostettu erilliseen jäähdytyskiertoon yhdistetyistä jäähdytysput-kista tai -pinnoista.

10 Tulipesän alaosan erillisjäähdytys voi olla rajoitettu esim. tulipesän pohjatasolle mutta se voi myös ulottua osittain tulipesän seinäosalle tai seinäosille.

Järjestämällä soodakattilaan pohjan jäähdytys erillisellä, 15 kattilan vesi/höyrykierrosta erillään olevalla jäähdytys-kierrolla, voidaan jäähdytysvällaineena käyttää muuta jääh-dytysväliainetta kuin vettä, esim. ilmaa, muuta inerttiä kaasua tai vaikkapa jotakin nestemäistä ainetta kuten sulaa sinkkiä.

20

Keksinnön mukainen erillisjäähdytetty tulipesän alaosa aikaansaadaan esim. siten, että tulipesän pohja tai pohja ja osa tulipesän seinistä yhdessä erotetaan kattilaveden kiertosysteemistä. Tässä erotetussa osassa käytetään omaa 25 jäähdytysväliainetta, joka siten voi olla jokin kaasu tai neste, joka ei aiheuta räjähdystä joutuessaan mahdollisesti kosketukseen tulipesän kemikaalien kanssa.

Erillisjäähdytetty tulipesän alaosa voidaan tämän keksinnön 30 erään edullisen suoritusmuodon mukaan konstruoida samanlaisista tai samantapaisista putkista kuin tavanomainen nyt käytössä oleva tulipesän pohja. Jäähdytysväliaineen kierto erillisjäähdytetyssä pohjassa voidaan järjestää siten, että väliaine johdetaan jäähdytysputkiin tulipesän 35 yhden seinän puoleisesta päästä, josta väliaine virtaa putkissa vastakkaisen seinän puoleiseen päähän, josta väliaine edelleen poistetaan omaa kiertoputkistoa, -putkea tai -kanavaa pitkin. Jäähdytysväliaine johdetaan erillisestä 6 89519 kiertoputkistosta edullisesti pumpun tai puhaltimen avulla erillisen jäähdyttimen kautta takaisin jäähdytysputkien lähtöpuolelle.

5 Erillisjäähdytetty tulipesän alaosa voidaan myös tehdä suuremmista tai pienemmistä putkista kuin itse tulipesän putket tai vaihtoehtoisesti poikkileikkaukseltaan esim. neliön tai suorakaiteen tms. muotoisista putkista tai kanavista.

10 Jäähdytysväliaine voidaan haluttaessa myös johtaa useammalta kuin yhdeltä sivulta pohjan jäähdytysputkiosaan. Jäähdytys-väliaine voidaan putkien järjestelyllä saattaa kiertämään tai virtaamaan monella vaihtoehtoisella tavalla pohjaosassa. 15 Jäähdytysväliaine voidaan esim. johtaa pääjakokammioon tai/ja jakokammioihin pohjan keskelle tai muualle pohjan keskikohdan ja seinän väliin, mistä jäähdytysväliaine sitten saatetaan jakaantumaan koko pohjaosalle.

20

Erillisjäähdytetyn tulipesän alaosassa virtaavan väliaineen lämpötila pidetään suunnilleen vakiona säätämällä kier-toputkistossa olevan jäähdyttimen jäähdytysvaikutusta. Keksinnön mukaisessa erillisessä jäähdytyskierrossa vir-25 taavan jäähdytysväliaineen lämpötila voidaan edullisesti , säätää sopivaksi siten, että sen vaikutuksesta erillis jäähdytetyn tulipesän alaosan lämpölaajeneminen on sopusoinnussa paineenalaisen vesikiertoisen tulipesän lämpölaajenemisen kanssa siten, että erillisjäähdytetyn tulipesän 30 alaosan ja muun tulipesän rakenteen välille ei synny tiivistämisongelmia ja että kaasu- tai kemikaalivuotoja : osien välistä ei pääse tapahtumaan.

Keksinnön mukaisella ratkaisulla aikaansaadaan sellainen 35 kattilan pohjarakenne, joka mahdollisen putkivaurion sattuessa ja jäähdytysväliaineen joutuessa kosketukseen tulipesän sisällä olevan kemikaalisulan kanssa ei aiheuta räjähdystä.

7 39519

Keksinnön mukaisella erillis j äähdytysratkaisulla saavutetaan lisäksi se etu, että kattilan tulipesän alaosan erillinen jäähdytysputkisto voidaan erikseen vaihtaa osittain tai 5 kokonaan uuteen, koskematta varsinaiseen kattilaveden kiertoputkistoon.

Keksinnön mukaan saavutetaan vielä se etu, että jäähdy-tysväliaineen kiertoputkistossa olevalla jäähdyttimellä 10 voidaan edullisesti esilämmittää kattilaan johdettavaa polttoilmaa. Toisaalta, jos jäähdytysvällaineena käytetään ilmaa, niin jäähdytyskierrossa kuumentunutta ilmaa voidaan suoraan käyttää polttoilmana tulipesässä.

15 Keksintöä selostetaan seuraavassa viittaamalla oheisiin piirustuksiin joissa

Kuvio 1 esittää kaaviollisesti pystyieikkauksena tal-teenottokattilan tulipesää, jossa on toteutettu 20 eräs keksinnön mukainen pohjaratkaisu.

Kuvio 2 esittää kaaviollisesti pystyieikkauksena toista keksinnön mukaista pohjaratkaisua,

Kuvio 3 esittää suurennoksena kuvion 2 osaa viivaa AA pitkin, 25 Kuvio 4 esittää suurennoksena kuvion 2 osaa viivaa BB pitkin ja

Kuvio 5 esittää kaaviollisesti pystyleikkauksena kolmatta keksinnön mukaista pohjaratkaisua.

30 Kuviossa 1 on esitetty soodakattilan tulipesä 10, jossa on vesiputkiseinät, joista kaksi seinää 12 ja 14 on esitetty kuviossa. Tulipesä käsittää lisäksi pohjan 16, lipeäsuut-timet 18, primääri-ilma-aukot 20, sekundääri-ilma-aukot 22 ja tertiääri-ima-aukot 24. Tulipesän pohjalle on poltossa 35 muodostunut jäteliemen pyrolyysijätteenä keko 26. Seinän 12 alaosaan on sovitettu sulakouru 28 poltossa syntyneen kemikaalisulan johtamiseksi pois tulipesästä. Pohja 16 on hieman kalteva sulan virtaamisen edesauttamiseksi. Pohja 8 β 9 5 Ί 9 voi olla täysin kalteva, täysin vaakasuora tai osittain kumpaakin.

Tulipesän vesiputkiseinät 12,14 on muodostettu membraaniput-5 kipaneeleista, joissa vierekkäiset vesiputket on hitsattu kaasutiiviisti yhteen evien välityksellä. Kuviossa eviä ei ole esitetty. Vesiputkiseinien vesiputket on sovitettu pystysuoraan ja ne ulottuvat jonkin matkaa tulipesän pohjan vaakatason alapuolelle. Putkien alaosat yhdistää jakokammio 10 30 ja 32. Vesiputket, jakokammio ja vesiputket ylhäältä yhdistävät kokoojat ja kattilan höyrylieriö, joita kuviossa ei ole esitetty, on yhdistetty kattilaan vesi/höyrykierrok-si. Jakokammioista 30 ja 32 vettä virtaa vesiputkiseinämien 12 ja 14 vesiputkiin, jossa vesi höyrystyy. Syntynyt vesi-15 höyryseos virtaa ylös kokoojaputkiin ja niistä edelleen höyrylieriöön, josta höyry johdetaan tulistimiin ja höyrystä erottunut vesi laskuputkia myöten takaisin jakokammioihin ja siten uudelleen kiertoon.

20 Tulipesän pohja 16 on muodostettu jäähdytysputkista, jotka on yhdistetty erilliseen jäähdytyskiertoon, joka ei ole yhdistetty kattilan vesi/höyrykiertoon. Pohja on muodostettu jäähdytysputkista 34, jotka on samalla tavalla kuin tulipesän seinäpaneelit yhdistetty evien välityksellä tai 25 tangentiaalisesti ilman eviä jäähdytysputkipaneeleiksi. Jäähdytysputket kulkevat tulipesän yhden seinän suuntaisesti kohtisuoraan seinästä 12 seinää 14 kohti.

Pohjan jäähdytysputkien päät 36 ja 38 on taivutettu alaspäin 30 siten, että ne kulkevat jonkin matkaa alaspäin pääasiallisesti samansuuntaisesti seinän vesiputkien 12 ja 14 * kanssa. Putken pää 36 on yhdistetty jäähdytysväliaineen tuloputkeen 40 ja putken pää 38 on yhdistetty jäähdytys-väliaineen poistoputkeen 42. Putket 40 ja 42 on yhdistetty 35 jäähdytyskammion 44 välityksellä toisiinsa. Täten pohjan 16 putket 34, 40 ja 42 sekä jäähdytyskammio 44 muodostavat erillisen jäähdytyskierron 46 tulipesän pohjalle. Jäähdytys-väliainetta kierrätetään systeemissä pumpulla tai puhal- g 39519 timella 48. Jäähdytyskammioon on yhdistetty jäähdytysaineen tuloputki 50 ja jäähdytysaineen poistoputki 52. Jäähdytys-aineena voidaan käyttää ilmaa, muuta inerttiä kaasua, jotain vesiliuosta tai nestettä, jotka eivät aiheuta 5 räjähdystä tullessaan mahdollisesti kosketukseen kemikaali-sulan kanssa.

Kuviossa 2 on esitetty hieman erilainen soodakattilan tulipesän pohjaratkaisu. Kuviossa on käytetty soveltuvin 10 osin samoja viitenumerolta kuin kuviossa 1.

Kuvion 2 esittämässä pohjaratkaisussa pohja 16 on järjestetty kulkemaan seinän 14 läpi siten, että osa 37 pohjasta on varsinaisen tulipesän 10 ulkopuolella. Tällä ratkaisulla 15 seinän 14 ja pohjan välinen tiivistys tulee erilaiseksi kuin seinän 12 ja pohjan välinen tiivistys.

Kuvioissa 3 ja 4 on esitetty suurennuksena seinän 14 ja pohjan 16 välinen yhtymäkohta. Kuviossa 3 on esitetty 20 sivulta nähtynä seinän 14 seinäputket 13 ja 15, joista joka toinen seinäputki 13 on taivutettu mutkalle 11 mahdollistamaan pohjaputkien 35 kulun seinän läpi. Kuviosta 3 näkyy myös seinäputkien väliset evät 17.

25 Kuviossa 4 on esitetty sama yhtymäkohta seinän 14 ja pohjan .· 16 välillä, mutta alhaaltapäin katsottuna. Kuviosta käy ilmi että pohjan 16 putket 34 on yhdistetty pareittain putkiksi 35. Putket 35 kulkevat seinäputkien 13 ja 15 välistä tulipesän ulkopuolelle. Kuviosta 4 näkyy myös 30 pohjaputkien väliset evät 19.

Kuvion 2 mukaisessa ratkaisussa pohjan jäähdytys tapahtuu ilmalla, joka johdetaan kuumennettuna putkesta 42 putkella 43 tulipesän primääri-ilma-aukkoihin. Näin voidaan pohjan 35 jäähdytykseen käytettyä ilmaa suoraan käyttää hyväksi varsinaisessa polttoprosessissa.

Kuviossa 5 on esitetty tulipesäratkaisu, jossa osa tuli- 10 o95\9 pesän seinästä on liitetty erilliseen jäähdytyskiertoon. Tulipesän pohjan 16 muodostavat putket 34 on seinän kohdalla taivutettu ylöspäin muodostamaan tulipesän alaosan seinät 56 ja 58. Putki 58 on yhdistetty jäähdytysväliaineen 5 tuloputkeen 40 ja putki 56 poistoputkeen 42. Tällä ratkaisulla parannetaan tulipesän koko alaosan turvallisuutta. Erillisjäähdytys ulottuu kuvion 5 mukaisessa ratkaisussa suunnilleen keon korkeuden tasolle. On tietenkin mahdollista ulottaa erillisjäähdytyskierto vielä korkeammalle, jos se 10 on energiataloudellisesti kannattavaa.

Keksintöä ei ole tarkoitus rajoittaa edellä esitettyihin sovellutusmuotoihin, vaan sitä voidaan soveltaa patenttivaatimusten rajoittaman keksinnöllisen ajatuksen puitteissa. 15 Näin esim. tulipesän poikkileikkausmuoto ei mitenkään rajoita keksinnön soveltamista. Tulipesän poikkileikkaus voi siten olla muodoltaan esim. tavanomaisen neliön tai suorakaiteen muotoinen, mutta se voi yhtä hyvin olla esim. pyöreä, soikea tai jonkin muun muotoinen.

20

Tulipesän pohjaputkikonfiguraatio voidaan myös valita vapaasti. Siten pohjaputkien ei tarvitse kulkea seinien suuntaisesti, vaan ne voivat kulkea diagonaalin suuntaisesti. Pohjaputket voivat myös haluttaessa olla taivutetut 25 siten, että ne muodostavat mutkan tulipesän pohjalla. Jäähdytysväliaine voi eri putkissa kulkea vastakkaisiin suuntiin.