FI89630B

FI89630B - Pao cirkulationsmassateknik baserat foerfarande foer avkylning av gaser samt vid foerfarandet anvaend cirkulationsmassaavkylare

Info

Publication number: FI89630B
Application number: FI910731A
Authority: FI
Inventors: Seppo Ruottu
Original assignee: Tampella Power Oy
Priority date: 1991-02-14
Filing date: 1991-02-14
Publication date: 1993-07-15
Also published as: FI89630C; SE9103840D0; RU2060433C1; US5226475A; CA2058555A1; AU1024692A; SE9103840L; KR920016797A; DE4142814A1; FI910731A0; AU650712B2; US5282506A; CN1064149A; FI910731A; JPH04316988A

Description

8 9630

Kiertomassatekniikkaan perustuva menetelmä kaasujen jäähdyttämiseksi sekä menetelmässä käytettävä kiertomassajäähdytin 5 Esillä olevan keksinnön kohteena on menetelmä kaa sujen jäähdyttämiseksi kiertomassatekniikkaa hyväksikäyttäen, jossa menetelmässä kaasu johdetaan kiertomassan muodostaman leijukerroksen läpi siten, että osa kiertomassas-ta kulkee kaasuvirtauksen mukana ja jolloin kaasuvirtauk-10 sen mukana seuraava kiertomassa erotetaan kaasuvirtaukses-ta ja palautetaan leijukerrokseen, ja jossa menetelmässä ainakin osa jäähdytyksestä tehdään jäähdyttämällä palautettavaa kiertomassavirtaa. Keksinnön kohteena on myös kiertomassajäähdytin kaasun jäähdyttämiseksi, jossa jääh-15 dyttimessä on välineet jäähdytettävän kaasun syöttämiseksi jäähdyttimeen, poistokanava jäähtyneen kaasun poistamiseksi, jäähdyttimen alaosaan leijukerroksen muodostavaa hiuk-kasmaista kiertomassaa, joka virtaa kaasun mukana poisto-kanavaan saakka, ainakin yksi palautuskanava kiertomassan 20 palauttamiseksi leijukerrokseen ja ainakin yksi jäähdytys-elin kaasuvirran ja kiertomassan jäähdyttämiseksi.

Kiertomassa- (KM) tekniikkaa sovelletaan yleisesti poltto- ja kaasutusprosesseissa. KM-tekniikan keskeinen etu muihin reaktiotyyppeihin nähden on erinomainen aineen-25 ja lämmönsiirto hiukkasten ja kaasun välillä. Käyttämällä riittävää kaasunnopeutta aikaansaadaan lähes isoterminen tila reaktoriin. Tämä helpottaa poltto- ja kaasutusproses-sien hallintaa olennaisesti.

Suomalaisessa patenttihakemuksessa 813717 kuvataan 30 myös eräs KM-tekniikan sovellutus sulia ja/tai höyryjä sisältävien kaasujen lämmöntalteenotossa. Tässä julkaisussa esitetyssä ratkaisussa prosessikaasua jäähdytetään suoraan kaasuvirtausta jäähdyttävillä jäähdytyselimillä ja kaasuvirtauksen mukana kulkeutunut kiertomassa palautetaan 35 takaisin leijupetiin kaasun poistokanavasta leijukerroksen

o y 6 3 O

2 sivulle johtavaan kanavaan. Tämän ratkaisun haittapuolena on, että kaasun lämpötilan säätö ja erityisesti tiettyä poistolämpötilaa haluttaessa suoraan kaasuvirtauksessa olevien jäähdyttimien toiminta ei ole riittävän tehokasta 5 ja siten laitteiston toiminta-alue on suhteellisen kapea. Lisäksi kaasuvirtauksen mukana kulkevien hiukkasten jäähtyminen tällaisessa jäähdyttimessä ei ole riittävän tehokasta, joten ne palaavat leijukerrokseen suhteellisen kuumina, mikä edelleen heikentää laitteen toimintaa.

10 Kiertomassa- (KM) jäähdyttimen kannalta on olen naista, että kiertävää kiintoainevirtaa voidaan säätää laitteen nimelliskuormasta riippumatta. Useissa prosesseissa on edelleen toivottua, että reaktorin lämpötila pysyy vakiona laajalla kuorma-alueella. Erityisen tärkeää 15 tämä on sovellutuksissa, joissa kemiallinen kinetiikka edellyttää toimimista kapealla lämpötila-alueella. Tunnetuilla KM-tekniikan sovellutuksilla tämä ei ole mahdollista .

On sinällään tunnettua, että kiertävän hiukkasvir-20 ran paluukiertoa jäähdytetään. Esim. US-patentissa 4,165,717 on käytetty paluukierrossa erillistä kuplivaan leijukerrostekniikkaan perustuvaa lämmönsiirrintä. Tällöin joudutaan mm. käyttämään erillistä leijutuskaasuvirtaa, jolla on haitallinen vaikutus syklonin toimintaan. Ratkai-25 su on myös monimutkainen käytännössä toteuttaa ja sen prosessin säätö on hankala hallita. Eräissä tapauksissa on ollut muutoin tarkoituksenmukaista rakentaa paluukanava jäähdytettynä, jolloin yleensä pienehkö osa jäähdytyksestä on tapahtunut paluukanavassa. Nämä ratkaisut ovat sekä 30 monimutkaisia että hankalia toteuttaa ja myös säädettävyys on niissä varsin vähäistä ja toiminta-alue suppea.

Esillä olevan keksinnön tarkoituksena on aikaansaada menetelmä ja kiertomassajäähdytin, joissa käsiteltävän kaasuvirran poistolämpötilaa voidaan säätää laajoissa ra-35 joissa laitteen kuormasta riippumatta. Keksinnön mukaisel- 3 89630 le menetelmälle on tunnusomaista, että olennaisesti koko jäähdytys toteutetaan jäähdyttämällä palautettavaa kierto-massavirtaa kaasuvirtauskanavasta erillisessä lämmönsiir-timessä kiertomassasta erillään olevan jäädytysväliaineen 5 avulla, jolloin kaasuvirran jäähdytys tapahtuu leijuker-rokseen palautuvan, sitä matalammassa lämpötilassa olevan kiertomassavirran avulla. Keksinnön mukaiselle kiertomas-sajäähdyttimelle on tunnusomaista, että siinä on yksi jäähdytyselimenä toimiva lämmönsiirrin jonka läpi johde-10 taan jäähdytettävää väliainetta, että kaikki paluukanavat kiertomassan palauttamiseksi leijukerrokseen johtavat läm-mönsiirtimen läpi niin, että palautuva kiertomassa jäähtyy lämmönsiirtimessä jäähdyttävästä väliaineesta erillään, että jäähdyttimen alapuolella on aukolla varustettu sulku-15 tila, johon palautuva kiertomassa muodostaa jatkuvasti tulppamaisen kerroksen estäen kaasun virtauksen paluukanavien läpi kaasun poistokanavaan.

Tämän keksinnön mukaisen jäähdytystavan kannalta on olennaista, että pääosa kaasun jäähdytyksestä (sopivimmin 20 80-100 % kokonaisjäähdytyksestä) tapahtuu jäähdyttämällä kiintoainetta sen paluukanavaan olennaisesti pystysuoraan sijoitetussa jäähdyttimessä, jonka läpi kiintoaine valuu vapaasti gravitaatiokiihtyvyyden vaikutuksesta ja jäähdyttämällä kaasu jäähtyneen palautetun kiintoaineen avulla. 25 Tämä tarkoitus saavutetaan siten, että pääosa jäähdytys-pinnoista sijoitetaan KM-jäähdyttimen kiintoaineen palau-tusvirtaan, jolloin jäähdytettävä kaasu ei pääasiassa ole kosketuksissa jäähdytyspintoihin, vaan kaasun jäähtyminen aikaansaadaan sekoittamalla kiertomassan paluukanavaan 30 kytketyssä lämmönsiirtimessä jäähtyneet hiukkaset käsiteltävän kaasun kanssa. Keksinnön mukaisesti lämmönsiirtimessä on edullisesti useita paluukanavia eli putkia, joita pitkin kiertomassa kuten hiekka pääsee virtaamaan lämmön-siirtimen läpi alaspäin,jolloin lämmönsiirrin toimii jääh-35 dytinelimenä, koska sen läpi virtaa siihen liittyvien ka- 8 9 6 3 ϋ 4 navien kautta ilmaa tai muuta sopivaa väliainetta, joka kulkee paluukanavien ulkopuolella jäähdyttäen niiden seiniä ja siten myös palautettavaa kiertomassaa kuten hiekkaa lämmeten itse samalla. Esillä olevan keksinnön mukai-5 sen menetelmän etuna on, että jäähdytystehon säätö on helppo ja yksinkertainen toteuttaa, koska jäähdytys tapahtuu pääasiassa epäsuorasti jäähdyttämällä kiertomassaa ja korkeintaan vain pieni osa suorasti siten, että prosessi-kaasu virtaa jäähdyttimen lämpöä johtavaa ulkopintaa pit-10 kin.

Seuraavassa keksintöä selitetään yksityiskohtaisesti viitaten oheisiin piirustuksiin, joissa kuvio 1 esittää keksinnön mukaisen kiertomassajäähdyttimen (KM-jäähdyttimen) periaatteellista rakennetta ja 15 toimintaa, kuvio 2 esittää kuvion 1 mukaisen kiertomassajäähdyttimen poikkileikkausta kohdasta A - A ja kuviot 3a ja 3b esittävät tarkemmin kiertomassa-jäähdyttimen suutinpohjan rakennetta ja toimintatapaa.

20 Kuviossa 1 on esitetty keksinnön mukainen kierto- massajäähdytin. Se käsittää kuumakaasureaktorin 1, josta jäähdytettävä kaasu johdetaan KM-jäähdyttimeen. Numerolla 2 on merkitty kiertokaasuarinaa, joka käsittää myöhemmin selitettävät leijutussuuttimet 13 ja 13a, joista kierto-25 kaasu johdetaan leijukerrokseen. Kiertokaasuarina 2 sisäl tää myös kuumakaasusuuttimia, joita on merkitty numerolla 3. KM-jäähdyttimen alaosaa eli leijukerroskammiota on merkitty numerolla 4. Riittävän hiukkaspitoisuuden varmistamiseksi alaosan 4 poikkipinta-ala on suurempi kuin rengas-30 maisen yläosan eli reaktiokammion 5 jota pitkin kaasu ja hiukkaset virtaavat KM-jäähdyttimen yläosaan.

Rengasmaisesta reaktiokammiosta 5 kaasut ja KM-hiukkaset johdetaan KM-jäähdyttimen yläosassa sen sisään akselisymmetrisesti sovitetun syklonin siipihilan 6 kautta 35 tangentiaalisesti syklonikammioon 9. Pääosin hiukkasista 5

b 9 6 3 U

puhdistunut kaasu poistuu syklonin keskusputken eli pois-toputken 7 kautta edelleen käsiteltäväksi. Numerolla 8 on merkitty sykloniin sovitettua välipohjaa, joka erottaa syklonikammion 9 ja sen alapuolella olevan hiukkasten ja-5 kokammion 15. Jakokammion tehtävänä on jakaa paluukiertoon menevä eli leijukerrokseen palautettava hiukkasvirta tasaisesti tyypillisesti rekuperatiivisen lämmönsiirtimen 10 paluukanavien eli -putkien kesken. Laitteistoon on asennettu suutinkappale 14 muodostamaan sulkukammion, johon 10 lämmönsiirtimen 10 läpi palautuva kiertomassa muodostaa tulppamaisen kerroksen valuen tasaisesti suutinkappaleen 14 keskellä olevasta reiästä leijukerroskammioon 4. Tämä on tarkoitettu estämään kaasun virtaaminen ylöspäin lämmönsiirtimen 10 läpi. Numerolla 11 on merkitty jäähdyttä-15 vän kaasu- tai muun väliainevirran tulotietä lämmönsiirti-meen 10 ja numerolla 12 tämän virran menotietä pois läm-mönsiirtimestä. Väliainevirta kulkee lämmönsiirtimen läpi paluuputkien ulkopuolella jäähdyttäen niitä ja siten niissä olevaa hiukkasvirtaa samalla kun se itse lämpenee.

20 Kuviossa 2 on esitetty kaavamaisesti poikkileikkaus kuvion 1 mukaisesta kiertomassajäähdyttimestä linjan A - A kohdalta poikkileikattuna. Kuviossa 2 näkyy rengasmainen reaktiokammio 5, jonka keskellä olennaisesti symmetrisesti rekuperatiivinen jäähdytin 10. Jäähdyttimen 10 läpi johtaa 25 paluukanavia 10a, jotka ulottuvat kammiosta 15 suutinkappaleen 14 tilaan saakka. Kanavien 10a ulkopuolella virtaa jäähdytysväliaine, joka voi olla ilma, jokin muu sopiva kaasu, vesi, jokin muu neste tai höyry käytettävästä sovellutuksesta riippuen.

6 8 9 6 3 G

Esimerkki

Kuumakaasu: Sisään Ulos

Lämpötila 960 °C 480 °C

5 Paine 1,1 MPa 1,0 MPa

Kaasuvirta 86,8 mol/s 86,8 mol/s

Na2S-virta 0,37 mol/s 0,37 mol/s

Na2C03-virta 0,88 mol/s 0,88 mol/s 10 Jäähdytysilma: Sisään Ulos

Lämpötila 290 °C 416 °C

Paine 1,3 MPa 1,2 MPa

Kaasuvirta 5410 mol/s 5410 mol/s 15 Hiukkaspitoisuus KM-jäähdyttimen alaosassa on sopi- vimmin 50-150 kg/m3 ja yläosassa 5-30 kg/m3. Käyttämällä sopivan kokojakauman omaavaa kiertomateriaalia voidaan hiukkastiheysprofiili sovittaa em. pitoisuusrajoihin kaa-suvirrasta riippumatta. Tyypillinen kaasunnopeus, joka 20 johtaa laiteteknisesti tarkoituksenmukaiseen rakenteeseen, vaihtelee alueella 3-8 m/s. Mikäli kiertomateriaalin hiuk-kaskokojakaumaa ei voida valita, joudutaan eräissä tapauksissa käyttämään huomattavasti suurempia nopeuksia, jopa 30 m/s:iin saakka.

25 Keksinnön mukaisesti riittävä kiertomassavirta yl läpidetään kiertokaasulla, joka ohjataan KM-jäähdyttimeen erillisen kuvioissa 3a ja 3b esitetyn suutinpohjan 16 kautta suuttimista 13 siten, että se pitää kuumakaasusuut-timien 3 välisen alueen leijuntatilassa. Kuviossa 3b on 30 esitetty kuvion 3a mukainen suutinpohja linjaa B - B auki-leikattuna, josta keksinnön mukainen suutinpohjarakenne ja sen toiminta ilmenee. Esillä olevan keksinnön mukaisesti KM-jäähdyttimessä on siis edullisesti kaksoissuutinpohja, jossa kuuma jäähdytettävä kaasu johdetaan jäähdyttimeen 35 sopivimmin suurehkojen suuttimien 3 (D 20 mm - 60 mm) 7 89630 kautta ja kiertokaasu tavanomaisten pienempien suuttimien 13 kautta. Edelleen leijukaasua johdetaan kaksoissuutin-pohjan 16 alemmassa levyssä 16a olevien prosessikaasua johtavien suutinreikien 3 läpi tulevan prosessikaasuvir-5 tauksen ympärille siten, että prosessikaasureikien 3 yläpuolella olevassa ylemmässä suutinpohjassa 16b on niiden kohdalla halkaisijaltaan reikiä 3 suuremmat reiät 13a siten, että kanavan 2 kautta tuleva leijutuskaasu B virtaa alemman ja ylemmän suutinpohjan 16a ja 16b välissä ja 10 työntyy prosessikaasuvirtauksen A ympärille rengasmaiseen muotoon sen lisäksi, että se virtaa suuttimien 13 reikien läpi. Tällä järjestelyllä voidaan välttää muutoin usein ongelmalliseksi muodostuva karstan muodostus kuumakaasu-suuttimien ympärille, mikäli kuuma kaasu sisältää lauhtu-15 via yhdisteitä tai se korkean lämpötilansa vuoksi pyrkii sulattamaan leijumateriaalia suuttimien ympärillä.

Eräissä tapauksissa on ollut tarkoituksenmukaista lisätä tai ylläpitää suurta hiukkaskonsentraatiota vain matalassa alueessa suutinpohjan yläpuolella. Tällöin voi-20 daan esimerkiksi estää kuumakaasusuuttimien ympärille muodostuvien hoikkien syntyminen ilman, että lisätään jääh-dyttimen läpi kulkevaa kiintoainevirtaa. Myös mahdollisesti esiintyvä sula ja lauhtuva materiaali saadaan tällöin kerätyksi pääasiassa kyseisen karkean materiaalin ympäril-25 le. Kiertomassavirta ylläpidetään tätä hienojakoisemmalla hiukkasmateriaalilla. Säätämällä kiertokaasuvirtaa voidaan säätää kiertomassavirtaan kytketyn lämmönsiirtimen läpi virtaavaa materiaalivirtaa, jolloin myös jäähdyttimen läm-mönsiirtoteho säätyy. Koska kiertokaasuvirtaa pienennettä-30 essä merkittävä osa hiukkasista jää leijuntatilaan jäähdyttimen suutinpohjalle, vaikuttaa kiertokaasuvirran säätäminen nopeasti ja tehokkaasti. Toinen tapa lämmönsiirto-tehon säätämiseksi on kiertomassan lisääminen tai poistaminen jäähdyttimestä.

35 Edellä selityksessä ja piirustuksissa on keksintöä selostettu vain esimerkinomaisesti sitä millään tavalla siihen rajoittamatta.

Claims

1. Menetelmä kaasujen jäähdyttämiseksi kiertomassa-tekniikkaa hyväksikäyttäen, jossa menetelmässä kaasu joh- 5 detaan kiertomassan muodostaman leijukerroksen läpi siten, että osa kiertomassasta kulkee kaasuvirtauksen mukana ja jolloin kaasuvirtauksen mukana seuraava kiertomassa erotetaan kaasuvirtauksesta ja palautetaan leijukerrokseen, ja jossa menetelmässä ainakin osa jäähdytyksestä tehdään 10 jäähdyttämällä palautettavaa kiertomassavirtaa, tun nettu siitä, että olennaisesti koko jäähdytys toteutetaan jäähdyttämällä palautettavaa kiertomassavirtaa kaa-suvirtauskanavasta erillisessä lämmönsiirtimessä (10) kiertomassasta erillään olevan jäähdytysväliaineen avulla, 15 jolloin kaasuvirran jäähdytys tapahtuu leijukerrokseen palautuvan, sitä matalammassa lämpötilassa olevan kierto-massavirran avulla.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kiertomassavirtaa säädetään leiju- 20 kerrostilan pohjassa olevien leijutussuuttimien (13) kautta kulkevaa kaasuvirtaa ohjaamalla ja että kuuma kaasu johdetaan jäähdyttimeen leijutussuuttimista erillisten, poikkipinta-alaltaan suurempien suuttimien (3) kautta.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, 25 tunnettu siitä, että kiertomassavirtaa säädetään kuuman kaasunvirtauksen ympärille rengasmaisesti syötetyn kuumaa kaasuvirtausta matalammassa lämpötilassa olevan kaasuvirtauksen avulla.

4. Jonkin patenttivaatimuksen 1-3 mukainen mene-30 telmä, tunnettu siitä, että leijukerroksen hiuk- kassuspensio muodostetaan kahdesta eri karkeusluokkaa olevasta hiukkasmateriaalista, jolloin karkeammalla hiukkas-materiaalilla ylläpidetään leijuntatilassa oleva riittävän tiheä hiukkassuspensio ja jäähdytykseen tarvittava kierto-35 massavirta ylläpidetään hienojakoisemmalla hiukkasmateri- 9 89650 aalilla.

5. Kiertomassajäähdytin kaasun jäähdyttämiseksi, jossa jäähdyttimessä on välineet jäähdytettävän kaasun syöttämiseksi jäähdyttimeen, poistokanava jäähtyneen kaa-5 sun poistamiseksi, jäähdyttimen alaosaan leijukerroksen muodostavaa hiukkasmaista kiertomassaa, joka virtaa kaasun mukana poistokanavaan saakka, ainakin yksi palautuskanava kiertomassan palauttamiseksi leijukerrokseen ja ainakin yksi jäähdytyselin kaasuvirran ja kiertomassan jäähdyttä-10 miseksi, tunnettu siitä, että siinä on yksi jääh-dytyselimenä toimiva lämmönsiirrin (10) jonka läpi johdetaan jäähdyttävää väliainetta, että kaikki paluukanavat kiertomassan palauttamiseksi leijukerrokseen johtavat läm-mönsiirtimen läpi niin, että palautuva kiertomassa jäähtyy 15 lämmönsiirtimessä jäädyttävästä väliaineesta erillään, että jäähdyttimen alapuolella on aukolla varustettu sulku-tila, johon palautuva kiertomassa muodostaa jatkuvasti tulppamaisen kerroksen estäen kaasun virtauksen paluukanavien läpi kaasun poistokanavaan.

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen jäähdytin, tun nettu siitä, että sen yläpäässä on syklonikammio (9) kiertomassan erottamiseksi kaasusta, jolloin kaasun poistokanava on olennaisesti syklonikammion keskellä, että syklonikammion alapuolella on kiertomassan jakokammio 25 (15), jolloin syklonikammio (9) ja jakokammio (15) on ero tettu välipohjalla (8), ja että lämmönsiirrin (10) on sijoitettu jakokammion (15) alapuolelle.

7. Patenttivaatimuksen 5 tai 6 mukainen jäähdytin, tunnettu siitä, että lämmönsiirtimen (10) alapääs- 30 sä sijaitseva sulkutila käsittää kuristuskartion (14), joka on olennaisesti sijoitettu lämmönsiirtimen (10) kanssa symmetrisesti.

8. Jonkin patenttivaatimuksen 5-7 mukainen jäähdytin, tunnettu siitä, että jäähdytin on poikki- 35 leikkaukseltaan pyöreä ja että syklonikammio (9) ja läm- 8 9 6 50 ίο mönsiirrin (10) on sovitettu pyörähdyssymmetrisesti jääh-dyttimen sisään siten, että lämmönsiirtimen (10) ympärille muodostuu olennaisesti rengasmainen virtauskanava jäähdytettävää kaasua varten, jolloin palautuva kiertomassa pa-5 lautuu lämmönsiirtimen (10) läpi olennaisesti jäähdyttimen alaosassa olevan leijukerroksen keskiosaan.

8 9 6 3 ΰ

9. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen jäähdytin, tunnettu siitä, että jäähdyttimen suutinpohjassa on erillisiä kiertokaasusuuttimia (13) 10 kiertokaasun syöttämiseksi jäähdyttimeen ja erillisiä kuu-makaasusuuttimia (3)jäähdytettävän kuuman kaasun syöttämiseksi jäähdyttimeen.

10. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen jäähdytin, tunnettu siitä, että suutinpohjassa on 15 kanavia rengasmaisen kiertokaasuvirtauksen syöttämiseksi kuumakaasusuuttimista (3) tulevien kuumakaasuvirtausten ympärille. n b'?6h 0