FI94152B - Tapa ja laite pulverimaisen polttoaineen hapettamiseksi kahdella eri happipitoisuuden omaavalla kaasulla - Google Patents

Description

94152

TAPA JA LAITE PULVERIMAISEN POLTTOAINEEN HAPETTAMI SEKSI KAHDELLA ERI HAPPIPITOISUUDEN OMAAVALLA KAASULLA

Keksintö koskee tapaa uunin, edullisesti liekkisula-tusuunin jauhemaisen polttoaineen hapettamiseksi polttimen avulla, jolloin hapetus tapahtuu lähinnä kahden eri polttokaasun, jauhemaisen polttoaineen sekä mahdollisen lisäpolttoaineen tehokkaan sekoittamisen vaikutuksesta uunitilassa. Polttokaasut johdetaan uunitilaan omina virtoinaan siten, että happi syötetään keskeltä ainakin osittain pyörteistettynä ja ilma sen ympäriltä useampana erillisenä virtana. Keksintö kohdistuu myös polttimeen jauhemaisen polttoaineen ja polttokaasun sekoittamiseksi sekä polttamiseksi em. uunitilassa.

Ennestään tunnetaan erilaisia tapoja pulverimaisen polttoaineen hapettamiseksi sekä ilmalla, happirikas-tetulla ilmalla että puhtaalla hapella.

US-patentissa 4,210,315 pulverimainen aine jaetaan rengasmaiseksi alaspäin suuntautuvaksi puiverivirraksi, joka rengasvirran sisäpuolella olevalla muotopinnalla suunnataan ja samalla levitetään symmetrisesti sivullepäin käyttäen hyväksi muotopinnan alapuolelta purkautuvia hajotusilmasuihkuja. Tämän suspensiovirran ympäriltä, edelleen lähinnä rengasmaisena virtana, johdetaan polttokaasu sekoittumaan ja reagoimaan pulverimaisen aineen kanssa.

Lieriömäisessä pystykuilussa tapahtuvalle poltolle on ominaista vaatimus, että pulveri-polttokaasusuihkun on oltava kuilun suuntainen ja siihen nähden symmetrinen, ja tämä on toteutettu esim. US-patentissa 4,392,885. Siinä 2 94152 lähinnä vaakasuunnasta tuleva polttokaasu jaetaan rengasmaiseksi tasaiseksi virraksi ja käännetään ympäröimään em. pulverivirtaa reaktiokuilun suuntaisena.

Joskus on pakko rengasmaisen polttokaasuvirran tullessa liian "ohueksi" johtaa se suihkumaisina osavirtoina ympäröimään em. pulverivirtausta ja sekoittumaan siihen, kuten on tehty US-patentissa 4,490,170. Erilliset polttokaasusuihkut on edullisesti saatettu pyörimään.

Kaikissa näissä polttokaasu tulee yhtenäisen pulveri-virran ympäriltä joko yhtenäisenä rengasvirtana tai erillisinä suihkuina.

Erona edellisiin nähden on US patentissa 4,331,087 yhtenäisesti rengasmainen pulverivirta kuitenkin saatettu ympäröimään voimakkaasti pyörivää polttokaasusuihkua.

Suom. pat. hakemuksessa 90 0409 on pieni osa hapesta johdettu patentissa US 4,210,315 kuvatun hajotuselimen keskeltä antamaan lisähappea pulverivirran sisäpuolelta.

Monessa tapauksessa, kuten hiilenpoltossa, seostetaan pulverimainen polttoaine ja polttokaasu jo ennen reaktiotilaa, jopa ennen varsinaista poltinta. Tämä ei kuitenkaan aina onnistu, varsinkin jos käytetään polttokaasuna puhdasta happea ja polttoaineena herkästi reagoivaa pulverimaista ainetta. Myös laitteiston kuluminen aiheuttaa tällöin vaikeuksia.

Meidän keksinnössämme on pystytty voittamaan em. patenttien vaikeudet ja siten toteuttamaan idea myös käytännössä. Keksinnön olennaiset tunnusmerkit käyvät esille oheisista patenttivaatimuksista.

;> , SH I 11II Mill | 3 94152

Keksinnön mukaista tapaa ja laitteistoa kuvataan alla lähemmin viitaten samalla oheisiin piirustuksiin, joissa kuva 1 esittää kaaviomaisesti erästä keksinnön sovellutuskohdetta, liekkisulatusuunia, kuva 2 esittää osittain leikattuna, vinoaksonometrisenä kuvantona erästä sovellutusmuotoa keksinnön mukaisesta pulverimaisen aineen polttimesta, kuva 3 esittää myös osittain leikattuna, vinoaksonometrisenä osittaiskuvantona alhaaltapäin katsottuna keksinnön mukaisen polttimen erästä sovellutusmuotoa, kuva 4 on kaaviomainen piirros eri materiaalivirtojen sekoittumisesta liekkisulatusuunin yläosassa.

Kuvassa 1 on esitetty kaaviomaisesti pulverimaisen aineen polttimen 1 sijoitus liekkisulatusuunin 2 holville 3. Pulverimainen polttoainevirta, useimmiten rikastevirta, jaetaan syöttölaitteesta 4 polttimen sisäpuolella useampaan osavirtaan. Molemmat reaktiokaasut 5 ja 6 tuodaan myös yhtenäisinä kaasuvirtoina polttimelle, jossa ilma jaetaan kulkemaan useampana osavirtana uuniin. Rikaste ja reaktiokaasut johdetaan uuniin erillisinä virtoina siten, että ne kohtaavat toisensa vasta liekkisulatusuunin reaktiokuilussa 7. Keksinnössämme puhutaan kahdesta reaktiokaasusta, ja tällöin reaktio-kaasu I:llä tarkoitetaan happikaasua ja reaktiokaasu II:11a ilmaa.

Pulverimainen rikastevirta jaetaan syöttölaitteesta 4, usein kolakuljettimelta, jaettuna 3 ... 6, edullisesti neljään osavirtaan. Kuten kuvasta 2 nähdään, näiden osavirtojen annetaan pudota polttimen lähinnä putkimaisissa kanavissa 8 painovoiman avulla alaspäin. Aluksi osavirtojen suunta on käytännössä sen verran ulospäin, että laitteiston keskiosaan voidaan sijoittaa pyörteistinlaitteisto 9. Tämän jälkeen osavirrat ovat 4 94152 tietyn matkaa pystysuuntaisia ja sen jälkeen kääntyvät sisäänpäin siten, että ne on suunnattu pystysuoran, lieriömäisen reaktiokuilun 7 keskiakselia kohti muodostaen sen kanssa kulman, joka on suuruusluokaltaan 50 ... 15°, ja lopulta kanavissa 8 virtaavat pulverimaisen polttoaineen osavirrat purkautuvat reaktiokuilun holvin 3 läpi reaktiokaasun I pyörteistimen ympäriltä itse kuiluun 7 kohdaten toisensa kuilun keskiakselilla jonkinverran holvin alapinnan alapuolella.

Kuvasta 2 nähdään vielä, että rikasteen kuljetukseen rakennetut putkimaiset kanavat 8 on mutkakohdissa varustettu erityisillä taskuilla 10, joihin rikaste kerääntyy ja muodostaa niihin siten autogeenisen vuorauksen. Tämä autogeeninen vuoraus suojaa putkea rikasteen yksittäisten partikkelien iskumaisilta vaikutuksilta. Kanavien 8 alaosa 11 voidaan vielä varustaa erillisillä krassauslaitteilla 12, joiden avulla rikasteputkesta ja holvilta voidaan krassata kasvettumia ajon aikana.

Usein pulverimaisen aineen, varsinkin rikasteen, poltossa käytetään sekä ilmaa että puhdasta happea. Normaali tapa on sekoittaa ne ennen reaktiotilaa keskenään tasaisesti ja sitten johtaa näin muodostettu happirikastettu ilma esimerkiksi em. patenttien mukaisesti reaktiokuiluun. Sekoituksessa saattaa tulla joskus vaikeuksia. Usein esimerkiksi happi ja ilma ovat eripaineisia ja tämä joudutaan ottamaan huomioon sekoitustapaa ja uuniin ·. johtamistapaa suunniteltaessa.

Keksinnön mukaisessa tavassa ilma ja happi johdetaan uuniin erillisinä ja erilaisilla menetelmillä. Käytännössä tämä tarkoittaa sitä, että ilma johdetaan uuniin yleensä puhaltimen kautta, jolloin ilman paine on I a I* S 11« i i I -äl , i 5 94152 luokkaa 0,02 - 0,05 bar. Happi taas johdetaan kompressorin kautta, jolloin sen paine on luokkaa 0,2 -0,5 bar. Tämän keksinnön mukaisesti nämä polttokaasut johdetaan nyt erikseen uuniin, jolloin pystytään esim. hapen suurempi paine käyttämään täysimittaisesti hyväksi rikasteen hajotuksessa eikä hukata tätä hapen sisältämää sekoitusenergiaa polttokaasujen sekoittamiseksi keskenään.

Tämän keksinnön mukaisesti käytetään kaikki polttokaasuille saatava paine optimitavalla hyväksi. Hapen paine voidaan käyttää hapen voimakkaan pyörtei-syyden ja täten rikasteen hajotuksen aikaansaamiseksi. Happimäärän vaihtelu huomioidaan erityisellä pyörteisyy-den säätöelimellä, kuten on kuvattu esim. US-patentissa 4,331,087.

Sen sijaan ilmalta sen pienen paineen takia ei vaaditakaan voimakasta pyörteisyyttä ja rikastehajotusta, vaan sopivaa, esisekoitukseen tarvittavaa laaja-alaisesti vaihdeltavissa olevaa "jämäkkyyttä".

Polttolaitteeseen 1 reaktiokaasu II eli ilma tulee lähinnä vaakasuunnassa ja se jaetaan kuten rikastekin 3 -6, edullisesti neljään osavirtaan. Jakaminen voi tapahtua ennen vaakasuunnan muuttamista lähinnä pystysuunnaksi tai erillisesssä ilmanjakokammiossa, jonka alaosassa on reaktiokuiliin holvin läpi ulottuvat, lähinnä putkimaiset aukot 13 suunnattuna olennaisesti samassa kulmassa kuin rikastevirtakin. Edullisesti holvin läpi ulottuvat rikaste- ja ilmakanavat 8 ja 13 ovat samalla kehällä ja siten, että joka toinen on aina rikasteelle ja joka 6 94152 toinen ilmalle. Periaatteessa molempien osavirtojen keskiakselit kohtaavat toisensa kuilun keskiakselilla samassa pisteessä.

Ilmasuihkujen avautumakulma on kuitenkin tunnetusti 15 20° ja ne aiheuttavat ympäristöväliaineelle, kuten rikasteelle, imuvirran, joka supntautuu voimakkaimmin suihkun alkuosaan. Ympäristöväliaine joutuu siten voimakkaaseen kosketukseen ilmasuihkun kanssa tietenkin riippuen nopeuksista.

Reaktokaasu I eli varsinainen happi, minkä osuus koko polttokaasuvirrasta on suurin piirtein puolet, johdetaan yhtenäisenä, aluksi lähinnä vaakasuorana virtana putken 14 kautta pyörteistinkammioon 9. Pyörteistinkammiossa happikaasuvirta käännetään olennaisesti pystysuoraan suuntaan ja saatetaan ainakin osittain voimakkaaseen pyörimisliikkeeseen, jolloin happi saatetaan purkautumaan em. ilma- rikastesuspensio-renkaan keskeltä yli 20° avautuvana, useimmiten onttona kartiosuihkuna pyörteistimen alaosasta 15 reaktiokuiluun 7. Sen lisäksi, mitä edellä on todettu erillisen happisyötön eduista, voidaan lisäksi todeta, että erilliset happikanavat ovat myös työturvallisuuden kannalta merkittävä tekijä.

On rikasteita, kuten usein esimerkiksi nikkelisulfidi-rikaste, jonka oma rikkipitoisuus ei aina ole riittävän suuri ylläpitämään reaktioille välttämätöntä korkeata lämpötilaa. Tällöin tarvitaan reaktiokuilussa lisälämpöä. Meidän keksinnössämme se on helposti saavutettavissa seuraavalla tavalla toteutettuna: Kuvassa 3 on esitetty, miten pyörteistimen alaosasta 15 purkautuvan happivirran sisäpuolelta johdetaan reaktiokuiluun kaasumaista tai nestemäistä polttoainetta putken 16 kautta, jolloin tämä ; au i m; t , i il 7 94152 lisäpolttoaineen virta hajotetaan sisäpuolelta onttoon happikaasuvirtaan ja kun polttoaine palaa ympäröivän hapen vaikutuksesta, se antaa palaessaan reaktioissa tarvittavan lisälämmön.

Kaikkien edellä esitettyjen vaatimusten toteuttamiseksi päädytään mitoituksissa usein tilanteeseen, jolloin reaktiokuilun holvin läpi ulottuvien poltinosien pinnat ovat niin suuria, että uunin voimakkaasta lämpösäteilystä johtuen (lämpötila noin 1400°C) polttimen materiaalin kestävyys ei enää ole taattu. Meidän keksinnössämme tämäkin on ratkaistu varsin tehokkaalla tavalla, mikä ei useinkaan edes ammattimiehelle ole itsestään selvää vesijäähdytyksen muodostamien vaaratekijöiden vuoksi. Meidän keksintömme mukaisesti koko poltinjärjestelmä on holvilla vesijäähdytetyn kuparilaatan 17 "sisässä" helpottaen täten huomattavasti materiaali- ja muotoilu-valintoja.

Kuvassa 4 on vielä esitetty kaaviomaisesti tilanne reaktiokuilun yläosassa, kun eri kanavista purkautuvat polttoaineen ja polttokaasujen suihkut kohtaavat toisensa. Kohtien A, B ja C tilannetta on kuvattu alapuolella olevissa, vastaavissa poikkileikkauksissa.

Kuvan 4 pystyleikkauksesta nähdään, että pyörteistimen alaosasta 15 purkautuu erillinen, voimakas happikaasu-suihku 18, jonka ympäriltä purkautuvat symmetrisesti rikastekanavista 8 rikastevirrat 19 ja ilmakanavista 13 tulevat ilmavirrat 20. Poikkileikkauksen 4A tilanteessa kaikki virrat ovat vielä erillisiä, mutta kuten leikkauksesta 4B voidaan päätellä, ilmasuihkujen avautu-makulma aiheuttaa rikastevirralle imuvirran, jonka vaikutuksesta rikasteesta kaasutilaan leijumaan lähtenyt 8 94152 hienoin osa imeytyy ilmasuihkuun eikä pääse tarttumaan ja kasvamaan holville. Siten voidaan muodostaa sisäänpäin suuntautuva rengasmainen rikaste-ilmaverho, jolloin rikastepitoisuus vaihtelee renkaassa aaltomaisesti. Kuten poikkileikkauksesta 4C on todettavissa, happisuihkun pyörteistys on niin voimakas, että se pystyy hajottamaan vielä kuvassa 4B näkyvän esisuspendoidun rikaste-ilma-suspension ja sekoittumaan siihen tasaisesti, reaktiolle välttämättömällä, riittävän suurella nopeudella.

Voidaan todeta, että joissakin aikaisemmissa poltinrat-kaisuissa on tiettyjä, keksinnön mukaisessa ratkaisussa esille tulevia asioita voitu toteuttaa, mutta joitakin muita, polttotapahtumalle olennaisia ominaisuuksia on jäänyt heikommin toteutetuksi, mutta tämän keksinnön mukaisella tavalla ja laitteistolla on kaikki esille-tulleet ongelmat yhtäaikaisesti ratkaistu. Eräs poltti-melle tärkeä ominaisuus on käytännön vaatimus eli toiminta tukkeentumatta, kulumatta jne.

Kaikissa em. tekniikan tason mukaisissa tapauksissa rikastevirrasta muodostetaan rengasmainen, jolloin rako tulee usein suhteellisen pieneksi ja aiheuttaa tukkentumisvaaran esimerkiksi rikastevirran mukana kulkeutuvan sopimattoman esineen johdosta (esim. hitsauspuikko). Rako voi myös hyvin helposti, varsinkin kuumentuessaan olla jostain kohtaa kapeampi ja siten aiheuttaa epäsymmetrisyyttä. Rengasmaisen raon puhdistus on myös usein ongelma. Pilalle menneen raon korjaus ·. vaatii erikseen suunnitellut ja käsityönä tehdyt erikoisrakenteet.

Meidän keksintömme mukaisessa laitteistossa voidaan käyttää standardiputkia, jotka siis on helppo uusia ja ovat tukevia sekä hyvin muotonsa pitäviä. Pyöreässä 9 94152 poikkipinnassa on myös tunnetusti vähiten kitkaa aiheuttavaa seinämäpintaa, joten tukkeentuminen on vähäistä. Jos nyt kuitenkin jostain syystä tukkeentumista tapahtuisi, on meillä puhdistusmahdollisuus, joka on pystytty moniin muihin rakenteisiin nähden toteuttamaan varsin yksinkertaisesti ja helposti tehtäväksi, ja joka on jopa tarpeen tullen automatisoitavissa.

Usein rikasteet ovat suurehkolla nopeudella seinään törmätessään kuluttavia. Meidän keksinnössämme tämä on järjestetty autogeenisella tavalla eli jokaiseen törmäys-kohtaan on järjestetty putken jatke, joka samalla toimii rikasteen keräysastiana ottaen vastaan rikastevirran törmäysiskut, kuten edellä on kuvattu.

Usein tapauksissa, joissa happi tulee rikasteen ympäriltä, lisälämpö annetaan rikaste-polttoilmavirran ja reaktiokuilun seinän välitilasta, jolloin kuilun seinän kulumisen takia ei useinkaan voida käyttää kuumaa liekkiä (happea) seinän lämpörasituksen vuoksi. Meillä lähinnä seinää on rikaste-ilma-suspensio eikä keksinnön mukainen rakenne siten aiheuta vaaraa kuilun muurauksille/ massauksille.

Keksintöä kuvataan vielä oheisen esimerkin avulla: Esimerkki 1.

Nikkelirikasteen liekkisulatuksessa uuniin syötettiin . aineet allaolevan taulukon mukaisesti. Reaktiokuilun halkaisija oli 4,2m.

10 94152

Kapasiteetti I Kapasit. II

Kokonaissyöttö (rikaste + lisäaineet) 15 t/h 30 t/h

Happi (V02n) 2500 m-^/h 5000 m^/h

Polttoilma (V-[n) 2000 m-Vh 3000 nvVh

Hapen paine 0.25 bar 0,26 bar

Polttoilman paine 0.015 bar 0,03 bar Öljy 300 1/h 300 1/h

Kuten ylläolevasta taulukosta nähdään, polttimen säätöalue on laaja; kapasiteetti voidaan kaksinkertaistaa, ja käytäntö on osoittanut, että poltin toimii tehokkasti kummallakin alueella. Kuten taulukosta nähdään, kapasiteetti II: n alueella happisyöttö on noussut kaksinkertaiseksi kuten kokonaissyöttökin, mutta samaan sekoitustehokkuuteen (turbulenssiasteeseen) päästiin pienentämällä polttokaasun I kierron voimakkuutta. Säätöalue on selvästi laajempi kuin mihin tekniikan tason mukaisilla laitteilla on aikaisemmin päästy, koska niissä sekoitustehokkuus riippuu paljolti esisekoitetun polttokaasun purkausnopeudesta. Esimerkistä siis nähdään, että polttokaasujen I ja II syöttäminen erillisinä mahdollistaa säätöalueen laajentamisen . oleellisesti.

» »h i tm i i i e·

Claims (16)

94152

1. Tapa liekkisulatusuuniin syötettävän jauhemaisen polttoaineen hapettamiseksi polttokaasun avulla, jolloin osa polttokaasusta syötetetään reaktiotilaan pyörteis-tettynä, tunnettu siitä, että liekkisulatusuunin kapasiteettialueen laajentamiseksi polttokaasuna käytetään kahta reaktiokaasua I ja II, jolloin reaktiokaasu I eli happi syötetään ainakin osittain pyörteistettynä erillisenä onttona suihkuna polttimen keskeltä liekki-sulatusuunin reaktiotilaan ja polttokaasu II:na käytettävä ilma syötetään vähintään kolmena erillisenä, happi-suihkun ympäriltä alaspäin suunnattuna virtauksena, joiden avautumiskulma on 15 - 20°, sekä että kunkin ilmasuihkun väliin on olennaisesti samalle kehällel sijoitettu jauhemaisen polttoaineen putkimainen kanava, josta virtaavat erilliset polttoainesuihkut muodostavat polttimen alapuolella olevan reaktiokuilun keskiakselin kanssa 15 - 50° kulman.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen tapa, tunnettu siitä, että reaktiokaasut I ja II syötetään eri paineisina polttimen kautta reaktiokuiluun. i

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen tapa, tunnettu siitä, että reaktiokaasun I paine on alueella 0,2 - 0,5 bar.

4. Patenttivaatimuksen 2 mukainen tapa, tunnettu siitä, että reaktiokaasun II paine on alueella 0,02 -0,05 bar. 94152

5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen tapa, tunnettu siitä, että reaktiokaasun II kanavien lukumäärä on edullisesti 4-6 kappaletta.

6. Patenttivaatimuksen 1 mukainen tapa, tunnettu siitä, että jauhemaisen polttoaineen kanavien lukumäärä on edullisesti 4-6 kappaletta.

7. Patenttivaatimuksen 1 mukainen tapa, tunnettu siitä, että reaktiokaasu I:n suihkun keskeltä syötetään kaasumaista tai nestemäistä lisäpolttoainetta.

8. Poltin (1) liekkisulatusuuniin (2) syötettävän jauhemaisen polttoaineen hapettamiseksi polttokaasun avulla, jolloin poltin (1) on sijoitettu pystysuoran lieriömäisen uunin holville (3) ja jolloin osa polttokaasustal syötetään uunin reaktiokuiluun (7) pyörteistettynä,’ tunnettu siitä, että poltin (1) muodostuu sen keskiosaan sijoitetusta pyörteistimestä (9), jonka kautta reaktiokaasu I eli happi syötetään omana virtanaan reaktiokuiluun (7) sekä pyörteistimen (9) ympärille sijoitetusta ilmanjakokammiosta sekä sieltä alaspäin suunnatuista, vähintään kolmesta erillisestä reaktiokaasu II:n eli ilman putkimaisesta syöttökanavasta (13) ja kunkin ilman syöttökanavan (13) väliin olennaisesti samalle kehälle sijoitetuista putkimaisista jauhemaisen polttoaineen kanavista (8).

9. Patenttivaatimuksen 8 mukainen laitteisto, t u n - • n e t t u siitä, että polttimen (1) alaosa on varustettu vesijäähdytetyllä kuparilaatalla (17).

10. Patenttivaatimuksen 8 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että pyörteistimen (9) sisälle on I SS» > llli i 1 i -I i 94152 samakeskeisesti sijoitettu kaasumaisen tai nestemäisen lisäpolttoaineen syöttöputki (15).

11. Patenttivaatimuksen 8 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että jauhemaisen polttoaineen kanavat (8) on varustettu taskuilla (10) kanavien suojaamiseksi.

12. Patenttivaatimuksen 8 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että jauhemaisen polttoaineen kanavat (8) on varustettu krassauslaitteilla (12).

13. Patenttivaatimuksen 8 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että reaktiokaasu II: n alaspäin suunnatut putkimaiset kanavat (13) muodostavat 15 - 20° kulman reaktiokuilun (7) pystysuoran keskiakselin kanssa. *

14. Patenttivaatimuksen 8 mukainen laitteisto, t u n n e t t u siitä, että jauhemaisen polttoaineen alaspäin suunnatut putkimaiset kanavat (8) muodostavat 15 - 50° kulman reaktiokuilun (7) pystysuoran keskiakselin kanssa.

15. Patenttivaatimuksen 8 mukainen poltin, tunnettu siitä, että reaktiokaasun II kanavien (13) lukumäärä on edullisesti 4-6 kappaletta.

16. Patenttivaatimuksen 8 mukainen poltin, tunnettu siitä, että jauhemaisen polttoaineen kanavien lukumäärä (8) on edullisesti 4-6 kappaletta. m 94152