SE502292C2 - Förfarande för tvåstegsförbränning av fasta bränslen i en cirkulerande fluidiserad bädd - Google Patents

Description

15 20 25 30 35 2.92 2 i storleksordningen 20-150 mg MJ- (40-250 ppm vid 6% 02).

Bo Leckner och Lennart Gustavsson har i en artikel med ti- teln "Reduction of N20 of gas injection in CFB boilers" i Journal of the Institute of Energy, September 1991, 64, 176-182, påvisat, att man kan minska emissionerna av di- kväveoxid vid förbränning i en cirkulerande svävbädd (CFB- förbränning) genom att man i cyklonen efter avskiljningen av de cirkulerande bäddpartiklarna utför en efterförbrän- l ning i cyklonen med hjälp av en i denna insatt gasbrännare för förbränning av en separat inmatad brännbar gas, van- ligtvis metangas. Vid de genomförda försöken visade det sig, att man kunde erhålla avsevärda minskningar av emis- sionerna av dikväveoxid utan betydande ökningar av NO- emissionerna samtidigt som man kunde uppnå en minskning av CO-emissionerna, när brännbar gas tillfördes för denna efterförbränning.

Ett annat exempel på liknande teknik för minskning av dikväveoxidemissionerna beskrivs i den publicerade euro- peiska patentansökningen EP-A-0 569 183, enligt vilken en efterförbränning av rökgaserna också genomförs efter den cyklon, som används för avskiljning av bäddpartiklarna i en CFB-panna (dvs en panna, som arbetar med en cirkuleran- de fluidiserad bädd). Vid förfarandet enligt denna publi- kation driver man pannan vid reducerande förhållanden i svävbädden för att man skall ha kvar tillräckligt med brännbart material i rökgaserna, så att den eftersträvade efterförbränningen skall kunna uppnås när syrehaltiga ga- ser sätts till de avskilda rökgaserna. Sekundärluft sätts till eldstadsrummet ovanför svävbädden, men understökio- metriska förhållanden upprätthålls ändå i hela eldstads- rummet. N0x-reningsmedel sätts till de avskilda rökgaser- na, som därefter används för överhettning av alstrad ånga i en efterkopplad överhettare.

I den europeiska publicerade patentansökningen EP-A- 0 571 234 beskrivs ett tvåstegsförbränningsförfarande i en FB-panna, varvid bäddens nedre delar drivs vid understöki- ometriska förhållanden och bäddens övre delar drivs vid 10 15 20 25 30 35 esoz 292' 3 överstökiometriska förhållanden. En nomförs inom bäddens övre delar för temperaturstyrning ge- att man enligt uppgift av N20, N0x och SOx. reglering av mängden skall samtidigt minska emissionerna Denna temperaturstyrning sker genom bäddpartiklar inom bäddens övre delar, varvid denna regle- ring åstadkommes genom reglering av de tillförda fluidise- ringsgasernas hastighet och genom återföring av bäddpar- tiklar från bäddens övre till dess nedre delar. Någon ef- terförbränning av brännbara rester i rökgaserna sker inte efter avskiljningen av bäddpartiklarna från rökgaserna. Även den europeiska publicerade patentansökningen EP-A-0 550 905 är inriktad på hur man skall kunna minska emissionerna av dikväveoxid vid förbränning i en sväv- bäddspanna. I detta fall sker förbränningen av bränslet vid 700-1000“C och tillförs kalciummaterial för minskning av S0- och S0:-emissionerna. Bäddpartiklarna avskiljs från rökgaserna, och dessa behandlas sedan i en efterkopplad reaktor för minskning av dikväveoxidhalten. Denna efter- kopplade reaktor kan innehålla en andra svävbädd, i vilken åtminstone en del av rökgaserna från huvudförbränningen används för fluidisering av bäddpartiklarna i denna andra svävbädd, varvid huvudsvävbädden eller den första svävbäd- den drivs på ett sådant sätt, att rökgaserna lämnar denna med ett överskott av syre.

PCT-publikationen W093/18341 beskriver också ett två- stegsförbränningsförfarande för minskning av emissionerna av skadliga ämnen från en svävbäddspanna. I detta fall sker en partiell förbränning och förgasning av bränslepar- tiklarna i en bubblande bädd vid understökiometriska (re- ducerande) förhållanden och sker sedan en färdigförbrän- ning av resterande fasta bränslen och förgasade brännbara ämnen i en andra förbränningszon ovanför den bubblande bädden, varvid överstökiometriska (oxiderande) förhållan- den upprätthålls inom denna andra förbränningszon. Bädd- partiklarna skiljs från rökgaserna först efter den full- ständiga förbränningen, och någon efterbehandling av rök- gaserna sker inte efter denna avskiljning. 5 02 10 15 20 25 30 35 2,92 4 Vid senare undersökningar [Bo Leckner, “Optimization of Emissions from Fluidized Bed Boilers", International Journal of Energy Research, Vol 16, 351-363 (1992)] har det emellertid visat sig att ett stort problem är att åt- gärder för minskning av N20-emissionerna tyvärr också ökar S02 och NO-emissionerna. Dessa undersökningar utmynnade i ett konstaterande, att man i princip har tvà möjliga para- metrar att arbeta med, nämligen överskottsluft och bädd- temperatur, när det gäller att minska emissionerna av di- kväveoxid. Vidare konstaterades, att en avsevärd minskning av N20- och NO-emissionerna kan uppnås genom förbättring av bränsletillföringssystemet och regleringssystemet för att medge en lägre överskottsluftkvot, varvid minst 20% luftöverskott skall användas. Vidare anges, att det är be- tydligt viktigare att öka bäddtemperaturen från den kon- ventionella temperaturen 830-850°C till temperaturen 900°C, att kompensera för den högre NO-emissionen genom ammioniakinsprutning och att kompensera för den i lägre grad effektiva svavelavlägsningen genom en ökning av kalk- stenstillförseln. En ytterligare minskning av N20-emissio- nerna föreslås också genom att man i rökgaskanalen monte- rar in en brännare för att öka gastemperaturen genom stöd- förbränning.

En liknande metod för att minska N20-emissionerna ge- nom gasinjektion i CFB-pannor har föreslagits av Lennart Gustavsson och Bo Leckner i artikeln "N20 Reduction with Gas Injection in Circulating Fluidized Bed Boilers", llth International Conference on Fluidized Bed Combustion, Montreal, 1991. I denna artikel anges bl a att luft kan införas efter cyklonen och att denna åtgärd kan leda till minskade CO-emissioner.

Bo Leckner och Lars-Erik Åmand konstaterar också i artikeln "N20 Emissions from Combustion in Circulating Fluidized Bed" vid 5th International Workshop on Nitrous Oxide Emissions NIRE/IFP/EPA/SCEJ, Tsukuba, July 1992, att emissionerna av N20 frán svävbäddsförbränning kan minskas eller elimineras genom att använda ett lågt luftöverskott, 10 15 20 25 30 35 502 292' 5 ett lämpligt arrangemang för lufttillförseln och en hög bäddtemperatur men att sàdana åtgärder skulle innebära en ny optimering av svävbäddsförbränningsförfaranden och ett hänsynstagande till parameterändringarnas inverkan på för- bränningsverkningsgraden, temporära emissioner av flyktiga organiska föreningar och kalkstrensförbrukningen. Liknande konstateranden har samma och andra författare gjort i and- ra artiklar angáende dikväveoxidemissioner vid svävbädds- förbränning [jfr L-E Åmand och Bo Leckner, ”Influence of Air supply on the Emissions of NO and N20 from a Circula- ting Fluidized Bed Boiler", 24th Symposium (International) on Combustion/The Combustion Institute, 1992, 1407-1414; L-E Åmand och Bo Leckner, sion of Nitrogen Oxides (NO and N20) From an 8-MW Flui- dized Bed Boiler", Combustion and Flame 84: 181-196 (1991): L-E Åmand och Bo Leckner, "0xidation of Volatile Nitrogen Compounds during Combustion in Circulating Fluid- 1991, sid 809-815; L-E Åmand, B- Leckner and S. Anderson "Formation of N20 in Circulating Fluidized Bed Boilers", Energy & Fuels, 1991, sid 815-8231.

När det gäller problemet att infànga svavel och mins- “Influence of Fuel on the Emis- ized Bed Boilers", Energy & Fuels, ka S02-emissionerna har Anders Lyngfelt och Bo Leckner i artikeln "S02-Capture in Fluidised-Bed Boilers: Re-Emis- sion of S02 due to Reduction of CaS0 ", Chemical Engineer- ing Science, Vol 44, nr 2, sid 207-213 (1989) konstaterat, att det föreligger en konflikt mellan à ena sidan att upp- nä låga N0x-emissioner och à andra sidan att uppnå låga S02-emissioner i svävbäddspannor. Samma författare anger i i artikeln “Model of Sulphur Capture in Fluidised-Bed Boilers under Conditions Changing between Oxidising and Reducing“, Chemical Engineering Science, vol 48, nr 6, sid 1131-1141 (1993), att detta problem omfattar en balans mellan svavelinfàngning och svavelfrigivning och att denna reaktion kan vara temperaturberoende. För att beskriva av- svavlingen under dessa förhållanden föreslås en modell, vid vilken omväxlande oxiderande och reducerande 50_2 2.92 10 15 20 25 30 35 6 förhållanden utnyttjas. De presenterade resultaten visar, att reducerande förhållanden ger lägre utnyttjande av sorptionsmedlet vid ökad svavelinfångning och vid ökad temperatur och att reducerande förhållanden har en skadlig effekt vid alla temperaturer, som är av intresse vid sväv- bäddsförbränning, även vid temperaturer under 850°C. De olika reaktionernas temperaturberoende har också bekräf- tats i andra artiklar [Anders Lyngfelt och Bo Leckner, "Sulphur capture in fluidised-bed combustors: temperature dependence and lime conversion", Journal of the Institute of Energy, Mars 1989, sid 62-72; Lars-Erik Åmand, Bo Leck- ner och Kim Dam-Johansen, "Influence of S02 on the NO/N20 chemistry in fluidized bed combustion", Fuel 1993, Vol 72, nr 4, sid 557-564; Anders Lyngfelt och Bo Leckner, "S02 capture and N20 reduction in a circulating fluidezed-bed boiler: influence of temperature and air staging", Fuel 1993, Vol 72, nr 11, sid 1553-1561; och Anders Lyngfelt, Klas Bergqvist, Filip Johansson, Lars-Erik Åmand och Bo Leckner, "Dependence of Sulphur Capture Performance on Air Staging in a 12 MW Circulationg Fluidised Bed Boiler", 2nd International Symposium on Gas Cleaning at High Tempera- tures, Sept. 1993, publicerad i Gas Cleaning at High Tem- peratures, Eds. R. Clift & J.P.K. Seville, 1993, sid 470- 4911.

Som nämnts ovan och som framgår av många av de refe- rerade publikationerna medför åtgärder för minskning av N20-emissionerna tyvärr en ökning S02- och NO-emissioner- na. Detta har också bekräftats vid utnyttjande av ett nytt förbränningssystem med flera cirkulerande fluidiserade bäddar (MCFB, multi circulating fluidized bed), till skillnad från äldre system med bubblande bäddar och enkla cirkulerande bäddar enligt vad som rapporteras av U.N.

Johansen, T. Lauridsen och F ørssleff i artikeln "Cogene- ration systems: Advanced fluidized bed set for cogenera- tion", Modern Power Systems, januari 1992, sid 39-40. 10 15 20 25 30 35 5o2 292" 7 Det är sålunda välkänt, att man för att få en minsk- ning av en typ av emissioner behöver göra avkall på minsk- ningen av en eller flera andra typer av emissioner. Det föreligger därför ett behov av att optimera förbränningen i en svävbäddspanna på ett sådant sätt, att alla emissio- ner blir så långa som möjligt. Ett ändamål med föreliggan- att åstadkomma ett nytt sätt att för att uppnå denna optimering. från insikten, dels att förbrän- ning av kol eller andra svavelhaltiga bränslen i sväv- bäddspannor med cirkulerande fluidiserad bädd är en teknik som ger möjlighet att på ett enkelt sätt få låga emissio- ner av både kväveoxider, NOx (dvs NO och N02) och svavel- dioxid S02 (även S03), dels att sådana pannor också emit- terar relativt mycket dikväveoxid, som anses ha en negativ de uppfinning är därför driva en svävbäddspanna Uppfinningen utgår inverkan på ozonskiktet och är en drivhusgas, vilken på- verkar jordens klimat på sikt. Uppfinningen utgår också från insikten, att de båda viktigaste parametrarna för emissioner från en panna är lufttillsatsen och temperatu- ren och att andra viktiga parametrar är mängden tillsatt sorbent för avsvavling (vanligtvis kalk) och àtercirkula- tionen av fast material.

Samma utgångsinsikt har man haft i den ovannämnda publicerade europeiska patentansökningen EP-A-O 569 183 och den ovannämnda artikeln “Reduction of N20 by gas in- jection in CFB boilers" (Bo Leckner och Lennart Gustavs- son, Journal of the Institute of Energy, September 1991, 64, 176-182). I dessa fall har man emellertid kommit till slutsatsen, att man vid förbränning i en cirkulerande svävbädd (CFB-förbränning) skall genomföra en efterför- bränning i cyklonen efter avskiljningen av de cirkulerande bäddpartiklarna, varvid denna efterförbränning i det sist- nämnda fallet åstadkommes genom stödförbränning av en se- parat tillförd brännbar gas i rökgaserna efter cyklonen och i det förstnämnda fallet åstadkommes genom att för- bränningen i pannans eldstadsrum genomförs så, att bränn- bart material kvarstår i rökgaserna efter utträdet från 502 29.2 10 15 20 25 30 35 8 cyklonen. Enligt EP-A-0 569 183 utnyttjas stegvis till- sättning av förbränningsluften i pannans eldstad, så att reducerande förhållanden upprätthålls hela eldstadsrummet.

Genom att lufttillsatsen sker stegvis pá det angivna sät- tet uppkommer lokalt reducerande förhållanden (syreunder- skott) inom bädden, så att koncentrationen av brännbara gaser (CO, kolväten, H2) är hög och syrekoncentrationen sa låg att den inte räcker till för förbränning av de bränn- bara gaserna. För förbränning av dessa tillförs sekundär- luft ovanför bädden men även denna sekundärlufttillsats är otillräcklig för fullständig förbränning av kvarvarande brännbart material, eftersom detta skall användas vid efterförbränningen av rökgaserna efter avskiljningen av bäddpartiklarna. Enligt den sistnämnda artikeln inmatas också sekundärluft ovanför bädden men àstadkommes efter- förbränningen genom stödeldning av separat tillförda brännbara gaser efter avskiljningen av bäddpartiklarna i cyklonen.

Vid uppfinningen har problemet att minska N20-emis- sionen utan att samtidigt öka emissioner av NOx och S02 lösts på ett annat sätt. Effekten av de båda huvudparamet- rarna, dvs lufttillförselmetoden och bäddtemperaturen, vid en konstant luftöverskottskvot, kan i korthet summeras pà följande sätt. En ökad lufttillförseluppdelning i olika steg (primär-, sekundär- och eventuellt även tertiärluft- tillförsel) befrämjar låg NO-emission och i viss utsträck- ning även lág N20-emission men ger höga S02-emissioner, medan motsatsen befrämjar svavelinfàngningen men resulte- rar i höga NO-emissioner. Å andra sidan kommer en ökad temperatur att ge låga N20-emissioner men höga NO- och S02-emissioner. För fackmannen tyder detta pá att man inte samtidigt skulle kunna få lága emissioner av alla tre ty- perna av föroreningar utan att kostsamma àtgärder vidtages för behandling av de från pannan utträdande rökgaserna.

Enligt föreliggande uppfinning har det emellertid vi- sat sig, att man kan uppná en samtidig minskning av alla tre föroreningshalterna, om förbränningen utförs enligt 10 15 20 25 30 35 502 292) 9 vad som definieras i patentkravet 1. Underpatentkraven an- ger särskilt föredragna utföranden av uppfinningen.

Förbränningen i en panna, som arbetar med en cirku- lerande fluidiserad bädd, är mycket komplex, och det har nu upptäckts, att de processer eller reaktioner som gör att en emission ökar och en annan minskar är kopplade till varandra enbart indirekt. Uppfinningen har anvisat en möj- lighet att kringgå den skenbara sammankopplingen mellan de tre föroreningstyperna genom en mera selektiv användning av åtgärder, som påverkar föroreningshalterna. Vid försök, som redovisas i det följande, har det visat sig, att man vid eldning med ett bituminöst kol med medelhög svavelhalt kunde minska emissionen av N20 till en fjärdedel (25 ppm), av NO till hälften (ca 50 ppm) utan att i betydande grad påverka svavelavlägsningen (90%), jämfört med känd teknik med normal driftstemperatur och med normal stegvis genom- förd lufttillförsel.

Sammanfattningsvis kan uppfinningsförfarandet beskri- vas på så sätt, att väsentligen oxiderande förhållanden upprätthålls inom eldstadsrummets nedre delar och att ungefär stökiometriska förhållanden upprätthålls inom eld- stadsrummets övre delar samt att rökgaserna efter avskilj- ningen av bäddpartiklarna utsätts för efterförbränning.

Uppfinningen skiljer sig sålunda från känd teknik, vid vilken man upprätthållit reducerande förhållanden inom och ovanför bädden.

I EP-A-O 569 183 används reducerande förhållanden inom bäddens nedre delar och även ovanför bädden och sker förbränningen i eldstadsrummet vid understökiometriska (reducerande) förhållanden för att åstadkomma pyrolys av förbrännbara material under minimering av alstringen av NO:-föreningar. I publikationen berörs inte möjligheterna att få tillfredsställande avsvavling och ej heller de ef- fekter, som förbränningsförfarandet har på N20-emissionen.

Vid föreliggande uppfinning utnyttjas ett mycket spe- ciellt driftssätt, som är en balansgång mellan effekterna av graden oxiderande/reducerande förhållanden på de olika 502 10 15 20 25 30 35 292 10 typerna av emissioner, varvid uppfinningen utnyttjar den oväntade upptäckten, att oxiderande/reducerande förhållan- den påverkar de olika typerna av emissioner på olika sätt inom olika delar av eldningsanläggningen (cyklon och topp- delen resp bottendelen av pannan). De i det följande redo- visade experimenten med uppfinningen visar, att en avvi- kelse från detta speciella driftssätt ger en försämring av resultatet i fråga om avsvavling och förbränningsverk- ningsgrad eller i fråga om emissionerna av lustgas och NO.

Vid uppfinningen används sålunda annorlunda förhål- landena än vid känd teknik, enligt vilken reducerande för- hållanden föreligger inom bottenzonen och oxiderande eller reducerande förhållanden föreligger inom de övre zonerna.

Jämfört med sedvanlig teknik, bortsett från tekniken en- ligt EP-A-0 569 183, föreligger vid uppfinningsförfarandet väsentligt lägre syrehalter inom den övre delen av eld- stadsrummet och cyklonen samtidigt som väsentligt mera luft inmatas i bottenzonen. Det synes vara just kombina- tionen av dessa bàda förändringar, som gjort det möjligt att få mycket laga lustgasutsläpp samtidigt med minskade NO-emissioner och oförändrat bra avsvavling. Om man vid uppfinningen tillför ungefär stökiometrisk luftmängd vid bottnen av förbränningsrummet, innebär detta i realiteten ett syreöverskott i gasfasen inom bottenzonen, dvs över- stökiometriska förhållanden, eftersom en del av tillfört syre förbrukas högt uppe i eldstadsrummet och i cyklonen (eller annan partikelavskiljare) vid förbränning av fasta bränslen. Eftersom det visat sig, att ett överskott på syre i gasfasen inom bädden har en gynnsam effekt på av- svavlingen, är detta en stor fördel med uppfinningen. En annan stor fördel med uppfinningen är att den låga luft- faktorn inom förbränningsrummets övre delar och i cyklonen ger mycket låga emissioner av N20 och även låga emissioner av NOx.

Uppfinningen är särskilt användbar och fördelaktig vid förbränning av låg- och medelflyktiga bränslen men är även användbar vid förbränning av högflyktiga bränslen, varvid man kan använda lägre luftfaktor vid högflyktiga 10 15 20 25 30 35 nsoz 292' 11 bränslen än vid låg- och medelflyktiga bränslen under bi- behållande av stökiometriska eller överstökiometriska för- hållanden inom bäddens nedre delar.

I denna beskrivning har uttrycket låg- och medelflyk- tiga bränslen använts för bränslen, vilkas andel av flyk- tiga beståndsdelar är 1-63%, beräknat på torr och askfri substans. Definitionen på sådana bränslen varierar något mellan Sverige, USA och Tyskland. Enligt svensk praxis omfattar denna definition meta-antracit, antracit, semi- antrasit, lågflyktigt bituminöst kol, medelflyktigt bitu- minöst kol, högflyktigt bituminöst kol, subbituminöst kol, lignit och brunkol samt petroleumkoks, som är en restpro- dukt från raffinering av olja. Enligt amerikansk praxis ingår däremot inte brunkol och petroleumkoks, medan man enligt tysk praxis inräknar metaantrasit, antrasit, magra kol, feta kol, gaskol, flamkol, glansbrunkol, mattbrunkol och mjukbrunkol.

I denna beskrivning har uttrycket högflyktiga bräns- len använts för bränslen med en flykthalt av 63-92%, be- räknat på torr och askfri substans. Exempel på sådana bränslen är träflis, torv, hönsgödsel, slam från renings- verk, bränslefraktionen från sopsorteringsanläggningar (s.k. RDF) och begagnade bildäck, som förberetts för för- bränning genom avlägsnande av stålkord och upphuggning i lämpliga partikelfraktioner för förbränning i svävbädds- pannor. I RDF-fraktionen kan även ingå den kväverika orga- niska fraktion, som i normalfallet dock komposteras.

Som nämnts ovan avser uppfinningen ett nytt sätt för minskning av N20-emissionerna utan ökning av emissionerna av de andra föroreningarna, N0x och S02. Vid känd teknik används ofta stegvis tillsättning av förbränningsluften till CFB-pannor, vilket betyder att enbart en del av för- bränningsluften, primärluften, tillförs inom eldstads- rummets bottendel, där svävbäddens nedre och tätare delar befinner sig. Denna lufttillförselmetod medför, att syre- koncentrationen i gasfasen inom eldstadsrummets nedre delar är låg, medan sekundärlufttillförsel högre upp i 50.2 29.2 10 15 20 25 30 35 12 eldstadsrummet leder till mera oxiderande förhållanden i gasfasen inom pannans övre delar och i cyklonen eller par- tikelavskiljen. Uppfinningen är baserad på upptäckten, att man genom att ändra lufttillförseln kan omkasta förhål- landena i den övre och nedre delen av eldstadsrummet vad avser 02 och därigenom uppnå stora fördelar i form av minskade emissioner av alla aktuella föroreningar. Vid uppfinningen skall man sålunda se till att förhållandena inom eldstadsrummets övre och nedre delar omkastas rela- tivt sedvanlig teknik, dvs att syrekoncentrationen i gasfasen minskas inom den övre delen och ökas inom den nedre delen av eldstadsrummet. Detta uppnås vid det föredragna utförandet genom att man tillsätter luft vid eldstadsrummets nedre del i en mängd, som motsvarar en luftfaktor av runt 1 (med vissa variationer i beroende av bl a bränsletyp). Häri inberäknas också dels luft, som inom bottendelen eventuellt inmatas från eldstadsrummets sidor, s.k. högprimär luft, dels den luft, som av praktis- ka skäl måste tillföras t ex via bränslestup, partikelky- lare och vindsiktar. Den för slutförbränningen erforderli- ga luften tillsätts efter partikelavskiljaren. Sekundär- luft tillförs antingen inte alls (föredraget) eller genom att en till högst 15 %, företrädesvis högst 10% och helst högst 5% uppgående del av den luft, som enligt ovan skall tillsättas inom eldstadsrummetes nedre delar, inmatas på en högre nivå i eldstadsrummet, dock med bibehållande av väsentligen oxiderande förhållanden i gasfasen inom eld- stadsrummets nedre delar.

Vid den efterföljande förklaringen av uppfinningen har följande nomenklatur utnyttjats: KC kvoten mellan teoretisk rökgas (inklusive fukt) och teoretisk luft (-), 02 syrekoncentrationen i rökgaserna, inklusive fukt (02,o i tabell 4) (%), O2,c syrekoncentrationen i gasen från cyklonen (ekvation 5) (%), Atot totala luftfaktorn (-) Å eldstadens luftfaktor (ekvation 6) (-) C 10 15 20 25 30 35 0502 292' 13 Det problem, som ligger i bakgrunden i samband med uppfinningen, är att lustgas, N20, är en växthusgas och antas minska ozonskiktet i stratosfären och att upptäckten av detta i ett slag ändrade inställningen till svävbädds- tekniken som förbränningsmetod. Från att tidigare ha an- setts vara en "ren" eldningsmetod (låga emissioner av N02 och S02) har den omklassats som en "smutsig" metod (N20 kvarstår som icke nedbruten).

Som framgår av de ovan refererade skrifterna, är de förlopp, som är involverade i alstringen av och nedbryt- ningen av N0 och N20 komplexa och inte helt vetenskapligt utredda. Detsamma gäller för övrigt även avlägsnandet av svavelföroreningar vid eldningen genom utnyttjade av en reaktion med CaO till CaS04 och en reduktiv nedbrytning av CaS04.

Det framgår också av lämnade litteraturhänvisningar, att emissionerna av N0x, S02 och N20 kan minskas eller ökas i betydande grad genom ändringar i driftsparametrar- na, t ex bäddtemperatur och lufttillförsel. Som nämnts ovan är problemet att en framgångsrik åtgärd för minskning av en av emissionstyperna har en motsatt effekt på den ena av eller båda de andra emissionstyperna. En ökad bäddtem- peratur leder sålunda till en minskning av N20-emissionen, men samtidig ökar N0-emissionen och sker en kraftig minsk- ning av svavelinfångningsverkningsgraden. En ökad grad av stegvis tillförsel av förbränningsluften medför å andra sidan i en minskning av N0-emissionerna och en viss minsk- ning av N20-emissionerna, men samtidigt sjunker svavelin- fångningen i mycket stor utsträckning.

Med stegvis tillförsel av förbränningsluften menas att en del av förbränningsluften införs i form av sekun- därluft vid ett senare stadium av förbränningsförloppet.

Graden av stegvis tillförsel kan ökas genom sänkning av primärluftfaktorn (= totala luftfaktorn x primärluftsan- delen) eller genom att höja nivån för sekundärlufttillför- seln inom pannan eller genom bådadera åtgärderna. Dessa åtgärder ökar förekomsten av zoner med reducerande förhål- landen, vilket antages vara den viktigaste effekten av 5(12 10 15 20 25 30 35 2592 14 stegvis lufttillsättning när det gäller emissionerna. En annan åtgärd, som ger liknande effekt, är en sänkning av den totala luftfaktorn.

En sänkt primärluftfaktor betyder en minskad tillgång på syre inom eldstadsrummets nedre delar, vilket resulte- rar i mera reducerande förhållanden, vilket påverkar för- bränningen och andra kemiska reaktioner. Vidare kommer koncentrationen av brännbara partiklar i systemet att öka och en del av förbränningen flyttas uppåt från eldstads- rummets bottenzon. Ändringen av gashastigheten inom bot- tenzonen kommer dessutom att påverka bäddens uppträdande och bäddpartiklarnas rörelser. Totaleffekten av en minsk- ning av primärluftfaktorn är sålunda ändringar i hela eld- staden, och den slutliga inverkan på de komplexa jämvikts- reaktionerna rörande NOX/N20 och S02 är inte helt klarlag- da. Sluteffekten är emellertid känd, dvs en ökning av fö- rekomsten av zoner med reducerande förhållanden leder till att NO- och N20-emissionerna minskar och att SO2-emissio- nen ökar.

Uppfinningen är baserad på upptäckten, att man kan samtidigt åstadkomma en minskning av NO-, N20- och S02- emissionerna genom en omkastning av de förhållanden, som råder vid sedvanlig teknik för stegvis lufttillförsel, så att väsentligen oxiderande förhållanden upprätthålls i gasfasen inom förbrännings- eller eldstadsrummets nedre delar och ungefär stökiometriska förhållanden upprätthålls i gasfasen inom eldstadsrummets övre delar och så att res- terande luft tillförs vid partikelavskiljarens rökgasut- lopp för åstadkommande av en slutförbränning inom ett utrymme efter detta rökgasutlopp.

Med reducerande förhållanden åsyftas i samband med uppfinningen att en understökiometrisk gasblandning före- ligger, dvs syremängden är inte tillräcklig för avbränning av närvarande förbrännbara gaser. Detta tillstånd kan mä- tas med en zirkoniumoxidsond, som mäter syrets jämvikts- koncentration. Under reducerande förhållanden är syrets 6 bar, '10 *C111 jämviktskoncentration under 10- normalt 10 10 15 20 25 30 35 502 292" 15 10 bar. Reducerande förhållanden kan uppträda lokalt i närheten av brinnande partiklar och inom bottenzonen vid stegvis lufttillförsel. Dessa reducerande förhållanden uppstår och förstärks dessutom av närvaron av en hög kon- centration av bäddpartiklar inom eldstadsrummets nedre de- lar, eftersom stråkbildning och bubblor av tillförd luft kan passera förbi bäddpartiklarna, så att en jämn luftför- delning över bäddtvärsnittet inte uppnås.

Undersökningar har visat, att snabba växlingar före- -15 kommer mellan oxiderande och reducerande förhållanden, och en ändring av graden av stegvis lufttillförsel påverkar andelen av den tid, under vilken varje lokalt ställe i bädden står under reducerande förhållanden. En växling från normal lufttillförsel med stegvis tillföring av luf- ten (dvs primärluft nedtill och sekundärluft upptill i eldstaden) till en lufttillförsel, vid vilken all luften tillförs inom bottenzonen, dvs vid en växling från en luftfaktor i bottendelen av ca 0,7 till en luftfaktor av ca 1,2, gav t ex en minskning av tidsandelen med lokala reducerande förhållanden till ungefär en åttondel vid en nivå av 0,65 m från eldstadsrummets botten vid utnyttjande av samma panna som utnyttjats vid de nedan redovisade för- söken (jfr Anders Lyngfelt, Klas Bergqvist, Filip Johans- son, Lars-Erik Åmand och Bo Leckner, "Dependence of Sul- phur Capture Performance on Air Staging in a 12 MW Circu- lationg Fluidised Bed Boiler", 2nd International Symposium on Gas Cleaning at High Temperatures, Sept. 1993, publice- rad i Gas Cleaning at High Temperatures, Eds. R. Clift & J.P.K. Seville, 1993, sid 470-491).

Syrekoncentrationen inom olika delar av en CFB-panna och den tidrymd, under vilken reducerande förhållanden fö- religger inom dessa delar, kommer att beröras närmare i det följande.

I fråga om svavelinfångningen gäller, att det från bränslet avgivna svavlet kommer att i närvaro av 02 oxi- deras till SO . 2 sättning av kalksten, som efter kalcinering och i närvaro Emissionen av S02 kan minskas genom till- av 02 reagerar med S02 5 02 2.92 10 15 20 25 30 35 16 S02 + Ca0 + 1/2 02 ~ CaS04 (1) Under reducerande förhållanden kan reaktionen (l) reverseras i närvaro av reducerande gaser såsom C0 och H2 CaS04 + C0 ~ Ca0 + S02 + C02 (2) Alternativt kan CaS04 först reduceras till CaS (t ex inom den nedre delen av eldstadsrummet), som sedan kan oxideras under S02-frigivning (t ex inom den övre delen av eldstadsrummet).

Frigöringen av S02 sker enbart när sorbentpartiklar exponeras för reducerande förhållanden; syrekoncentratio- nen som sådan antas inte påverka svavelinfångningen. Med utgångspunkt från grundkännedomen om svavelinfångnings- reaktionerna är det svårt att dra några säkra slutsatser rörande reducerande förhállandens effekt på svavelinfång- ningsmekanismen inom de olika delarna av eldstadsrummet.

Experiment har emellertid klart visat, att en ökad tidrymd under reducerande förhållanden inom bottenzonen (dvs ökad grad av stegvis tillförsel av luft) är till nackdel för svavelinfångningen. En minskning av den totala luftfaktorn är negativ för svavelinfångningsförloppet, men om detta skall tillskrivas ändrade förhållanden inom eldstadsrum- mets nedre eller övre delar är för närvarande oklart.

De reaktioner, som gäller för N20- och N0-alstringen och -nedbrytningen, har nyligen undersökts och rapporte- rats i litteraturen [jfr M A Hójtowicz, J R Pels och J A Moulijn "Combustion of coal as a source of N20 emission", Fuel Processing Technology 34, 1-71 (l993)]. Även om ett antal homogena och heterogena reaktionsmekanismer är kända från laboratoriemätningar, krävs ytterligare studier för omsättning av dessa resultat till praktiskt arbete med CFB-pannor. Vissa empiriskt fastställda fakta, som fram- kommit vid experiment, kan emellertid användas i samman- hanget.

N20-koncentrationen ökar med höjdläget i förbrän- ningskammaren eller eldstadsrummet. Alstringen av N20 inom nederdelen är hög, men denna alstring ger endast ett lågt bidrag till pannans N20-emission, eftersom kraftig reduk- 10 15 20 25 30 35 502 292' 17 tion sker utmed gasernas rörelsebana genom eldstadsrummet.

Följaktligen kommer effekten av en stegvis lufttillförsel att bli liten så länge som ändringarna av lufttillförsel- mängderna inte rör eldstadsrummets bottenzon. Resultatet av lufttillförseländringar inom den övre delen av eld- stadsrummet är inte helt utrett, men en del litteratur- ställen berör denna fråga [jfr L-E Åmand och Bo Leckner, "Influence of Air supply on the Emissions of NO and N20 from a Circulating Fluidized Bed Boiler", 24th Symposium (International) on Combustion/The Combustion Institute, 1992, 1407-1414]. För det första har rapporterats, att N20-emissionen minskar, när sekundärlufttillförselstället flyttas uppåt i eldstadsrummet, och för det andra har rapporterats, hälften av sekundärlufttillskottet inmatas ungefär halv- vägs upp i eldstadsrummet och resten inmatas vid cyklon- att N20-emissionen kraftigt minskar, när utloppet, vilket resulterade i en mycket låg syrekoncent- ration inom hela pannan. Dessa rapporterade resultat hade emellertid uppnåtts med en CFB-panna, som drevs med sand som bäddpartiklar, och det är inte känt, om resultaten skulle bli desamma, om en sorbent för svavelinfångning in- blandades i bädden. En annan indikation på effekten av förhållanden inom eldstadsrummets övre delar är den totala luftfaktorn. Om man antar, att effekten av denna totala luftkfaktor är viktig, bör detta i så fall tillskrivas förhållandena inom den övre delen av eldstadsrummet, ef- tersom förhållandena inom eldstadsrummets nedre delar har en endast moderat inverkan på N20-emissionerna. I littera- turen presenterade data rörande effekten av den totala luftfaktorn är emellertid osäkra på grund av svårigheterna att hålla temperaturen inom eldstadsrummets övre del kons- tant. I den ovannämnda artikeln av Åmand och Leckner (1992) har redovisas en betydande effekt av luftfaktorn på N20-alstringen vid konstant temperatur inom eldstadsrum- mets övre del, men även i detta fall var någon sorbent för svavelinfångning inte närvarande under försökseldningarna. 50_2 10 15 20 25 30 35 292 18 När det gäller NO-emissionen är situationen annor- lunda, och NO-koncentrationen minskar med höjdläget i eld- stadsrummet. Effekten av stegvis tillförsel av luft inom eldstadsrummet är betydande, särskilt inom bottenzonen. Ändringar av den totala luftfaktorn har en betydande in- verkan på NO-emissionen, men i vilken utsträckning detta kan tillskrivas ändringarna inom bottenzonen eller änd- ringarna inom högre zoner har inte klarlagts med hänsyn till den påvisade stora effekten av lufttillskottet inom bottenzonen. I den ovannämnda artikeln av Åmand och Leck- ner (1992) anges emellertid, att NO-emissionen inte kraf- tig påverkas av en förflyttning av sekundärlufttillförsel- stället till en högre nivå inom eldstadsrummet.

Som sammanfattning kan konstateras, att effekten av reducerande förhållanden inom eldstadsrummets nedre delar är betydande för NO- och S02-emissionerna men liten eller moderat för N20-emissionen. I litteraturen tillgängliga data tyder på att effekten av ändringar inom eldstadsrum- mets övre delar kunde vara viktiga för N20-emissionen men situationen är i lägre grad klarlagd i fråga om effekterna på S02- och NO-emissionerna.

Det är visserligen klart, att svavelinfángningen på- verkas av andelen av den tid, under vilken reducerande förhållanden föreligger, men emissionerna av N20 och NO kan även påverkas av syrekoncentrationen som sådan.

Genom uppfinningen har det emellertid upptäckts, att man genom speciell styrning av lufttillförseln till en CFB-panna kan samtidigt uppnå minskade emissioner av NOx, N20 och S02.

Uppfinningen skall i det följande närmare beskrivas under hänvisning till de bifogade ritningarna, som avser det för närvarande föredragna bästa utförandet av uppfin- ningen.

Fig 1 visar schematiskt uppbyggnaden av en 12 MW ångpanna, som utnyttjades vid de nedan redovisade experimenten.

Fig 2 visar ett diagram över hur emissionerna av olika 10 15 20 25 30 35 soz 292' 19 ämnen påverkas av eldstadens luftfaktor (ekvation 6) vid utnyttjande av uppfinningen.

Fig 3 visar ett diagram över N20-emissionerna vid försök, vid vilka uppfinningen jämförts med andra eldnings- förfaranden. visar ett diagram över NO-emissionerna vid försök, jämförts med andra eldnings- Fig 4 vid vilka uppfinningen förfaranden.

Fig 5 visar ett diagram över S02-emissionerna vid försök, vid vilka uppfinningen jämförts med andra eldnings- förfaranden.

C0-emissionerna vid försök, jämförts med andra eldnings- Fig 6 visar ett diagram över vid vilka uppfinningen förfaranden.

I fig 1 visas en 12 MW panna, som omfattar en för- bränningskammare eller eldstad 1, en lufttillförsel- och startbrännkammare 2, ett bränsletillförselstup 3, en cyk- lon 4, en rökgasutloppskanal 5, en efterkopplad konvek- tionsyta 6, en partikellás 7, en partikelkylare 8, sekun- därluftinlopp R2 på en höjd av 2,2 m, R4 pá en höjd av 5,5 m och R5 i cyklonens 4 utlopp. Den använda pannan var ut- rustad för experiment men har alla särdrag som motsvarande kommersiella pannor har. Pannan var utrustad för special- mätningar och hade utrustning för individuell reglering av olika parametrar oberoende av varandra och inom ett mera vidsträckt område än vad som gäller för en kommersiell panna av motsvarande typ, vilket gjorde, att pannan kan drivas under extrema förhållanden, som skulle vara olämp- liga för kommersiella pannor.

Pannans eldstad eller förbränningsrum hade höjden 13,5 m och en kvadratisk tvärsektion med ungefär 2,9 m2 tvärsnittsyta. Bränsle inmatades vid bottnen av förbrän- ningsrummet 1 genom bränsletillförselstupet 3. Primärluft inmatades genom i eldstadsrumsbottnen anordnade munstyck- en, som matades med luft från lufttillförselkammaren 2.

Sekundärluft kunde införas genom åtskilliga luftregister, som var arrangerade horisontellt pá båda sidor av förbrän- 5 02 10 15 20 25 30 35 2_92 20 ningskammaren, såsom antyds med pilar i fig 1. Medbringat bäddmaterial avskildes i den med eldfast material infod- rade cyklonen 4 och àterfördes till förbränningskammaren genom en áterföringskanal och partikellàs 7. Förbrännings- luft kunde också tillsättas vid R5 i cyklonutloppet. Efter cyklonen passerade rökgaserna genom den okylda rökgasut- loppskanalen 5 för att ledas till efterkopplade konvek- tions- och överhettarytor, av vilka endast en första kon- vektionsyta 6 visas.

I fig l visas inte ett rökgasàtermatningssystem, som kan användas för att återföra rökgaser till förbrännings- kammaren 1 för fininställning av panntemperaturen. Experi- mentpannans externa, reglerbara partikelkylare 8 hade så- dan kapacitet, att stora avsiktliga ändringar av tempera- turen kunde genomföras.

Som svavelsorbent utnyttjades kalksten (fràn Ignaber- ga, Sverige), och som bränsle utnyttjades bituminöst kol med medelhög svavelhalt. Data för kalksten och bränsle framgår av tabell 1.

TABELL 1 Bränsle Bituminöst kol Partikelstorlek, mm <20 mm med 50% <1O mm Fukthalt, vikt% 16 Askhalt, vikt% 8 Flyktnalr, vika * 40 Kolhalt, vikt% * 78 Vätehalt, vikt% * 5,5 Kvävehalt, vikt% * 13 (beräknat) Svavelhalt, vikt% * 1,4 Sorbent Ignaberga-kalksten Partikelstorlek, mm 0,2-2 CaC03-halt, vikt% 90 * beräknat pà torr och askfri basis 10 15 20 25 30 35 502 292' 21 Mätningar utfördes med hjälp av regelbundet kalib- rerade gasanalysatorer (se tabell 2) för kontinuerlig övervakning av 02, C0, S02, N0 och N20 i kalla, torra gaser. Bortsett frán den analysutrustning (benämnd 02,0 i tabellerna 2 och 4), som användes för bestämning av 02- halten genom provtagning i pannans konventionsdel, var alla analysapparaterna anslutna till rökgaskanalen efter pannans slangfilter. I de redovisade resultaten har emis- sionerna av S02, N0, N20 och C0 normaliserats till en rök- gas, som har en syrekoncentration av 6%.

TABELL 2 - Använd gasanalysutrustning Gas Område Namn/typ S02(b) O-3000 ppm Uras 3G, i.r.

S02(a) O-3000 ppm Binos, vis./i.r C0 0-1000 ppm Uras 3G, i.r.

N0(a) 0-250 ppm Beckman 955, kemiluminiscens N0(b) 0-250 ppm Beckman 955, kemiluminiscens N20 O-500 ppm Spectran 647, icke-dispersiv i.r. 02(a) 0-10% Magnos 7G, paramagnetisk 02(b) 0-10% Magnos 7G, paramagnetisk 02,0 (vått) 0-10% Westinghous 132/218, zirkonium- oxidcell Innan gasen inmatades i N20-analysatorn, avlägsnades S02 i en påverkas lösning natriumkarbonat, eftersom N20-analysatorn negativt av höga S02-halter. totala luftfaktorn och eldstadens luftfaktor de- och beräknas enligt följande: totala luftfaktorn, Å 0 Den finieras Den definieras som tot' 2 Å = 1 + KC tot (3) 21 - 0 där 02 är rökgasernas syrehalt (inkluderande fukt), mätt i konvektionsdelen (dvs 02,0 i tabellerna 2 och 4), och KC är en korrektionsfaktor och är kvoten mellan teore- 5 02 10 15 20 25 30 35 2_92 22 tisk rökgas (inkluderande fukt) och teoretisk luft (dvs mol rökgas per mol luft vid stökiometriska förhållanden). För det vid experimenten använda bränslet var KC - 1,07.

Med eldstadens luftfaktor avses här den luftfaktor, som motsvarar förhållandena i rökgasen i cyklonen, dvs före tillsättningen av slutförbränningsluften vid utnytt- jande av tekniken enligt uppfinningen.

Om rökgaser inte återmatas till svävbädden, kan eld- stadens luftfaktor beräknas som Åc,utan recirkulering = Åtot (1_X) (4) där X är den andel av den totala luften som tillförs i cyklonutloppet.

Vid rökgasåtermatning är denna definition av eldsta- dens luftfaktor inte lämplig, eftersom den medför en un- dervärdering av denna luftfaktor. En bättre definition vid rökgasåtermatning erhålls genom beräkning av en syremass- balans i de båda strömmar, som blandas i cyklonutloppet, dvs införd förbränningsluft och rökgaserna från cyklonen.

Denna beräkningsmetod ger ett värde på syrekoncentrationen i cyklonutloppet före lufttillsättningen enligt följande: 02 (1 + y) - 21 x 02,0 = (5) 1 - x + y där y är kvoten mellan rökgasrecirkulationen och totala luftflödet.

Ur denna ekvation kan den faktiska luftfaktorn i eldstaden beräknas enligt följande: 02,0 AC = 1 + KC 21 - OZIC De driftsförhållanden, som utnyttjades vid de olika testkörningarna, var följande: Alla körningar genomfördes vid konstant belastning, dvs den tillförda förbränningsluften hölls konstant vid 3,54 kg/s, och den totala luftfaktorn hölls vid 1,2 (3,5% 02, vått). Jämför med tabell 4. Bäddtemperaturen var (5) 10 15 20 25 30 35 (502 292' 23 850°C, totala tryckfallet 6 kPa och kalkstenstillsättning- en konstant vid 165 kg/h, vilket motsvarar ett molförhàl- lande Ca/S av ca 2.

Förutom referensprovet och proven enligt uppfinningen (omvänd stegförbränning) togs gjordes ytterligare prov, så att totalt åtta olika driftsmetoder omfattades av provse- rierna.

Prov A Referens Ca 60% luft i bottendelen och ca 40% sekundärluft (2,2 m ovanför luftmunstyckena vid eldstadsrumsbottnen).

Prov B (Jämförelse) - all luft nedtill I detta fall tillfördes all luft vid eldstadsrums- bottnen och ingen luft vid cyklonutloppet. Detta betyder att betydligt mera oxiderande förhållanden ràüer inom eldstadsrummets nedre delar än vad som gäller vid refe- rensprovet.

Prov C (Jämförelse) - kraftigt minskad primärluftandel Ca 50% luft i bottendelen och ca 50% sekundärluft vid högre beläget ställe i eldstadsrummet (5,5 m ovanför luft- munstyckena vid eldstadsrumsbottnen).

Prov D (Jämförelse) - minskad luftfaktor i övre delen av förbränningsrummet och förlängd primärzon Ca 60% luft vid eldstadsrummets botten, därluft (vid 5,5 m ovanför eldstadsrumsbottnen) och ca 20% luft för slutförbränning i cyklonutloppet. Detta medförde mera reducerande förhållanden vid eldstadsrummets övre än- de och en förlängd primärzon, jämfört med referensprovet ca 20% sekun- (prov A). 502 10 15 20 25 30 35 292 24 Prov E (Uppfinningen, föredraget utförande) - Omvänd stegför- bränning (ingen sekundärlufttillförsel inom eld- stadsrummet): Ingen sekundärluft i eldstadsrummet men ca 20% av den totala luftmängden tillsattes efter cyklonen för slutför- bränning. Eldstadens luftfaktor före tillsättning av slut- förbränningsluften hölls vid ca 1. Detta betyder mindre oxiderande förhållanden inom den övre delen och mera oxi- derande förhållanden inom den nedre delen av eldstadsrum- met, jämfört med referensprovet.

Prov F (Uppfinninggg, föredraget utförande) - omvänd stegförbränning Bäddaska avlägsnades inte under provperioden, vilket resulterade i ett högre tryckfall i eldstaden.

Prov G (Uppfinningen, föredraget utförande) - omvänd stegförbränning Flygaska återfördes till eldstaden från en sekundär- cyklon.

Prov H (Uppfinninggn, föredraget utförande) - omvänd stegförbränning Under denna provperiod tillsattes 25% extra kalksten och optimerades eldstadens luftfaktor för att ge minimala emissioner.

En sammanställning av försöken återfinns i tabell 3.

Emissionerna av S02, NO, N20 och CO visas också i fig 3-6, medan medelvärdena även anges i tabell 4. De olika resul- taten, jämfört med referensprovet (prov A), kan summeras enligt följande: Prov B - all luft nedtill: I lägre grad reducerande förhållanden inom nederdelen av eldstadsrummet leder till en mera effektiv avsvavling men till en betydligt högre NO-emission och en något högre N20-emission. 10 15 20 25 30 35 502 292' 25 Prov C - kraftigt minskad primärluftandel: Mera re- ducerande förhållanden inom eldstadsrummets nedre delar medför en dramatisk minskning av avsvavlingen, medan N0- emissionerna minskas avsevärt och N20-emissionera minskas i viss utsträckning.

Prov D - minskad luftfaktor i övre delen: Mera redu- cerande förhållanden i pannan som helhet medför liknande men mera uttalade effekter som vid stegvis lufttillförsel enligt prov C. N20-emissionerna minskade emellertid betyd- ligt.

Prov E - omvänd stggförbränning enligt uppfinningen: N20-emissionerna minskades med cirka tre fjärdedelar, me- dan NO-emissionen halverades och S02-emissionen inte på- verkades i någon nämnvärd grad. Den i detta fall erhållna högre CO-emissionen kan motverkas på nedan angivet sätt.

Variationerna enligt proven F, G och H gav inte vä- sentligt annorlunda resultat än prov E, men svavelinfång- ningen förbättrades något genom recirkulation av flygaska H). En viktig skillnad mellan de olika exemplen enligt uppfinningen är den lilla skillnaden i fråga om eldstadens luftfaktor (ekvation 6), som kraftigt påverkar alla emissionerna, speciellt CO-emissionen, såsom nämns nedan.

Den omvända stegförbränningen undersöktes ytterligare genom en variation av den andel av totalluftmängden, som tillfördes vid cyklonutloppet. Resultaten av dessa ytter- ligare undersökningar framgår av fig 2 och tabell 5. Denna variation genomfördes med 25% högre kalkstenstillsats, jämfört med proven A-G. Den totala luftfaktorn hölls kons- tant, medan den andel luft som inmatades i cyklonutloppet varierades. Förhållandena kan bäst karakteriseras med eld- stadens luftfaktor, som erhålls genom ekvation 6, vilken tar hänsyn till effekten av rökgasåtermatning. Man kan konstatera, att en ur emissionshänseende optimal punkt ligger vid Åc ~ 1,02. Under denna punkt ökar CO drama- tiskt, medan S02 ökar långsamt, N20 inte ökar längre och NO ligger nära sitt minimum (överraskande nog verkar NO passera en minimipunkt). 5 0_2 10 15 20 25 30 35 2.92 26 Av dessa resultat följer, att den höga CO-emissionen vid proven E, F och G kan förklaras av eldstadens luft- faktor, som var 1-3% lägre än optimipunkten i dessa fall (jfr tabell 4).

Värdet pá 02,0 i optimipunkten är ca 0,4%, vilket motsvarar en luftfaktor AC av 1,02, vilket gör optimipunk- ten svagt överstökiometrisk. Detta ligger emellertid inom felmarginalerna, om man tar hänsyn till eventuella mätfel i fråga om 02 och X, och AC kan därför sägas vara ungefär 1 vid optimipunkten.

I fråga om reproducerbarheten av experimenten kan upplysas, att referenskörningen (prov A) kördes under ca 5x24 h, uppfinningskörningarna (E, F, G, H och de i tabell 5 redovisade variationerna) kördes under 3x24 h sammanlagt och övriga körningar under minst 1,5x24 h. Under dessa körperioder utvaldes representativa, för beräkning av me- delvärdena avsedda provperioder om möjligt när de s k b- analysapparaterna (tabell 2) inte var upptagna av in-situ- mätningar, Perioderna för bestämning av medelvärdena var 4-6 h långa, men för prov G var den 2,5 h lang och för prov H och värdena i Fig 2 och tabell 5 var perioderna ca 1 h.

Reproducerbarheten av NO-, N20- och CO-emissionerna var mycket hög. Reproducerbarheten av S02-emissionen var något lägre, antagligen som ett resultat av variationer i bränslets svavelhalt. Även en variation av svavelinfáng- ningen om nägra få procent påverkar S02-emissionen i bety- dande utsträckning, när avsvavlingsverkningsgraden är så hög som 90%.

Av tabell 4 kan man konstatera, att bäddtemperaturen, topptemperaturen, den totala luftfaktorn (som represente- ras av 02), lasten (som representeras av den totala luft- mängden och den totala luftfaktorn) och det totala tryck- fallet var desamma i samtliga fall. De valda provperioder- na drevs alla under stabila driftsförhállanden med typiska standardavvikelser av peraturen och topptemperaturen. 10 15 20 25 30 35 so2 292' 27 Resultaten av försöken visar, att det är möjligt att separera de reducerande/oxiderande förhållandenas inverkan på emissionerna genom att alstra dessa förhållanden selek- tivt inom pannans nedre och övre delar. En avsevärd minsk- ning av N20- och NO-emissionerna uppnàddes utan ökning av S02-emissionen.

Den dramatiska minskningen av N20-emissionerna vid utnyttjande av omvänd stegförbränning enligt uppfinningen visar på den viktiga roll, som reaktionerna inom den övre delen av eldstadsrummet har. Förklaringen till detta kan vara att den höga reduktionshastigheten för N20 inom eld- staden hindrar huvudparten av den inom eldstadsrummets nedre delar bildade lustgasen (N20) från att passera genom pannan. Denna tolkning står i samklang med den moderata effekten av ändringar i förhållanden inom eldstadsrummets nederdel (jfr proven A, B och C). Det är inte känt i vil- ken grad den låga N20-emissionen vid prov E bör tillskri- vas en reducerad N20-alstring eller en ökad reduktion av N20. Även för NO kommer inverkan av mindre oxiderande för- hållanden inom eldstadens övre delar att överskugga effek- ten av mera oxiderande förhållanden inom eldstadens nedre delar. Detta sker trots den märkbara effekt på NO som änd- ringar i eldstadens nedre delar har, och resultaten visar att NO-reduktionen inom eldstadens övre delar avsevärt förbättras genom i mindre grad oxiderande förhållanden.

I likhet med vad som gäller för NO är svavelinfång- ningen mycket känslig för ändringar i graden av stegvis lufttillförsel och proportionerna mellan lufttillskotten vid bäddens nederände och vid cyklonutloppet. I mindre grad oxiderande förhållanden inom pannans övre delar re- sulterar i en dramatisk minskning av svavelinfångningen (jfr prov D), om en kompensation inte åstadkommas genom mera oxiderande förhållanden inom pannans nedre delar såsom är fallet vid prov E enligt uppfinningen. En god avsvavling upprätthålls, när man skiftar från normal luft- tillförsel (prov A) till omvänd stegförbränning enligt 5 02 10 15 20 25 30 35 2.92 28 uppfinningen (proven E-H), och detta visar den betydelse som bottenzonen har på svavelinfångingsförloppet. Två för- klaringar till betydelsen av förhållandena inom eldstads- rummets nedre delar, i samband med svavelinfångingsresul- tatet är l) den höga koncentrationen av sorbenten inom denna zon och 2) att huvudparten av svavlet normalt fri- görs från bränslet inom denna zon.

Som framgår av proven har en oönskad ökning av emis- sionen av CO uppkommit, men CO-emissionsökningen reduce- rades markant vid ändring av den andel av den totala luf- ten som tillfördes vid cyklonutloppet (jfr fig 2). Andra förbättringar skulle kunna uppnås genom a) Förvärmningfav den luft, som matas till partikelavskil- jarutloppet. Rökgaskanalens temperatur faller avsevärt, när (kall) luft inmatas vid cyklonutloppet (se tabell 4). Detta förmodas bidra till den högre CO-emissionen vid utnyttjande av eldningsförfarandet enligt uppfin- ningen (proven E-H). Det är sannolikt så, att CO-emis- sionen kan minskas i betydande utsträckning utan för- sämring av övriga emissioner, om förvärmd luft används för inmatningen i cyklonutloppet. b) Förbättrad luftfördelning. In-situ-mätningar har visat att syrekoncentrationen varierar avsevärt över ett ho- risontalsnitt genom eldstadsrummet (även när sekundär- luft inte inmatas i eldstadsrummets övre delar). En bättre fördelning av luften över eldstadsrummets bot- tenyta skulle antagligen förbättra förhållandena och även förbättra de uppnådda resultaten. c) Minskning av andelen luft, som tillförs förbrännings- rummet på andra ställen än/genom bottenplattan. En del luft (ca 15% av total luftmängd) tillfördes av prak- tiska skäl från sidorna av eldstadens nedre del via bränslestupet, partikelkylaren och vindsiktarna. Om denna andel minskas, skulle detta antagligen ytterli- gare förbättra de uppnådda resultaten. 10 15 20 25 30 35 5o2 292' 29 Förbränningsförlusten i form av oförbränt material i flygaskan ökade med ca 25%, jämfört med referensprovet (prov A), vilket resulterade i en minskning av förbrän- ningsverkningsgraden med ca 2%. Denna minskning skulle an- tagligen bli mindre i en större (högre) panna med en mera effektiv cyklon. Förbränningsförlusterna kan också minskas genom recirkulation av flygaska från en sekundärcyklon (kall). En luftfaktor för eldstadsrummet som motsvarar op- timipunkten förväntas minska förbränningsförlusterna, men detta försök kördes inte under tillräckligt läng tid för att en verifiering av förbränningsverkningsgraden skulle kunna uppnås.

Det är inte känt huruvida den lägre syrekoncentratio- nen inom eldstadsrummets övre delar skulle kunna ha någon inverkan pá pannans strálningseldytor (tubpanelerna).

Det ökade luftflödet till bottenzonen medför en högre effektförbrukning, men denna uppvägs av det faktum, att samtliga skadliga emissioner kunde sänkas vid utövande av uppfinningen.

TABELL 3 - PRovsAnmANsTÄLLNING Procentandel av totalt tillförd luft genom bottenplattan, vid 2,2 m höjd och vid 5,5 m höjd samt i cyklonutloppet (summan är inte 100%, eftersom viss mängd luft infördes i nedre delen via partikelkylaren, vindsiktarna och bränslestupet) Prov Botten 2,2 m 5,5 m Cyklon Kommentarer A 49 35 - - referens B 85 - - - ingen sekundärluft C 36 - 47 - mer reduc. nertill D 45 - 19 19 mer reduc. överallt E 65 - - 21 omvänd stegförbränning F 67 - - 20 omvänd, hög bädd G 66 - - 19 omvänd, flygaska H 66 - - 20 omvänd, extra kalk mcflcvmE|:vfim|cfl nom mwuøfivuæcvs Guouummfimcnun Eomuwuum .umummhfimcm wvcfl 'K omo.H mmm mm_H Hß.o oo.o mß.o mm.m mm.m o.m mmm mm mm mm mom om mm.m mm.m vv.m mmm omm m omm.o mvß mw.o mm.o oo.o mß.o mm.m mm.m o.m owv mm « av « um « wo.v mw.m mmm mmm 0 moo.H Hwm mß.o oß.o oo.o mß.o ßm.m vm.m m.m omv mm om mm mmm mmm mß.m mH.v ßv.m mmm mmm m ßoo.H mwß vo.H wß.o oo.o mm.o flm.m wm.m o.m mmm om a mm « vmfi « mm.v mw.m mmm omm m oHo.H mmm ßm.o mm.o mm.o mm.H Hm.H wm.m m_m mvfl mm mv mv omm mmm vm.m ßß.m mw.m omm mmm Q m~m.~ mmm oo.H oo.o mm.H ßm_H ßm.H wm.m o.m mm va Hm Hm mom mmm >ß~m mm.m mv.m mmm mmm U -m_H mmm Hm.o oo.o oo.o oo.o Ho.m «m.m o.m om mmm mmm mmm mm mm mm.m mm_m m«.m mmm Hmm m m~m.H mmm mm.o oo.o oo.o mm.H wu.~ wm.m H.m mv mm mm om mmm mmm mm.m mm.m ßv.m mmm Hmm < Hfi0Q< IGF RUM mmm vmm Oüm flum vhflt vvmd OO ONZ D02 QOZ nøw mom QNO mmø 0.NO nous flßa >OHm Am cofl»ø>xwo uouxmuvwsfi mcwumvwnmw ~mon< mo mm Hmm» umuomflfimsnoc _omz ana omz Oc .m cwamcøxmmmcflvnmmmxnu « usumuwmëwu ams mo am Hflfiu vmuwwflfimähøc .Oz Emm 902 m\mx .mmmxnu umuwfisxufluwu nom mo mm mama vmummflfimänoc .oz Eau møz N m\mx .mmofiuncofixaü mo mm afiwv vmummfifimäuoc .mom Ena nøm Hmm» wuoflwvwzflmmcflccmunuowuaflw mmm m\mx .s m.m øfi> wuomwwwømkwøcsxwm mmm m\mx _uuflfimmcflccmunmmcflccmunuou mo æm Ham» umnmmflfimäuøc .mom Eau mom |v:Hm Hxcm .ouomwvmsmumøcsxwm vfimpov omm n Hopmmmfimcw Avuuouo mom mmo m\mx .wøflfiuvwøfiumäflua Eflum n Hovmmæflmcm Avuuøuo Now mNO w\mx .wonflwpwnfl pfimvop »Hfl< .»»«>o mom o.mo max .flmvmflfiw fl Hfimuxuhuu ufiøvou vvm< Og ~wUcmH0>o muwäësnmuøvmufiw m Hnumnwmëmv move mo mm Hmm» umuwmflfimsuoc ou sam ou o. _cwuumn m uspmumasmv una 502 292 uwßcøfifiow umm«> mcuwuflmmm ZWQMK>QüQmZ I v QQNQCB 502 292" 31 www.o www ~w.H www_o ww.w H.w Hww NN ow ww HwH wwH >w.« ww.w Hww www www.o www w~.H >wß_w «w.w w.w www HN ßw we «>H wwH ww.w ~«.w www Hww wHw.H vw» w~.H Hw>.o ww.w o.w www Hw ww ww HoH wwH ww_w Hw.w www www Hwo.H www w~.H www.o ww.w w.w HwH ww ww ww woH wwH ~w.w ww.w www Hww wwo.H www H~.H www.o «w.w w.w wß ww we vw ww oß «w_w w«.w www www HHon< :me Hmm www »uHc »pw< ou owz noz woz now www wwo o.~o nous uns .w HHonwv www. HwwuwwHHH»»w=H w=w>so wH> Hopxwwuw=H w:www»wwHw >w aoH»wHHw> m däwmdn.

Claims (8)

502 10 15 20 25 30 35 2.9 2 32 PATENTKRAV

1. Tvåstegsförfarande för förbränning av fasta bräns- len i en panna med cirkulerande fluidiserad bädd, vid vil- ket a) en bädd av fasta partiklar, som omfattar bränslepartik-' lar, upprättas i ett eldstadsrum, b) syreinnehållande fluidiseringsgas införes i denna bädd för att fluidisera denna och befrämja förbränning av bränslepartiklarna, varvid en del av bäddens partiklar medbringas av alstrade rökgaser, c) de medbringade partiklarna avskiljs från rökgaserna, d) åtminstone en del av de avskilda partiklarna återförs till eldstadsrummet och e) de från partiklarna separerade rökgaserna utsätts för en efterförbränning genom inblandning av syrehaltig gas, k ä n n e t e c k n a t därav, att väsentligen oxiderande förhållanden i gasfasen upprätthålls inom eldstadsrummets nedre delar och ungefär stökiometriska förhållanden i gas- fasen upprätthålls i den övre delen av eldstadsrummet.

2. Förfarande enligt patentkravet 1 för förbränning av låg- och medelflyktiga bränslen med en flykthalt av 1-63%, beräknat på torr och askfri substans, k ä n n e - t e c k n a t därav, att en luftfaktor av 0,9-1,1 upp- rätthålls inom eldstadsrummets nedre delar.

3. Förfarande enligt patentkravet 1 för förbränning av högflyktiga bränslen med en flykthalt av 63-92%, beräk- nat på torr och askfri substans, k ä n n e t e c k n a t därav, att en luftfaktor av 0,8-1,1 upprätthålls inom eld- stadsrummets nedre delar.

4. Förfarande enligt något av patentkraven 1-3, att en luftfaktor av från ca 0,95 till cirka 1,05 upprätthålls inom eldstadsrummets k ä n n e t e c k n a t därav, nedre delar. 10 15 20 25 30 35 502 292" 33

5. Förfarande enligt patentkravet 4, t e c k n a t därav, att en luftfaktor av från ca 0,98 till cirka 1,03 upprätthålls inom eldstadsrummets nedre k ä n n e - delar.

6. Förfarande enligt patentkravet 5, k ä n n e - t e c k n a t därav, att en luftfaktor av ca 1 upprätt- hålls inom eldstadsrummets nedre delar.

7. Förfarande enligt något av patentkraven 2-5, k ä n n e t e c k n a t därav, att en luftfaktor av minst l upprätthålls inom eldstadsrummets nedre delar.

8. Förfarande enligt något av de föregående patent- k ä n n e t e c k n a t därav, att att om eld- ningen utföres med utnyttjande av sekundärluftinmatning till eldstadsrummet vid ställen ovanför eldstadsrummets nedre delar, tillförs sekundärluften genom att en till högst 15%, företrädesvis högst 10% och helst högst 5% uppgående del av den luft, som eljest skulle tillsättas kraven, inom eldstadsrummetes nedre delar, inmatas på en högre nivå i eldstadsrummet, dock med bibehållande av ungefär- ligen oxiderande förhållanden i gasfasen inom eldstads- rummets nedre delar.