DE69617839T2

DE69617839T2 - Kessel und Ofen zur Rückgewinnung im Kraftverfahren

Info

Publication number: DE69617839T2
Application number: DE69617839T
Authority: DE
Inventors: Michael A. Fornetti; Timothy A. Legault
Original assignee: Mead Corp
Current assignee: Mead Corp
Priority date: 1995-09-11
Filing date: 1996-09-11
Publication date: 2002-06-20
Anticipated expiration: 2016-09-12
Also published as: EP0761871B1; ATE210755T1; EP0761871A1; CA2184875A1; US5715763A; DE69617839D1; JPH09188985A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schwarzlaugenverbrennungskessel.
In der Zellstoff- und Papierindustrie werden Laugenkessel verwendet, um die im Zellstoffherstellungsprozess entstehende Lauge zu verbrennen. Der Laugenkessel hat die Funktion, die Schwarzlauge durch Verbrennung der organischen Rückstände, Erzeugung von Dampf und Umwandlung der anorganischen Materialien in eine wiederverwertbare Form zu entsorgen. Die geläufige Praxis zur Einführung von Verbrennungsluft in den Schwarzlaugenverbrennungskessel findet durch Einspritzen von Luft auf zwei oder mehreren Ebenen in den Brennofen des Kessels statt. Auf der untersten Ebene wird Luft durch Eintrittsöffnungen in allen vier Wänden eingespritzt. Eines der größten Probleme beim Betrieb von Verbrennungskesseln ist die Bildung von Ablagerungen auf den Wärmeübertragungsflächen im oberen Bereich des Kessels. Die bedenklichsten Ablagerungen treten im Überhitzer und im Dampfgenerator auf. Diese Ablagerungen werden hauptsächlich durch Partikel gebildet, die aus Mitführungen einiger versprühter Schwarzlaugenpartikel im Luft- und Abgasstrom stammen. Wenn die versprühten Schwarzlaugenpartikel zum Boden des Ofenraums fallen, quellen sie und verlieren an Gewicht und dadurch an Dichte, so dass sie leichter mitgeführt werden können. Die anfälligste Stelle für Mitführungen befindet sich am Verkohlungslager und auf der Primärluftinjektionsebene des Verbrennungskessels. Ein zweiter kritischer Bereich befindet sich auf der zweiten Ebene der Sekundärluftzufuhr direkt über dem Verkohlungslager. Die mitgeführten Partikel werden durch die nach oben strömenden Gase nach oben in einen Bereich oberhalb der Schwarzlaugeneinspritzdüsen getragen und werden entweder mit den aus dem Verbrennungskessel austretenden Gasen aus dem Verbrennungskessel hinausgetragen oder im Überhitzer oder Dampfgenerator abgelagert.
Die Produktionskapazität einer Zellstofffabrik hängt unmittelbar von der Leistungsfähigkeit des Laugenkessels ab. Seit einiger Zeit können Zellstofffabriken ihre Produktionskapazität durch verbessertes Verfahrensmanagement und Anlagenerneuerungen ständig erhöhen. Diese Verbesserungen stellen Leistungsanforderungen an die Laugenkessel über deren ursprünglich ausgelegte Kapazität hinaus. In vielen Fällen resultiert daraus eine Begrenzung der Zellstoffherstellung durch die Laugenkessel.
Fast alle Laugenkessel umfassen drei Ebenen mit Verbrennungsluft, die, wie in WO-A-92/16688 beschrieben, als Primär-, Sekundär- und Tertiärluft bekannt sind. Mittels der Primärluft, befindlich auf der untersten Ebene, erfolgt die Verbrennung auf der Oberfläche des Verkohlungslagers. Die Verkohlung bildet sich bei der Verbrennung der versprühten Schwarzlaugenpartikel im Verbrennungsofen. Die Verkohlung findet zum Teil im Flug zum Boden des Verbrennungsofens statt, aber der letzte sich beim Verbrennungsprozess ergebende Anteil des Kohlenstoffs in der Verkohlung entsteht auf dem sich am Boden des Verbrennungsofens befindlichen Verkohlungslager. Durch den Primärluftstrom bildet sich eine Lagerform, die den geschmolzenen Chemikalien einen geeigneten Weg für den Austritt entlang des Außenwandumfangs des Verbrennungsofens und zu den Auslasstüllen ermöglicht. Der Boden des Verbrennungsofen ist in manchen Fällen geneigt, um diese Entfernung von Chemikalien zu erleichtern.
Sekundärluft tritt in den Kessel oberhalb der Primärluft und unter den Schwarzlaugeneinspritzdüsen ein. Die Sekundärluft unterstützt die Bildung der Oberfläche des Verkohlungslagers und führt Luft für die Verbrennung der vom Lager aufsteigenden brennbaren Gase zu. Wenn der Sekundärluftstrom zu hoch liegt, tragen die aus der Verbrennung der flüchtigen Substanzen entstehenden Abgase Schwarzlaugentröpfchen zum oberen Teil des Verbrennungsofens und setzen die Kesseleinheit zu. Tertiärluft wird in den Kessel auf einer Ebene über den Schwarzlaugeneinspritzdüsen eingeführt und wird vorrangig zur Verbrennung der aus den pyrolysierenden und trocknenden Schwarzlaugentröpfchen freigesetzten flüchtigen Substanzen verwandt.
Es gab zahlreiche Versuche, die Kesseleffizienz durch den Einsatz eines komplexen Steuerungssystems, das die Luftstromzuführung in die Verbrennungskammer beeinflusst, zu erhöhen, siehe hierzu beispielsweise US-A-5 121 700 auf Blackwell, US-A 5 305 698 auf Blackwell, US-A-4 940 004 auf Jansen und andere.
Über die herkömmlichen Mittel für die Zuführung primärer, sekundärer und tertiärer Verbrennungsluft hinaus wird in WO- A-92/16688 vorgeschlagen, dass zusätzlich Mittel für die Zuführung von Quartärluft auf einer deutlich höheren Ebene umfasst werden.
WO-A-95/35409 ist ein weiteres Dokument, in dem drei horizontale Luftebenen eingesetzt werden. Der Vorschlag betrifft die Eingrenzung auf eine bestimmte Höhe in der Verbrennungskammer.
Im Gegensatz dazu wird in WO-A-94/12829 die Herangehensweise mit drei horizontalen Ebenen abgelehnt und statt dessen vorgeschlagen, dass der Gasstrom im Verbrennungskessel im wesentlichen insgesamt horizontal verläuft.
Im folgenden werden zusätzlich zu den Sekundär- und Tertiärluftinjektionsöffnungen auch Quartärluftinjektionsöffnungen beschrieben, die sich im Verbrennungskessel in der Nähe der oder auf etwa derselben Ebene wie der der Schwarzlaugeneinspritzdüsen befinden, beschrieben. Verbrennungsdynamik und Verbrennungsreaktionen sind komplex und schwer zu definieren, aber man nimmt an, dass auf dieser Ebene in den Verbrennungskessel eingeführte Luft zu einer effizienteren Mischung und Verbrennung ohne Feststoffpartikelmitführung führt. In einer bevorzugten Ausführungsform spritzen die Schwarzlaugeneinspritzdüsen die Schwarzlauge in nach unten geneigter Richtung in den Verbrennungskessel. Noch bevorzugter wird zusammen mit den Einspritzdüsen ein Spritzblech benutzt, das so ausgerichtet ist, dass die Feststoffpartikel derart auf das Blech auftreffen, dass sie nach unten in den Verbrennungsofen strömen.
Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung wird, wie in Anspruch 1 beschrieben, ein Schwarzlaugenverbrennungskessel angegeben, umfassend einen Ofenraum mit vier Wänden, ein Verkohlungslager, mehrere Schwarzlaugeneinspritzdüsen an mindestens zwei der Wände des Ofenraums zum Einspritzen von Schwarzlaugentröpfchen in den Verbrennungsofen und mehrere, auf einer tieferen Ebene der Wände des Verbrennungskessels angeordnete Primärluftinjektionsöffnungen für die Primärluftversorgung zur Verkohlung auf der Oberfläche des Verkohlungslagers, zwischen den Primärluftinjektionsöffnungen und den Schwarzlaugeneinspritzdüsen angebrachte Sekundärluftinjektionsöffnungen für die Sekundärluftversorgung zur Unterstützung der sich bildenden Verkohlungslageroberfläche und für die Luftversorgung zur Verbrennung von brennbarem Gas, das vom Verkohlungslager aufsteigt, in einer Ebene über den Schwarzlaugeneinspritzdüsen angeordnete Tertiärluftinjektionsöffnungen für die Tertiärluftversorgung zur vorrangigen Verbrennung von flüchtigen Stoffen und mehrere, an den Wänden des Verbrennungsofens angebrachte Quartärluftinjektionsöffnungen, wobei die primären Luftöffnungen und die sekundären Luftöffnungen vertikal durch Bereiche in dem Verbrennungskessel voneinander getrennt sind, in denen keine Luft in den Verbrennungskessel eingelassen wird; es ist eine die Schwarzlaugeneinspritzdüsen umgebende Injektionsbereichverbrennungszone gebildet, und die Quartärluftinjektionsöffnungen sind zwischen den sekundären Öffnungen und den tertiären Öffnungen angeordnet, um Luft in die Injektionsbereichverbrennungszone einzuspeisen, wobei die Quartärluftinjektionsöffnungen durch Bereiche, in denen keine Luft in den Verbrennungskessel eingelassen wird, vertikal beabstandet von den sekundären Luftöffnungen und den tertiären Luftöffnungen angeordnet sind, wodurch die durch die Quartärluftinjektionsöffnungen eingeführte Luft mit den aus der Schwarzlauge austretenden gasförmigen Brennstoffen ohne wesentliche Mitführung der festen Brennstoffe der Schwarzlauge reagiert.
Die Erfindung gibt nach einer zweiten, alternativen Ausführungsform, wie in Anspruch 10 beschrieben, ein Verfahren zum Betrieb eines Schwarzlaugenverbrennungskessels mit einem Verbrennungskessel an, umfassend:
einen Ofenraum mit vier Wänden, ein Verkohlungslager, mehrere Schwarzlaugeneinspritzdüsen an mindestens zwei der Wände des Ofenraums zum Einspritzen von Schwarzlaugentröpfchen in den Verbrennungskessels und mehrere, auf einer tieferen Ebene der Wände des genannten Verbrennungskessels angeordnete Primärluftinjektionsöffnungen für die Primärluftversorgung zur Verkohlung auf der Oberfläche des Verkohlungslagers, zwischen den Primärluftinjektionsöffnungen und den Schwarzlaugeneinspritzdüsen angebrachte Sekundärluftinjektionsöffnungen für die Sekundärluftversorgung zur Unterstützung der sich bildenden Verkohlungslageroberfläche und für die Luftversorgung zur Verbrennung von vom Verkohlungslager aufsteigendem brennbarem Gas, tertiäre, in einer Ebene über den Schwarzlaugeneinspritzdüsen angeordnete Öffnungen für die Tertiärluftversorgung zur vorrangigen Verbrennung von flüchtigen Stoffen, und mehrere, an den Wänden des Verbrennungskessels angebrachte Quartärluftinjektionsöffnungen, wobei die primären Luftöffnungen und die sekundären Luftöffnungen vertikal durch Bereiche in dem VerbremmimgEr voneinander getrennt sind, in denen keine Luft in den Verbrennungskessel eingelassen wird.
Luft wird in eine die Schwarzlaugeneinspritzdüsen umgebende Injektionsbereichverbrennungszone durch die Quartärluftinjektionsöffnungen eingespeist, die sich zwischen den sekundären Öffnungen und den tertiären Öffnungen befinden und die in den Bereichen, in denen keine Luft in den Verbrennungsofen eingelassen wird, von den sekundären Luftöffnungen und den tertiären Luftöffnungen vertikal beabstandet sind, wodurch die durch die Quartärluftinjektionsöffnungen eingeführte Luft mit den aus der Schwarzlauge austretenden gasförmigen Brennstoffen ohne wesentliche Mitführung der festen Brennstoffe der Schwarzlauge reagiert.
Der Begriff "Quartärluft" wird hier zur Beschreibung einer neuen Ebene der Luftzuführung verwendet, wodurch im wesentlichen auf der Ebene der Einspritzdüsen eine erhöhte Verbrennung bewirkt wird. Luft, die zuerst durch die Primär-, Sekundär- und/oder Tertiärluftinjektionsöffnungen eingeführt wurde, wird zum Teil in die Bereiche der Quartärluftinjektion umgeleitet. Eine Zone mit erhöhter oder intensivierter Verbrennung wird um die Schwarzlaugeneinspritzdüsen aufgebaut. Dieser Bereich wird hier mit "Injektionsbereichverbrennungszone" bezeichnet und erstreckt sich im allgemeinen bis zu 1,2192 m (4 Fuß) unterhalb und bis zu 1,2192 bis 1,8288 m (4 bis 6 Fuß) oberhalb der Einspritzdüsen und genauer von etwa 0,6096 m (2 Fuß) unterhalb bis etwa 1,2192 m (4 Fuß) oberhalb der Schwarzlaugeneinspritzdüsen. Die Quartärluftöffnungen werden überlicherweise in dieser Zone angeordnet, aber in einigen Fällen können sie direkt über dieser Zone angeordnet werden, wenn die Luft nach unten in diese Zone gelenkt wird. Die Injektionsbereichverbrennungszone befindet sich an einer mittleren Position zwischen jenen Verbrennungszonen, die herkömmlicherweise von den Sekundär- und Tertiärluftöffnungen versorgt werden. In dieser Zone unterstützt die Quartärluft die effiziente Verbrennung der brennbaren Gase, die von den trocknenden Schwarzlaugentröpfchen ohne Mitführung der Feststoffpartikel freigesetzt werden.
Einer der wichtigsten erzielten Vorteile ist das reduzierte Mitführen von Stoffen und damit das seltenere Zusetzen von Kesselröhren. Dies wiederum verbessert die Kesseleffizienz und führt zu weniger häufigen Abschaltungen zum Säubern des Kessels. Die folgenden vorliegenden Vorteile wurden ebenfalls festgestellt: erheblich verbesserte thermische Effizienz, niedrigere Emissionen der Gesamtmenge reduzierten Schwefels, stabilere Verbrennung, niedrigere Hilfsenergieanforderungen, erhöhte Laufzeit zwischen den Stilllegungen, niedrigere Kapitalkosten, verbesserte Luftqualität.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Beispielen mit Bezugnahme auf die begefügten Zeichnungen detaillierter erläutert, in denen:
Fig. 1 eine schematische Zeichnung einer Ausführungsform eines gemäß der vorliegenden Erfindung gebauten Kessels zeigt;
Fig. 1A eine schematische Ansicht einer Ausführungsform · der Schwarzlaugeneinspritzdüse und Quartärluftöffnungen gemäß der Erfindung zeigt;
Fig. 2 ein Diagramm mit der Darstellung der Geschwindigkeit (U/min) eines Saugzuggebläses zu unterschiedlichen Zeiten zeigt, mit einem Kessel, der erst ohne und dann mit Quartärluftinjektionsöffnungen arbeitet;
Fig. 3 ein. Diagramm mit der Darstellung der Geschwindigkeit des Primärluftstroms zu unterschiedlichen Zeiten zeigt, mit einem Kessel, der erst ohne und dann mit Quartärluftinjektionsöffnungen arbeitet;
Fig. 4 ein Diagramm mit der Darstellung der Geschwindigkeit des Sekundärluftstroms zu unterschiedlichen Zeiten zeigt, mit einem Kessel, der erst ohne und dann mit Quartärluftinjektionsöffnungen arbeitet;
Fig. 5 ein Diagramm mit der Darstellung der Geschwindigkeit des Tertiärluftstroms zu unterschiedlichen Zeiten zeigt, mit einem Kessel, der erst ohne und dann mit Quartärluftinjektionsöffnungen arbeitet;
Fig. 6 ein Diagramm mit der Darstellung der Gesamtmenge reduzierten Schwefels zu unterschiedlichen Zeiten zeigt, mit einem Kessel, der erst ohne und dann mit Quartärluftinjektionsöffnungen arbeitet.
Wie in Fig. 1 gezeigt, umfasst eine mit 10 bezeichnete Schwarzlaugenverbrennungseinheit eine Verbrennungskammer 12 mit senkrechten Vorder- und Rückwänden 14, 15 und senkrechten Seitenwänden 16 sowie einen geneigten Schmelzraum 18 am unteren Ende. Schmelzauslasstüllen 20 sind für den Auslass geschmolzener chemischer Asche in einen Schmelzensammeltank 22 am unteren Ende des Schmelzraums angeordnet. Wenn die Schwarzlaugentröpfchen verbrennen, dehnt sich die sogenannte Schwarzlaugenasche zu leichten Partikeln mit niedriger Dichte aus, die auf den Schmelzraumboden fallen und ein Verkohlungslager bilden. Durch die unvollständige Verbrennung im Verkohlungslager wirken Kohlenstoff und Kohlenmonoxid als Reduktionsmittel, so dass Sulfat und Thiosulfat zu Sulfid umgewandelt werden. Die Hitze ist ausreichend für das Schmelzen der Natriumsalze, die durch das Verkohlungslager auf den Boden des Verbrennungskessels durchfiltern. Die Flüssigschmelze strömt danach aufgrund der Schwerkraft durch die wassergekühlten Tüllen 20 in den Schmelzensammeltank 22.
Die Wände 14, 15, 16 werden durch Reihen von Wasserröhren 24 gekühlt, die sich über die gesamte Fläche der Wände erstrecken. Die Röhren 24 können sich auch durch den Boden, den Schmelzraum und die Decke des Verbrennungskessels erstrecken. Der Dampfgenerator 38 umfasst im allgemeinen ein Röhrengitter 40, einen Überhitzerbereich 42, einen Kesselbereich 44 und einen Kesselauslass 46. Die Dampfgeneratorröhren werden zur Erzeugung von überhitztem Dampf verwendet.
Wie in Fig. 1 und 1A gezeigt, sind die Schwarzlaugeninjektionsdüsen 26 in jeder der vier Kesselwände angebracht und nach unten geneigt, so dass das Einspritzen der Schwarzlauge in den Kessel in nach unten geneigter Richtung erfolgt. Jede der Einspritzdüsen 26 umfasst vorzugsweise ein Spritzblech 28, das an der Tülle der Injektionsdüse so befestigt ist, dass die auf das Blech aufprallenden Feststoffpartikel nach unten in den Kessel strömen. Während der Kessel mit einer Einspritzdüse in jeder Kesselwand dargestellt ist, werden Fachleute erkennen, dass auch Ausführungsformen möglich sind, bei denen es mehr als eine Düse in jeder Wand gibt oder bei denen je eine Düse in zwei sich gegenüberliegenden Wänden vorhanden ist und keine Düse oder eine andere Anzahl von Düsen in den beiden anderen Wänden.
Eine Injektionsbereichverbrennungszone 50 ist in der Verbrennungskammer 12 gebildet. Luft wird in den Verbrennungskessel durch vier Gruppen von Eintrittsöffnungen eingeführt, die vom Boden aufwärts angeordnet als primäre 30, sekundäre 32, quartäre 34 und tertiäre 36 Lufteintrittsöffnungen bezeichnet werden. Wie in Fig. 1A gezeigt, erstrecken sich die Einspritzdüsen 26 und Lufteintrittsöffnungen 30, 32, 34, 36 sämtlich durch Durchlässe oder gebogene Röhreneintrittsöffnungen, die durch Kesselröhren 24a und 24b gebildet werden.
Die Lufteintrittsöffnungen werden mit Verbrennungsluft aus nicht dargestellten Windkästen versorgt, die im wesentlichen aus großen, kastenförmigen Rohren bestehen, die auf der Außenwand um die Verbrennungskammer herum angebracht sind. Durch einen Ventilator wird den Windkästen ein Druckluftstrom zugeführt. Die den Lufteintrittsöffnungen zugeführte Luftmenge kann durch Schieber reguliert werden. Gewöhnlich wird jede Gruppe von Lufteintrittsöffnungen durch einen eigenen Windkasten und Ventilator versorgt, aber es sind auch Konstruktionen einsetzbar, bei denen zwei oder mehr Gruppen von Lufteintrittsöffnungen von einem gemeinsamen Windkasten versorgt werden. Die Lufteintrittsöffnungen werden so positioniert und betrieben bzw. geregelt, dass die Bildung von Ablagerungen auf den Wärmeübertragungsflächen und insbesondere am Überhitzer im oberen Teil des Kessels reduziert wird, indem das Auftreten extremer Gasgeschwindigkeiten einschließlich der Kaminwirkung verringert wird.
Die Primärluftinjektionsöffnungen 30 sind herkömmlicherweise etwa 0,6096 bis 1,2192 m (2 bis 4 Fuß) über dem Schmelzraum 18 angeordnet und erstrecken sich rundum entlang der vier Wände und sollen damit einen großen Teil des Verbrennungsluftbedarfs bereitstellen. Darüber hinaus formen die Primärluftinjektionsöffnungen 30 einen Luftstrom, der die Bildung des Verkohlungslagers dergestalt ermöglicht, dass die Flüssigschmelze einen geeigneten Austrittsweg entlang des Außenwandumfangs des Schmelzraums 18 zu den Schmelzauslasstüllen 20 findet. Die Primärluftinjektionsöffnungen werden in herkömmlicher Weise eingesetzt.
Die Sekundärluftinjektionsöffnungen 32 sind herkömmlicherweise etwa 1,8288 bis 2,4384 m (6 bis 8 Fuß) oberhalb der Primärluftinjektionsöffnungen 30 und etwa 2,4384 m (8 Fuß) unterhalb der Einspritzdüsen 26 angeordnet und erstrecken sich rundum entlang der vier Wände des Verbrennungskessels. Die Sekundärluftinjektionsöffnungen werden eingesetzt, damit die Oberfläche des Verkohlungslagers gebildet wird und brennbare Gase, die vom Verkohlungslager aufsteigen, auf herkömmliche Weise verbrannt werden. Durch die Benutzung der Quartärluftinjektionsöffnungen kann in vielen Fällen die von den Sekundärluftinjektionsöffnungen zugeführte Luftmenge reduziert werden. Üblicherweise werden 18 bis 25% des gesamten eingespeisten Luftbedarfs durch die Sekundärluftinjektionsöffnungen zugeführt, wenn die Quartärluftzuführung eingesetzt wird, im Vergleich zu Strömen von bis zu 40%, wenn die Quartärluftzuführung nicht eingesetzt wird.
Quartärluftinjektionsöffnungen 34 werden vorzugsweise im wesentlichen auf derselben Ebene wie der der Einspritzdüsen 26 oder über den Einspritzdüsen 26 positioniert, um Luft direkt in die Zone 50 zu befördern. Die Anzahl der Quartärluftinjektionsöffnungen kann variieren, aber üblicherweise wird auf jeder Seite einer Schwarzlaugeneinspritzdüse eine dieser Öffnungen angeordnet. Die durch die Quartärluftinjektionsöffnungen zugeführte Luft garantiert eine effiziente Mischung und Verbrennung innerhalb der Injektionsbereichverbrennungszone 50 der Ofenraums 12 des Verbrennungskessels. Die Positionierung der Quartärluft wird so ausgewählt, dass die Luft dort, wo der Brennstoff sich befindet, stärker konzentriert wird und eine bessere Mischung und Verbrennung erreicht wird, so dass auf diese Weise in der Verbrennungskammer eine effizientere Verbrennung stattfindet, aber keine oder eine geringere Partikelmitführung verursacht wird. Vorzugsweise werden zwei Quartärluftinjektionsöffnungen 34 angrenzend an jede Seite einer Einspritzdüse 26 positioniert.
Überlicherweise werden die Quartärluftinjektionsöffnungen 34 im Abstand von etwa 0,6096 bis 3,048 m (2 bis 10 Fuß) zu jeder Düse positioniert. Vorzugsweise werden die Quartärluftinjektionsöffnungen 34 auf einer im wesentlichen gleichen Ebene wie der der Einspritzdüsen 26 positioniert, aber die Position der Quartärluftinjektionsöffnungen kann in einem Bereich von bis zu 1,524 m (5 Fuß) oberhalb der Düsen bis zu einem Bereich von nicht mehr als 0 bis 1,2192 m (0 bis 4 Fuß) unterhalb der Düsen festgelegt werden. Vorzugsweise werden die Quartärluftinjektionsöffnungen auf der Ebene der Schwarzlaugeneinspritzdüsen oder auf einer höheren Ebene angeordnet. Die Höhe der Quartärluftinjektionsöffnungen hängt von der Konstruktion der Lufteintrittsöffnungen und der Einspritzdüsen ab. Wie festgestellt wurde, können die Quartärluftinjektionsöffnungen in geringem Abstand unter den Düsen angeordnet werden, ohne dass eine Partikelmitführung erfolgt, wenn die Düsen ein Spritzblech umfassen, wie in Fig. 1A gezeigt. Obwohl die Quartärluftinjektionsöffnungen überlicherweise in der Injektionsbereichverbrennungszone angeordnet sind, können sie, wenn die Lufteintrittsöffnungen so konstruiert sind, dass die Luft in einer nach unten geneigten Richtung in die Injektionsbereichverbrennungszone eintritt, oberhalb der Zone angeordnet werden und Luft direkt nach unten in die Zone leiten.
Die Funktion der Quartärluftinjektionsöffnungen ist nicht zu verwechseln mit der Funktion der Tertiärluftinjektionsöffnungen, die in größerem Abstand über den Einspritzdüsen angeordnet sind als die Quartärluftinjektionsöffnungen. Es wird davon ausgegangen, dass durch die Quartärluftinjektionsöffnungen eingeführte Luft effizienter mit den gasförmigen Brennstoffen reagiert, die von der verbrennenden Schwarzlauge freigegeben werden, weil die Quartärluft an einem Punkt zugeführt wird, an dem die brennbaren Stoffe höher konzentriert sind. Im Gegensatz dazu wird angenommen, dass bei Position der Tertiärluft auf herkömmlicher Ebene die Brennstoffe mit nicht brennbaren Gasen vermischt sind. Es mag jedoch auch andere Theorien für die verbesserte Reaktion geben.
Tertiärluftinjektionsöffnungen 36 sind etwa 3,048 bis 4,2672 m (10 bis 14 Fuß) oberhalb der Einspritzdüsen 26 positioniert. In Fig. 1 sind sie an den Vorder- und Rückwänden 14, 15 des Kessels positioniert, aber sie könnten auch an den Seitenwänden positioniert sein. Tertiärluft wird grundsätzlich zur Verbrennung flüchtiger Stoffe eingesetzt, die die von den Einspritzdüsen 26 versprühten Schwarzlaugentröpfchen freigeben, wenn die Lauge pyrolysiert und getrocknet wird. Etwa 30 bis 40% des gesamten Luftbedarfs werden durch die Kombination der Tertiär- und Quartärluftinjektionsöffnungen zugeführt. Gewöhnlich werden etwa 15% des gesamten Luftbedarfs durch die Tertiärluftinjektionsöffnungen eingespeist und etwa 15 bis 30% des gesamten Luftbedarfs werden durch die Quartärluftinjektionsöffnungen zugeführt. Auf diese Weise können mindestens 30% des gesamten Luftstroms an oder über den Schwarzlaugeneinspritzdüsen zugeführt werden. Diese Verlagerung oder Umleitung des Luftstroms ist vorteilhaft, weil die Menge des Sauerstoffs auf niedrigeren Ebenen des Kessels reduziert wird, wo eine chemische Reduktion bevorzugt wird, und in den höheren Bereichen des Kessel erhöht, wo eine Oxidation erwünscht ist. Obwohl solche Durchflussmengen bisher durch erhöhte Tertiärluftzuführung auch ohne Quartärluftinjektion erreicht werden konnten, war dies eventuell nicht so effizient und verlangte mehr zusätzliche Luft, als wenn Quartärluft zugeführt wird, wie hier beschrieben.
Die Schwarzlaugeneinspritzdüsen sind vorzugsweise mit einem Spritzblech ausgerüstet, das die Schwarzlaugentröpfchen nach unten lenkt. Die Einspritzdüsen 26 und der Winkel des Spritzblechs sind so ausgewählt, dass ein nach unten geneigter Partikelstrom entsteht und die Partikelmitführung minimiert wird. Die Verbrennung der Schwarzlauge wird von einer durch Gasausdehnung verursachten Volumenänderung begleitet. Diese Ausdehung kann Partikelmitführung verursachen. Die Spritzbleche vermeiden offenbar sehr wirksam eine Mitführung, wenn Quartärluft vorhanden ist. Die Schwarzlauge wird in einer Konzentration von etwa 65 bis 80% Feststoffen zugeführt.
Die zusätzlichen Quartärluftinjektionsöffnungen 34 ermöglichen die Reduzierung von Sekundärluftinjektionsöffnungen 32, indem einige der Sekundärluftfunktionen auf der Quartärluftebene stattfinden. In einigen Fällen war es möglich, etwa siebzig Prozent der Sekundärluftschieber zu blockieren. Vorzugsweise werden die Sekundärluftschieber so angeordnet, wie in Fig. 1 gezeigt. Mit A bezeichnete Sekundärluftschieber sind geschlossen, mit B bezeichnete Sekundärluftschieber sind geöffnet und mit C bezeichnete Sekundärluftschieber sind zu 50% geöffnet.
In einer typischen Ausführungsform geht der Betrieb des Verbrennungskessels folgendermaßen vor sich: Die Schwarzlauge wird durch die Einspritzdüsen mit einer Geschwindigkeit von etwa 1.041 Liter/Min (275 US gal/min) eingespeist und tritt mit einer Konzentration von etwa 70% Feststoff ein. Die Primärluft wird durch die Primärluftröhren in der vorderen und rückwärtigen Kesselwand 14, 15 und jeder Seitenwand 16 zugeführt. Die Primärluft wird mit einem Anteil von 45% des Gesamtluftstroms eingespeist. Die Sekundärluft wird durch die Sekundärluftröhren in jeder Kesselwand, wie oben beschrieben, zugeführt. Die Sekundärluft wird mit einem Anteil von 25% der Gesamtluft eingespeist. Die Quartärluft wird durch die beiden Quartärluftröhren an jeder Seite der Schwarzlaugeneinspritzdüsen mit einem Anteil von etwa 15% der Gesamtluft zugeführt. Der Quartärluftstrom bewegt sich üblicherweise zwischen etwa 15 bis 35% der Gesamtluft. Die Tertiärluft kann durch die Tertiärluftröhren in der vorderen und rückwärtigen Kesselwand mit einem Anteil von 15 bis 30% der Gesamtluft zugeführt werden, was ausreichend für die vollständige Verbrennung der von der pyrolysierenden Lauge freigesetzten Gase ist.
Fig. 2 bis 6 sind Betriebsdiagramme, die nacheinander Saugzuggebläsegeschwindigkeit, Primärluftstromanteil, Sekundärluftstromanteil, gemeinsamer Tertiär- und Quartärluftstromanteil und Gesamtmenge des reduzierten Schwefels für einen Kessel darstellen, der zuerst ohne Quartärluft und anschließend mit Quartärluft betrieben wurde. Der Kessel ist ein Babcock and Wilcox-Kessel, der für einen Druck von 1,120 · 10&sup7;N/m² Messdruck (1625 psig) und für 1, 089 · 10&sup6; Kg (2, 4 Millionen Pfund) Flüssigfeuerung pro Tag und einer Feuerungskapazität von 1,383 · 10&sup6; Kg (3,05 Millionen Pfund) Trockenfeststoffe pro Tag ausgelegt ist.
Der Anstieg des rechts von Linie A in Fig. 5 dargestellten Luftstromanteils verglichen mit der linken Seite zeigt den. Quartärluftstrom. Im einzelnen ist der Luftstrom links der Linie A in Fig. 5 Tertiärluft und der Luftstrom rechts davon ist die Summe der Tertiär- und Quartärluft. Die Quartärluft betrug etwa 20% des Gesamtluftstroms.
Fig. 2 zeigt, dass durch den Einsatz von Quartärluft der Gesamtluftbedarf des Kessels, bedingt durch die Geschwindigkeit (U/Min) des Saugzuggebläses, um 10% reduziert wird. Der links von Linie A dokumentierte Betrieb fand ohne Quartärluft und rechts der Linie mit Quartärluft statt.
Ein Vergleich des dokumentierten Betriebs rechts und links der Linie A in Fig. 3 und 4 zeigt, dass die Primärluft durch den Einsatz von Quartärluft nicht wesentlich beeinflusst wurde, aber der Sekundärluftstrom um 20 bis 30% der Gesamtluft reduziert werden kann. Die angezeigte Gesamtmenge des reduzierten Schwefels (TRS) ist ein Maßstab für die Effizienz des Kessels.
Fig. 6 zeigt, dass die Gesamtmenge des reduzierten Schwefels (ppm) ohne Quartärluftstrom höher und schwankender ist.

Claims

1. Ein Schwarzlaugenverbrennungskessel (10) umfassend einen Ofenraum (12) mit vier Wänden (14, 15, 16), ein Verkohlungslager, mehrere Schwarzlaugeneinspritzdüsen (26) an mindestens zwei der Wände (14, 15, 16) des Ofenraums (12) zum Einspritzen von Schwarzlaugentröpfchen in den Verbrennungsofen und mehrere, auf einer tieferen Ebene der Wände des Verbrennungskessels angeordnete Primärluftinjektionsöffnungen (30) für die Primärluftversorgung zur Verkohlung auf der Oberfläche des Verkohlungslagers, zwischen den Primärluftinjektionsöffnungen und den Schwarzlaugeneinspritzdüsen angebrachte Sekundärluftinjektionsöffnungen (32) für die Sekundärluftversorgung zur Unterstützung der sich bildenden Verkohlungslageroberfläche und für die Luftversorgung zur Verbrennung von brennbarem Gas, das von dem Verkohlungslager aufsteigt,

in einer Ebene über den Schwarzlaugeneinspritzdüsen (26) angeordnete Tertiärluftinjektionsöffnungen (36) für die Tertiärluftversorgung zur vorrangigen Verbrennung von flüchtigen Stoffen, und mehrere, an den Wänden des Verbrennungsofens angebrachten Quartärluftinjektionsöffnungen (34), wobei die primären Luftöffnungen (30) und die sekundären Luftöffnungen (32) vertikal durch Bereiche in dem Verbrennungskessel voneinander getrennt sind, in denen keine Luft in den Verbrennungskessel eingelassen wird;

dadurch gekennzeichnet, dass eine die Schwarzlaugeneinspritzdüsen (26) umgebende Injektionsbereichverbrennungszone (50) gebildet ist und die Quartärluftinjektionsöffnungen (34) zwischen den sekundären Öffnungen (32) und den tertiären Öffnungen (36) angeordnet sind, um in die Injektionsbereichverbrennungszone (50) Luft einzuspeisen,

wobei die Quartärluftinjektionsöffnungen (34) durch Bereiche, in denen keine Luft in den Verbrennungsofen eingelassen wird, vertikal beabstandet von den sekundären Luftöffnungen (32) und den tertiären Luftöffnungen (36) angeordnet sind,

wodurch die durch die Quartärluftinjektionsöffnungen (34) eingeführte Luft mit den aus der Schwarzlauge austretenden gasförmigen Brennstoffen ohne wesentliche Mitführung der festen Brennstoffe der Schwarzlauge reagiert.

2. Verbrennungskessel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwarzlaugeneinspritzdüsen (26) so angeordnet sind, dass die Schwarzlauge in den genannten Verbrennungsofen in nach unten geneigter Richtung eingespritzt wird.

3. Verbrennungskessel nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwarzlaugeneinspritzdüsen (26) ein Spritzblech (28) zur Ablenkung der durch die Düse in den Verbrennungsofen eingespritzten Lauge umfassen.

4. Verbrennungskessel nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwarzlaugeneinspritzdüsen (26) so ausgelegt sind, dass sie 68 bis 80% Feststoffe enthaltende Schwarzlauge einspritzen können.

5. Verbrennungskessel nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftstrom der genannten Quartärluftinjektionsöffnungen (34) und der genannten sekundären und/oder tertiären Injektionsöffnungen so eingestellt ist, dass die Kaminwirkung vermieden wird.

6. Verbrennungskessel nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftinjektionsöffnungen so eingestellt sind, dass etwa 18 bis 25% der gesamten in den genannten Verbrennungsofen eingespeisten Luft durch die Sekundärluftinjektionsöffnungen (32) eingespeist wird.

7. Verbrennungskessel nach wenigstens einem der vorangegangen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftinjektionsöffnungen so eingestellt sind, dass etwa 30 bis 40% der gesamten in den genannten Verbrennungsofen eingespeisten Luft durch die Tertiär- und Quartärluftinjektionsöffnungen eingespeist wird.

8. Verbrennungskessel nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die genannte Injektionsbereichverbrennungszone (50) bis zu im wesentlichen nicht mehr als 6 Fuß (1, 8288 m) oberhalb und 4 Fuß (1,2192 m) unterhalb der genannten Schwarzlaugeneinspritzdüsen erstreckt.

9. Verbrennungskessel nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich an zwei sich gegenüberliegenden Wänden des Verbrennungsofens, und vorzugsweise an jeder Wand des Verbrennungsofens, je eine Schwarzlaugeneinspritzdüse (26) befindet, und dass es jeweils zwei zu beiden Seiten einer Schwarzlaugeneinspritzdüse (26) angeordnete Quartärluftinjektionsöffnungen (34) gibt.

10. Verfahren zum Betrieb eines Schwarzlaugenverbrennungskessels (10) mit einem Verbrennungskessel (10) umfassend einen Ofenraum (12) mit vier Wänden (14, 15, 16), ein Verkohlungslager, mehrere Schwarzlaugeneinspritzdüsen (26) an mindestens zwei der Wände (14, 15, 16) des Ofenraums (12) zum Einspritzen von Schwarzlaugentröpfchen in den Verbrennungsofen und mehrere, auf einer tieferen Ebene der Wände des genannten Verbrennungsofens angeordnete Primärluftinjektionsöffnungen (30) für die Primärluftversorgung zur Verkohlung auf der Oberfläche des Verkohlungslagers, zwischen den Primärluftinjektionsöffnungen und den Schwarzlaugeneinspritzdüsen angebrachten Sekundärluftinjektionsöffnungen (32) für die Sekundärluftversorgung zur Unterstützung der sich bildenden Verkohlungslageroberfläche und für die Luftversorgung zur Verbrennung von vom Verkohlungslager aufsteigendem brennbarem Gas, tertiäre, in einer Ebene über den Schwarzlaugeneinspritzdüsen (26) angeordnete Öffnungen (36) für die Tertiärluftversorgung zur vorrangigen Verbrennung von flüchtigen Stoffen, und mehrere, an den Wänden des genannten Verbrennungsofens angebrachte Quartärluftinjektionsöffnungen (34), wobei die primären Luftöffnungen (30) und die sekundären Luftöffnungen (32) vertikal durch Bereiche voneinander getrennt sind, in denen keine Luft in den Verbrennungsofen eingelassen wird;

wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass Luft in eine die Schwarzlaugeneinspritzdüsen (26) umgebende Injektionsbereichverbrennungszone (50) durch mehrere genannte Quartärluftinjektionsöffnungen (34) eingespeist wird, die sich zwischen den genannten sekundären Öffnungen (32) und den genannten tertiären Öffnungen (36) befinden und die von den Bereichen, in denen keine Luft in den Verbrennungsofen eingelassen wird, von den sekundären Luftöffnungen (32) und den tertiären Luftöffnungen (36)vertikal beabstandet sind,

11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei etwa 30 bis 40% der gesamten in den genannten Verbrennungsofen eingespeisten Luft durch die Tertiär- und Quartärluftinjektionsöffnungen eingespeist wird.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei das genannte Verfahren den Zwischenschritt einschließt, dass Schwarzlauge in den genannten Verbrennungsofen in nach unten geneigter Richtung eingespritzt wird, vorzugsweise unterhalb der Quartärluftinjektionsöffnungen (34).

13. Verfahren gemäß Anspruch 10, 11 oder 12, wobei die Lufteinströmung in den Verbrennungskessel so eingestellt wird, dass die Mitführung aus der Schwarzlauge minimiert und die Kaminwirkung verhindert wird.

14. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei der Verbrennungskessel einen Brennstoffboden einschließt, der durch Verbrennung gasförmigen Brennstoff erzeugt, welcher durch den Ofenraum (12) aufsteigt.