SE466268B

SE466268B - PROCEDURES FOR PARTIAL COMBUSTION OF BLACK FLOAT

Info

Publication number: SE466268B
Application number: SE9001958A
Authority: SE
Inventors: L Stigsson
Original assignee: Chemrec Ab
Priority date: 1990-05-31
Filing date: 1990-05-31
Publication date: 1992-01-20
Also published as: AU7718491A; AU643522B2; PT97792B; DE69112496D1; CA2043605C; FI912607A0; CA2043605A1; NO176365B; FI912607A; RU2032126C1; NO176365C; NO911969L; KR910020369A; FI101724B1; DE69112496T2; FI101724B; SE9001958D0; ATE127180T1; PT97792A; CN1035959C

Abstract

The present invention relates to a process for partial combustion of cellulose spent liquors using a burner connected to a reactor while adding an oxygen containing gas, maintaining a temperature of more than 700 DEG C within the reactor and that at least half of the non-fuel related amount of oxygen which shall be added to the reactor to partially combust the cellulose spent liquor added through the burner, is added to the reactor as a hot oxygen containing gas added through a channel arranged coaxially around a liquor lance provided for the addition of said cellulose spent liquor, whereby the weight ratio between the oxygen of the oxygen containing gas and the cellulose spent liquor solids is in the range of 0.1-0.7:1. <IMAGE>

Description

466 268 oljebrännare är att en stabil flamma skall åstadkommas med tillförsel av mycket små mängder luft eller annat förbrän- ningsmedium. 466 268 oil burner is to provide a stable flame with supply of very small amounts of air or other combustion medium.

Svartlut som bränsle karaktäriseras av ett lågt kalorivärde och hög vatten-och askhalt. Nedan angives data för en typisk svart- lut. D Kalorivärde 13 GJ/ton TS (torrsubstans) Kemisk summaformel C29H34020Na9S2 Torrhalt 65 Z viskositet vad 1oo°c 100 tst.Black liquor as a fuel is characterized by a low caloric value and high water and ash content. Below is data for a typical blackout lye. D Calorific value 13 GJ / ton TS (dry matter) Chemical sum formula C29H34020Na9S2 Dry content 65 Z viscosity what 1oo ° c 100 tst.

Svartlutens innehåll av natrium och dess höga syreinnehåll gör den till ett mycket reaktivt bränsle, vilket innebär att kolom- sättningen redan i förgasarens flamzon blir hög, trots att förbränningen är understökiometrisk.The black liquor content of sodium and its high oxygen content do to a highly reactive fuel, which means that the column the set-up already in the carburettor flame zone becomes high, despite the combustion is subchiometric.

Den i föreliggande uppfinning beskrivna virvelbrännaren åstad- kommer hög förbränningsverkningsgrad och flamstabilitet med svartlut som bränsle. Flödesbilden nära brännaren påverkas i hög grad av virvelnivån vilken inställes genom justering av virvelskovlarna. Den radiella flödeshastigheten hos den syre- innehållande gasen påverkas därigenom markant med bibehållen axiell flödeshastighet.The vortex burner described in the present invention provides comes with high combustion efficiency and flame stability black liquor as fuel. The flow pattern near the burner is affected in high degree of vortex level which is set by adjusting the vortex vanes. The radial flow rate of the oxygen containing the gas is thereby significantly affected while retaining axial flow rate.

Huvudprincipen för virvelbrännaren är att när en viss virvelni- vå överskrides återcirkuleras en del av flödet tillbaka mot tbrännaren genom en intern recirkulationszon. Denna interna re- cirkulationszon spelar en väsentlig roll i den partiella för- bränningsprocessen, emedan förbränningsprodukterna tillför energi för tändning av den utströmmande lutsprayen. Den interna recirkulationszonen utgör även ett magasin för värme och reak- tiva gaskomponenter.The main principle of the vortex burner is that when a certain vortex If it is exceeded, part of the flow is recirculated back towards the burner through an internal recirculation zone. This internal re- circulation zone plays an essential role in the partial the combustion process, because the combustion products add energy for igniting the effluent lye spray. The internal the recirculation zone also constitutes a reservoir for heat and tiva gas components.

Blandning av lutströmmen och förbränningsluften förbättras dessutom i hög grad av den turbulenta skjuvytan mellan den in- terna recirkulationszonen och utströmmande gaser och lutdrop- '?\ 466 268 par. Även en extern recirkulationszon utvecklas vilken däremot har väsentligt mindre betydelse för lutflammans stabilitet och dess utseende pâverkas i högre grad av själva reaktorns utformning än genom brännarens geometriska utformning.Mixing of the liquor stream and the combustion air is improved in addition, to a large extent by the turbulent shear surface between the recirculation zone and effluent gases and liquor droplets '? \ 466 268 couple. An external recirculation zone is also being developed, which, on the other hand, has significantly less important for the stability of the liquor flame and its appearance is affected to a greater extent by the design of the reactor itself than by the geometric design of the burner.

Graden av finfördelning av luten i spraymunstycket är av störs- ta vikt för utveckling av en svartlutsflamma, lutflammans ut- bredning och kolomsättningen. Svartlutens reologiska egenskaper är avgörande för vilken grad av finfördelning som kan uppnås i ett givet munstycke. Svartlutens viskositet kan pâverkas exem- pelvis genom uppvärmning och/eller genom tillsatser av additiv och normalt är svartluten förvärmd till över 100°C vid tillämp- ning av föreliggande uppfinning. Svartlutens viskositet i fin- fördelningsögonblicket eller strax före skall företrädesvis vara under cza 200 cSt.The degree of atomization of the liquor in the spray nozzle is of take importance for the development of a black liquor flame, the lye flame widening and carbon turnover. The rheological properties of black liquor is decisive for the degree of atomization that can be achieved in a given nozzle. The viscosity of the black liquor can be affected pelvis by heating and / or by additives and normally the black liquor is preheated to over 100 ° C when applied of the present invention. The viscosity of the black liquor in the moment of distribution or just before shall preferably be below cza 200 cSt.

Flera typer av spraymunstycken för finfördelning finns till- gängliga, varav dock endast nâgra få varianter lämpar sig för finfördelning av svartlut.Several types of spray nozzles for atomization are available. available, of which, however, only a few variants are suitable atomization of black liquor.

De munstyckstyper som är aktuella för användning i den nu före- slagna brännaren är av sä kallad "twin-fluid" munstyckstyp. Be- roende pâ vilket sätt de tvâ faserna sammanföres kan flera me- kanismer för droppbildning tänkas, varibland skjuvning mellan ligament, sammanslutning och sfärbildning av lutdroppar och högturbulent sönderdelning av lutstrâlen kan nämnas.The nozzle types suitable for use in the present invention The beaten burner is of the so-called "twin-fluid" nozzle type. Ask- Depending on the way in which the two phases are combined, several cancers for drip formation are thought, including shear between ligaments, association and spheronization of droplets and high-turbulent decomposition of the lye jet can be mentioned.

En gemensam egenskap hos alla "twin-fluid"-munstycken är att en hög relativ gashastighet är nödvändig för tillförsel av energi för finfördelningen. En annan väsentlig egenskap hos dessa mun- stycken är att den resulterande droppstorleken minskar med ökande densitet hos finfördelningsgasen.A common feature of all "twin-fluid" nozzles is that one high relative gas velocity is necessary for energy supply for the atomization. Another essential feature of these pieces is that the resulting droplet size decreases with increasing density of the atomizing gas.

Beskrivning av föreliggande uppfinning Det har nu överraskande visat sig möjligt att kunna lösa prob- 466 268 H lemen vid understökiometrisk förbränning av svartlut genom fö- religgande uppfinning, som karaktäriseras av, att åtminstone hälften av den icke-bränslebundna syremängd som skall tillföras reaktorn för att partiellt förbränna genom brännaren tillförd svartlut, tillföres reaktorn med en varm syreinnehällande gas tillförd genom ett rör anordnat koaxiellt kring en lutlans för tillförsel av nämnda svartlut, varvid viktförhâllandet mellan tillfört syre i den syreinnehâllande gasen och tillförd svart- lut är i intervallet 0,1-O,7:1, företrädesvis 0,15-0,5:1.Description of the present invention It has now surprisingly proved possible to solve problems 466 268 hrs in the case of understochiometric combustion of black liquor by religious invention, which is characterized by, that at least half of the amount of non-fueled oxygen to be supplied the reactor for partial combustion through the burner supplied black liquor, is fed to the reactor with a hot oxygen-containing gas supplied through a tube arranged coaxially around a lance for supply of said black liquor, the weight ratio between added oxygen in the oxygen-containing gas and added black lye is in the range 0.1-0.7: 1, preferably 0.15-0.5: 1.

I bifogade ritning âskâdliggöres en virvelbrännare och tvâ olika "twin-fluid"-munstycken, varvid FIG. 1 visar schematiskt en virvelbrännare i ett förbrännings- rum med sin recirkulation och fördelning därvid FIG. 2 visar en utföringsform av ett "twin-fluid"-munstycke i axiell genomskärning; FIG. 3 visar munstycket enligt FIG. jen III-III i FIG. 2; FIG. 4 visar en annan utföringsform av ett "twin-fluid"-mun- 2 sett framifrån längs lin- stycke i axiell genomskärning; FIG. S visar munstycket enligt FIG. 4 sett framifrån längs lin- jen V-V i FIG. 4.In the attached drawing, a vortex burner and two are damaged various "twin-fluid" nozzles, wherein FIG. 1 schematically shows a vortex burner in a combustion chamber room with its recirculation and distribution thereby FIG. 2 shows an embodiment of a "twin-fluid" nozzle in axial cross-section; FIG. 3 shows the nozzle according to FIG. and III-III in FIG. 2; FIG. 4 shows another embodiment of a "twin-fluid" nozzle. 2 seen from the front along the line piece in axial section; FIG. S shows the nozzle according to FIG. 4 seen from the front along the line and V-V in FIG. 4.

I FIG. 1 visas schematiskt en brännare 1 placerad i en förbrän- ningskammare 22 varvid i en ledning för sekundärlufttillförsel 23 föreligger en virvelgenerator 24. I FIG. 1 visas med heldra- gen linje den interna recirkulationens rymdfördelning, med punktstreckad linje recirkulationszonens gräns, och med strec- kad linje âterloppsflödets gräns, dvs den gräns utefter vilken recjrkulationen vänder (axiella D-hastighetslinjen). Den strec- kade linjen i figurens nedre del anger också gränsen mot den externa recirkulationen. Virvelgeneratorn 24 är placerad vä- sentligen bakom lutlansens nedströmsände, vilket innebär att den virvelturbulenta förbränningsluften tillförd utanför mun- stycket kommer att cirkulera runt lutlansen innan den träffar och bär uop den atomiserade svartluten. Detta innebär också att den interna cirkulationen förbättras genom att någon egentlig ﬂ f* 466 '268 virvelbildning inte inträffar i centrumlinjen framför lutlan- sen. Genom anordnande av virvelgeneratorer utvecklas en lut- flamma med en toroidal vortex, vilket är mycket fördelaktigt för lutflammans stabilitet och förgasningens förlopp.In FIG. 1 schematically shows a burner 1 placed in a burner chamber 22 in a secondary air supply line 23 there is a vortex generator 24. In FIG. 1 is shown with full gen line the space distribution of internal recirculation, with dotted line the boundary of the recirculation zone, and with the dashed line the limit of the return flow, ie the limit along which the recirculation reverses (axial D-velocity line). The strec- the dashed line in the lower part of the figure also indicates the boundary towards it external recirculation. The vortex generator 24 is located substantially behind the downstream end of the lye lance, which means that the vortex turbulent combustion air supplied outside the mouth the piece will circulate around the lance before it hits and carries uop the atomized black liquor. This also means that the internal circulation is improved by someone real ﬂ f * 466 '268 vortex formation does not occur in the center line in front of the late. By arranging vortex generators, a slope is developed. flame with a toroidal vortex, which is very beneficial for the stability of the liquor flame and the course of the gasification.

I munstycket enligt FIG. 2 och 3 tvingas luten i kontakt med en gas av högt tryck och utströmmar från brännarrörets 1 ned- strömsände 2 (mynningen) genom 16 symmetriskt arrangerade cir- kulära öppningar 3. Dessa öppningar utgör ändarna av så kallade Y-stråle atomiseringsmunstycken omfattande två delrör 4 och 5, varvid det förra står i förbindelse med en yttre mantel 6 på brännarröret 1 för tillförsel av svartlut och det senare står i förbindelse med ett inre koncentriskt ringformat rör 7 för tillförsel av luft. öppningarna 3 är divergent anordnade så att de resulterande atomiserade strålarna divergerar från bränna- rens 1 nedströmsände 2. Den Y-stråle atomiseringsmunstyckena innehållande delen 8 av brännaren hålls på plats av en huv 9 fastskruvad till brännarens kropp 10 innehållande manteln 6 och det koncentriska ringformade röret 7. Svartluten införes i brännaren 1 genom en tillförselledning 20 och luften genom en tillförselledning 21.In the nozzle according to FIG. 2 and 3, the liquor is forced into contact with one gas of high pressure and outflows from the downcomer of the burner tube 1 current end 2 (the mouth) through 16 symmetrically arranged circuits colored openings 3. These openings form the ends of so-called Y-jet atomizing nozzles comprising two sub-tubes 4 and 5, the former communicating with an outer sheath 6 on the burner tube 1 for supplying black liquor and the latter is in connection to an inner concentric annular tube 7 for supply of air. the openings 3 are divergently arranged so that the resulting atomized beams diverge from the combustion 1 downstream end 2. The Y-jet atomizing nozzles containing the part 8 of the burner is held in place by a hood 9 screwed to the body 10 of the burner containing the jacket 6 and the concentric annular tube 7. The black liquor is introduced into the burner 1 through a supply line 20 and the air through one supply line 21.

FIG. 4 och 5 visar en annan utföringsform av brännaren med tre koncentriska ringformade rör 11, 12 och 13. Härvid ledes luft genom det yttre och det inre koncentriska ringformade rören 11 och 13 medan svartlut ledes genom det mellanliggande ringforma- de koncentriska röret 12. Luften fördelas genom i figurerna ~visade 18 symmetriskt distribuerade hål 14 och 15 medan svart- luten pressas genom en ringformig spalt 16. Hâlen 14 är härvid snedställt riktade i en riktning och hålen 15 snedställt rikta- de i motsatt riktning. Svartluten ledes genom spalten 16 och får träffa en läpp 17 som tvingar den därvid erhållna svart- lutsfilmen inåt varvid den träffas av den ur hålen 16 kommande luften och därvid splittras. Då så skett träffas samtidigt denna första luft-svartlutsblandning av ytterligare luft som träffar blandningen utanför läppen 17. Resultatet blir också här en divergerande stråle_av finfördelad svartlut och luft. 466 268 Svartluten tillföres brännaren genom en tillförselledning 20 och Luften genom två tillförselledningar 21. Även om Luft angivits i ovanstående beskrivning är uppfinningen ej begränsad till luft, utan även andra gaser såsom exempelvis ånga eller syreanrikad luft kan användas.FIG. 4 and 5 show another embodiment of the burner with three concentric annular tubes 11, 12 and 13. In this case air is conducted through the outer and inner concentric annular tubes 11 and 13 while black liquor is passed through the intermediate annular the concentric tube 12. The air is distributed through in the figures ~ showed 18 symmetrically distributed holes 14 and 15 while black- the liquor is pressed through an annular gap 16. The tail 14 is in this case obliquely directed in one direction and the holes 15 obliquely directed those in the opposite direction. The black liquor is passed through the column 16 and may hit a lip 17 which forces the blackhead thus obtained the lye film inwards where it is hit by the one coming out of the holes 16 the air and thereby splits. When that happens, meet at the same time this first air-black liquor mixture of additional air as hits the mixture outside the lip 17. The result is also here a diverging jet_of finely divided black liquor and air. 466 268 The black liquor is supplied to the burner through a supply line 20 and the air through two supply lines 21. Although Air is stated in the above description, the invention is not limited to air, but also other gases such as steam or oxygen-enriched air can be used.

Svartluten är som ovan nämnts ett bränsle med speciella egenr skaper och en brännare som skall åstadkomma en stabil flamma även vid mycket låga bränsle/luftkvoter måste därför utformas på ett speciellt sätt.As mentioned above, black liquor is a fuel with special properties and a burner to provide a stable flame even at very low fuel / air ratios must therefore be designed in a special way.

Vid såväl fullständig som understökiometrisk förbränning eller partiell oxidation av ett bränsle åtgår syre vilket tillföres dels genom förbränningsluften (Luft, syrgas eller syreanrikad Luft), dels genom bränslets eventuella syreinnehåll.In both complete and understochiometric combustion or partial oxidation of a fuel requires oxygen which is supplied partly through the combustion air (Air, oxygen or oxygen-enriched Air), partly through the possible oxygen content of the fuel.

Vid dimensionering av brännaren måste stor hänsyn tagas till viktförhållandet mellan tillförd luft och bränsle.When dimensioning the burner, great consideration must be given the weight ratio between supplied air and fuel.

Luft/bränsletalet för några typiska bränslen vid stökiometrisk förbränning exemplifieras nedan.Air / fuel ratio for some typical fuels at stoichiometric combustion is exemplified below.

Antracif Luft/bränsle ' 10-1z=1 Etylalkohol "- 9:1 Formaldehyd "- 4,6:1 Dieselolja/tjockolja "- 13-15:1 Olika bränslen innehåller olika mängder bundet syre. Bitumöst stenkol innehåller vanligen mellan 4-10% syre. Brännoljor inne- håller mindre än 1% bundet syre.Antracif Air / fuel '10-1z = 1 Ethyl alcohol "- 9: 1 Formaldehyde "- 4.6: 1 Diesel oil / thick oil "- 13-15: 1 Different fuels contain different amounts of bound oxygen. Bitumöst hard coal usually contains between 4-10% oxygen. Fuel oils contained holds less than 1% bound oxygen.

Svartluten har c:a 35 vikts-Z bundet syre räknat på torrsubs- tansen. Detta får konsekvenser vid utformningen av en brännare eftersom endast en mindre mängd syre, luft eller syreanrikad luft kan tillföras brännaren för att få önskad kvalitet på den resulterande processgasen. 13 466 268 En brännare för partiell förbränning av svartlut i enlighet med föreliggande uppfinning är dimensionerad för ett luftlbränsle- förhållande i storleksordningen 0,5-3:1, vilket sålunda är av- sevärt lägre än vid såväl stökiometrisk förbränning som vid förgasning av de flesta andra bränslen. Ett annat sätt att ut- trycka ovannämnda luft/bränsle förhållande är genom kvoten tillförd syremängd till tillförd mängd svartlut. Eftersom luf- ten består till c:a 23 vikt-Z syre dimensioneras sålunda före- liggande svartlutsbrännare uttryckt som ett förhållande mellan tillförd syremängd och tillförd mängd svartlut i intervallet 0,1-0,7:1, företrädesvis 0,15-O,S:1. För att kompensera det mindre massflödet av gas runt brännarlansen och för att uppnå rimliga gashastigheter bör luften därför förvärmas till åtmins- tone 100°C, företrädesvis 300°C, och den bör dessutom utsättas för kraftig virvelbildning genom att den tvingas passera genom virvelskovlar. En större del av den för den partiella förbrän- ningen nödvändiga syremängden tillföres genom ett kring brän- narlansen koaxiellt anordnat rör, vilket i sin tur utmynnar i reaktorn genom en divergent dysa. En del av den nödvändiga luf- ten kan tillföras flamzonen genom finfördelningsmunstycket och eventuellt kan ytterligare en del tillföras genom sekundär- luftsportar i reaktorns överdel.The black liquor has about 35 weight-Z bound oxygen calculated on dry sub- dance. This has consequences when designing a burner because only a small amount of oxygen, air or oxygen enriched air can be supplied to the burner to obtain the desired quality resulting process gas. 13 466 268 A burner for partial combustion of black liquor in accordance with the present invention is dimensioned for an air fuel ratio in the order of 0.5-3: 1, which is thus considerably lower than in both stoichiometric combustion and in gasification of most other fuels. Another way to push the above air / fuel ratio is through the quota added amount of oxygen to added amount of black liquor. Since air- consists of about 23 weight-Z oxygen is thus dimensioned horizontal black liquor burner expressed as a ratio of added oxygen amount and added amount of black liquor in the range 0.1-0.7: 1, preferably 0.15-0.15: 1: 1. To compensate for that less the mass flow of gas around the burner lance and to achieve reasonable gas velocities, the air should therefore be preheated to at least tone 100 ° C, preferably 300 ° C, and it should also be exposed too strong vortex formation by forcing it to pass through vortex vanes. A larger part of that for the partial combustion the required amount of oxygen is supplied through a narlansen coaxially arranged tube, which in turn results in the reactor through a divergent nozzle. Part of the necessary air can be supplied to the flame zone through the atomizing nozzle and possibly an additional part can be added by secondary air ports in the upper part of the reactor.

Reaktorn arbetar normalt vid ett visst övertryck förorsakat ge- nom gassystemets egenmottryck. Detta tryck avgöres av gassys- temets vidare konstruktion och uppgår normalt till 0,1-1 bar över omgivningstryck. Förgasningen sker vid temperaturer över- stigande 700°C.The reactor normally operates at a certain overpressure caused by nom gas back pressure of the gas system. This pressure is determined by the gas system. the further construction of the system and normally amounts to 0.1-1 bar over ambient pressure. The gasification takes place at temperatures above rising 700 ° C.

Claims

466 268 PATENT REQUIREMENTS.

Process for the partial combustion of black liquor from the sulphate pulp industry with a burner connected to a reactor with the supply of an oxygen-containing gas, characterized in that a temperature exceeding 7U0 ° C is maintained in the reactor and that at least half of the non-fueled amount of oxygen to be supplied to the reactor for partially combustion black liquor supplied through the burner is supplied to the reactor in the form of a hot oxygen-containing gas, which is supplied through a tube arranged substantially coaxially around a lye for supplying said black liquor, the weight ratio of oxygen supplied in the the oxygen-containing gas and supplied black liquor are in the range 0.1-0.7.7: 1.

Method according to Claim 1, characterized in that the oxygen-containing gas supplied through the coaxial tube is subjected to a vortex motion.

Method according to claim 1, characterized in that the oxygen-containing gas supplied through the coaxial tube is forced to pass through vortex vanes which thereby give the gas a vortex movement which causes the formation of a toroidal vortex in the liquor flame with recirculation of hot gases downstream of the liquefied lance .

A method according to claim 1, characterized in that the liquor stream in the liquor lance is brought into contact with a gas with a high flow rate and higher pressure than said black liquor, wherein a sharp increase in velocity in the liquor stream is achieved, which in turn results in the formation of a finely divided divergent spray of black liquor emanating from the downstream end of said liquor.

Method according to one or more of claims 1-4, characterized in that the black liquor is caused to flow out from the downstream end of said liquor through at least three symmetrically arranged openings or through a circular gap. 466 263

Process according to one or more of Claims 1 to 5, characterized in that the oxygen-containing gas is allowed to flow out through a coaxial divergent nozzle arranged around the lance, which mouth opens into the reaction zone of said reactor.

Method according to one or more of Claims 1 to 6, characterized in that the vortex vanes are arranged substantially behind the downstream end of the lance.

Process according to one or more of Claims 1 to 7, characterized in that the oxygen-containing gas is preheated to above 100 ° C, preferably above 300 ° C.

Process according to one or more of Claims 1 to 8, characterized in that the oxygen-containing gas consists of air or oxygen-enriched air.

Method according to one or more of Claims 1 to 9, characterized in that the viscosity of the black liquor before the entry to the downstream end of the burner lance has been reduced to below 200 cSt., Preferably less than 100 cSt.

Process according to Claim 1, characterized in that the weight ratio between the oxygen supplied in the oxygen-containing gas and the black liquor supplied is 0.15-0.5: 1.