<Desc/Clms Page number 1>
Verfahren zur Erzeugung von Dampf
EMI1.1
<Desc/Clms Page number 2>
Neueren Vorschlägen zufolge, wie sie z. B. in der brit. Patentschrift Nr. 808, 090 und in der deut- schen Patentschrift Nr. 940650 enthalten sind, werden die Rohrleitungen in eine aus einem inerten Material, wie z. B. feinverteilte Tonerde, gebildete Wirbelschicht eingetaucht. Diese Wirbelschicht kann dadurch aufrechterhalten werden, dass Luft durch die Schicht aufwärts strömen gelassen wird. Der feste Brennstoff wird in feinverteilter oder zerkleinerter Form direkt der Wirbelschicht zugeführt. Der Brennstoff verteilt sich über die ganze Schicht und verbrennt, wenn er mit der durch die Schicht tretenden Luft in Berührung gelangt. Die zur Aufrechterhaltung der Wirbelschicht verwendete Luft liefert normalerweise den gesamten zur Verbrennung erforderlichen Sauerstoff.
Gegebenenfalls können jedoch Sauerstoff oder ein anderes sauerstoffhaltiges Gas als Luft in die Wirbelschicht eingeführt werden, um den in der Luft enthaltenen Sauerstoff zu ergänzen. Gegebenenfalls wäre es natürlich auch möglich, die Wirbelschicht mit einem andern Gas als Luft aufrechtzuerhalten und Sauerstoff als Verbrennungsgas zuzuführen. Die Verbrennung erfolgt in der Wirbelschicht, aus der Verbrennungsgase erhalten werden. Durch die Verbrennung wird in der ganzen Wirbelschicht Wärme erzeugt, die von jedem in der Wirbelschicht befindlichen Gegenstand, beispielsweise von Röhren, die beliebige Medien enthalten können, rasch aufgenommen wird.
In einer Wirbelschicht erfolgt die Übertragung von Wärme von einem festen Teilchen auf ein anderes und von einer Stelle zu einer andern sehr rasch. Infolgedessen ist in der ganzen aus festen Teilchen bestehenden Wirbelschicht eine im wesentlichen einheitliche Temperatur vorhanden. Die Wärmeübertragung von den Feststoffen der Wirbelschicht auf eine in der Wirbelschicht angeordnete feste Fläche oder Röhre erfolgt ebenfalls sehr rasch.
Die Erfindung basiert nun auf der Erkenntnis, dass eine leistungsfähige Erzeugung von Dampf mit hoher Temperatur und hohem Druck auch ohne Verwendung von Rohren möglich ist, indem man Wasser direkt in die Wirbelschicht einführt.
Im einzelnen betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung von Dampf, bei welchem ein Strom von Wasser Hitze zugeführt wird, welche durch Einführen eines zerkleinerten festen Brennstoffes und eines oxydierenden Gases in eine durch ein Gas aufrechterhaltene Wirbelschicht aus im wesentlichen unbrennbarem Material erzeugt wird, welche Wirbelschicht auf einer Temperatur gehalten wird, die über der niedrigsten Verbrennungstemperatur des Brennstoffes liegt. Dieses Verfahren ist erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet, dass die durch ein Gas aufrechterhaltene Wirbelschicht in einem geschlossenen Raum erzeugt und mit dem zerkleinerten Brennstoff, oxydierendem Gas und Wasser unter erhöhtem Druck gespeist wird, und dass der dadurch erzeugte, unter Druck stehende Dampf zusammen mit den erzeugten Verbrennungsprodukten abgezogen wird.
Das Verfahren kann so geregelt werden, dass der ganzesauerstoff in der dem Brenner zugeführten Luft verbrannt wird, was durch Regelung des Verhältnisses zwischen Luft und Brennstoff geschieht. In dem erfindungsgemässen Verfahren ist der Wirkungsgrad der Verbrennung sehr hoch. In dem ganzen Temperaturbereich von der Entzündungstemperatur des Brennstoffs bis zu seiner Flammentemperatur ist die Verbrennungsgeschwindigkeit des festen Brennstoffs sehr hoch und die Verbrennung sehr vollständig. Selbst bei den niedrigeren Temperaturen, die in dem erfindungsgemässen Brenner herrschen, ist die Verbrennung des Kohlenstoffs vollständiger als bisher in technischen Kesseln möglich. Fast der ganze in dem festen Brennstoff enthaltene Kohlenstoff wird zu Kohlendioxyd verbrannt, und in dem Verbrennungsgas ist nur wenig Kohlenmonoxyd enthalten.
Der Restkohlenstoffgehalt der bei dem erfindungsgemässen Verfahren anfallenden Asche ist ebenfalls sehr gering. In dem erfindungsgemässen Verfahren ist die höchste Verbrennungsgeschwindigkeit pro ma des Verbrennungsraums höher als das bei Verwendung von Kohlenstaub in einem gewöhnlichen Dampfkessel erzielte Maximum. Die Verbrennung kann in dem erfindungsgemässen Verfahren durch blosses Abstellen der Luftzufuhr rasch und auf einfache Weise unterbrochen werden.
Ein grosser Vorteil des erfindungsgemässen Verfahrens besteht in der Einfachheit der zu seiner Durchführung erforderlichen Einrichtung. Man braucht nur ein Gefäss mit einem perforierten Boden, durch den Luft in die Wirbelschicht eingeführt werden kann, ein Gebläse für die Zuführung der Luft, ein System zur Einleitung oder Zuführung von Brennstoff und einen Überlauf zur Abfuhr von Asche. Die Vorteile der einfachen Ausbildung der Vorrichtung werden sofort erkennbar, wenn die Vorrichtung mit der komplizierten Doppelmantelausbildung der Gefässe verglichen wird, die bei einem mit indirekter Erhitzung unter Verwendung eines flüssigen Wärmeübertragungsmediums arbeitenden System mehrfach vorhanden sein müssen.
Bei der Verwendung von festen Brennstoffen hat das Verfahren den weiteren Vorteil, dass mit niedrigeren Temperaturen gearbeitet werden kann als in Verfahren, die mit gasförmigen Brennstoffen durchgeführt werden, welche höhere Entzündungstemperaturen haben.
Die Wirbelschicht wird als Energieerzeuger betrieben, indem Wasser direkt auf die Wirbelschicht
<Desc/Clms Page number 3>
aufgesprüht und/oder in die Wirbelschicht eingespritzt wird. Der auf diese Weise erzeugte Dampf wird mit den bei der Verbrennung des festen Brennstoffs gebildeten Verbrennungsgasen vereinigt und dieses Ge- misch von Dampf und Verbrennungsgasen für den Antrieb einer Gasturbine zur Energieerzeugung verwen- det. Gegebenenfalls können das Wasser und der feste Brennstoff der Schicht gemeinsam zugeführt werden, beispielsweise in Form einer wässerigen Kohlentrübe. Ein Vorteil des erfindungsgemässen Verfahrens ge- genüber den üblichen Kesseln besteht darin, dass eine Vorbehandlung oder Reinigung des Wassers nicht notwendig ist, sondern "rohes" Wasser unabhängig von seinem Gehalt an Mineralien, Sinkstoffen usw. verwendet werden kann.
Diese Einrichtung ergibt bei einer Gasturbine gegebener Grösse eine viel höhere
Ausgangsleistung, weil nur die theoretisch zur Verbrennung erforderliche Luftmenge gefördert zu werden braucht. Die Betriebstemperatur der Wirbelschicht kann durch die Menge des auf die Schicht aufgesprüh- ten Wassers geregelt werden. Die Einrichtung kann durch blosses Abstellen der Verbrennungsluftzufuhr ab- gestellt werden.
Gegebenenfalls können zwei miteinander verbundene Wirbelschichten mit einem gemischten Dampf- und Gas-Kreislauf zur Energieerzeugung verwendet werden. Die erste Schicht wird bei atmosphärischem oder einem relativ niedrigen Überdruck betrieben und enthält in an sich bekannter Weise Rohrschlangen, in denen eine wässerige Aufschlämmung des Brennstoffs, nämlich Kohle, vorerhitzt und dann der zwei- ten Schicht zugeführt wird, die keine Rohrschlangen besitzt. Dann werden von der zweiten Schicht abgegebener Dampf und Verbrennungsgas zum Antrieb einer Turbine zur Energieerzeugung verwendet.
In der Zeichnung zeigt Fig. 1 eine Ausführungsform der Erfindung, in der die durch Verbrennung von festem Brennstoff in einer unter Überdruck stehenden Wirbelschicht erzeugte Wärme zur Erzeugung von Dampf aus auf die Schicht aufgesprühtem Wasser verwendet wird, und der so erzeugte Dampf mit den von der Schicht kommenden Verbrennungsgasen vereinigt zum Antrieb einer Gasturbine dient, und Fig.
2 eine Ausführungsform der Erfindung, in der die durch Verbrennung von festen Brennstoffen in einer unter relativ niedrigem Überdruck stehenden ersten Wirbelschicht erzeugte Wärme zur Erhitzung einer in dieser Wirbelschicht angeordneten Rohrschlange verwendet wird, wobei die in der Rohrschlange befindliche wässerige Aufschlämmung des Brennstoffes vorerhitzt und einer zweiten Schicht zugeführt wird, in der das Gemisch weiter erhitzt wird, um dann mit Verbrennungsgasen von beiden Schichten vereinigt zum Antrieb einer Gasturbine zu dienen. Dabei werden zwei hintereinandergeschaltete Wirbelschichten verwendet.
Gemäss Fig. 1 wird ein Hochdruck-Wirbelschichtbrenner 51 von einer Pumpe 52 über eine Leitung 53 mit pulverisiertem festem Brennstoff und von einem Luftkompressor 54 über die Leitung 55 mit unter Überdruck stehender Verbrennungsluft gespeist. Über die Leitung 61 wird dem Brenner 51 Wasser zugeführt, das von Düsen 62 auf die Wirbelschicht gesprüht wird. Während der Verbrennung wird die anfallende Asche von dem Brenner 51 über eine Aschenüberlaufleitung 60 abgezogen. Aus der Schicht kommende Verbrennungsgase, mit dem in der Schicht erzeugten Dampf vereinigt, werden über die Leitung 56 von dem Brenner 51 abgezogen und einer Turbine 57 zugeführt, in der die Gase und der Dampf ein der Energieerzeugung dienendes Turbinenlaufrad drehen.
Nach dem Abzug von der Turbine sind die Gase und der Dampf noch heiss und werden über eine Leitung 58 einem Wärmetauscher 59 zugeführt, von dem sie über die Leitung 63 abgezogen werden. Wasser zur Dampferzeugung wird über die Leitung 64 in das System eingeleitet, in den Wärmetauscher 59 gefördert, in dem es vorerhitzt wird, um dann über die Leitung 61 in den Brenner 51 gefördert zu werden. Mit der von der Turbine 57 erzeugten Leistung werden der Luftkompressor 54 und der elektrische Generator 65 angetrieben.
Fig. 2 zeigt einen Niederdruck-Wirbelschichtbrenner 71, der mit pulverisiertem festem Brennstoff von einer Pumpe 72 über die Leitung 73 und mit unter geringem Druck stehender Luft von einem Luftkompressor 74 über die Leitungen 75 und 76 gespeist wird. Während der Verbrennung wird die erzeugte Asche über eine Überlaufleitung 77 von dem Brenner 71 entfernt. Die von dem Brenner 71 kommenden Verbrennungsgase werden über die Leitungen 78 und 79 einem Wärmetauscher 80 zugeführt, von dem sie über die Leitung 81 abgezogen werden. Wasser und pulverisierter fester Brennstoff werden gemischt von der Dickstoffpumpe 82 als Trübe über die Leitung 83 in den Wärmetauscher 80 eingeleitet.
Die in dem Wärmetauscher 80 erhitzte Trübe aus Brennstoff und Wasser wird über die Leitung 84 in den Brenner 71 eingeleitet, in dem sie durch die in der Wirbelschicht angeordneten Rohrschlangen 85 umgewälzt wird. Das Wasser der Trübe wird zu Dampf umgewandelt, und das so erhaltene Gemisch von Dampf und Kohle wird von dem Brenner 71 über die Leitung 86 abgezogen und von dieser einem Hochdruck-Wirbelschichtbrenner 87 zugeführt, in dem der Brennstoff verbrannt wird. Während der Verbrennung wird die anfallende Asche über die Aschenüberlaufleitung 88 von dem Brenner 87 abgezogen.
Die von der Schicht kommenden Verbrennungsgase, mit dem Dampf von der Wirbelschicht vereinigt, werden über die Leitung 89
<Desc/Clms Page number 4>
von dem Brenner 87 abgezogen und einer Turbine 90 zugeführt, in der die Gase und der Dampf zu Energieerzeugung ein Turbinenlaufrad drehen. Nach dem Abzug von der Turbine 90 sind die Gase und der Dampf noch heiss und werden über die Leitung 91 der Leitung 79 zugeführt, in der sie zu dem Wärmetauscher 80 gelangen. Luft für den Hochdruckbrenner 87 wird von einem Luftkompressor 92 über die Leitung 93 zugeführt. Der Luftkompressor 92 erhält unter geringem Druck stehende Luft von dem Luftkompressor 74 über die Leitungen 75 und 94. Die von der Turbine 90 erzeugte Leistung treibt die Luftkompressoren 92 und 74 und einen elektrischen Generator 95 an.
- In dem erfindungsgemässen Verfahren können feste Brennstoffe jeder Art verwendet werden, sofern sich die Wirbelschicht über der Entzündungstemperatur des zu verwendenden Brennstoffes befindet. Beispielsweise kann als Brennstoff Steinkohle, Weichkohle, Koks, Schwelkoks, Holzkohle, Gilsonit, etwas Kohlenstoff enthaltende Flugasche, Ölschiefer, retortenbehandelte Ölschieferrückstände oder jedes andere brennbare Material verwendet werden.
Die Durchführung des Verfahrens wird durch grosse in dem Brennstoff enthaltene Mengen von unbrennbaren Verunreinigungen nicht gestört, so dass die in üblichen Kesseln beim Verbrennen von Brennstoffen mit hohem Aschengehalt auftretenden Schwierigkeiten vermieden werden, die darin bestehen, dass die Brennstoffe mit hohem Aschengehalt eine erhöhte Erosion der Rohre, eine Ablagerung und Ansammlung von Asche in den Rohrbündeln verursachen und dass die Entfernung der Asche schwierig ist. Ferner kann das erfindungsgemässe Verfahren einwandfrei auch mit nur grob gemahlenem Brennstoff durchgeführt werden, so dass die Kosten vermieden werden, die beim Betrieb eines üblichen, mit pulverisiertem Brennstoff gefeuerten Kessels entstehen, in dem nur sehr feinvermahlener Brennstoff verwendet werden kann. Wenn der Brennstoff, beispielsweise Kohle, Koks, Schwelkoks, Holzkohle od. dgl.
Spuren von Eisen und/oder andern Metallen enthält, wie dies bei den meisten kohlenstoffhaltigen Brennstoffen der Fall ist, wird eine vollständigere Verbrennung erhalten als bei Brennstoffen, die diese Spuren nicht enthalten. Dies ist auf die katalytische Wirkung des Eisens bei der Oxydation des Kohlenmonoxyds zu Kohlendioxyd zurückzuführen, so dass bei niedrigeren Verbrennungstemperaturen ein höheres Verhältnis von CO zu CO erhalten wird. Der pulverisierte Brennstoff kann zusammen mit einem Teil des Verbrennungsgases in die Schicht hineingeblasen oder auf jede zweckmässige Weise auf der Oberseite der Wirbelschicht verteilt werden. In manchen Fällen kann eine Voroxydation des
EMI4.1
<Desc/Clms Page number 5>
betrieben werden.
Die Temperatur der Wirbelschicht muss über der Entzündungstemperatur des Brennstoffs und unter der Schmelztemperatur des Materials der Wirbelschicht, beispielsweise der Asche oder des Sandes, liegen. Für viele Zwecke wird es zwar wünschenswert sein, die Schicht mit relativ niedrigen Tem- peraturen zu betreiben. Die Temperatur kann aber so hoch sein, wie dies erwünscht ist, wobei immer noch eine vollständige oder fast vollständige Verbrennung erhalten wird. Wenn der Brennstoff aus Kohle oder Schwelkoks besteht, beträgt die in der Wirbelschicht zur Einleitung der Verbrennung erforderliche
Temperatur gewöhnlich etwa 3500C. Bei Hochtemperaturkoks beträgt sie gewöhnlich etwa 400-5000C.
Man kann in der Wirbelschicht Temperaturen bis zu Flammentemperaturen erhalten und aufrechterhal- ten. Die obere Temperaturgrenze wird nur durch die Schmelztemperatur des Wirbelschichtmaterials be- grenzt.
Die Verbrennungstemperatur in der Wirbelschicht wird durch die Steuerung des Gleichgewichts zwischen der in die Schicht eingeführten und der von ihr abgeführten Wärme geregelt. Dies kann auf verschiedene Weise erfolgen. Die abgezogene Wärme kann dadurch geregelt werden, dass die Menge des
Wassers, welches der Wirbelschicht von oben zugeführt oder in die Wirbelschicht eingespritzt wird, geregelt wird. Die der Wirbelschicht zugeführte Wärmemenge kann durch Regelung der dem Brenner zugeführten Verbrennungsluftmenge und durch Regelung der dem Brenner zugeführten Brennstoffmenge geregelt werden.
Im allgemeinen kann die Geschwindigkeit der das Bett durchsetzenden Verbrennungsluft zwischen 0, 03 und 3, 04 m/sec betragen, was einer Menge von 0, 03 bis 3,04 m3/sec pro m Querschnittsfläche der Wirbelschicht unter den Druck- und Temperaturbedingungen der Wirbelschicht entspricht. Die durch die vollständige Verbrennung des Kohlenstoffs ohne Luftüberschuss mit einer Verbrennungsluftgeschwindigkeit von 0,61 m/sec in einer Wirbelschicht von 5500C und atmosphärischem Druck freigesetzte Wärme beträgt 17,7 gcal/sec pro cm der Querschnittsfläche der Schicht. Bei höheren und niedrigeren Verbrennungsluftgeschwindigkeiten ist die freigesetzte Wärmemenge proportional höher und niedriger.
Bei'höheren Drücken wird die Verbrennungsluftmenge erhöht. Man kann beliebig hohe Drücke verwenden.
Die relativ vollständige Entfernung der nicht geschmolzenen, unregelmässig geformten Flugaschenteilchen aus den Verbrennungsgasen wird dadurch sehr erleichtert, dass die Austrittstemperatur der Verbrennungsgase, für Gasturbinenbetrieb etwa 760 C, innerhalb des Arbeitsbereichs der vorhandenen Staubsammelvorrichtungen liegt. Bei den relativ niedrigen Austrittstemperaturen der Verbrennungsgase schmelzen die Ascheteilchen nicht, so dass ihre Beseitigung aus den Verbrennungsgasen weiter erleichtert wird.
Die Flugasche in dem Verbrennungsgas eines üblichen Kessels besteht aus Teilchen, die eine Schmelzung erfahren haben und deren Körnung sich daher gleichmässig von kleinen zu grossen kugeligen Teilchen mit einem Durchmesser im Submikronbereich bis zu dem Bereich von mehreren hundert Mikron erstreckt. Wenn die Verbrennungsgase zum Antrieb einer Gasturbine dienen, müssen möglichst viele der grossen Teilchen entfernt werden, weil sie trachten, die Turbinenschaufeln zu beschädigen. Teilchen mit einem Durchmesser von mehr als etwa 30 Mikron können durch mechanische Scheider, beispielsweise die sogenannten Zyklone, aus den Verbrennungsgasen entfernt werden. Teilchen mit einem Durchmesser von etwa 10 Mikron sind so klein, dass sie nur vernachlässigbar kleine Schäden in der Turbine verursachen.
In den Verbrennungsgasen üblicher Kessel befinden sich aber auch Teilchen, die einen grösseren Durchmesser haben als 10 Mikron, aber zu klein sind, um durch mechanische Mittel entfernt werden zu können, in beträchtlichen Mengen und diese Teilchen können eine Turbinenschaufel stark erodieren und beschädigen.
Derartige Teilchen "mittlerer" Grösse sind in den Verbrennungsgasen des erfindungsgemässen Verfahrens nur in einem sehr kleinen Anteil enthalten, weil die Asche nicht geschmolzen worden ist, sondern in jenem Zustand vorliegt, in dem sie ursprünglich in der Kohle oder dem Schwelkoks enthalten war. Die Asche besteht aus sehr kleinen Teilchen, die in der Kohle oder dem Schwelkoks als"Eigenasche"enthal- ten war, und aus grossen Teilchen, die in der Kohle oder dem Schwelkoks die "eingeschlossene" Asche bildeten. Wenn die grossen Teilchen durch billige mechanische Mittel entfernt worden sind, besteht die Flugasche in den Verbrennungsgasen des Verfahrens vorwiegend aus Teilchen von weniger als 10 Mikron, die nur eine vernachlässigbar kleine Erosion einer Turbinenschaufel bewirken können.
Gegebenenfalls können mehrere bei verschiedenen Temperaturen arbeitende Wirbelschichten kombiniert werden. Das erfindungsgemässe Verfahren kann unter Überdrücken und unter atmosphärischem Druck betrieben werden. Ein Überdruck in dem Brenner ermöglicht höhere Verbrennungsgeschwindigkeiten, weil die Verbrennungsgeschwindigkeit in der Schicht durch die zulässige Gasgeschwindigkeit in der Schicht begrenzt wird. Die Gasgeschwindigkeit in der Schicht muss auf die zusätzliche Geschwindigkeit beschränkt werden, weil die Wirbelschicht bei einer übermässig hohen Gasgeschwindigkeit zerstört wird, wobei Teilchen der Schicht oben aus derselben herausgeblasen werden.
Daher können die zulässigen GasGeschwindigkeiten in der Schicht erhöht werden, ohne dass diese zerstört und Teilchen aus ihr herausge-
<Desc/Clms Page number 6>
blasen werden, wenn der Druck in dem die Schicht enthaltenden Gefäss erhöht wird. Da die zulässige Gasgeschwindigkeit von der Gasdichte praktisch unabhängig ist, besteht eine direkte Proportionalität zwischen der in der Schicht für die Verbrennung zur Verfügung stehenden Sauerstoffmenge und dem absoluten Druck in der Schicht. Die pro Volumeneinheit des Verbrennungsraums freigesetzte Wärmemenge ist dem Druck direkt proportional.
In dem nachstehenden Beispiel ist die Teilchengrösse des festen Brennstoffs als Siebgrösse eines Drahtsiebes angegeben, durch das die Teilchen hindurchgehen können. Es besteht folgende Beziehung zwischen der Maschengrösse und den Sieböffnungen :
EMI6.1
<tb>
<tb> Maschengrösse <SEP> Öffnungen <SEP> Maschengrösse <SEP> Öffnungen <SEP>
<tb> mm <SEP> mm
<tb> 12 <SEP> 1,68 <SEP> 80 <SEP> 0,177
<tb> 20 <SEP> 0,84 <SEP> 100 <SEP> 0,149
<tb> 30 <SEP> 0, <SEP> 59 <SEP> 120 <SEP> 0, <SEP> 125 <SEP>
<tb> 40 <SEP> 0, <SEP> 42 <SEP> 200 <SEP> 0,074
<tb> 50 <SEP> 0, <SEP> 297 <SEP> 270 <SEP> 0,053
<tb> 60 <SEP> 0, <SEP> 250 <SEP> 325 <SEP> 0, <SEP> 044
<tb>
EMI6.2