CZ289157B6

CZ289157B6 - Systém s fluidním loľem

Info

Publication number: CZ289157B6
Application number: CZ1997780A
Authority: CZ
Inventors: Ernest L. Hartman; Michael C. Tanca
Original assignee: Alstom Power Inc.
Priority date: 1994-09-16
Filing date: 1995-07-24
Publication date: 2001-11-14
Also published as: CA2197227A1; BR9508957A; CZ78097A3; HUT76693A; AU3141195A; PL319101A1; MX9701828A; EE9700041A; WO1996008676A1; SK34397A3; US5575086A; EP0781390A1; PL58816Y1; EP0781390B1; HU218508B; KR100229763B1; CA2197227C

Abstract

Syst m (10) s fluidn m lo em obsahuje spalovac jednotku (12), nosnou konstrukci (14) tvo°enou skupinou vz jemn rovnob n²ch trubek (32), spojen²ch navz jem ebry (34) um st n²mi mezi trubkami (32). Z nosn konstrukce (14) vystupuje nahoru skupina tryskov²ch jednotek (30), prob haj c ch v podstat svisle ve vz jemn rovnob n²ch poloh ch. Ka d z t chto tryskov²ch jednotek (30) obsahuje v lcovit t leso (36), jeho st°edn osa je kolm na nosnou konstrukci (14), a ka d z v lcov²ch t les (36) obsahuje skupinu hlavic (38), prob haj c ch radi ln z koncov sti v lcov ho t lesa (36), kter je axi ln nejvzd len j od nosn konstrukce (14). Ka d z v lcov²ch t les (36) m ty°i hlavice (38), ka d z hlavic (38) ka d ho v lcov ho t lesa (36) je stejn vzd lena od sousedn ch hlavic (38) kolem obvodu ka d ho z v lcov²ch t les (36), ka d ze ty° hlavic (38) ka d ho z v lcov²ch t les (36) je v lcov a m svou st°edn osu a st°edn osa ka d ze ty° hlavic (38) ka d ho z v lcov²ch t les (36\

Description

(57) Anotace:

Systém (10) s fluidním ložem obsahuje spalovací jednotku (12), nosnou konstrukci (14) tvořenou skupinou vzájemně rovnoběžných trubek (32), spojených navzájem žebry (34) umístěnými mezi trubkami (32). Z nosné konstrukce (14) vystupuje nahoru skupina tryskových jednotek (30), probíhajících v podstatě svisle ve vzájemně rovnoběžných polohách. Každá z těchto tryskových jednotek (30) obsahuje válcovité těleso (36), jehož střední osa je kolmá na nosnou konstrukci (14), a každé z válcových těles (36) obsahuje skupinu hlavic (38), probíhajících radiálně z koncové části válcového tělesa (36), která je axiálně nej vzdálenější od nosné konstrukce (14). Každé z válcových těles (36) má čtyři hlavice (38), každá z hlavic (38) každého válcového tělesa (36) je stejně vzdálena od sousedních hlavic (38) kolem obvodu každého z válcových těles (36), každá ze čtyř hlavic (38) každého z válcových těles (36) je válcová a má svou střední osu a střední osa každé ze čtyř hlavic (38) každého z válcových těles (36) je skloněna v ostrém úhlu menším než 45°, rovným výhodně 20°.

(11) Čislo dokumentu:

289 157 (13) Druh dokumentu: B6 (51) Int. Cl⁷:

F23C 10/20

Systém s fluidním ložem

Oblast techniky

Vynález se týká systému s fluidním ložem, obsahujícího spalovací jednotku, nosnou konstrukci tvořenou skupinou vzájemně rovnoběžných trubek, spojených navzájem žebry umístěnými mezi trubkami, a skupinou tryskových jednotek, probíhajících v podstatě svisle ve vzájemně rovnoběžných polohách, každá z těchto tryskových jednotek obsahuje obecně válcové těleso, jehož střední osa je obecně kolmá na nosnou konstrukci a každé z válcových těles obsahuje skupinu hlavic, probíhajících v podstatě radiálně z válcového tělesa na jeho koncové části, která je axiálně nej vzdálenější od nosné konstrukce, přičemž tento systém má zvláštní uplatnění u spalovacích zařízení s fluidním ložem, která jsou součástí zařízení pro výrobu páry. I když má řešení podle vynálezu primární uplatnění u spalovacího procesu v systému pro výrobu páry, rozumí se, že může být využito v řadě dalších zařízení s fluidním ložem. Odborníkům v tomto oboru je zřejmé, že vířivá lože již byla používána po desítky let také u reakcí, při kterých nedocházelo ke spalování hořlavých látek, ale k důkladnému promíchávání a bezprostřednímu vzájemnému kontaktu reagujících složek ve vířivém loži, což vedlo k velké účinnosti procesu a současně ke zvýšené hospodárnosti využití času a energie.

Dosavadní stav techniky

Spalovací zařízení s fluidním ložem mohou účinně spalovat uhlí při teplotách dostatečně nízkých, aby se odstranilo mnoho problémů spojených sjeho spalováním při jiném spalovacím režimu. Pojem „fluidní lože“ se vztahuje k takovým podmínkám, při kterých jsou tuhé materiály uvedeny do vznosu a mají podobné chování jako tekutiny. Při průchodu plynu ložem tuhých částic materiálu směrem nahoru vyvozuje proud plynu síly, které mají snahu oddělovat jednotlivé částice od sebe. Při malých rychlostech proudění plynu zůstávají částice ve vzájemném kontaktu a mají snahu bránit se jakémukoliv pohybu. Za takových podmínek je vrstva materiálu nazývána pevným ložem. Při zvyšování průtoku plynu se dosáhne bodu, ve kterém jsou síly působící na tuhé částice sypkého materiálu dostatečně velké k vyvolání oddělování částic. Vrstva tuhých částic se potom jeví jako ztekucená nebo vířící, protože plynový polštář mezi jednotlivými částicemi umožňuje jejich volný pohyb a vrstva těchto částic potom získává vlastnosti tekuté látky.

Spalování v tomto vířivém fluidním loži umožňuje spalování takových paliv, která mají vysoký obsah popelovin, síry a dusíku a která by byla jinak považována za nevhodná pro spalování. Využitím tohoto procesu je možno alespoň v některých případech odstranit potřebu použití praček spalin i při splnění emisních podmínek. Při spalování paliva ve fluidním loži palivo hoří ve vrstvě nehořlavých částic, udržovaných ve vznosu proudem fluidizačního plynu, směřujícím nahoru. Typickými palivy pro taková topeniště jsou tuhá paliva, zejména uhlí, i když by v tomto systému bylo snadno možno využívat i kapalných a plynných paliv.

Fluidizačním plynem je obvykle spalovací vzduch a plynné zplodiny spalovacího procesu. Jestliže není vyžadováno zachycování síry, může se k popílku vznikajícímu z paliva přidávat pro udržování lože inertní materiál, například písek nebo přirozený oxid uhličitý. V takových praktických použitích, ve kterých je vyžadováno zachycování síry, je jako sorbentu používáno vápence, který tvoří součást lože. Jsou známy dva základní typy spalovacích systémů s fluidním ložem. Prvním typem je probublávací fluidní lože (BFB), kterým prochází větší množství vzduchu, než které by bylo nezbytné, pro udržování tuhých částic ve vznosu, přičemž vzduch tímto ložem prochází ve formě bublin, přičemž toto probublávací fluidní lože se vyznačuje mírným promícháváním tuhých částic obsažených v loži a poměrně malým unášením tuhých částic proudem spalin, a druhým typem je cirkulační fluidní lože (CFB), které se vyznačuje vyššími rychlostmi a menší velikostí tuhých částic v loži. V takových systémech se stává povrch

-1 CZ 289157 B6 fluidního lože s narůstajícím unášením tuhých částic stále více rozčeřený, takže již nelze povrch lože jasně definovat. Systémy s cirkulujícím fluidním ložem mají velkou rychlost cirkulace materiálu ze spalovacího ústrojí do recyklačního systému pro recyklaci částic a zpět do spalovacího ústrojí. Řešení podle vynálezu je zvláště vhodné pro kotle s cirkulujícím fluidním ložem, i když jsou odborníkům v tomto oboru zřejmé další možné aplikace. Základní vlastnosti a znaky zařízení tohoto základního typu jsou dále popsány v publikaci Combustion Fossil Power, kterou vydal Joseph G.Singer, P.E a která byla zveřejněna firmou Combustion Engineering, lne., která je sesterskou firmou Asea Brown Boveri, 1000 Prospect Hill Road, Windsor, Connecticut 06095, v roce 1991.

U konvenčních parních generátorů s cirkulačním fluidním ložem se mechanicky nebo pneumaticky přivádí mleté palivo a sorbent do spodní části spalovacího ústrojí. Do dna spalovacího ústrojí se přivádí primární spalovací vzduch z rozváděče vzduchu a sekundární spalovací vzduch je přiváděn vzduchovými vstupními otvory, umístěnými v jedné úrovni nebo v několika úrovních ve spodní části spalovacího ústrojí. Ke spalování dochází uvnitř spalovacího ústrojí, které je naplněno materiálem tvořícím lože. Spaliny a strhávané a unášené částice tuhého opouštějící ústrojí a vstupují do jednoho cyklonu nebo do skupiny cyklonu, ve kterých se tuhé částice odlučují z proudu plynů a padají dolů do utěsněného spodního nástavce cyklonového odlučovače. Z tohoto utěsněného nástavce se tuhé částice vracejí do spalovací komory jako recyklovaný materiál. Ve vybraných případech se tuhé částice mohou odklonit ze své dráhy zpět do spalovacího ústrojí a mohou se přivádět otevřeným kuželovým ventilem do vnějšího výměníku tepla (FBHE), pracujícího rovněž s vířivým ložem, a zpět do spalovacího ústrojí. Ve výměníku tepla (FBHE) absorbují svazky trubek teplo z vířivých tuhých částic.

Rozdělování vzduchu uvnitř fluidního lože je zajišťováno u těchto dosud známých zařízení soustavou vzájemně rovnoběžných nerezových ocelových trubek, vystupujících svisle nahoru ze základní nosné desky fluidního lože. Horní konec každé této trubky je uzavřen a každá z trubek je opatřena skupinou radiálně probíhajících otvorů pro usměrňování proudění vzduchu do lože a zajišťování vznosu částic. Každý z těchto otvorů má průměr mezi 17,8 mm a 22,9 mm. Tyto trubky jsou obvykle vytvořeny jako odlitky a otvory jsou do jejich stěn potom dostatečně vyvrtány. Pokusy o odlévání nerezového ocelového materiálu pomocí odebratelných jader do tvaru trubek s uzavřeným horním koncem však byly neúspěšné. Náklady na výrobu takových trubek byly přitom vysoké.

Tyto známé konstrukce měly také nevýhodu spočívající v tom, že byly citlivé na ucpávání otvorů nečistotami obsaženými ve vzduchu přiváděném do fluidního lože. Proto bylo nutno zajišťovat stálou údržbu a čištění otvorů. V některých případech docházelo k takovému stavu, že bylo nutno odstavit celé zařízení pro výrobu páry z provozu. I když je někdy parní generátor odstaven kvůli jiné údržbě, jde zpravidla při této odstávce o čas a přednost mají jiné údržbové operace uvnitř topeniště než čištění otvorů, takže je nanejvýš žádoucí, aby se omezila potřeba čištění distribučního systému pro rozvádění vzduchu a prostoru fluidního lože na minimum.

Ve spisu CH 659 876 je popsáno a zobrazeno jedno ze známých zařízení tohoto druhu. Jak je patrno z tohoto spisu CH 659 876, systém s fluidním ložem je u tohoto známého provedení tvořen skříní, základnou obsahující skupinu vzájemně rovnoběžných trubek, spojených mezi sebou žebry probíhajícími mezi sousedními trubkami, a skupinou tryskových jednotek probíhajících v podstatě svisle ve vzájemně rovnoběžných polohách. U zařízení podle tohoto spisu CH 659 876 obsahuje každá trysková jednotka válcovité těleso, jehož střední osa je kolmá na základnu topeniště a každé z válcovitých těles je opatřeno dvojicí hlavic vystupujících radiálně z válcovitého tělesa na jeho konci, odvráceném od základny topeniště.

Úkolem vynálezu je proto zajistit dokonalé promíchávání tuhých částic a těsný kontakt reagujících složek v zařízení s fluidním ložem.

-2CZ 289157 B6

Dalším úkolem je vyřešit zařízení pro rozvádění vzduchu ve fluidním loži, které by kladlo menší požadavky na údržbu.

Ještě jiným úkolem vynálezu je vyřešit takové zařízení, které by bylo snadněji vyrobitelné a mělo nižší výrobní náklady než dosud známá zařízení.

Úkolem vynálezu je také vytvořit zařízení, které by účinně rozdělovalo vzduch uvnitř zařízení s fluidním ložem a nevyžadovalo tolik rozváděčích jednotek jako známá zařízení.

Podstata vynálezu

Tyto úkoly jsou vyřešeny u systému s fluidním ložem, vytvořeného podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že každé z válcových těles má čtyři hlavice, každá z hlavic každého válcového tělesa je stejně vzdálena od sousedních hlavic kolem obvodu každého z válcových těles, každá ze čtyř hlavic každého z válcových těles je válcová a má svou střední osu a střední osa každé ze čtyř hlavic každého z válcových těles je skloněna k ose válcového tělesa v ostrém úhlu menším než 45°.

Ve výhodném provedení podle vynálezu je ostrý úhel, ve kterém je střední osa každé ze čtyř hlavic skloněna směrem dolů vzhledem k vodorovné rovině, roven 20°.

Opatřením válcových těles tryskových jednotek čtyřmi hlavicemi, orientovanými do čtyř stran a skloněnými k ose válcového tělesa v ostrém úhlu, se dosahuje dokonalého promíchávání vzduchu přiváděného do fluidního lože, snižuje se počet potřebných trubek ve fluidním loži a také se dosahuje snížení výrobních nákladů na tryskové jednotky, které mohou být vyráběny jednoduchým odlévacím postupem. Kombinace všech těchto výhod přináší snížení nákladů v porovnání se známými zařízeními tohoto druhu o více než polovinu.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález bude blíže objasněn pomocí příkladů provedení zobrazených na výkresech, kde znázorňují obr. 1 schematický boční pohled na příkladný parní generátor s cirkulačním fluidním ložem, ve kterém může být využito zařízení podle vynálezu, obr. 2 půdorysný pohled, vedený z roviny 2-2 z obr. 1, na část desky podporující fluidní lože, obr. 3 půdorysný pohled na tryskovou jednotku pro fluidní lože podle prvního příkladného provedení vynálezu a obr. 4 příčný řez trubkovou jednotkou z obr. 3, vedený svislou rovinou 4-4 z obr. 2.

Příklady provedení vynálezu

Na obr. 1 je zobrazen konvenční parní generátor 10 s cirkulujícím fluidním ložem. Do spodní části spalovací jednotky 12 se přivádí drcené palivo a absorbent, přičemž do dna spalovací jednotky 12 se přivádí vzduchovým rozváděčem s nosnou konstrukcí 14 primární vzduch, zatímco sekundární vzduch přichází vzduchovými otvory 16 umístěnými v jedné nebo několika výškových úrovních ve spodní části spalovací jednotky 12. Ke spalování dochází uvnitř spalovací jednotky 12, naplněné materiálem pro vytvoření vířivé vrstvy. Plynné spaliny a spálené tuhé částice opouštějí spalovací jednotku 12 a vstupují do nejméně jednoho cyklonu 18, ve kterém se

-3CZ 289157 B6 tuhé částice odlučují do plynu a padají dolů do utěsněného spodního nástavce 20. Z tohoto utěsněného spodního nástavce 20 se tuhé částice vrací k recyklaci do spalovací jednotky 12. Podle potřeby se mohou některé částice odvádět stranou neznázoměným kuželovitým ventilem do vnějšího výměníku 22 tepla s vířivou vrstvou a zpět do spalovací jednotky 12. Ve výměníku 5 22 tepla s vířivou vrstvou je teplo z vířivých tuhých částic absorbováno ve svazku trubek. Spaliny jsou usměrňovány z cyklonu 18 do konvekčního kanálu 24.

Na obr. 2, 3 a 4 je zobrazeno první příkladné provedení vzduchové tryskové jednotky 30, systému s fluidním ložem podle výhodného provedení vynálezu. Rozumí se, že nosná konstrukce 10 14 pro fluidní lože obsahuje soustavu trubek 32. spojených mezi sebou příslušnými žebry 34.

V trubkách 32 je vedena voda, která se má zahřívat v zařízení pro výrobu páiy, zobrazeném na obr. 1. Jak je patrno z obr. 2, z podlahy nebo nosné konstrukce 14 vystupuje ve svislém směru velký počet tryskových jednotek 30 pro vytvoření vířivého fluidního lože.

Každá trysková jednotka 30 systému s fluidním ložem je tvořena obecně válcovým tělesem 36. které se směrem nahoru přibližně v polovině své délky rozšiřuje do části smírně větším průměrem. Zúžená spodní část válcového tělesa 36 je žádoucí zejména z důvodu omezeného prostoru, který zůstává mezi sousedními trubkami 32. Z tohoto důvodu limituje rozteč trubek 32 maximální možný průměr válcového tělesa 36 na jeho spodní koncové části. Poněkud větší 20 průměr válcového tělesa 36 je zase v jeho horní části výhodnější pro zajištění příznivého proudění vzduchu do jeho čtyř vyfukovacích hlavic 38. Tyto čtyři vyfukovací hlavice 38 jsou válcové a jejich příslušné střední osy leží ve výhodném příkladném provedení podle vynálezu v první a druhé rovině, které jsou na sebe kolmé. Ve výhodném příkladném provedení systému s fluidním ložem podle vynálezu mají jednotlivé vyfukovací hlavice 38 vnitřní průměr přibližně 25 27,9 mm. Válcové těleso má vnitřní průměr ve své spodní části 63,5 mm a vnitřní průměr v horní širší části své délky zejména 76,2 mm.

Střední osy vyfukovacích hlavic 38 jsou všechny výhodně skloněny v úhlu 20° vzhledem k vodorovné rovině. V typickém konstrukčním provedení mají tryskové jednotky 30 celkovou 30 výšku kolem 45,7 mm a rozteč mezi středními osami trubek 32 je 17,6 mm. Odborníkům v tomto oboru techniky je zřejmé, že v jiných konstrukcích topeniště pro vytvoření fluidního lože je možno použít zcela jiných dimenzí, jestliže jsou tyto konstrukce určeny pro jiné technické aplikace. Tělesné vytvoření tryskové jednotky 30 bylo navrženo tak, že umožňuje odlití celé tryskové jednotky 30 do pískové formy v jedné odlévací operaci. Odléváním do pískové formy se 35 vytvoří současně válcové těleso 36, čtyři vyfukovací hlavice 38 a kupolovitá koncová část 40.

Trysková jednotka 30, systému s fluidním ložem podle vynálezu je výhodná také tím, že není citlivá na ucpávání a tím přerušení proudu vzduchu do fluidního lože, protože otvory v příslušných vyfukovacích hlavicích 38 jsou mnohem větší než otvory v dosud známých 40 konstrukcích podobného druhu. Kromě toho systém s fluidním ložem podle vynálezu obsahuje podstatně méně potřebných tryskových jednotek 30 než byl potřebný počet trubek u dosud známých zařízení. Požadavek na menší počet tryskových jednotek 30 než tomu bylo u počtu trubek dosud známých zařízení vyplývá jednak z velikostí otvorů ve vyfukovacích hlavicích 38 a jednak z úhlové orientace vyfukovacích hlavic 38.

Protože tryskové jednotky 30 mohou být vyráběny jednoduchou odlévací operací, je cena jedné takové tryskové jednotky 30 rovna přibližně polovině ceny odpovídajících trubek, používaných u známých zařízení. Další úspory je možno dosáhnout díky větší průtokové kapacitě každé tryskové jednotky 30 v porovnání s dosud známými trubkami. Konkrétně je u návrhu systému s fluidním ložem podle vynálezu dosaženo snížení počtu tryskových jednotek 30 o více než padesát procent oproti počtu trubek používaných u dosud známých zařízení. Kombinovaný účinek vede ke snížení nákladů v porovnání se známými zařízeními o téměř sedmdesát pět procent.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Systém s fluidním ložem, obsahující spalovací jednotku (12), nosnou konstrukci (14) tvořenou skupinou vzájemně rovnoběžných trubek (32), spojených navzájem žebry (34) umístěnými mezi trubkami (32), a skupinu tryskových jednotek (30), probíhajících v podstatě svisle ve vzájemně rovnoběžných polohách, každá z těchto tryskových jednotek (30) obsahuje obecně válcové těleso (36), jehož střední osa je kolmá na nosnou konstrukci (14) a každé z válcových těles (36) obsahuje skupinu hlavic (38), probíhajících v podstatě radiálně z válcového tělesa (36) na jeho koncové části, která je axiálně nejvzdálenější od nosné konstrukce (14), vyznačující se tím, že každé z válcových těles (36) má čtyři hlavice (38), každá z hlavic (38) každého válcového tělesa (36) je stejně vzdálena od sousedních hlavic (38) kolem obvodu každého z válcových těles (36), každá ze čtyř hlavic (38) každého z válcových těles (36) je válcová a má svou střední osu a střední osa každé ze čtyř hlavic (38) každého z válcových těles (36) je skloněna v ostrém úhlu menším než 45°.
2. Systém sfluidním ložem podle nároku 1, vyznačující se tím, že ostrý úhel, ve kterém je střední osa každé ze čtyř hlavic (38) skloněna směrem dolů vzhledem k vodorovné rovině, je roven 20°.