CZ29325U1

CZ29325U1 - System for providing fluidization and oxidation medium in the oxyfuel mode for fluidized bed boiler

Info

Publication number: CZ29325U1
Application number: CZ2015-31688U
Authority: CZ
Inventors: Jan Hrdlička; Pavel Skopec; Lukáš Pilař; Tomáš Dlouhý
Original assignee: ÄŚeskĂ© vysokĂ© uÄŤenĂ technickĂ© v Praze, Fakulta strojnĂ, Ăšstav energetiky
Priority date: 2015-10-26
Filing date: 2015-10-26
Publication date: 2016-04-04

Description

Oblast technikyTechnical field

Technické řešení se týká systému zajištění potřebného množství fluidačního média a zároveň okysličovadla pro kotel na pevná paliva s fluidní vrstvou, který pracuje v režimu oxyfuel, tj. jedná se o spalování paliva s okysličovadlem se zvýšeným obsahem kyslíku převyšujícím koncentraci kyslíku v atmosférickém vzduchu až po technicky čistý kyslík. Oxyfuel je jednou z CCS technologií, tj. technologií pro záchyt CO₂ ze spalovacího procesuThe technical solution concerns the system of providing the necessary amount of fluidizing medium and at the same time the oxidant for the solid fuel boiler with the fluidized bed operating in oxyfuel mode, ie the combustion of fuel with an oxidant with an increased oxygen content in excess of the oxygen concentration in the atmospheric air to technically pure oxygen. Oxyfuel is one of CCS technologies, ie CO ₂ capture technology from the combustion process

Dosavadní stav technikyBackground Art

Kotle na tuhá paliva s fluidní vrstvou nezbytně potřebují pro svůj správný provoz určité množství fluidačního média, které uvádí do vznosu vrstvu částic inertního materiálu, která přechází, po překročení určité prahové mimovrstvové rychlosti proudění tohoto média, do stavu fluidace. Do takto vytvořené fluidní vrstvy se přivádí palivo a probíhá zde spalovací proces. V případě běžného spalování paliva se vzduchem je tímto fluidačním médiem právě vzduch, který tedy zároveň slouží jako okysličovadlo i jako médium pro zajištěni fluidace. Tento vzduch, nazývaný někdy také jako primární vzduch, se do fluidního kotle přivádí pomocí primárního ventilátoru přes tzv. windbox - někdy nazývaný i jako plénum, což je prostor, který slouží k ustálení proudění média před rozdělením na jednotlivé trysky distributoru.Fluidized bed solid fuel boilers necessarily require a certain amount of fluidizing medium to operate correctly, which fluidises a layer of inert material particles which, when a certain threshold layer of flow of this medium is exceeded, is fluidized. The fluidized bed thus formed is fed and the combustion process takes place there. In the case of conventional air-fuel combustion, the fluid is just air, which, at the same time, serves as both the oxidant and the fluidization medium. This air, sometimes also referred to as primary air, is supplied to the fluidized bed boiler via a primary fan via a so-called windbox - sometimes referred to as a plenum, which is a space that serves to stabilize the flow of the medium prior to distribution to the individual nozzles of the distributor.

Proces oxyfuel spalování se od spalování se vzduchem liší především v tom, že oxidační médium obsahuje vyšší koncentraci kyslíku, než atmosférický vzduch. V takovém případě se výrazně mění objem a složení spalin ze spalovacího procesu, kde proti spalováni se vzduchem roste podíl produktů spalování - CO₂, vodní pára, emisní plyny, a klesá obsah dusíku. Spalování s okysličovadlem obohaceným kyslíkem má však negativní důsledek v podobě rostoucí adiabatické teploty plamene. Často je nutné tuto teplotu cíleně snižovat, tento problém se přitom u spalování se vzduchem nevyskytuje. Snižování teploty se řeší užitím masivní recirkulace chladnějších spalin odebíraných za kotlem, jejichž průtok se volí tak, aby se teplota plamene v ohništi, snížila na úroveň umožňující technickou realizovatelnost kotle. Současně pilotní projekty oxyfuel kotlů jsou založeny na spalování plynu nebo práškového uhlí a průtok recirkulovaných spalin odpovídá 2 až 3 násobku spalin vzniklých při spalování s obohaceným okysličovadlem.The oxyfuel combustion process differs from combustion with air mainly in that the oxidizing medium contains a higher oxygen concentration than atmospheric air. In this case, the volume and composition of the flue gas from the combustion process, where the proportion of combustion products - CO ₂ , water vapor, emission gases - increases and the nitrogen content decreases significantly. However, combustion with oxygen-enriched oxidant has a negative effect in the form of increasing adiabatic flame temperature. Often it is necessary to reduce this temperature purposefully, but this problem does not occur with combustion with air. The temperature reduction is solved by using a massive recirculation of the cooler flue gases taken behind the boiler, whose flow rate is selected so that the flame temperature in the hearth is reduced to a level that enables the technical feasibility of the boiler. At the same time, oxyfuel pilot projects are based on gas or pulverized coal combustion and the recirculated flue gas flow corresponds to 2 to 3 times the combustion gas flue gas with an enriched oxidant.

V případě fluidního kotle je navíc nutné stále dodávat potřebné množství fluidačního média, které nezávisí na použitém okysličovadle. Pokud se použije okysličovadlo obohacené kyslíkem, bylo by pro zajištění fluidace dodáváno spolu s ním zbytečně mnoho kyslíku, a to výrazně více, než je potřeba pro samotný spalovací proces, což by bylo neekonomické. V extrémním případě platí, že objem čistého kyslíku potřebný na spálení 1 kg paliva je asi 4-5x nižší, než potřebný objem vzduchu. I v tomto případě se pro dosažení vhodných fluidačních podmínek nabízí užití recirkulace spalin, volba jejich množství a způsob zavedení se však proti popsanému případu plynových a práškových kotlů liší tím, že kromě regulace teploty fluidní vrstvy se recirkulací řídí i proces fluidace. Tomu je třeba přizpůsobit řešení celého systém recirkulace spalin včetně jeho regulace.In addition, in the case of a fluidized bed boiler, the necessary amount of fluidizing medium, which does not depend on the oxidant used, must still be supplied. If an oxygen-enriched oxidizer is used, a lot of oxygen would be supplied with it unnecessarily, to provide fluidization, much more than is needed for the combustion process itself, which would be uneconomical. In extreme cases, the amount of pure oxygen required to burn 1 kg of fuel is about 4-5 times lower than the required air volume. In this case too, the use of flue gas recirculation is used to achieve suitable fluidization conditions, but the choice of flue gas recirculation is different from the above described case of gas and powder boilers in that the fluidization process is controlled by recirculation in addition to the fluidized bed temperature control. The solution of the entire flue gas recirculation system, including its regulation, needs to be adapted to this.

Dále je také u oxyfuel fluidního kotle nutné řešit plynulý a bezproblémový přechod mezi režimy spalování se vzduchem při najíždění na oxyfuel, kde je zejména nezbytné udržet stabilní fluidační poměry a teplotu fluidní vrstvy. Důvodem je skutečnost, že fluidní kotel nelze najíždět přímo v oxyfiiel režimu, ale je nezbytné jeho start realizovat nejdříve ve vzduchovém režimu. Totéž platí i pro odstavování kotle.Further, the fluidized bed oxyfuel requires a smooth and smooth transition between oxyfuel and air combustion modes, where it is particularly necessary to maintain stable fluidization ratios and fluidized bed temperature. This is due to the fact that the fluidized-bed boiler cannot be started directly in the oxyfuel mode, but it is necessary to start it in air mode first. The same is true for shutting down the boiler.

Oxyfuel spalování ve stacionární fluidní vrstvě je novou technologií, která je perspektivní z mnoha důvodů. Nevyžaduje náročnou přípravu paliva před spalováním - palivo se nemusí sušit a jemně mlít) fluidní ohniště se provozuje v přetlakovém režimu, což vylučuje možnost přisávání falešného vzduchu, který jinak výrazně snižuje koncentraci CO₂ ve spalinách a tím omezuje oxyfuel efekt, a lze provádět aditivní odsiřování přímým dávkováním vápence do fluidní vrstvy, což snižuje produkci emisí a zjednodušuje následné čistění spalin, případně separaci CO₂.Oxyfuel combustion in a stationary fluidized bed is a new technology that is perspective for many reasons. It does not require demanding fuel preparation before combustion - the fuel does not need to be dried and finely ground) the fluidized bed is operated in an overpressure mode, which eliminates the possibility of fake air suction, which otherwise significantly reduces the CO ₂ concentration in the flue gas and thus reduces the oxyfuel effect and additive desulphurisation direct dosing of limestone into the fluidized bed, which reduces emissions and simplifies subsequent flue gas cleaning or CO ₂ separation.

-1 CZ 29325 UlCZ 29325 Ul

Podstata technického řešení:The essence of the technical solution:

Výše popsané technické problémy oxyfuel spalování ve stacionární fluidní vrstvě jsou řešeny systémem pro zajištění fluidačního a oxidačního média v režimu oxyfuel pro fluidní kotel, který na vstupu obsahuje primární ventilátor vzduchu a přívod kyslíku a na výstupu ventilátor spalin, propojený s primárním ventilátorem vzduchu, podle tohoto technického řešení. Jeho podstatou je to, že k primárnímu ventilátoru vzduchu je připojena vzduchová regulační armatura s prvkem měření průtoku vzduchu, spalinová regulační armatura s měřícím prvkem průtoku odebíraných spalin a kyslíková regulační armatura s dalším prvkem měření průtoku kyslíku.The above-described oxyfuel combustion problems in stationary fluidized bed are solved by a system for fluidising and oxidizing medium in the oxyfuel mode for a fluidized bed boiler, which includes a primary air blower and an oxygen inlet and an exhaust gas blower connected to the primary air blower. technical solution. The essence of this is that an air regulating fitting with an air flow measurement element, a flue gas control fitting with a flue gas flow element and an oxygen control fitting with another oxygen flow measurement element are connected to the primary air fan.

Spalinová regulační armatura je s výhodou umístěna na větvi odebíraných spalin, která obsahuje zařízení pro odvod kondenzátu a na větvi primární směsi je za primárním ventilátorem vzduchu a přívodem kyslíku umístěno další zařízení pro odvod kondenzátu. Mezi spalinovou regulační armaturou a ventilátorem spalin je ve výhodném provedení umístěn odprašovací prvek. Větev odebíraných spalin a větev primární směsi jsou s výhodou osazeny tepelnou izolací.The flue gas regulating fitting is preferably located on the flue gas branch which comprises a condensate discharge device and a further condensate discharge device is located downstream of the primary air fan and the oxygen supply on the primary mixture branch. In a preferred embodiment, a dedusting element is located between the flue gas control valve and the flue gas fan. The flue gas branch and the primary mixture branch are preferably fitted with thermal insulation.

Technické řešení srovnává disproporce mezi potřebným množstvím fluidačního média, které musí být bezpodmínečně zachováno, a množstvím okysličovadla - čistého kyslíku. Na výstupu z odprašovacího zařízení kotle jsou odebírány ochlazené a odprášené spaliny, které jsou přiváděny do T-kusu potrubí na sání primárního ventilátoru fluidního kotle. Druhým vstupem T-kusu může být nasáván okolní vzduch, a to především při najíždění a odstavování kotle. Oba proudy odebíraných spalin i vzduchu v potrubí obsahují spojitě polohovatelné řízené regulační armatury - klapky, které umožňují řídit poměr mezi množstvím nasávaného vzduchu a odebíranými spalinami při zachování stejného množství média přiváděného do fluidního kotle. Toto množství je řízeno změnou otáček primárního ventilátoru. V případě oxyfuel režimu je armatura v potrubí nasávaného vzduchu částečně či zcela uzavřena a ventilátor nasává přednostně odebírané spaliny. Do systému je v případě oxyfuel režimu nutné přivádět kyslík z externího zdroje. Tento kyslík je zaveden do výtlačného potrubí primárního ventilátoru a je na řádově vyšší tlakové úrovni, než fluidační médium. Přívodní potrubí čistého kyslíku je vybaveno spojitě řízeným regulačním ventilem, který umožňuje přivádět přesně potřebné množství kyslíku. Všechna potrubí vzduchu, odebíraných spalin a kyslíku jsou vybavena prvky měření průtoku, aby bylo možné přesně řídit množství fluidačního média a koncentrace kyslíku v něm tak, aby byla zajištěna plně vyvinutá fluidace v kotli a aby byla dodržena teplota fluidní vrstvy v tolerovaném rozmezí.The technical solution compares the disproportion between the required amount of fluidizing medium, which must be absolutely maintained, and the amount of oxidant - pure oxygen. At the outlet of the boiler dedusting device, cooled and de-dusted flue gas is drawn, which is fed to the T-piece of the duct for suction of the primary fan of the fluidized bed boiler. Ambient air can be sucked in through the second T-piece inlet, especially when the boiler is started and shut down. Both flue gas and air streams in the pipeline contain continuously adjustable control valves - dampers that allow control of the ratio between the intake air volume and the flue gas being removed while maintaining the same amount of fluid supplied to the fluidized bed boiler. This amount is controlled by changing the primary fan speed. In the oxyfuel mode, the fitting in the intake air duct is partially or completely closed, and the fan sucks in the flue gas to be extracted. In the case of oxyfuel mode, the system must be supplied with oxygen from an external source. This oxygen is introduced into the primary fan discharge line and is at an order of magnitude higher pressure than the fluidizing medium. The pure oxygen supply line is equipped with a continuously controlled regulating valve, which allows to supply exactly the required amount of oxygen. All air ducts, flue gas and oxygen are equipped with flow measurement elements to accurately control the amount of fluidizing medium and oxygen concentration therein to ensure full fluidization in the boiler and to maintain the fluidized bed temperature within the tolerance range.

Systém je dále vybaven dalším ventilátorem v potrubí spalin odcházejících z kotle, v místě před odběrem spalin do primárního ventilátoru. Toto řešení je nezbytné proto, aby vzhledem k tlakovým poměrům v potrubním systému, primární ventilátor v oxyfuel režimu nasával pouze spaliny odcházející z kotle a nikoliv vzduch, který by mohl být nasát teoreticky možným zpětným tokem v komíně.The system is also equipped with an additional fan in the flue gas pipe leaving the boiler, in the place before the flue gas is drawn into the primary fan. This solution is necessary in order to take into account the pressure conditions in the piping system, the oxyfuel primary fan only draws in the flue gas leaving the boiler and not the air that could be drawn in theoretically possible return flow in the chimney.

Celá potrubní trasa je tepelně izolována, aby bylo zajištěno, že nedojde k podkročení teploty rosného bodu fluidačního média spojeného s nežádoucí kondenzací vodní páry. V potrubní trase jsou rovněž umístěny uzavíratelné odvody kondenzátu pro případ startu a odstavování kotle, což jsou nestacionární stavy, kdy ke kondenzaci může dojít.The entire pipe line is thermally insulated to ensure that the dew point of the fluidizing medium associated with undesirable water vapor condensation does not fall below. Also sealable condensate drains are installed in the pipeline for the start and shutdown of the boiler, which are non-stationary states where condensation can occur.

Celkově toto řešení zajišťuje bezpečné udržení požadovaných fluidačních poměrů jak při přechodu provozu kotle ze spalování se vzduchem do oxyfuel režimu, tak při provozu v plném oxyfuel režimu. Zajišťuje, že do systému není přisáván žádný nekontrolovaný falešný vzduch a je tak dosahováno požadované koncentrace CO2 v odchozích spalinách.Overall, this solution ensures safe maintenance of the required fluidization conditions both when the boiler operation is switched from combustion to air to oxyfuel mode and when operating in full oxyfuel mode. It ensures that no uncontrolled false air is sucked into the system, thus achieving the required CO2 concentration in the outgoing flue gas.

Navržené řešení je zcela nové, dosud neaplikované. Jeho funkčnost byla ověřena na poloprovozním zařízení. Není známo, že by v podmínkách ČR byl navržen nebo postaven fluidní kotel se stacionární fluidní vrstvou pro technologii oxyfuel.The proposed solution is completely new, not yet applied. Its functionality was verified on pilot plant. It is not known that a fluidized bed boiler with a stationary fluidized bed for oxyfuel technology was designed or built in the Czech Republic.

_ Ί __ Ί _

CZ 29325 UlCZ 29325 Ul

Objasnění výkresuDrawing clarification

Systém pro zajištění fluidačního a oxidačního média v režimu oxyfuel pro fluidní kotel podle tohoto technického řešení bude podrobněji popsán na konkrétním příkladu provedení s pomocí přiloženého výkresu, kde je na Obr. 1 znázorněno schéma příkladného řešení.A system for securing the fluidization and oxidation medium in oxyfuel mode for a fluidized bed boiler according to the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawing, wherein FIG. 1 shows a schematic of an exemplary solution.

Příklad uskutečnění technického řešeníExample of a technical solution

Systém pro zajištění fluidačního a oxidačního média pro fluidní kotel v režimu oxyfuel se sestává z jednotlivých komponent a potrubního systému dle schématu na obr. 1 a je připojen ke kotli s fluidní vrstvou. Hlavním prvkem je primární ventilátor 4, který je umístěn před vstupem do windboxu fluidního kotle. Otáčky primárního ventilátoru 4 jsou řízeny pomocí frekvenčního ío měniče řízení sloužícího k nastavení požadovaného tlaku ve windboxu. Primární ventilátor 4 je opatřen tepelnou izolací. Sání primárního ventilátoru 4 je rozděleno do dvou větví - první je větev sání vzduchu 13, která obsahuje regulační armaturu 12 a prvek 6 pro měření objemového průtoku. Druhou větví sání primárního ventilátoru 4 je přívod spalin, které jsou nasávány z kotle ventilátorem 5 a jsou odprášeny v odprašovacím prvku 11 spalin - cyklon, popř. elektrostatický nebo tkaninový filtr, a které jsou odebírány za výstupem z odprašovacího prvku li spalin. Tyto spaliny jsou vedeny přes regulační armaturu 2, větev rovněž obsahuje měřící prvek 7 průtoku pro měření objemového průtoku. Před vstupem do směšovacího dílu je umístěno uzavíratelné zařízení 9 pro odvod kondenzátu. Celá tato větev je opatřena tepelnou izolací. Přívod kyslíku je umístěn v potrubí na výstupu z primárního ventilátoru 4 a je proveden na řádově vyšší tlakové hladině. Ve větvi přívodu kyslíku je umístěna regulační armatura 3 a další prvek 8 pro měření průtoku kyslíku. Napojení větve přívodu kyslíku do primárního potrubí je provedeno ejektorem. Před vstupem fluidačního média do windboxu je umístěno další zařízení 10 pro odvod kondenzátu. Větev potrubí fluidačního média od primárního ventilátoru k windboxu fluidního kotle je opatřena tepelnou izolací.The system for providing the fluidization and oxidation medium for the oxyfuel fluidized bed boiler consists of individual components and a piping system according to the scheme of FIG. 1 and is connected to the fluidized bed boiler. The main element is the primary fan 4, which is located in front of the entrance to the fluidized bed windbox. The speed of the primary fan 4 is controlled by the frequency controller of the control unit to set the desired pressure in the windbox. The primary fan 4 is provided with thermal insulation. The intake of the primary fan 4 is divided into two branches - the first is the air intake branch 13, which comprises a regulating armature 12 and a volume flow measuring element 6. The second suction branch of the primary fan 4 is the flue gas inlet which is sucked from the boiler by the fan 5 and is dedusted in the flue gas exhausting element 11 - cyclone, respectively. an electrostatic or fabric filter, and which are drawn downstream of the exhaust gas dedusting element 11. These flue gases are routed through the regulating fitting 2, the branch also includes a flow measuring element 7 for measuring the volumetric flow. Before entering the mixing part, there is located a closable condensate discharge device 9. This whole branch is provided with thermal insulation. The oxygen supply is located in the duct at the outlet of the primary fan 4 and is performed at an order of magnitude higher pressure level. A control fitting 3 and a further oxygen flow measurement element 8 are located in the oxygen supply line. The connection of the oxygen supply line to the primary pipe is carried out by an ejector. A further condensate discharge device 10 is placed before the fluid medium enters the windbox. The fluid medium pipe branch from the primary fan to the fluidized bed windbox is provided with thermal insulation.

Průmyslová využitelnostIndustrial usability

Stávající projekty uvažují s aplikací oxyfuel spalování u plynových a práškových kotlů. Systém pro zajištění fluidačního a oxidačního média pro fluidní kotel v režimu oxyfuel podle tohoto technického řešení nalezne úplatném při stavbě nových nebo retrofitech stávajících kotlů s fluidní vrstvou, kde bude aplikována oxyfuel technologie např. pro záchyt CO₂ ze spalin.Existing projects are considering the use of oxyfuel combustion for gas and powder boilers. The oxyfuel fluidized bed fluidization and oxidation system for this fluid solution will be paid for in the construction of new or retrofits of existing fluidized bed boilers, where oxyfuel technology will be applied, eg for CO ₂ capture from flue gas.

Claims

30 PROTECTION REQUIREMENTS

A system for providing a fluidizing and oxidizing medium in an oxyfuel mode for a fluidized bed boiler (1) comprising a primary air fan (4) and an oxygen supply at the inlet and an exhaust gas fan (5) connected at the outlet interconnected by a primary air fan (4) characterized in that an air regulating fitting (12) with an element is connected to the primary air fan (4)

(6) air flow measurement, a flue gas control fitting (2) with a flue gas flow measuring element (7) and an oxygen control fitting (3) with another oxygen flow measuring element (8).

System according to claim 1, characterized in that the flue gas regulating fitting (2) is located on a flue gas branch comprising a condensate discharge device (9) and

In addition to the primary air blower (4) and the oxygen supply, another condensate drainage device (10) is arranged in the primary mixture branch.

System according to claim 1 or 2, characterized in that a dust removal element (11) is arranged between the flue gas control fitting (2) and the flue gas fan (5).

. and.

CZ 29325 Ul

System according to any one of the preceding claims, characterized in that the flue gas line and the primary mixture line are fitted with thermal insulation.