DE10354136A1

DE10354136A1 - Zirkulierender Wirbelschichtreaktor

Info

Publication number: DE10354136A1
Application number: DE10354136A
Authority: DE
Inventors: Joachim Seeber; Maximilian Dr. Stumpf; Serena Danesi; Thoralf Berndt
Original assignee: Alstom Power Boiler GmbH
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2002-11-22
Filing date: 2003-11-19
Publication date: 2004-06-17
Anticipated expiration: 2023-11-20
Also published as: DE10354136B4

Abstract

Zirkulierender Wirbelschichtreaktor, insbesondere zur Verfeuerung von Brennstoffen, DOLLAR A - mit einer Brennkammer (2), die im Wesentlichen allseits durch Umfassungswände (5, 11, 12) begrenzt ist und im Bodenbereich mit wenigstens zwei Trichtern (3) ausgebildet ist, wobei die Umfassungswände (5, 11, 12) aus einer verschweißten und gasdichten Rohr-Steg-Rohr-Kombination gebildet sind und deren Rohre (18) von einem Arbeitsmedium durchströmt sind, DOLLAR A - und mit wenigstens einer in der Brennkammer (2) angeordneten und in das Wirbelbett der Brennkammer (2) eintauchenden Heizfläche (7), wobei die Heizfläche (7) umfangsseitig einen Innenraum (20) umfasst, über ihren Umfang geschlossen ist und einen kastenförmigen Querschnitt mit einer Breite (B) und einer Tiefe (T) bildet und der Innenraum (20) der Heizfläche (7) gegenüber der Brennkammer (2) gasdicht ausgebildet ist und aus einer verschweißten Rohr-Steg-Rohr-Kombination (8, 9) gebildet ist und die Rohre (8) von einem Arbeitsmedium durchströmt sind, wobei die Rohre (8) der Heizfläche (7) sowie die Rohre (18) der Umfassungswände (5, 11, 12) in einem Arbeitsmedium-Kreislauf integriert sind. DOLLAR A - und die Heizfläche (7) sich zwischen Trichtersattel (19) und der gegenüberliegenden Umfassungswand bzw. Decke (12) erstreckt (Fig. 2 und 4).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen zirkulierenden Wirbelschichtreaktor.
Derartige Wirbelschichtreaktoren finden unter anderem in der Energie- bzw. Kraftwerkstechnik Anwendung. Dabei werden im Wirbelschichtbett der Reaktorbrennkammer Kohle oder andere brennbare Stoffe, beispielsweise Abfall oder Biomasse verbrannt. Zur Nutzung der bei der Verbrennung freiwerdenden Wärme und zur Einstellung der Brennkammertemperatur ist der Wirbelschichtreaktor mit einer Vielzahl von Heizflächen ausgebildet, in denen ein Arbeitsmedium erwärmt, verdampft, überhitzt und ggf. zwischenüberhitzt werden kann. Das Arbeitsmedium ist üblicherweise Wasser, Dampf oder ein Wasser-/Dampfgemisch, das im Kreislauf geführt wird und seine durch die Erhitzung gewonnene Energie beispielsweise an eine Dampfturbine mit nachgeschaltetem Generator zur Stromerzeugung abgibt.
Um die Brennkammertemperatur einstellen zu können, sind neben den die Umfassungswände der Reaktorbrennkammer bildenden Heizflächen innerhalb der Brennkammer liegende und externe Heizflächen bekannt. Aus der Druckschrift „Experience with In-furnace surface in CFB boilers", FBC 13^th International Conference on Fluidized Bed Combustion, 1995, ASME sind Schottheizflächen, insbesondere „wing wall panels (vertikale Schottheizflächen)" und „omega panels" (Schottheizflächen gebildet aus Doppel-Omega-Rohren), die innerhalb der Brennkammer angeordnet sind, bekannt geworden.
Aus der Druckschrift DE 36 25 373 A1 sind sowohl Heizflächen innerhalb der Brennkammer als auch extern angeordnete bekannt, wobei letztere in einem Fließbettkühler, der zur Kühlung des zirkulierenden Bettmateriales dient, untergebracht sind. Die in der Brennkammer oder extern angeordneten Heizflächen können als Überhitzer- und Zwischenüberhitzerheizflächen innerhalb des Dampfkreislaufes eingesetzt werden. Bei besonderen konstruktiven Vorkehrungen auch als Verdampferheizfläche. Mit derartigen in der Brennkammer liegenden bzw. externen Heizflächen ausgestattete Wirbelschichtreaktoranlagen werden arbeitsmediumseitig (Wasser-/Dampfkreislauf) üblicherweise im Naturumlauf betrieben, d.h. bei unterkritischen Dampfparametern. Diese liegen entsprechend moderat, z.B. bei 140 bar und 540 °C.
Da der heutige Trend zu großen und größten Wirbelschichtfeuerungsanlagen geht, muß in den meisten Fällen vom Naturumlauf- auf (überkritischen) Zwangdurchlaufbetrieb des Wirbelschichtreaktor-Dampferzeugers mit hohen Dampfparametern (typischerweise 250 bis 300 bar Dampfdruck, 560 bis 620 °C Dampftemperatur) übergegangen werden.
Derartige Zwangdurchlauf-Wirbelschichtfeuerungen (mit überkritischen Dampfparametern) werden zukünftig insbesondere für Anlagen im oberen Größenbereich eingesetzt (z.B. > 300-400 MW_el _ektrisch). Da die Heizfläche der Brennkammer-Umfassungswände unterproportional mit der Anlagengröße wächst, ist es insbesondere bei großen überkritischen Anlagen wichtig, dies durch Installation zusätzlicher Heizflächen (innerhalb bzw. außerhalb der Brennkammer) zu kompensieren, damit zur Einhaltung der Brennkammertemperatur von ca. 850 °C ausreichend Wärmetauscherfläche vorgehalten wird. Nimmt man für die erforderlichen zusätzlichen Heizflächen solche aus dem bekannten Stand der Technik hinzu, so zeigen sich, je nach Art bzw. Einsatzort der Heizfläche, verschiedene Nachteile bzw. Mängel, wie an den nachfolgenden jeweiligen bekannten Heizflächenarten bzw. -orten aufgezeigt wird:
Externe Heizflächen (Fließbettkühler etc.):

– Externe Heizflächen benötigen allgemein höhere Investitionskosten (insbesondere durch erforderliche Fluidisierungsgebläse und Regelorgane), weshalb sie möglichst vermieden bzw. klein gehalten werden sollten.
– Verdampferheizflächen sind im Fließbettkühler konstruktiv aufwendig, weil sie z.B. im Schwarzfallbetrieb (Stromausfall) sicher gekühlt werden müssen. Zudem bereiten die hohen Wärmeübergangskoeffizienten bei nahezu horizontaler Rohrführung und niedrigen Wasser/Dampfmassenstromdichten Schwierigkeiten bei der sicheren Kühlung der Rohre. Vermeiden lässt sich die thermische Überbeanspruchung der Rohre nur durch einen entsprechend hohen Massenstrom pro Rohr (hohe Massenstromdichte). Dies wird konstruktiv durch eine Serienschaltung der Verdampferheizflächen von Umfassungswänden und externen Verdampferheizflächen erreicht, wobei die gleichmäßige Verteilung eines teilverdampften Wasser/Dampfgemisches in der zweiten Verdampferstufe technische Probleme bereitet, die nur durch eine aufwendige Konstruktion (2 Phasen Mischsammler) gelöst werden kann.

Doppel-Omega-Schott-Heizflächen:

– Die Herstellungskosten für die Doppel-Omega-Rohre sind spezifisch hoch, weshalb sie deutlich teuerer sind als eine gleichwirksame Heizfläche aus Membranheizflächen bzw. Schottheizflächen, d.h. einer Rohr-Steg-Rohr-Kombination.
– Für hohe Dampfparameter sind Doppel-Omega-Rohre aufgrund der hohen erforderlichen Wandstärken sowie der hohen Übertemperaturen nicht sehr geeignet.
– Der Übergang auf hohe Dampfparameter hätte den Einsatz von austenitischen Werkstoffen für die Doppel-Omega-Rohre zur Folge. Das Verschweißen von austenitischen Omega-Rohren ist mit heutigen Fertigungsmethoden problematisch.
– Große Brennkammerabmessungen würden erfordern, dass die Omega-Schott-Heizflächen eine sehr weite Spannlänge besitzen (ca. > 10–15m). Dies erhöht die Gefahr, dass die Schott-Heizflächen in Schwingungen geraten können und unzulässig mechanisch beansprucht werden.

Vertikale Schott-Heizflächen (Wings oder Wingwalls):

– Will man auf eine Serienschaltung von Verdampferheizflächen aufgrund der bereits erwähnten Notwendigkeit eines aufwendigen Zweiphasen-Mischsystems verzichten, müssen alle Rohre des Verdampfersystems parallel durchströmt werden. Die für eine ausreichende Kühlung aller Verdampferrohre im Zwangdurchlaufbetrieb notwendigen Massenstromdichten in den Rohren erfordern eine Auslegung mit entsprechend kleinen Rohrdurchmessern und größeren Stegbreiten gegenüber der Berohrung für Naturumlauf-Verdampfersysteme. In Rohr-Steg-Rohr Ausführung verschweißte vertikale Schott-Heizflächen, die aus derart kleinen Rohren bestehen, besitzen nur eine sehr geringe Steifigkeit, so dass sie sich während der Montage sowie unter den zum Teil instationären Betriebsbedingungen in der Brennkammer unzulässig verformen können. Diese Verformungen lassen sich nachträglich nicht bzw. nur mit kostenintensivem Aufwand beheben. Werden die Verformungen nicht beseitigt, kann es zu einer Schädigung der Schott-Heizflächen durch mechanische Beanspruchung bzw. durch Verschleiß aufgrund von Strömungsbehinderung kommen.
– Durch die beidseitige Beheizung bei üblichen Schott-Heizflächen bei gleichzeitig relativ schlechter Kühlung der Rohre von innen ist nur eine relativ kleine Rohrteilung zulässig, damit es an den Stegen bzw. Flossen nicht zu Übertemperaturen und zu erheblichen Temperaturdifferenzen benachbarter Rohre kommt.
– Bei großen überkritischen Anlagen müssen die Zyklone (Partikelabscheider) beidseitig der Brennkammer angebracht werden. Hierdurch entfallen diese Wände für den Einbau von vertikalen Schott-Heizflächen. Die anderen Seitenwände (rechtwinklig zu der Wand mit Zyklonen) eignen sich nicht für den Einbau von vertikalen Schott-Heizflächen, weil hier die Strömungsverhältnisse quer zu den Schott-Heizflächen verlaufen würden, was zu einer erhöhten mechanischen Beanspruchung der Schott-Heizflächen führen würde. Zudem werden durch die Querströmung Erosionen an den Schott-Heizflächen verursacht. Vertikale Schott-Heizflächen, bei denen der Eintritt bzw. der Durchtritt der Heizflächen nicht durch die Brennkammerseitenwände, sondern z.B. durch den Düsenboden erfolgt (Full height panel), werden sehr lang, verstärkt durch die hohe Brennkammerhöhe von großen überkritischen ZWSF-Anlagen (Zirkulierende Wirbelschicht-Feuerungsanlage bzw. -Reaktoranlage). Derart lange vertikale Schott-Heizflächen können besonders leicht in Schwingungen geraten, wenn sie nicht steif genug ausgeführt sind. Letzteres wird aber gerade durch die Notwendigkeit des Einsatzes kleiner Rohrdurchmesser erschwert.
– Bedingt durch die z.T. geringe Steifigkeit der vertikalen Schott-Heizflächen sowie für den Fall, dass die mittlere Schott-Heizflächentemperatur höher ist als die Mitteltemperatur der umgebenden Umfassungswand, ist es erforderlich, dass eine Kompensation der Differenzlängen zwischen Schott-Heizflächen und Umfassungswand vorgesehen wird.

Aus der Druckschrift US 6,470,833 B1 ist ferner ein Verfahren und ein Apparat in einem Wirbelschichtreaktor bekannt geworden. Der Wirbelschichtreaktor weist eine Brennkammer auf, die durch Seitenwände, eine Decke und einen durchgängigen bzw. nicht unterbrochenen Boden gebildet ist und in der ein Wirbelbett angeordnet ist. In der Brennkammer sind Verdampferheizflächen angeordnet, die mindestens zwei vertikale Kammern bilden, wobei die Kammern einen runden oder polygonalen Querschnitt bilden.
Die Kammern erstrecken sich vom Brennkammerboden aus bis zu einer Höhe von mindestens 80% der Höhe der Brennkammer und liegen räumlich entfernt von den Seitenwänden innerhalb der Brennkammer.
Bei diesem Verfahren bzw. dieser Anlage hat sich gezeigt, dass durch die kammerförmigen Einbauten bzw. Verdampferheizflächen die Luftverteilung für die Wirbelschicht am Boden der Brennkammer (Düsenboden) sowie auch die gleichmäßige Verteilung des Feststoffgemisches aus Brennstoff, Kalkstein und Asche über dem Boden erschwert bzw. eingeschränkt wird. Infolgedessen wird die Verbrennung, die Primärentschweflung sowie der Feststofftransport in diesem Bereich behindert. Ferner hat sich gezeigt, dass der untere Bereich der kammerförmigen Verdampferheizflächen wie auch der trichterförmige Seitenwandbereich wegen der hohen Wirbelschicht-Erosion mit einer feuerfesten Schutzausmauerung versehen werden muss. Da die kammerförmigen Verdampferheizflächen sowohl im unteren Bereich als auch im oberen Bereich gleiche Abmessungen besitzen, müssen verhältnismäßig große Bereiche mit Stampfmasse abgedeckt werden. Dies erfordert neben der Bereitstellung einer kostenaufwendigen Schutzauskleidung aufwendige Anpassungen bzw. Anbringen von Verankerungen an die Rohre der kammerförmigen Verdampferheizflächen, um die Schutzauskleidung anbringen zu können.
Aufgabe der Erfindung ist es nun, einen zirkulierenden Wirbelschichtreaktor zu schaffen, bei dem die vorgenannten Nachteile vermieden werden bzw. die nachfolgend genannten Kriterien erfüllt bzw. eingehalten werden.

– Die Berohrung der innerhalb der Brennkammer angeordneten Heizfläche muss so ausgeführt sein, dass eine ausreichende Kühlung von Rohren und Stegen bzw. Flossen im gesamten Lastbetrieb des Wirbelschichtreaktors gewährleistet ist,
– Die innerhalb der Brennkammer angeordnete Heizfläche muss so ausgeführt sein, dass es keine Probleme mit unzulässigen mechanischen Belastungen bzw. Schwingungen gibt,
– Die Fertigung dieser Heizfläche muss mit üblichen Fertigungsverfahren und Materialien möglich sein,
– Beheizungsunterschiede an der innerhalb der Brennkammer angeordneten Heizfläche sollen möglichst kompensiert werden bzw. nicht zu unzulässigen Spannungen zwischen den Einzelrohren sowie zu Spannungen zwischen der Heizfläche insgesamt sowie der Umfassungswand führen,
– Die zusätzliche innerhalb der Brennkammer angeordnete Heizfläche soll möglichst kostengünstig sein,
– Der Bodenbereich der Brennkammer soll für die Luftzuführung des Wirbelschichtbettes sowie zur gleichmäßigen Verteilung des Feststoffgemisches aus Brennstoff, Kalkstein und Asche uneingeschränkt frei sein und das Wirbelbett sich frei bewegen können,
– Die innerhalb der Brennkammer angeordnete Heizfläche soll einfach ausgebildet sein, d.h. die Bereiche, die durch Schutzauskleidungen (Feuerfestauskleidung etc.) gegen Erosion geschützt werden müssen, sollen möglichst gering ausfallen und zusätzliche Ausbiegungen, Verankerungen etc. für das Anbringen von Schutzauskleidungen sollen minimiert werden.

Die vorstehend genannte Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Durch die erfindungsgemäße Lösung wird ein zirkulierender Wirbelschichtreaktor geschaffen, der die nachfolgenden Vorteile aufweist:

– Im Bereich des Brennkammerbodens keine Einbauten, die das Einbringen des Fluidisierungsmediums sowie den Betrieb des Wirbelschichtbettes, insbesondere die freie, gleichmäßige Verteilung des Feststoffgemisches aus Brennstoff, Kalkstein und Asche behindern.
– Die Bereiche, die durch Feuerfestauskleidung geschützt werden müssen und die zugehörige Verankerung der Feuerfestauskleidung auf diesen Rohren kann wurde minimiert.
– Ausbildung der Reaktorbrennkammer mit wesentlich stabileren zusätzlichen Heizflächen gegenüber paneelartigen vertikalen Schott-Heizflächen. Infolge der stabileren Bauweise können kastenförmige Heizflächen auch länger ausgeführt werden.
– Kostengünstiger als Wirbelschichtreaktoren mit extern angeordneten Heizflächen, d.h. außerhalb der Brennkammer angeordnete.
– Unkomplizierte Montage der kastenförmigen Heizfläche, weil die Gefahr der Verformung der Heizflächen bei der Montage aufgrund der stabileren Ausführung vermieden wird.

In vorteilhafter Ausbildung der Erfindung ist der Querschnitt der kastenförmigen Heizfläche rund oder wenigstens 3-eckig ausgeführt, um Anforderungen an Zweckmäßigkeit und Stabilität in hohem Maße zu erfüllen.
Eine besonders zweckmäßige Ausgestaltung kann dann erreicht werden, wenn der Querschnitt der kastenförmigen Heizfläche rechteckig ausgebildet ist, da diese einfach herzustellen ist und eine hohe Steifigkeit erreicht wird.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Breite der kastenförmigen Heizfläche 1 bis 4 Meter sowie die Tiefe 0,1 bis 1,0 Meter beträgt. Mittels dieser Abmessungen können kastenförmige Heizflächen bzw. Kastenschotten innerhalb der Wirbelschichtreaktor-Brennkammer geschaffen werden, die sicherstellen, dass die Brennkammertemperatur sicher im geforderten Temperaturbereich von ca. 700 °C bis 950 °C liegt.
Eine weitere vorteilhafte Ausbildung der Erfindung sieht vor, den Außendurchmesser der Rohre des Kastenschottes mit 20 bis 70 mm auszuführen. Damit wird erreicht, dass in Abhängigkeit der Größe des Kastenschottes ausreichend Rohre mit der passenden Dimensionierung zur sicheren Kühlung der Heizfläche sowie Temperaturregelung der Brennkammer zur Verfügung gestellt werden können.
Um beispielsweise bei Teillastbetrieb des Wirbelschichtreaktors bzw. seines Dampferzeugers eine sichere Kühlung der Kastenschotten zu gewährleisten ist es vorteilhaft, die Rohre der kastenförmigen Heizfläche mit einer beispielsweise schraubenförmigen Innenberippung auszubilden. Durch die Innenberippung können die Rohre des Kastenschottes mit deutlich niedrigeren Massenstromdichten des Arbeitsmediums betrieben und sicher gekühlt werden.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die kastenförmigen Heizflächen innerhalb der Brennkammer im wesentlichen vertikal ausgebildet bzw. angeordnet. Durch diese Maßnahme wird erreicht, dass die Heizflächen durch das ebenfalls vertikal nach oben strömende Rauchgas wesentlich weniger erodiert wird.
Um durchgehende, nicht unterbrochene beheizte Rohre zu erhalten ist es vorteilhaft, die Rohre der kastenförmigen Heizfläche an deren oberen Ende mit den Rohren der Brennkammerdecke und/oder an deren unteren Ende mit den Rohren der Trichter zu verbinden. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die vorgenannten Rohre im wesentlichen gleich lang wie die Rohre der Brennkammerseitenwände. Durch diese Maßnahme können unterschiedliche Druckverluste in den jeweiligen Rohren und Schieflagen im Verdampfungszustand vermieden werden.
Die erfindungsgemäß angeordnete und ausgebildete Wirbelschichtreaktor-Heizfläche kann infolge ihrer stabilen Ausbildung in vorteilhafter Weise in mit höchsten Leistungen betriebenen und mit Zwangdurchlaufdampferzeuger ausgebildeten Wirbelschichtreaktoren zur Brennkammertemperaturregelung angewandt werden. Durch die stabile Ausführung der kastenförmigen Heizfläche und deren Anordnung können auch sehr hohe Brennkammern von Wirbelschichtreaktoren mit diesen noch bestückt werden.
Nachstehend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Zeichnung und der Beschreibung näher erläutert.
Es zeigt:
1 schematisch dargestellt einen Wirbelschichtreaktor im Längsschnitt
2 schematisch dargestellt eine Brennkammer eines Wirbelschichtreaktors mit zwei Brennkammertrichtern („Pant leg") im Längsschnitt,
3 schematisch dargestellt eine Brennkammer eines Wirbelschichtreaktors (mit zwei Brennkammertrichtern) im Querschnitt gemäß Schnitt A-A der 2, Schnitt um 90° gedreht,
4 schematischer Querschnitt einer kastenförmigen Schott-Heizfläche gemäß Detail B der 3.
1 zeigt schematisch dargestellt einen zirkulierenden Wirbelschichtreaktor 1 für die Verbrennung von Kohle oder anderen verbrennbaren Stoffen. Der zu verbrennende Stoff wird entweder gemeinsam mit einem Inertmaterial oder separat durch die Zuführungsleitung 16 in die Wirbelschichtbrennkammer 2 des Reaktors 1 eingetragen. Zum Aufbau des Wirbelschichtbettes und zur Verbrennung des eingebrachten Stoffes innerhalb der Brennkammer 2 wird ein Fluidisierungsgas durch die Zuführungsleitung 15 der Wirbelschichtbrennkammer 2 zugeführt. Das Fluidisierungsgas ist in der Regel Luft und wird somit für die Verbrennung als Oxidationsmittel benutzt. Das bei der Verbrennung entstehende Abgas bzw. Rauchgas und die vom Abgas mitgetragenen Feststoffe (Inertmaterial, Aschepartikel und Unverbranntes) werden über die Öffnung 6 aus der Brennkammer 2 abgeführt und einem Abscheider, in der Regel einem Fliehkraftabscheider bzw. Zyklonabscheider 13 zugeführt. Im Abscheider 13 werden die Feststoffe vom Abgas weitgehendst abgetrennt und über die Rückführleitung 14 wieder der Brennkammer 2 zugeführt. Das Abgas kann über die Abgasleitung 17 einer weiteren Reinigung bzw. energetischen Nutzung der Abgaswärme zugeführt werden. Der Querschnitt der Brennkammer 2 ist vorteilhaft rechteckig ausgebildet. Er kann jedoch auch rund sein oder eine andere Form aufweisen.
Die 2 und 3 zeigen im Längs- sowie im Querschnitt die rechteckig ausgebildete und im wesentlichen vertikal angeordnete Brennkammer 2 eines Wirbelschichtreaktors 1. Die Brennkammer 2 ist seitlich durch Umfassungswände 5, oben durch eine Brennkammerdecke 12 und unten durch einen Brennkammerboden 1 1, der in der Regel als Düsenboden ausgebildet ist, begrenzt. 2 zeigt eine bevorzugte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung, die eine Brennkammer 2 mit zwei Trichtern 3 aufweist und eine sogenannte „pant leg" Ausführung darstellt. Auch Brennkammern 2 mit drei oder mehr Trichter 3 sind möglich. Eine Sonderform wäre eine runde Brennkammer 2 mit einem kreisringförmigen Trichter 3 (nicht dargestellt) und einem zentrischen kegelförmigen Trichtersattel 19. Die Brennkammerumfassungswände 5 sowie die Brennkammerdecke 12 und der Brennkammerboden 11 sind als arbeitsmediumdurchströmte Heizflächen ausgebildet, wobei diese Heizflächen aus gasdichten Membranwänden gebildet sind. Derartige Membranwände können durch gasdichtes Verschweißen einer Rohr-Steg-Rohr-Kombination zusammengesetzt werden. In der Regel umfasst die Rohr-Steg-Rohr-Kombination Rohre 18, die am Außenumfang glatt sind und die jeweils mit separaten Stegen verbunden sind. Möglich sind jedoch auch Flossenrohre 18, deren Außenwand bereits mit Stegen ausgebildet sind und die miteinander verbunden werden.
Zur energetischen Nutzung der in der Brennkammer 2 bei der Verbrennung frei werdenden Wärme und zur Einstellung der Brennkammertemperatur sind neben den Brennkammerumfassungswänden 5, 11, 12 ferner die zusätzlichen Heizflächen 7 in der Brennkammer 2 angeordnet.
Die Heizfläche 7 des erfindungsgemäßen Wirbelschichtreaktors 1 umfasst umfangseitig einen Innenraum 20 und ist, wie in 4 dargestellt, kastenförmig ausgebildet, weshalb die Heizfläche 7 in der weiteren Beschreibung auch als kastenförmige Heizfläche oder als Kastenschotten) 7 bezeichnet wird. Die 4 zeigt dabei eine vorteilhafte Ausbildung der kastenförmigen Heizfläche 7 mit rechteckigem Querschnitt auf. Das Kastenschott 7 gemäß der 4 weist vier Seitenwände aus verschweißten Membranrohrwänden auf, die an den Ecken zusammengeschweißt sind, wobei die Membranrohrwände aus Rohren 8 und Stegen 9 gebildet wird. Es ergibt sich somit ein Kasten in gasdicht verschweißter Rohr-Steg-Rohr-Ausführung bzw. -Kombination. Anstelle der in 4 querschnittseitig aufgezeigten rechteckigen Ausführung des Kastenschottes 7 kann dieser auch mit einem anderen Querschnitt ausgebildet sein, z. B n-eckig, rund, oval etc. D. h. in diesem Fall hat der durch die kastenförmige Heizfläche 7 umfasste Innenraum 20 einen n-eckigen bzw. runden bzw. ovalen Querschnitt.
Wie aus der 2 entnehmbar, erstreckt sich die oben beschriebene kastenförmige Heizfläche 7 erfindungsgemäß zwischen dem Trichtersattel 19, der zwischen den zwei Trichtern 3 gebildet wird, und der senkrecht gegenüber liegenden Umfassungswand 12 der Brennkammer 2, die gleichzeitig die Decke der Brennkammer 2 darstellt. Ist die Brennkammer 2 mit mehr als zwei Trichtern 3 ausgebildet, so kann auf jedem der dadurch gebildeten Trichtersättel 19 ein oder mehrere Heizflächen 7 angeordnet werden. Diese Anordnung erweist sich insofern als sehr vorteilhaft, da zum einen der Boden 11 der Brennkammer 2 keine störenden Einbauten aufweist und die Fluidisierungsluft ungestört eintreten sowie das Wirbelschichtbett ungehindert betrieben werden kann. Zum anderen müssen in dem sehr stark erosiven Bereich der Brennkammer 2, nämlich im Trichterbereich 3, nur die Rohre 18 der Trichter 3 mit Feuerfestauskleidung 4 versehen werden und die Rohre 8 der Heizfläche 7 können ungeschützt bleiben. Dieser Umstand erspart erhebliche Fertigungskosten an den Rohren 8, da sie unter anderem nicht ausgebogen werden müssen sowie die Material- und Montagekosten einer Feuerfestauskleidung an diesen Rohren 8 entfällt bzw. stark reduziert wird.
In einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung ist das Rohr 8 der Heizfläche 7 unmittelbar mit dem Rohr 18 des Trichters 3 und/oder dem Rohr 18 der Decke 12 verbunden, d.h. das vereinte Rohr erstreckt sich vom Boden 11 bis zur Decke 12 der Brennkammer 2 bzw. es bildet die Decke 12 gleich mit. Dabei wird angestrebt, jedes Rohr im wesentlichen gleich lang auszubilden, um dadurch unterschiedliche Druckverluste in den Rohren zu vermeiden. Alternativ ist es auch möglich, die Rohre 8 der Heizfläche 7 mit den Rohren 18 des Bodens 11 bzw. der Decke 12 über nicht dargestellte Sammler zu verbinden.
Innen bzw. im Innenraum 20 der Kastenschotten 7 sind diese vorteilhaft durch Aussteifungen 10, z. B. durch Kammbleche, innenliegende Bandagen bzw. sonstige Einbauten versteift, wodurch die Längs- und Quersteifigkeit gravierend erhöht wird. Hierdurch lassen sich sehr steife Kastenschotten 7 mit sehr kleinen Rohrabmessungen herstellen.
Die Kastenschotten 7, die sich über eine Länge L und über ihren Querschnitt über eine Breite B und eine Tiefe T erstrecken, besitzen vorteilhafterweise Abmessungen von ca. 1,0 bis 4,0 m über die Breite B, ca. 0,1 bis 1,0 m über die Tiefe T und ca. 20 m bis 50 m über die Länge L. Damit wird es ermöglicht, die Brennkammertemperatur auch größter Anlagen zu regeln.
Dampf- bzw. arbeitsmediumseitig werden die Kastenschotten 7 üblicherweise durch ein Wasser/Dampf Gemisch gekühlt und diese somit als Verdampferheizfläche innerhalb des Arbeitsmediumkreislaufes eingesetzt. Grundsätzlich ist aber auch die Kühlung mit Speisewasser (Economizerwasser), überhitztem Dampf bzw. zwischenüberhitztem Dampf möglich. In diesem Fall ist die kastenförmige Heizfläche 7 als Economizer bzw. Überhitzer bzw. Zwischenüberhitzer innerhalb des Arbeitsmediumkreislaufes des Reaktordampferzeugers eingesetzt.
Die für die Kastenschotten 7 eingesetzten Rohre 8 besitzen in vorteilhafter Ausbildung Außendurchmesser zwischen 20 mm und 70 mm. Durch den Einsatz kleiner Rohrdurchmesser und der daraus resultierenden hohen Massenstromdichte in den Rohren 8 wird über den gesamten Lastbereich des Wirbelschichtreaktors 1 eine ausreichende Kühlung der Kastenschotten-Rohrwand bzw. der Rohre 8 und Stege 9 gewährleistet.
Die Berohrung der Kastenschotten 7 erfolgt in der Regel mit Glattrohren, d.h. dass die Innenfläche des Rohres 8 glatt ausgebildet ist. Die Berohrung der Kastenschotten 7 kann vorteilhafterweise mit innen berippten Rohren 8 erfolgen, wobei durch die Innenberippung die Kühlung der Rohrinnenwand vor allem bei Zweiphasenströmung, d.h. bei einem Wasser-/Dampfgemisch zusätzlich verbessert wird. Als Innenberippung sind aus dem Stand der Technik verschiedene Ausführungen bekannt. In der Regel verläuft die Innenberippung schraubenförmig innerhalb des Rohres. Die Rohre 8 der kastenförmigen Heizfläche 7 sind wie bereits weiter oben angeführt jeweils mit einem Steg 9 zu einer Rohr-Steg-Rohr-Kombination gasdicht verschweißt. Anstelle der üblichen Rohr-Steg-Rohr Verbindung ist es auch möglich, Flossenrohre gasdicht miteinander zu verschweißen. Flossenrohre haben bereits werkseitig an zwei gegenüberliegenden Stellen vorstehende Stege bzw. Flossen.
Die Fertigung der Kastenschotten 7 ist mit im Kesselbau üblichen Materialien und Fertigungsverfahren möglich.
Durch die Steifigkeit der Kastenschotten 7 werden zudem die Auswirkungen von Temperaturunterschieden zwischen den einzelnen Rohren 8 des Kastenprofils gemindert, so dass es zu keinen nennenswerten temperaturbedingten Verformungen des Kastenschottes 7 kommt.
Dadurch, dass die Kastenschotten 7 so stabil sind und zudem eine Mitteltemperatur besitzen, die der der Umfassungswände 5, 11, 12 nahezu entspricht (da sie wie die Umfassungswand 5, 11, 12 ebenfalls nur einseitig beheizt werden), ist es möglich, dass die Kastenschotten 7 am unteren Ende, d. h. im Bereich des Trichtersattels 19 und am oberen Ende bzw. am Durchtritt durch die Brennkammerdecke 12 mit der Umfassungswand 11, 12 fest verschweißt werden. Eine aufwändige Kompensation kann damit entfallen.
Die Steifigkeit der Kastenschotten 7 sowie die Tatsache, dass Sie mit den Umfassungswänden 11, 12 verbunden werden können, erlaubt, dass sie auch eine tragende Funktion zur Lastübertragung von Brennkammerbauteilen, wie beispielsweise dem innenliegenden Trichter 3 (Pant-Leg) übernehmen können.
Mittels der von der Anzahl her variierbaren Kastenschotten 7 – und abhängig davon die variierbare Fläche der einseitig beheizten Heizfläche des Kastenschottes 7 – und in Abhängigkeit der zulässigen Wärmestromdichten innerhalb der Brennkammer 2 wird es in einfacher Weise ermöglicht, eine effiziente Brennkammerauslegung zu erzielen. Folge davon sind beispielsweise deutlich niedrigere Brennkammerhöhen im Vergleich zu Anlagen mit herkömmlichen Heizflächen.
Die oben angeführten Heizflächen der Brennkammerumfassungswände 5, 11, 12 bzw. deren Rohre 18 sowie des/der Kastenschottes) 7 bzw. dessen/deren Rohre 8 sind miteinander kommunizierende, d. h. verbundene Bestandteile des Wirbelschichtreaktor-Dampferzeugers, in dem ein Arbeitsmedium, in der Regel Wasser bzw. Dampf bzw. ein Wasser-/Dampfgemisch im Kreislauf geführt wird und das Arbeitsmedium seine durch die Erwärmung gewonnene Energie über eine Dampfturbine an einen Generator weitergibt. Üblicherweise bzw. bei kleineren und mittleren Wirbelschichtreaktorgrößen wird dessen Dampferzeuger im Naturumlauf betrieben. Für die Erzielung von hohen und höchsten Dampfleistungen kann der Dampferzeuger im Zwangdurchlauf, ggf. im überkritischen Zwangdurchlauf betrieben werden. Dies erfordert die für Zwangdurchlaufbetrieb bekannten Ausführungen und Schaltungen sämtlicher Heizflächen im Dampferzeuger.
Durch die besonders stabile Ausbildung des erfindungsgemäßen Kastenschottes 7 kann insbesondere ein mit höchster Leistung betriebener und mit einem Zwangdurchlaufdampferzeuger ausgebildeter Wirbelschichtreaktor 1 vorteilhaft mit einem bzw. mehreren erfindungsgemäß angeordneten Kastenschotten) 7 zur Brennkammertemperaturregelung ausgebildet sein. Durch die stabile Ausführung der kastenförmigen Heizfläche 7 können auch sehr hohe Brennkammern 2 von Wirbelschichtreaktoren 1 mit diesen noch bestückt werden.

1: Zirkulierender Wirbelschichtreaktor
2: Brennkammer
3: Trichter zweifach („Pant leg")
4: Feuerfestauskleidung
5: Brennkammerumfassungswände
6: Öffnung (Austritt) zum Fliehkraftabscheider bzw. Zyklon
7: Heizfläche, kastenförmig bzw. Kastenschott
8: Rohr
9: Steg
10: Aussteifung
11: Brennkammerboden
12: Brennkammerdecke
13: Fliehkraftabscheider
14: Rückführleitung
15: Zufuhr Fluidisierungsgas
16: Zufuhr Brennstoff
17: Abgasleitung
18: Rohr der Brennkammerumfassungswände, Brennkammerdecke, Brennkammer
: boden
19: Trichtersattel
20: Innenraum

Claims

Zirkulierender Wirbelschichtreaktor, insbesondere zur Verfeuerung von Brennstoffen, – mit einer Brennkammer (2), die im wesentlichen allseits durch Umfassungswände (5, 11, 12) begrenzt ist und im Bodenbereich mit wenigstens zwei Trichtern (3) ausgebildet ist, wobei die Umfassungswände (5, 11, 12) aus einer verschweißten und gasdichten Rohr-Steg-Rohr – Kombination gebildet sind und deren Rohre (18) von einem Arbeitsmedium durchströmt sind, – und mit wenigstens einer in der Brennkammer (2) angeordneten und in das Wirbelbett der Brennkammer (2) eintauchenden Heizfläche (7), wobei die Heizfläche (7) umfangseitig einen Innenraum (20) umfasst, über ihren Umfang geschlossen ist und einen kastenförmigen Querschnitt mit einer Breite (B) und einer Tiefe (T) bildet und der Innenraum (20) der Heizfläche (7) gegenüber der Brennkammer (2) gasdicht ausgebildet ist und aus einer verschweißten Rohr-Steg-Rohr – Kombination (8, 9) gebildet ist und die Rohre (8) von einem Arbeitsmedium durchströmt sind, wobei die Rohre (8) der Heizfläche (7) sowie die Rohre (18) der Umfassungswände (5, 11, 12) in einem Arbeitsmedium-Kreislauf integriert sind, – und die Heizfläche (7) sich zwischen Trichtersattel (19) und der gegenüberliegenden Umfassungswand bzw. Decke (12) erstreckt.
Zirkulierender Wirbelschichtreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre (18) des Trichters (3) mit den Rohren (18) der Decke (12) durch Rohre (8) der Heizfläche (7) verbunden sind die kastenförmige Heizfläche (7) innerhalb der Brennkammer (2) im wesentlichen vertikal angeordnet ist.
Zirkulierender Wirbelschichtreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der kastenförmigen Heizfläche (7) rund oder wenigstens 3-eckig ausgebildet ist.
Zirkulierender Wirbelschichtreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der kastenförmigen Heizfläche (7) rechteckig ausgebildet ist.
Zirkulierender Wirbelschichtreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite (B) der kastenförmigen Heizfläche (7) 1 bis 4 Meter beträgt.
Zirkulierender Wirbelschichtreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe (T) der kastenförmigen Heizfläche (7) 0,1 bis 1,0 Meter beträgt.
Zirkulierender Wirbelschichtreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre (8) der kastenförmigen Heizfläche (7) mit einem Außendurchmesser von 20 bis 70 mm ausgebildet sind.
Zirkulierender Wirbelschichtreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenwand der Rohre (8) der kastenförmigen Heizfläche (7) eine schraubenförmige Berippung aufweist.
Zirkulierender Wirbelschichtreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre (8) der kastenförmigen Heizfläche (7) an deren oberen Ende mit den Rohren (18) der Brennkammerdecke (12) verbunden sind.
Zirkulierender Wirbelschichtreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre (8) der kastenförmigen Heizfläche (7) an deren unteren Ende mit den Rohren (18) des Trichters (3) verbunden sind.
Zirkulierender Wirbelschichtreaktor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die über den Trichter (3), die Heizfläche (7) und die Decke (12) sich erstreckenden Rohre (8, 18) und die Rohre (18) der Brennkammerumfassungswände (5) im wesentlichen gleich lang sind.
Zirkulierender Wirbelschichtreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die von einem Arbeitsmedium in einem Arbeitskreislauf durchströmten Rohre (8, 18) der Brennkammerumfassungswände (5, 11, 12) und der kastenförmigen Heizfläche (7) miteinander kommunizierende Komponenten eines Zwangdurchlaufdampferzeugers sind.