DE112022002364T5

DE112022002364T5 - Temperatursteuerung bei druckwirbelschichtverbrennung mit sauerstoff durch gestufte gaseinspritzung und gasgeschwindigkeitssteuerung

Info

Publication number: DE112022002364T5
Application number: DE112022002364.3T
Authority: DE
Inventors: William W. Follett, IV; Douglas M. HEIM
Original assignee: Gas Technology Institute
Current assignee: GTI Energy
Priority date: 2021-05-03
Filing date: 2022-05-03
Publication date: 2024-04-04
Also published as: CA3217353A1; KR20240004868A; US20220349571A1; WO2022235630A1; AU2022269576A1

Abstract

Eine Druckwirbelschichtverbrennung (PFBC) und ein Betriebsverfahren. Ein erwärmtes Verdünnungsmittel wird allein oder in Kombination mit Anpassungen an eine Brennkammergasgeschwindigkeit verwendet, um die Betttemperatur zu steuern und sie innerhalb zulässiger Bereiche zu halten. Das Verdünnungsmittel kann aus dem Rauchgas der Brennkammer genommen und durch das Fließbett rezirkuliert und erwärmt werden.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG
Diese Anmeldung beansprucht den Schutz der vorläufigen US-Anmeldung Seriennummer 63/183,261 , die am 3. Mai 2021 eingereicht wurde. Die gleichzeitig angemeldete vorläufige Patentanmeldung ist in ihrer Gesamtheit hierin integriert und wird ein Teil der vorliegenden Anmeldung, insbesondere jene Teile, die speziell nachfolgend erscheinen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Diese Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Temperatursteuerung und/oder Temperaturmodulation in einer Druckwirbelschichtverbrennung (PFBC), wie beispielsweise einer Druckwirbelschichtverbrennung mit Sauerstoff (Oxy-PFBC).
Ein primäres Ziel der Oxy-PFBC-Konstruktion besteht darin, eine kompakte Brennkammer zu schaffen, um Kapitalkosten und damit die Stromkosten zu reduzieren. Folglich ist der Wärmetauscher im Fließbett dichter gepackt als bei früheren Druckwirbelschichtverbrennern, wie beispielsweise den Grimethorpe- und Leatherhead-Verbrennern.
Wenn die Wärmetauscherrohre dichter gepackt sind, tendieren sie dazu, die Wirbelschichtrezirkulation und/oder die Verteilung von Wärmeenergie durch die Bettpartikel entlang der vertikalen Achse der Brennkammer zu hemmen. Diese Konstruktion weist meistens höhere Betttemperaturgradienten auf, die Probleme bei der Fähigkeit der Brennkammer, innerhalb der Betriebstemperaturgrenzen zu bleiben, verursachen können.
Die Temperaturgrenzen innerhalb der Druckwirbelschichtverbrennung mit Sauerstoff (Oxy-PFBC) sind am unteren Ende durch Mindesttemperaturen begrenzt, die erforderlich sind, um eine gute Verbrennung des festen Brennstoffes (wie beispielsweise Kohle, Petrolkoks, Biomasse etc.) zu erreichen, und am oberen Ende vor Einsetzen der Agglomeration infolge des Schmelzens der Asche oder Beschädigung der Brennkammer-Hardware durch Maximaltemperaturen begrenzt. Außerdem gibt es für eine optimale Schwefelabscheidung obere und untere Temperaturgrenzen. Das Fließbett in der Brennkammer muss innerhalb dieser Temperaturbereiche arbeiten, während gleichzeitig die Marge für einen robusten Betrieb aufrechterhalten wird.
Es besteht ein anhaltender Bedarf für verbesserte Druckwirbelschichtverbrennungen (PFBCs).
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf die Verbesserung der Steuerung von maximalen und minimalen Temperaturspitzen in einer Druckwirbelschichtverbrennung (PFBC), wie beispielsweise in einer Druckwirbelschichtverbrennung mit Sauerstoff (Oxy-PFBC), und sie ermöglicht die Reduzierung oder Eliminierung dieser Spitzen. Zusammen mit dem Oxidationsmittel wird ein Verdünnungsmittel verwendet und bei Erhitzung liefert es eine verfeinerte Temperatur- und Massenstromsteuerung, ohne dass signifikante Änderungen an der bestehenden Vorrichtung erforderlich sind.
Die Erfindung umfasst oder liefert eine Modifikation der Druckwirbelschichtverbrennung mit Sauerstoff (Oxy-PFBC), um die Fähigkeit zu verbessern, die Betttemperatur zu steuern und sie innerhalb zulässiger Bereiche zu halten. Die Druckwirbelschichtverbrennung mit Sauerstoff (Oxy-PFBC) dieser Erfindung ist eine Brennkammer, die verwendet wird, um Wärme zur Energieerzeugung zu erzeugen, welche einen festen Brennstoff (Kohle, Petrolkoks, Biomasse etc.) und mit Rauchgas verdünntes O₂ als Oxidationsmittel verwendet. Die Druckwirbelschichtverbrennung mit Sauerstoff (Oxy-PFBC) dieser Erfindung verwendet vorzugsweise eine gestufte Brennstoff- und Oxidationsmitteleinspritzung, um den Brennstoff und das Oxidationsmittel an mehreren vertikalen Stellen in der Brennkammer bereitzustellen.
Ausführungsformen dieser Erfindung verwenden ein nicht oxidierendes Verdünnungsmittel, um die Temperatur und/oder den Gasstrom in dem Fließbett anzupassen. Bei dem Verdünnungsmittel handelt es sich vorzugsweise um rezirkuliertes Rauchgas (einen CO₂ -Strom) aus der Brennkammer selbst. Das Verdünnungsmittel kann wenigstens teilweise erwärmt sein, indem es während des Rezirkulationsprozesses das Fließbett passiert. Durch Variieren der Mengen an Verdünnungsmittel, die das Fließbett passieren, vs. umgehen, kann das Fließbett verwendet werden, um die Temperatur des rezirkulierten Verdünnungsmittels anzupassen. Ein Ventilsystem steuert den rezirkulierten Verdünnungsmittelfluss zurück zu dem Oxidationsmitteleinlass/-Injektoren, wie beispielsweise durch das und/oder unter Umgehung des Fließbettes.
Die allgemeine Aufgabe der Erfindung kann wenigstens teilweise durch ein Verfahren erfüllt werden, bei dem eine Druckwirbelschichtverbrennung (PFBC) vorzugsweise mit einem mehrstufigen Wärmetauscher betrieben wird. Das Verfahren umfasst das Anpassen einer Menge und Temperatur eines Verdünnungsmittels (beispielsweise rezirkuliertes Rauchgas), das mit einem Oxidationsmittel in die Druckwirbelschichtverbrennung (PFBC) eingespritzt wird, und/oder das Anpassen der Geschwindigkeit des Brennkammergases. Das Anpassen der Menge und der Temperatur des eingespritzten Verdünnungsmittels wird mit einer mehrstufigen Verdünnungsmitteleinspritzung erreicht. Das Anpassen der Geschwindigkeit des Brennkammergases kann durch Anpassen einer Brennstoffdurchflussgeschwindigkeit und einer Gasdurchflussgeschwindigkeit (des Verdünnungsmittels und des Oxidationsmittels) in der Brennkammer erreicht werden, wobei die Gasdurchflussrate proportional zu der Brennstoffdurchflussrate erhöht wird. Das Anpassen des Verdünnungsmittels und der internen Brennkammergasgeschwindigkeit kann unabhängig voneinander gesteuert werden und allein oder zusammen verwendet werden, um Anpassungen innerhalb des Brennkammersystems vorzunehmen.
In der Ausführungsform der Erfindung umfasst das Verfahren das Einspritzen einer ersten Verdünnungsmitteleinspritzung vor einem ersten Wärmetauscher und das Einspritzen einer zweiten Verdünnungsmitteleinspritzung nach dem ersten Wärmetauscher, wie beispielsweise in jedem Bereich der Oxidationsmittel-/Brennstoffeinspritzung.
Das Verdünnungsmittel wird von der Druckwirbelschichtverbrennung (PFBC) vorzugsweise vor der Einspritzung erwärmt. Das ist besonders da der Fall, wo das Rauchgas nach der Brennkammer gekühlt werden muss, um die anfängliche Sammlung und Rezirkulation zu ermöglichen. In Ausführungsformen der Erfindung umfasst die Verdünnungsmittels-Rezirkulationsleitung eine Zweigerweiterung, die durch das Fließbett als Wärmetauscher hindurchführt. Das durch das Bett hindurchführende Verdünnungsmittel kann mit einer Verdünnungsmittelleitung gemischt werden, die das Bett umgeht. Bypassventile können die Menge an Verdünnungsmittel, die um das Fließbett herum und durch das Fließbett hindurchgeführt wird, steuern und anpassen, und somit die Menge und/oder Temperatur des Verdünnungsmittels, das mit dem Oxidationsmittel in die Druckwirbelschichtverbrennung (PFBC) eingespritzt wird, steuern.
In Ausführungsformen dieser Erfindung umfasst das Verfahren die Erhöhung der Brennkammergasgeschwindigkeit, um die Brennkammerheizleistung zu erhöhen, und das Einspritzen des erwärmten Verdünnungsmittels in wenigstens eine zweite Stufe der mehrstufigen Brennkammer, um die Temperaturgleichmäßigkeit in einer ersten Stufe vor der zweiten Stufe zu verbessern.
In Ausführungsformen dieser Erfindung umfasst das Anpassen der Menge und der Temperatur des eingespritzten Verdünnungsmittels das Kühlen eines rezirkulierten Rauchgases aus der Druckwirbelschichtverbrennung (PFBC), das Einspritzen des rezirkulierten Rauchgases als Verdünnungsmittel in einem Brennstoffeinspritzungsbereich der Druckwirbelschichtverbrennung (PFBC) und vorzugsweise das Erwärmen des rezirkulierten Rauchgases mit der Druckwirbelschichtverbrennung (PFBC) vor der Einspritzung.
Die Verdünnungsmittelleitung/Leitung mit rezirkuliertem Rauchgas umfasst wünschenswerterweise eine erste Leitung durch die Druckwirbelschichtverbrennung (PFBC), eine zweite Leitung, die die Druckwirbelschichtverbrennung (PFBC) umgeht, und ein Bypassventil, das das Verdünnungsmittel/rezirkulierte Rauchgas zwischen der ersten Leitung und der zweiten Leitung alterniert und/oder anpasst, um die Menge und/oder die Temperatur des Verdünnungsmittels/rezirkulierten Rauchgases, das mit dem Oxidationsmittel in die PFBC eingespritzt wird, anzupassen.
Die Erfindung umfasst weiterhin eine Druckwirbelschichtverbrennung (PFBC) einschließlich eines verstellbaren Verdünnungsmittel-Einspritzsystems. Das verstellbare Verdünnungsmittel-Einspritzsystem umfasst wünschenswerterweise eine erste Verdünnungsmittel-Einspritzöffnung in einem Brennstoff-/Oxidationsmittel-Einspritzbereich vor einem ersten Wärmetauscher, und eine zweite Verdünnungsmittel-Einspritzöffnung in einem zweiten Brennstoff-/Oxidationsmittel-Einspritzbereich vor einem zweiten Wärmetauscher und nach dem ersten Wärmetauscher. Erneut ist das Verdünnungsmittel wünschenswerterweise rezirkuliertes Rauchgas aus der Druckwirbelschichtverbrennung (PFBC).
Das verstellbare Verdünnungsmittel-Einspritzsystem von Ausführungsformen dieser Erfindung umfasst eine Verdünnungsmittelleitung einschließlich einer ersten Leitung durch die Druckwirbelschichtverbrennung (PFBC), einer zweiten Leitung, die die Druckwirbelschichtverbrennung (PFBC) umgeht, und wenigstens einem Bypassventil, das ein Verdünnungsmittel zwischen der ersten Leitung und der zweiten Leitung anpasst, um die Menge und/oder die Temperatur des Verdünnungsmittels einzustellen, das mit einem Oxidationsmittel in das Druckwirbelschichtverbrennung (PFBC) eingespritzt wird.
Die Druckwirbelschichtverbrennung (PFBC) kann ein Brennkammergehäuse umfassen, das ein granulares, festes Substrat enthält; einen ersten Einspritzbereich einschließlich eines ersten Brennstoffinjektors für einen Brennstoff und eines ersten Oxidationsmittel-Injektors für ein Oxidationsmittel und ein Verdünnungsmittel; einen ersten Wärmetauscher nach dem ersten Einspritzbereich; einen zweiten Einspritzbereich nach dem ersten Wärmetauscher und einschließlich eines zweiten Brennstoff-Injektors für den Brennstoff und eines zweiten Oxidationsmittel-Injektors für das Oxidationsmittel und das Verdünnungsmittel; und eines zweiten Wärmetauschers nach dem zweiten Einspritzbereich aufweist. Wünschenswerterweise umfasst wenigstens einer der ersten Einspritzbereiche und der zweite Einspritzbereich eine Verdünnungsmittelleitung mit einer ersten Leitung durch die Druckwirbelschichtverbrennung (PFBC), eine zweite Leitung, die die Druckwirbelschichtverbrennung (PFBC) umgeht, und wenigstens ein Bypassventil, das zwischen der ersten und zweiten Leitung angeschlossen ist und konfiguriert ist, um das Verdünnungsmittel zwischen der ersten Leitung und der zweiten Leitung einzustellen, um eine Menge und/oder die Temperatur des Verdünnungsmittels an dem ersten und/oder zweiten Oxidationsmittel-Injektor einzustellen.
In Ausführungsformen dieser Erfindung umfasst jeder des ersten Einspritzbereichs und des zweiten Einspritzbereichs einen Abschnitt der Verdünnungsmittelleitung und die Verdünnungsmittelleitung führt durch jeden der ersten und zweiten Einspritzbereiche, bevor sie zwischen den ersten und zweiten Oxidationsmittel-Injektoren aufgeteilt ist.
Die Wärmetauscher umfassen wünschenswerterweise und meistens eine Vielzahl von Wasser- und/oder Dampfleitungen, die sich über das Brennkammergehäuse und durch ein Fließbett des granularen, festen Substrates erstrecken.
Wie hierin verwendet, beziehen sich „vor“ und „nach/hinter“ auf die Fließrichtung des Materials, der Wärme und der Verbrennungsprodukte durch die Druckwirbelschichtverbrennung (PFBC), meistens in einer vertikalen Richtung (entgegengesetzt zu dem Zug der Schwerkraft).
Weitere Aufgaben und Vorteile werden für den Fachmann aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den angehängten Patentansprüchen und Zeichnungen erkennbar.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 zeigt schematisch eine Druckwirbelschichtverbrennung (PFBC) nach einer Ausführungsform dieser Erfindung.
2 zeigt schematisch eine Druckwirbelschichtverbrennung (PFBC) nach einer Ausführungsform der Erfindung.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf die Verbesserung der Steuerung von maximalen und minimalen Temperaturspitzen in einer Druckwirbelschichtverbrennung (PFBC), wie beispielsweise in einer Druckwirbelschichtverbrennung mit Sauerstoff (Oxy-PFBC), und sie ermöglicht die Reduzierung oder Eliminierung dieser Spitzen. Ein Verdünnungsmittel, wie beispielsweise rezirkuliertes Rauchgas, wird verwendet, um Temperatur- und MassenstromSteuerung zu verfeinern, was keine signifikanten Änderungen an der bestehenden Vorrichtung erforderlich macht.
Wirbelschichtreaktoren sind meistens durch sehr einheitliche Temperaturverteilungen durch die Wirbelschicht hindurch gekennzeichnet. Doch das Konzept der Druckwirbelschichtverbrennung mit Sauerstoff (Oxy-PFBC) versucht, die Wirbelschicht so kompakt wie möglich zu machen, um Kapitalkosten zu reduzieren. Folglich ist der Wärmetauscher in der Wirbelschicht wesentlich dichter hinsichtlich Wärmetauscherrohren je Einheitsfläche in der Brennkammer. Dies hemmt die Wirbelschichtrezirkulation, was zu größeren Temperaturgradienten innerhalb der Wirbelschicht führt. Die Vorrichtung und das Verfahren dieser Erfindung befasst sich mit diesen Temperaturgradienten und liefert fortgeschrittene Verfahren, um die Temperaturen innerhalb geeigneter Betriebsbereiche zu halten.
Ausführungsformen dieser Erfindung liefern ein Verfahren, das eine mehrstufige, regenerativ erwärmte Verdünnungsmitteleinspritzung verwendet, vorzugsweise zusammen mit Geschwindigkeitsanpassungen des Gasstroms, um die Gleichmäßigkeit der Wirbelschichttemperatur für eine robustere Funktionsfähigkeit innerhalb der zulässigen Wirbelschichttemperaturbereiche zu steuern.
Ausführungsformen der aktuellen Erfindung verwenden die folgenden Parameter, um die Betttemperatur zu steuern: 1) Menge und Temperatur des eingespritzten Verdünnungsmittels, wie mit dem Oxidationsmittel, und/oder 2) die Gesamt-Brennkammergasgeschwindigkeit (die sich von einem CO₂ Verdünnungsmittel unterscheidet), gekennzeichnet als U/Umf (Gasgeschwindigkeit geteilt durch die Mindestfluidisierungsgeschwindigkeit der Wirbelschicht) für jede Stufe. Die Geschwindigkeit des Brennkammergases beeinflusst die Wirksamkeit der Wärmediffusion innerhalb des Bettes, indem sie die Fähigkeit des Bettmaterials, innerhalb des Bettes zu rezirkulieren, beeinflusst, wobei höhere relative Geschwindigkeiten in einem blasenbildenden Bett typischerweise die Bettmaterialrezirkulation und die Wärmediffusion reduzieren. Diese beiden Ansätze können unabhängig voneinander oder in Kombination verwendet werden.
1 zeigt eine Druckwirbelschichtverbrennung mit Sauerstoff (Oxy-PFBC) 20 mit einem verstellbaren Verdünnungsmittel-Einspritzsystem nach einer Ausführungsform dieser Erfindung. Die Druckwirbelschichtverbrennung mit Sauerstoff (Oxy-PFBC) umfasst ein Brennkammergehäuse 30, das ein Fließbett 32 mit einem bekannten granularen, festen Substrat enthält. Die Druckwirbelschichtverbrennung mit Sauerstoff (Oxy-PFBC) umfasst einen ersten Einspritzbereich 40, der am unteren Ende des Fließbettes 32 gezeigt ist. Der erste Einspritzbereich 40 umfasst einen Brennstoffeinlass 42 (beispielsweise Kohle oder Biomasse) mit unter Druck stehenden Injektoren, und einen Oxidationsmitteleinlass 44 (beispielsweise O₂). Der Oxidationsmitteleinlass 44 führt in eine Sammelkammer oder einen Luftkasten 46, die bzw. der einen Bettablauf 48 und eine Vielzahl von Oxidationsmittel-Injektoren 55 in Kombination mit dem Fließbett 32 umfasst.
Hinter dem ersten Einspritzbereich 40 befindet sich ein erster Wasser- und/oder Dampf-Wärmetauscher 60. Der Wärmetauscher 60 umfasst wünschenswerterweise eine Vielzahl von Wasser- und/oder Dampfleitungen 62, die sich durch das Fließbett 32 erstrecken.
Die Druckwirbelschichtverbrennung mit Sauerstoff (Oxy-PFBC) 20 umfasst einen zweiten Einspritzbereich 70 hinter dem Wärmetauscher 60. Der zweite Einspritzbereich 70 liefert weiteren Brennstoff (beispielsweise Kohle oder Biomasse) durch den Brennstoffeinlass 72 und Oxidationsmittel (beispielsweise O₂) durch den Oxidationsmitteleinlass 74.
In Ausführungsformen dieser Erfindung wird ein mehrstufiges Wärmetauschersystem einschließlich eines zweiten Wärmetauschers 80 nach dem zweiten Einspritzsystem bereitgestellt. Wie veranschaulicht, besitzt der zweite Wärmetauscher 80 eine zusätzliche Reihe von Leitungen 82 und stellt eine Fortsetzung der Wasser- und/oder Dampfleitungen von dem ersten Wärmetauscher 60 dar. In Ausführungsformen dieser Erfindung ist die Eintrittstemperatur in jeden Wärmetauscher für eine maximal mögliche Kühlleistung, sofern erforderlich, niedrig.
In Ausführungsformen dieser Erfindung werden die Temperatur des Bettes und der Durchfluss des Materials (beispielsweise Gas und Verbrennungsprodukte) durch die Brennkammer wenigstens teilweise durch ein Verdünnungsmittel-Einspritzsystem gesteuert. Durch Steuern der Temperatur und/oder der Menge der Verdünnungsmitteleinspritzung kann die Gesamtbrennkammerleistung angepasst und an verschiedenen Stellen durch das Bett hindurch unabhängig eingestellt werden. Bei dem Verdünnungsmittel kann es sich um jedes beliebige Material handeln, wünschenswerterweise einschließlich eines relativ hohen CO₂-Gehaltes (und ansonsten kein Oxidationsmittel), wie es beispielsweise durch das Rauchgas 34 der Brennkammer 20 selbst bereitgestellt wird.
1 umfasst ein verstellbares Verdünnungsmittel-Einspritzsystem 100 zur Rauchgasrezirkulation als Verdünnungsmittel. Das System 100 umfasst einen Hauptrauchgaskanal 102, um das Verdünnungsmittel an einem oder beiden Oxidationsmitteleinlässen 44 und 74 bereitzustellen. Wie veranschaulicht, umfasst jeder der ersten und zweiten Einspritzbereiche 40 und 70 über Bypassventile 106 parallele Verdünnungsmittel-Leitungszweige 104 durch das Fließbett 32 (als Wärmetauscher), um die Verdünnungsmittelversorgung (oder einen Teil davon) zu erwärmen. Jede der Zweigleitungen 104 ist mit einer zweiten Bypassleitung 108 gepaart, die nicht durch das Bett führt, sondern stattdessen um das Bett 32 und/oder das Brennkammergehäuse herum. Jede Bypassleitung 108 kann bei Bedarf ein Ventil 110 umfassen. Dieser parallele Durchfluss des Rauchgases 34, wie in 1 gezeigt, ist auf jede beliebige Anzahl von Dampfwärmetauschern und Rauchgas-Injektorstufen oder andere Positionen innerhalb des Fließbettes erweiterbar.
Durch das Vorhandensein von mit Ventil versehenen Verzweigungen sowohl durch und um das Fließbett herum ist eine flexiblere Temperatursteuerung des rezirkulierten Rauchgases möglich. Diese Steuerung ist wünschenswerterweise in jeder Einspritzstufe unabhängig. Die Menge und die Temperatur des Verdünnungsmittels, das an jeder Einspritzstelle 44 und 74 eingeführt wird, ist beispielsweise durch ein computergestütztes Steuerungssystem steuerbar, um die interne Brennkammertemperatur und/oder die Gasdurchflussgeschwindigkeit aufrechtzuerhalten und/oder anzupassen.
In Ausführungsformen dieser Erfindung, wie beispielsweise in 2 gezeigt, kann das Rauchgas in der Nähe jedes Wasser-/Dampf-Wärmetauschers durch das Fließbett hindurchführen, bevor es zwischen den beiden Einspritzbereichen aufgeteilt wird. Wie erkannt werden wird, kann die Anzahl an mehrstufigen Verdünnungsmittel-Einspritzöffnungen je nach Bedarf variieren, und hängt beispielsweise wenigstens teilweise von der Anzahl an Wärmetauscherstufen ab.
2 zeigt eine alternative Ausführungsform einer Druckwirbelschichtverbrennung mit Sauerstoff (Oxy-PFBC) 220 mit zwei Einspritzbereichen 240, 270 und zwei entsprechenden Wärmetauschern 260, 280. 2 zeigt ein verstellbares Verdünnungsmittel-Einspritzsystem 300 mit einem sequenziellen Durchfluss, wobei das Rauchgas 234 vor dem Wasser-/ Dampf-Wärmetauscher 280 zunächst durch und/oder um das Fließbett 232 um den Einspritzbereich 270 herum fließt, und dann vor dem Wärmetauscher 260 erneut durch und/oder um das Bett 232 herum, wobei jede Verdünnungsmittel-Abzweigung ein Ventil 306 verwendet, um die Separationsvolumen anzupassen. Das Rauchgas 234 wird dann zwischen den beiden Einspritzbereichen 240 und 270 durch ein Verteilerventil 275 oder ein Äquivalent aufgeteilt. In Ausführungsformen dieser Erfindung, wie beispielsweise in 2 gezeigt, kann das Rauchgas in der Nähe jedes Wasser-/Dampf-Wärmetauschers 260, 280 durch das Fließbett 232 führen, bevor es zwischen den beiden Einspritzbereichen 240, 270 aufgeteilt wird. Wie erkannt werden wird, kann die Anzahl an Verdünnungsmittel-Einspritzöffnungen je nach Bedarf variieren und hängt beispielsweise wenigstens teilweise von der Anzahl an Wärmetauscherstufen ab.
Für die Druckwirbelschichtverbrennung mit Sauerstoff (Oxy-PFBC) ist das Verdünnungsmittel wünschenswerterweise rezirkuliertes Rauchgas aus der Brennkammer, das in erster Linie aus CO₂ und Dampf zusammengesetzt ist. In Ausführungsformen muss das rezirkulierte Gas aufgrund von Temperaturbegrenzungen des Rezirkulationsgebläses meistens anfangs gekühlt werden. Das Verdünnungsmittel kann möglicherweise bei dieser reduzierten Temperatur verwendet werden, doch die Testerfahrungen und Analysen zeigen, dass diese kühlere Temperatur die Entzündung und Verbrennung des festen Brennstoffes hemmen kann. Somit wird das rezirkulierte Gas in der obigen Ausführungsform und in anderen Ausführungsformen dieser Erfindung mit aus der Brennkammer abgezogener Wärme regenerativ erwärmt. Die Erwärmung kann mit einem oder mehreren Wärmetauschern erfolgen, wie beispielsweise mit einem Wärmetauscher für jede Einspritzstufe.
Je nach Bedarf sind verschiedene Arten der Erwärmung und/oder Steuerung der Menge an Verdünnungsmittel verfügbar. Während die Verwendung des Fließbettes als Heizung zwar Effizienzvorteile hat, kann auch eine zusätzliche Heizung außerhalb der Brennkammer, speziell für die Nachrüstung bestehender Brennkammern mit einem erwärmten Verdünnungsmitteldurchfluss, verwendet werden.
Der rezirkulierte Gasstrom zu dem Wärmetauscher und Injektor für jede Stufe kann wünschenswerterweise unabhängig von der (den) anderen Stufe(n) gesteuert werden, um somit den Brennkammerbetrieb mit einer oder mehreren Stufen zu unterstützen, während man es auch ermöglicht, dass die Temperatur des rezirkulierten Gases für jede Stufe im Hinblick auf einen optimalen Betrieb zugeschnitten werden kann. Die Temperatursteuerung in jeder Stufe kann durch Ventilsteuerung bereitgestellt werden, die es ermöglicht, dass ein Teil des rezirkulierten Gases durch jeden Wärmetauscher fließt, während der Rest des gekühlten Gases umgeleitet und mit dem erwärmten Gas vor der Einspritzung gemischt wird.
Die U/Umf-Geschwindigkeit wird in erster Linie durch Anpassen der Brennstoff- und Gasdurchflussgeschwindigkeit zusammen gesteuert. Eine sekundäre Steuerung kann durch unabhängiges Variieren des Gasdurchflusses erreicht werden. Wenn die Brennstoffdurchflussgeschwindigkeit steigt, werden der Durchfluss von Oxidationsmittel und Verdünnungsmittel proportional erhöht, um ein angemessenes Brennstoff-/Oxidationsmittel-Verhältnis aufrechtzuerhalten. Wenn mehr Brennstoff und Gas in die Brennkammer eingeführt werden, erhöht sich die U/Umf-Geschwindigkeit, was zu höheren Temperaturgradienten führt. Die Temperatur ist in dem unteren Abschnitt der Brennkammerstufe, in dem der größte Teil der Verbrennung stattfindet, eher höher, während in der Nähe des oberen Teils der Stufe niedrigere Temperaturen herrschen.
Eine synergistische Steuerung kann durch Verwenden beider Temperatursteuerungsmechanismen zusammen erreicht werden. Um die Heizleistung zu erhöhen, kann in die Brennkammer eine höhere Brennstoff- und Gasmenge eingeführt werden. Dies führt zu niedrigeren Temperaturen im oberen Teil jeder Stufe. Brennkammersimulationen haben prognostiziert, dass das Einspritzen von erwärmtem rezirkuliertem Gas in die zweite Stufe die Temperaturgleichmäßigkeit in der ersten Stufe deutlich verbessern kann. Dies tritt auf, wenn sich die Wärme in der zweiten Stufe ihren Weg zurück nach unten in den oberen Teil der ersten Stufe des Fließbettes bahnt. Dies könnte zu einer besseren Funktionsfähigkeit bei höheren Leistungsabgaben führen.
Somit liefert die Erfindung eine verbesserte Brennkammerkonstruktion unter Verwendung von Temperatursteuerung und/oder mehrstufiger Verdünnungsmitteleinspritzung. Die Erfindung, die hierin anschaulich offenbart wurde, kann entsprechend in Abwesenheit jedes Elementes, Teils, Schrittes, Bauteils oder Bestandteils ausgeführt werden, das bzw. der hierin nicht speziell offenbart wurde.
Während diese Erfindung in der obigen detaillierten Beschreibung in Bezug auf ihre bevorzugten Ausführungsformen beschrieben worden ist, und viele Einzelheiten zum Zwecke der Veranschaulichung dargelegt worden sind, wird es für den Fachmann offensichtlich sein, dass der Erfindung weitere Ausführungsformen hinzugefügt werden können, und dass bestimmte der hierin beschriebenen Einzelheiten erheblich variiert werden können, ohne dass man dadurch von den Grundprinzipien der Erfindung abweicht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 63/183261 [0001]

Claims

Verfahren zum Betrieb einer Druckwirbelschichtverbrennung (PFBC) mit einem mehrstufigen Wärmetauscher, wobei das Verfahren das Anpassen einer Menge und einer Temperatur eines mit einem Oxidationsmittel in die Druckwirbelschichtverbrennung (PFBC) eingespritzten Verdünnungsmittels und/oder das Anpassen einer Brennkammergasgeschwindigkeit umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Anpassen der Menge und der Temperatur des eingespritzten Verdünnungsmittels eine mehrstufige Verdünnungsmitteleinspritzung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Verdünnungsmittel ein rezirkuliertes Rauchgas aus der Druckwirbelschichtverbrennung (PFBC) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, weiterhin umfassend das Einspritzen einer ersten Verdünnungsmitteleinspritzung vor einem ersten Wärmetauscher und das Einspritzen einer zweiten Verdünnungsmitteleinspritzung nach dem ersten Wärmetauscher.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die zweite Verdünnungsmitteleinspritzung vor der Einspritzung durch die Druckwirbelschichtverbrennung (PFBC) erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine Verdünnungsmittelleitung eine erste Leitung durch die Druckwirbelschichtverbrennung (PFBC), eine zweite Leitung, die die Druckwirbelschichtverbrennung (PFBC) umgeht, und wenigstens ein Bypassventil umfasst, das das Verdünnungsmittel zwischen der ersten Leistung und der zweiten Leitung einstellt, um die Menge und/oder die Temperatur des mit dem Oxidationsmittel in die Druckwirbelschichtverbrennung (PFBC) eingespritzten Verdünnungsmittels anzupassen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Anpassen der Brennkammergasgeschwindigkeit das Anpassen einer Brennstoffdurchflussgeschwindigkeit und einer Gasdurchflussgeschwindigkeit des Verdünnungsmittels und des Oxidationsmittels umfasst, wobei die Gasdurchflussgeschwindigkeit proportional zu der Brennstoffdurchflussgeschwindigkeit erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 7, weiterhin umfassend: Erhöhen der Brennkammergasgeschwindigkeit, um die Heizleistung zu erhöhen; und Einspritzen des erwärmten Verdünnungsmittels in wenigstens eine zweite Stufe der mehrstufigen Brennkammer, um die Temperaturgleichmäßigkeit in einer ersten Stufe vor der zweiten Stufe zu erhöhen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Anpassen der Menge und der Temperatur des eingespritzten Verdünnungsmittels umfasst: Kühlen eines rezirkulierten Rauchgases aus der Druckwirbelschichtverbrennung (PFBC); und Einspritzen des rezirkulierten Rauchgases als Verdünnungsmittel an einem Brennstoff-Einspritzbereich der Druckwirbelschichtverbrennung (PFBC).
Verfahren nach Anspruch 9, weiterhin umfassend das Erwärmen des rezirkulierten Rauchgases mit der Druckwirbelschichtverbrennung (PFBC) vor dem Einspritzen.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei eine rezirkulierte Rauchgasleitung eine erste Leitung durch die Druckwirbelschichtverbrennung (PFBC), eine zweite Leitung, die die Druckwirbelschichtverbrennung (PFBC) umgeht, und ein Bypassventil umfasst, das das rezirkulierte Rauchgas zwischen der ersten Leitung und der zweiten Leitung alterniert und/oder anpasst, um die Menge und/oder die Temperatur des mit dem Oxidationsmittel in die Druckwirbelschichtverbrennung (PFBC) eingespritzten Verdünnungsmittels aus rezirkuliertem Rauchgas anzupassen.
Druckwirbelschichtverbrennung (PFBC), umfassend ein verstellbares Verdünnungsmittel-Einspritzsystem.
Druckwirbelschichtverbrennung (PFBC) nach Anspruch 12, wobei das verstellbare Verdünnungsmittel-Einspritzsystem eine erste Verdünnungsmittel-Einspritzöffnung vor einem ersten Wärmetauscher und eine zweite Verdünnungsmittel-Einspritzöffnung vor einem zweiten Wärmetauscher und hinter dem ersten Wärmetauscher umfasst.
Druckwirbelschichtverbrennung (PFBC) nach Anspruch 12 oder 13, wobei das verstellbare Verdünnungsmittel-Einspritzsystem eine Verdünnungsmittelleitung mit einer ersten Leitung durch die Druckwirbelschichtverbrennung (PFBC), einer zweiten Leitung, die die Druckwirbelschichtverbrennung (PFBC) umgeht, und wenigstens einem Bypassventil umfasst, das ein Verdünnungsmittel zwischen der ersten Leitung und der zweiten Leitung einstellt, um eine Menge und/oder eine Temperatur des mit einem Oxidationsmittel in die Druckwirbelschichtverbrennung (PFBC) eingespritzten Verdünnungsmittels anzupassen.
Druckwirbelschichtverbrennung (PFBC) nach Anspruch 12 oder 14, wobei das Verdünnungsmittel rezirkuliertes Rauchgas aus der Druckwirbelschichtverbrennung (PFBC) umfasst.
Druckwirbelschichtverbrennung (PFBC) nach Anspruch 12, weiterhin umfassend: ein Brennkammergehäuse, das ein granulares, festes Substrat enthält; einen ersten Einspritzbereich mit einem ersten Brennstoffinjektor für einen Brennstoff und einem ersten Oxidationsmittel-Injektor für ein Oxidationsmittel und ein Verdünnungsmittel; einen ersten Wärmetauscher hinter dem ersten Einspritzbereich; einen zweiten Einspritzbereich hinter dem ersten Wärmetauscher und umfassend einen zweiten Brennstoffinjektor für den Brennstoff und einen zweiten Oxidationsmittel-Injektor für das Oxidationsmittel und das Verdünnungsmittel; und einen zweiten Wärmetauscher hinter dem zweiten Einspritzbereich.
Druckwirbelschichtverbrennung (PFBC) nach Anspruch 16, wobei wenigstens einer des ersten Einspritzbereichs und des zweiten Einspritzbereiches eine Verdünnungsmittelleitung mit einer ersten Leitung durch die Druckwirbelschichtverbrennung (PFBC), einer zweiten Leitung, die die Druckwirbelschichtverbrennung (PFBC) umgeht, und wenigstens ein Bypassventil umfasst, das zwischen der ersten und zweiten Leitung verbunden und konfiguriert ist, um das Verdünnungsmittel zwischen der ersten Leitung und der zweiten Leitung einzustellen, um eine Menge und/oder die Temperatur des Verdünnungsmittels an dem ersten und/oder zweiten Oxidationsmittel-Injektor anzupassen.
Druckwirbelschichtverbrennung (PFBC) nach Anspruch 17, wobei jeder des ersten Einspritzbereichs und des zweiten Einspritzbereichs die Verdünnungsmittelleitung umfasst und die Verdünnungsmittelleitung durch jeden der ersten und zweiten Einspritzbereiche führt, bevor sie zwischen den ersten und zweiten Oxidationsmittel-Injektoren aufgeteilt wird.
Druckwirbelschichtverbrennung (PFBC) nach Anspruch 16 oder 18, wobei das Verdünnungsmittel rezirkuliertes Rauchgas aus der Druckwirbelschichtverbrennung (PFBC) umfasst.
Druckwirbelschichtverbrennung (PFBC) nach Anspruch 16 oder 18, wobei die ersten und zweiten Wärmetauscher jeweils eine Vielzahl von Wasser- und/oder Dampfleitungen umfassen, die sich über das Brennkammergehäuse und durch ein Fließbett aus granularem, festem Substrat erstrecken.