DE2333087C2

DE2333087C2 - Verbrennungseinrichtung mit einem Wirbelbett

Info

Publication number: DE2333087C2
Application number: DE2333087A
Authority: DE
Inventors: Henrik Kingston Surrey Harboe
Original assignee: Stal Laval Turbin AB
Current assignee: ABB Stal AB
Priority date: 1972-07-07
Filing date: 1973-06-29
Publication date: 1983-10-06
Also published as: DE2333087A1; US3924402A; SE364756B; GB1427184A

Description

Die Erfindung betrifft eine Verbrennungseinrichtung mit einem Wirbelbett gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Eine solche Verbrennungseinrichtung ist bekannt aus der GB-PS 1204 177.

Im Wirbelbett solcher Verbrennungseinrichtungen können gasförmige, flüssige und auch zerkleinerte feste Brennstoffe verbrannt werden. Nachteilig sind die Regulierungsschwierigkeiten bei variierender Belastung. Eine Regulierungsmöglichkeit besteht darin, die Wirbelbettkammer in Sektionen aufzuteilen, die zu- und abgeschaltet werden können. Hierdurch ist eine kontinuierliche Regelung jedoch nicht möglich. Eine andere Regulierungsmöglichkeit besteht darin, die Tiefe im Wirbelbett zu ändern, so daß das Bettmaterial abgelassen oder aufgefüllt wird, was jedoch sehr kompliziert ist.

Ein anderes Problem ist die Kühlung des Wirbelbettes, die in der Regel teils mit Wasser und teils mit Dampf geschieht, wobei die Brennkammer als Dampfkessel arbeitet. Dies bedeutet normalerweise, daß beim Stillsetzen der Turbine im Rahmen eines intermittierenden Betriebes das Kühlsystem abgeschaltet werden muß, damit das Wirbelbett seine Temperatur bis zum nächsten Start möglichst beibehält. Es muß daher bei iedem Stillsetzen das Kühlwasser aus den Kühlrohren des Wirbelbettes abgelassen werden. Wenn beim nächsten Start erneut Kühlwasser zugeführt wird, sind die Kühlrohre Wärmeschocks ausgesetzt. Ein solcher Brennkammertyp ist daher für einen intermittierenden Betrieb wenig geeignet.

Bei der aus der GB-PS 12 04177 bekannten Verbrennungseinrichtung sind in der Wirbelbet*kam mer die Rohre eines Wärmeaustauschers angeordnet, der von einem flüssigen oder gasförmigen wärmeabführenden Mittel durchströmt wird. Dieses Mittel wird beispielsweise dem Kessel einer Stromerzeugeranlage zugeführt. Die Verbrennungsgase der Verbrennungseinrichtung dagegen werden einfach abgeführt und dienen nicht zum Betrieb einer Strömungsmaschine. Die Druckschrift befaßt sich mit dem Problem stark schwefelhaltige feste Brennstoffe zu verbrennen, wobei der Schwefelgehalt in möglichst großem Umfange in der Asche gebunden werfen soll, damit er nicht mit den Verbrennungsgasen entweicht. Es soll eine Temperatur von 700 bis 900° herrschen. Wie dies sichergestellt wird, ist nicht gesagt. Regeleinrichtungen werden nicht erwähnt. Es zeigt sich, daß bei bekannten Verbrennungseinrichtungen bei Verwendung der Rauchgase zum unmittelbaren Antrieb einer Gasturbine Abnutzungserscheinungen auftreten. Dies liegt wahrscheinlich an einer zu stakren Erhitzung und einem Schmelzen der Asche, die dann Beschädigungen verursachen kann.

Aus der DE-PS 9 66 644 ist eine Verbrennungseinrichtung mit einem Wirbelbett bekannt, bei der in der

JO Wirbelbettkammer unter erhöhtem Druck feste Brennstoffe unter Zuführung von vorgewärmter Luft und Dampf vollständig verbrannt werden. Die Verbrennungsgase, die mit etwa 800° das Wirbelbett verlassen, dienen zum Antrieb einer Gasturbine. Eine Kühleinrichtung des Wirbelbetts ist nicht vorhanden. Wie die Temperatur gehalten werden kann, bleibt ungewiß.

Aus der US-PS 34 46 012 ist eine Verbrennungseinrichtung mit einer Wirbelbettbrennkammer bekannt, die bei einer Verbrennungstemperatur von etwa 550° C arbeitet. Hierbei kommt es im wesentlichen nur zu einer Vergasung des Brennstoffes. Erst in einer Nachbrennkammer wird dieses Gasgemisch bei ungefähr 800°C verbrannt. Die Verbrennungseinrichtung hat einen gemeinsamen Hauptkompressor für die Kühl- und Verbrennungsluft und einen Hilfskompressor für die Verbrennungsluft. Eine solche Anordnung von Kompressoren bedeutet, daß sich das Verhältnis zwischen den beiden Luftmengen mit der Belastung verändert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verbrennungseinrichtung der eingangs genannten Art zu entwickeln, die trotz konstanter Temperatur und konstanter Bettiefe der Brennkammer innerhalb gewisser Grenzen leicht regulierbar ist und besonders für einen intermittierenden Betrieb geeignet ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Verbrennungseinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 vorgeschlagen, die erfindungsgemäß die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 genannten Merkmale hat. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in

bo den Unteransprüchen genannt.

Bei der Verbrennungseinrichtung nach der Erfindung wird also das Kühlsystem für das Wirbelbett mit Luft oder Gas irgendeiner Art betrieben, und es wird ständig ein bestimmtes Verhältnis zwischen der Verbrennungs-

<>5 luft- und Kühlluftmenge aufrechterhalten. Die Brennstoffmenge soll dabei der Menge an Verbrennungsluft bei variierender Belastung folgen.

Im Prinzip denkt man sich dabei ein festes Verhältnis

zwischen Verbrennungsluft und Kühlluft bei variierender Belastung, was im Prinzip eine konstante Brennkammertemperatur bedeutet In der Praxis können jedoch gewisse kleinere Variationen zweckmäßig sein.

Zweckmäßigerweise sollte das Verhältnis zwischen der Verbrennungs- und Kühlluftmenge von der Größenordnung 1 : 2 sein, wobei die Brennkammertemperatur mit richtiger Brennstoffmenge bei ca. 700—95O⁰C liegen sollte. Bei dieser Temperatur schmilzt die Asche nicht Sie behält daher i.'ire Konsistenz eines weichen, amorphen Pulvers mit geringem Erosionsvermögen und geringer Tendenz zum Kleben oder zur Belagbildung bei.

Die Kühlluft und die Verbrennungsgase können hinter der Brennkammer gemischt und als ein gesammelter Strom beispielsweise einer Gasturbine zugeführt werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die beiden Luftströme getrennt zu halten und sie zu verschiedenen Gasturbinen zu leiten, wobei der Kühlluftstrom mit der zugehörigen Turbine als ein System frei von Verunreinigungen gehalten werden kann. Die Verbrennungsgase müssen von Asche und vom Wirbelbett mitgerissenen Partikeln in einem Staubabscheider, beispielsweise einem Zyklon, gereinigt werden; wie jedoch bereits erwähnt, bilden die Verbrennungsgase nur einen kleineren Teil des gesamten Luftstromes.

Anhand der Figur soll die Erfindung näher erläutert werden.

Von einem nicht gezeigten Kompressor oder einem Druckluftbehälter wird die Luft über die Leitung 1, in der sich eine Regelklappe oder ein Ventil 2 befinde), zugeführt. Falls die Luft direkt von einem Kompressor kommt, kann es von Vorteil sein, das Ventil 2 durch eine Klappe vor dem Kompressor zu ergänzen. Die Lufl gelangt in einen Zwischenraum 3 zwischen dem äußeren und inneren Turbinengehäuse und von dort in die Außenumhüllung 4. Hier wird die Luft in Verbrennungsluft und Kühlluft geteilt.

Die Verbrennungsluft geht in den unteren Teil der Umhüllung 4 zu den regulierbaren Klappen oder Ventilen 5 im Boden der eigentlichen Brennkammer 6. Hier tritt die Luft durch einen perforierten Boden 8 nach oben ins Wirbelbett 9, das aus einem körnigen festen Maleria! besteht, welches durch die hindurchströmende Verbrennungsluft wie ein flüssiges Wirbelbett hochgerissen wird. Hierher wird auch eine Brennstoffleitung 7 geführt mit einem Verteilerkopf am oberen Ende, durch den Brennstoff und evtl. auch neues Bettmaterial zugeführt wird.

Der Brennstoff kann, wie bereits erwähnt, gasförmig oder flüssig sein, jedoch auch zerkleinerter fester Brennstoff ist denkbar. Das Wirbelbett hat dabei den Vorteil, etwas grobkörnigeren Brennstoff verbrennen zu können als die z. B. in Dampfkesseln verwendeten Brenner für Kohlenpulver. Durch geeignete Wahl des Beltmaterials kann man außerdem eine bedeutende Absorption von unerwünschten Teilen im Brennstoff erhalten. Beispielsweise kann Kalkstein als bettmaterial Schwefelverbindungen im Brennstoff absorbieren, wobei das schwefelgesättigte Bettmaterial dann vom oberen Teil des Bettes abgelassen werden muß, worauf man dem unteren Teil neues zuführt.

Vom Bett 9 aus passiert das aufsteigende Verbrennungsgas den Staubabscheider, zweckmäßigerweise Zyklonseparatoren IiO mit Ausblasrohren 18 im Boden, durch die Asche und mitgerissenes Bettmaterial abgeschieden werden. Vom Abscheider gelangt das gereinigte Gas in den Zwischenraum 11 zwischen der Brennkammer 6 und der Zwischenumhüllung 19, von wo aus das Verbrennungsgas durch die Leitung 12 zur Gasturbine 20 geht.

Die Kühlluft steigt vom Boden der Außenumhüllung 4 durch den Zwischenraum 1 zwischen Außenumhüllung 4 und Zwischenumhüllung 15, die oben mit einer Regulierklappe 14 versehen ist, nach oben. Von hier strömt die Kühlluft durch den Zwischenraum 16

to zwischen den Zwischenumhüllungen 55 und 19 und nach unten zu den Kühlrohren 17, die durch das Wirbelbett 9 hindurchgehen und im Zwischenraum 11 zwischen der Brennkammer 6 und der Außenumhüllung 19 münden. Hier wird die Kühlluft mit dem Verbrennungsgas gemischt, das von den Separatoren 10 kommt, und das gesamte Gasgemisch strömt durch die Leitung 12 zur Turbine 20.

Wie bereits erwähnt, ist es sehr wichtig, daß die Mengen von Kühlluft und Verbrennungsluft stets in einem bestimmten Verhältnis zueinander stehen, was durch eine genaue Einstellung der Regelklappen 5 und 14 zueinander erreicht werden kann. Die Einstellung der Regelklappen erfolgt mittels des gestrichelt angedeuteten Steuergeräts 27. Wenn man danach die Brennkammer- und damit die Turbinenleistung durch Einstellung des Reglerventils 2 variiert, wird das genannte Verhältnis z-vischen den Luftmengen im wesentlichen konstant sein, wobei auch die ßrennkammertemperatur nahezu konstant bleibt.

i» Die Regulierung der Brennstoffzufuhr am Wirbelbett durch die Leitung 7 muß dabei genau der Luftregulierung folgen, was rein symbolisch in der Figur dadurch angedeutet ist, daß das Brennstoffventil 21 in der Leitung 7 mit dem Luftventil 2 in der Leitung 1 gekoppelt ist.

Will man eine gewisse kleinere Änderung des obengenannten Verhältnisses der Luftmengen zueinander bei variierender Belastung vornehmen, so kann dies durch Feineinstellung einer der Klappen 5 oder 14,

■ίο abhangig von der Einstellung des Luftventiles 2, geschehen.

Eine günstige Einstellungskombination für Turbinenbetrieb liegt bei einer Brennkarnmertemperatur von etwa 850° und einem Verhältnis zwischen der

•ι¹· Verbrennungsluftmenge zur Kühlluftmenge von 1 : 2.

In der Zeichnung ist ferner eine Umgehungsleitung 25 mit einem Ventil 26 gezeigt, das die Außenumhüllung 4 mit der Abgangsieitung 12 verbindet. Hierdurch kann man bei einem Noistopp oder Schnellstopp durch

"'" Öffnen des Ventils 26 einerseits das Wirbelbett selbst kurzschließen und andererseits der Turbine 20 kalte Luft zuführen, deren Leistung dann schnell absinkt, vor allem wenn sie ihren eigenen Kompressor treibt. Gleichzeitig werden die Ventile 2 und 21 geschlossen.

'■' In der vorangegangenen Beschreibung wurde davon ausgegangen, daß Kühlluft und Verbrennungsluft von der gleichen Quelle kommen und dem gleichen Verbraucher zugeführt werden. Es ist jedoch auch denkbar, die Luftströme getrennt zu halten, und zwar

hfi entweder nur auf der Austrittsseite oder sowohl auf der Eintritts- als auch auf der Austrittsseite. Zu diesem Zweck kann eine besondere gestrichelt angedeutete, Zwischenumhüllung 22 vorgesehen sein, die den Auslauf des Pohres 17 umgibt, und von der die saubere warme

*>ϊ Kühlluft durch eine Leitung 23 zu einer nicht gezeigten Turbine zugeführt wird, die mit reiner warmer Luft arbeitet. Die Kühlluft kann auch von einer getrennten Luftquelle über den gestrichelt angedeuteten Anschluß

24 zugeführt werden, wobei die Außenumhüilung 4 entfällt.

Dadurch kann das Kühlsystem mit einem anderen, vorzugsweise höheren Druck als die Brennkammer arbeiten, jedoch gilt weiterhin, daß das Verhältnis zwischen den beiden Luftmengen beizubehalten ist. Die Regulierung wird dabei etwas komplizierter.

Man kann dabei die Regelventile für Brennstoff und die beiden Luftströme zusammenschalten. Eine andere Möglichkeit besteht darin, den Kühlluftstrom in Abhängigkeit von der Brennkammertemperatur derart zu regulieren, daß die letztere konstant bleibt, was im Prinzip auch ein konstantes Luftmengenverhältnis bedeutet.

Bei dem separaten Kühlhiftsystem ist auch die Verwendung anderer Gase als atmosphärische Luft für die Kühlung denkbar; z. B. kann Wasserdampf verwendet werden, wobei die Brennkammer den Charakter eines Überhitzers für ein Dampfsystem, z. B. einer κ. Dampfturbine, annimmt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verbrennungseinrichtung mit einem Wirbelbett, insbesondere für eine Gasturbine, mit Steuerorganen für die Zufuhr von Brennstoff und Verbrennungsluft sowie einem Kühlsystem zur Kühlung des Wirbelbettes mittels eines Kühlmediums aus Gas oder Luft, wobei die Verbrennung im Wirbelbett im Temperaturbereich von 700 bis 950⁰C erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerorgane (5, 14, 2; 21) für die Zufuhr von Verbrennungsluft, Kühlmedium und Brennstoff einerseits unabhängig von der Belastung auf im wesentlichen feste Verhältniswerte ihrer Durchtrittsmengen zueinander einstellbar sind und andererseits derart miteinander gekoppelt sind, daß bei ihrer lastabhängigen Verstellung die genannten Verhältniswerte erhalten bleiben.

2. Verbrennungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer geringfügigen lastabhängigen Änderung des Verhältnisses der Mengen aus Verbrennungsluft und Kühlmedium eine Feinverstellung des Steuerorgans (5) für die Verbrennungsluft oder des Steuerorgans (14) für das Kühlmedium in Abhängigkeit des in einer gemeinsamen Leitung (1) für Verbrennungsluft und Kühlmedium liegenden Steuerorgans (2) erfolgt.

3. Verbrennungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerorgane (5, 14) so eingestellt sind, daß das Verhältnis der Mengen aus Verbrennungsluft und Kühlmedium etwa 1 : 2 beträgt.

4. Verbrennungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Verbrennungsluft und das Kühlmedium von demselben Kompressor geliefert werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstellung der Gesamtmenge von Verbrennungs- und Kühlluft durch ein Ventil am Kompressor erfolgt.