DE2613816A1

DE2613816A1 - Verfahren und vorrichtung zur wirbelbettverbrennung

Info

Publication number: DE2613816A1
Application number: DE19762613816
Authority: DE
Inventors: Albert Jubb
Original assignee: Rolls Royce 1971 Ltd
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1975-04-01
Filing date: 1976-03-31
Publication date: 1976-10-14
Also published as: JPS51122832A; CA1058889A; FR2306401A1; IT1058581B; GB1516664A

Description

Patentanwälte Dipl.-lng. C U rt Wallach Dipl.-lng. Günther Koch

2613816 Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach

Dipl.-lng. Rainer Feldkamp

D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 · Telex 5 29 513 wakai d

Datum: 31, März

Unser Zeichen: 15 461 - Κ/Αρ

Rolls-Royce (1971) Limited, London (England)

Verfahren und Vorrichtung zur Wirbelbettverbrennung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Wirbelbettverbrennung und insbesondere auf ein Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung zur Wirbelbettverbrennung und auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Bei Vorrichtungen zur Wirbelbettverbrennung ist es bekannt, ein brennstoffreiches Gemisch zu nehmen, bei dem die Kohle in dem aus inertem Material bestehendem Bett im Überschuß ist, wobei die Hitzeerzeugung in erster Linie durch die Menge der zugeführten Luft derart bestimmt wird, daß an der Oberseite des Bettes nur ein geringer Anteil von Sauerstoff in den das Wirbelbett verlassenden Gasen verbleibt» Unter diesen Bedingungen findet die Verbrennung wirksam in der Nähe des stoichiometrischen Wertes statt, und es ist nur noch etwa 10$ überschüssige Luft vorhanden, die durch den überschüssigen Brennstoff in Gestalt von Koks oder Teer (CHAR) im Wirbelbett nicht verbrannt wird. Bei derartigen Vorrichtungen kann überschüssiger Brennstoff im Wirbelbett als Brennstoffreserve verbleiben, und die Geschwindigkeit der Verbrennung und die Hitzefreigabe wird durch die Luftströmung gesteuert. Weil die Verbrennung in der Nähe des stoichiometrischen Wertes stattfindet, würde die Temperatur sich einem Wert von 2000⁰C nähern, wenn die Wärme

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aus dem Wirbelbett nicht durch bestimmte Verfahren, z.B. durch-Wasserrohre abgeleitet würde.

Diese Abführung der Wärme durch die Wasserrohre ist problematisch, weil die Wasserrohre erodieren und korrodieren können und weil dadurch Leckströme von Wasser in das Wirbelbett gelangen können. Durch diese Wasserrohre kann auch keine gleichmäßige Wärmeabfuhr erreicht werden, und zwischen den Rohren verbleiben Räume hoher Temperatur. Diese hohen Temperaturen bringen die Gefahr mit sich, daß der Brennstoff allein oder mit Schlacke und ggf. anderen Bestandteilen eine klebrige Masse bildet, die nicht mehr wirksam verbrennt. Außerdem bewirken die hohen Temperaturen eine Freisetzung von vorher gebundenen chemischen Stoffen, die wiederum zur Korrosion und/oder Erosion in einem nachgeschalteten Gerät, z.B. einer nachgeschalteten Turbine bewirken können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb eines aus inertem Material und teilehenförmigem Brennstoff (z.B. Kohle) bestehenden Wirbelbettes zu schaffen, bei dem die Verbrennung durch den Brennstoff gesteuert wird. Bei einem mit Brennstoff angereichertem Wirbelbett, bei dem der Sauerstoffgehalt begrenzt ist, kann der Anteil des Brennstoffes in dem inerten Bett in der Größenordnung von 5$ bis 1(# liegen, während erfindungsgemäß die gestellte Aufgabe dadurch gelöst wird, daß der Anteil des Brennstoffs in dem Wirbelbett in der Größenordnung zwischen 0,1$ und 1% liegt, so daß nicht die gesamte Luft verbrannt wird.

Gemäß einem Merkmal der Erfindung wird das Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung zur Wirbelbettverbrennung, bei dem das Bett inerte Materialien und teilchenförmigen Brennstoff aufweist, in der Weise durchgeführt, daß Verbrennungsluft in beträchtlichem Überschuß über dem zur stoichiometrischen Verbrennung erforder-

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lichen Wert zugeführt wird, und daß der teilchenförmige Brennstoff derart zugemessen wird, daß das Bett auf einer im wesentlichen konstanten vorbestimmten Temperatur gehalten wird.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann etwa 25$ der Verbrennungsluft verbrannt werden, und das Verhältnis von inertem Material zu teilchenförmigen! Brennstoff kann zwischen 100 : 1 und 1000 : 1 liegen.

Die Vorrichtung zur Wirbelbettverbrennung kann benutzt werden, um das Arbeitsströmungsmittel einer Gasturbine aufzuheizen und um den Wärmeausgang des Wirbelbettes so zu steuern, daß die Gasturbine dadurch gesteuert wird, läßt man einen Anteil der Verbrennungs- und Verwirbelungsluft, die vom Kompressor der Turbine geliefert wird, am Bett vorbeistreichen und vermischt diesen Nebenstromanteil mit der das Bett verlassenden erhitzten Luft. Der Nebenstrom kann dadurch erlangt werden, daß ein Nebenstromventil vor dem Wirbelbett angeordnet wird.

Wenn ein Anteil der Kompressorluft im Nebenschluß vorbeigeführt wird, dann kann ein Teil der Strömung der Wirbelluft von einem Teil des Wirbelbettes abgesperrt werden.

Zweckmäßigerweise kann das Bett durch Scheidewände in mehrere Kammern aufgeteilt werden, wobei jeder Teil eine Zufuhr von Verwirbelungsluft und Verbrennungsluft erhält, die durch getrennte Steuerventile geschaltet werden. Die Steuerventile können zusammen oder unabhängig voneinander geschaltet werden, und nicht jede Kammer weist notwendigerweise ein Steuerventil auf.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

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Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Wirbelbett-Verbrennungsvorrichtung gemäß der Erfindung, die benutzt werden kann, um das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen;

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Kammer der Wirbelbett-Verbrennungseinrichtung nach Fig. 1.

Das in Figur 1 schematisch dargestellte Kraftwerk 10, bei dem das Arbeitsmittel in einem Kohle-Wirbelstrombett erhitzt wird, weist einen Kompressor 12, ein Kohlewirbelbett 14, eine Kompressorantriebsturbine 16 und eine Nutzleistungsturbine 18 auf, die eine Last 20 antreibt, die in diesem Fall als Generator ausgebildet ist.

Der Strömungspfad zwischen Kompressor 12 und Turbine 16 weist ein Nebenstromventil 26 und das Wirbelbett 14 auf* das in mehrere unabhängige Kammern 14a unterteilt ist, die mit entsprechenden Luftreinigern 14b und Steuerventilen 14c versehen sind. Jede Kammer 14a enthält inerte Materialien einschließlich Kohlenasche und einen Anteil von Kohle in Eeilehenform und jede Kammer empfängt die Kohlepartikel durch in Figur 2 dargestellte Mittel, und die Verwirbelungsluft und die Verbrennungsluft vom Kompressor 12 strömt durch eine Verteilerplatte 22 in jede Kammer ab. Der Anteil von Kohle im Bett jeder Kammer 14a liegt zwischen 0,1# bis Vf> und das Bett ergibt einen Temperaturanstieg von ungefähr 500⁰C, so daß nur etwa ein Viertel der verfügbaren Luft verbrannt wird, und das Bett keinen Wärmeaustauscher, z.B. Wasserrohre erfordert, die in das Bett eingetaucht werden, um Wärme abzuführen.

Gemäß Figur 2 besteht die Kohlezuführungsvorrichtung für jede Kammer 14a aus einer Leitung 24, durch die eine Suspension von

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Koiileparfcikeln in Luft- In Intervallen oder kontinuierlich in das Wirbelbett geblasen werden kann. Diese Leitung 24 besitzt ein Ventil 26, das durch, die Wirbelbetttemperatur gesteuert wird, wie dies weiter unten beschrieben wird, um dadurch den Brennstoff der Strömung im Wirbelbett zu induzieren oder um den Brennstoff längs einer Leitung 28 einen nicht dargestellten Speicher ztiriiekzuführen.

Me Temperatur Im Wirbelbett wird durch einen Fühler 30 festgestellt, der ein Rohr 32 aus rostfreiem Stahl aufweist, welches einen Qjaarzsfcafe 3& umgibt und in das Wirbelbett eingetaucht ist, so daB Inderungen der Wirbelbett-Temperatur eine Relativbewegung zwischen dem Stab 3^- ^nd dem Rohr 32 bewirken. Diese Relativbewegung wird benutzt, um das Ventil 26 über ein Gestänge 36 zu bewegen., welches nur schematisch dargestellt ist, da jedes geeignete Übertragungssystem benutzt werden kann.

Bei bekannten, mit Kohle arbeitenden Wirbelbett-Verbrennungs-

bei denen das Luft-Brennstoff verhältnis nahezu

Ist, wird die Wirbelbett-Temperatur durch die Menge der Luftzufuhr gesteuert, da bei einer gegebenen Zuführungssrafce bei Brennstoffzusatz zur Erzeugung eines nicht-stoichiome-Luft-Brennstoffverhältnls die überschüssige Kohle die

nicht ändert, da nicht genügend Sauerstoff vor-Isfe« um diese überschüssige Kohle zu verbrennen. Bei der erf IndungsgemäSen Anordnung wird die Wirbelbett-Temperatur durch «lie Brennstoffzufuhr nach dem Wirbelbett gesteuert, da über-

Betrieb, wird Kohle längs der Leitung 2.K in vorbestimmten Bitervallen entlanggeblasen, und wenn das Wirbelbett auf der rleiifclgen Temperatur befindlich ist, dann erfordert das Bett

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keines, weiteren Brennstoff, und das Ventil 25 befindet sieh, in Jener Stellung, Is. der der Brennstoff naeii olsüb Speiche** zurüSiZgefüiirt wird« Wenn die Wirbelbett-TesßsrsfttiP unfter den erforderlichen. Wert fällt _s dann wird das ¥ecfeil 26- dur«sa. die Relativbewegung, zwischen dem Rohr JO und eiern; ^ssrzstafc 3% betätigt £ so daß: Brennstoff dem Bett zugesetzt wlröu Baaurcii steigt die Wlrbelbett-Temperatur an, und das dnrcli des Sfeniper&turf übler erzeugte Signal betätigt das Ventil 26 im Sinne einer ¥erninderong CSW₁ Abse&altujig der Brennstoff strömung nasli dem. Wirbelbett. Auf diese ¥eise iärd das Wirbelbett ständig asj£ einer Ie wesentlieiiezs. konstarLtes. vorbestiraraten Temperate?

Bie ^rorbesehrlebeae Kraftwerksanlage Ist analog einer liehss., mit flüssigem oder gasförmiges Brennstoff, Gasturbinenanlage* mit dem Unterschied, daB die relativ Masse VfQik KoEileziaseiie im Bett als Wänaereservoir wirkfe, und daher der Lelstungsausgang der Anlage nur relafelT langsam geändert werden, kann.

eine ssimelle Steuerung der Anlage zu eraiögllaiiea* wlrti vorgeseEilagen., das Brennstoffbett 14 auf einer ^oasfeanfeeni* in der Kä&e der irracoLmalen Temperatur liegendeEE Texpsratur vom etwa 9GO^aC zu halten, UKä die hlndurciistrSiieiiäe Liift- eiszas^eüen, um den Sesamtwärnresosgang der Turbine zu verniiiLcEffissL«; inslem ein Anteil der einstranieiideii Luf t nebengescölosseii, uns, mit aezi iielßen Abgasen des Bettes gemischt wird. Dies gescM.ea.fc durchi ein schnell wirkendes KebenschluBventll 26 bekansBSF Art?* umsi dieses YenfeLI stellt die aiigenbllöklicii wirkende ktc?sssifeige Steuerung für &1& BsnanüLk der Anlage dar, die dann, nur esgrenzfe ist äwreii das Luf tvolumen bzw· das Gasvolumen im Betfe ujid is dien, Verbin· dungsleltungen« überschüssige gespeicherte Energie in, diesen Volumina kanu durch kurzzeitig wirkende* nlehfe dargestellte Abblasventile verteilt werden, um die höchstes; M äigkelteiL bei der Verminderung der Leistung zn er&slten.

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Wenn die Situation, unter der ein Teil der Luft plötzlich nebengeschlossen wurde, z.B. mit 5Q/& angenommen wird, dann kann die Reaktionsgeschwindigkeit der Kohlenteerpartikel bzw. der Schlacke durch die Verminderung des Luftstromes nicht merklich beeinträchtigt werden, da immer noch genügend überschüssiger Sauerstoff vorhanden ist, und die Wärme würde weiterhin mit der ursprünglichen Geschwindigkeit erzeugt werden, und diese würde in der inerten Asche gespeichert werden, was einen Temperaturanstieg zur Folge hätte, der sich über eine beträchtliche Zeitdauer fortsetzen könnte, sogar wenn keine weitere Kohle dem Bett zugesetzt würde, da die Verbrennungszeit eines Kohlepartikels im Bett sehr wohl in der Größenordnung von Minuten liegen kann.

Infolgedessen kann die Bett-Temperatur größenmäßig um 100 bis 200⁰C ansteigen, und diese Temperaturerhöhung bewirkt ein Schmelzen der Asche und der Schlacke, zusammen mit einer wahrscheinlichen Beisetzung verdampfbarer Salze von Alkalimetallen.

Derartige Temperaturerhöhungen können vermieden werden, indem man beispielsweise Wasser zuführt, welches in Dampf umgewandelt wird, jedoch würden dann die zusätzlich erzeugten Dampfmengen die Aerodynamik der Turbine beeinträchtigen und zu einem Kompressorpumpen führen.

Dieses Problem wird dadurch vermieden, daß eine oder mehrere der Kammern 14a des Wirbelbettes abgeschaltet wird durch die die Luft geblasen wird, so daß obgleich Kohle in den nicht durchblasenen Räumen des Wirbelbettes belassen wird, diese Kohle nicht verbrennen kann und keine Hitze erzeugen kann, weil kein Sauerstoff hindurchströmt. Palis es erforderlich ist, den Gesamtwärraeausgang um 50# zu reduzieren, dann werden bis zu 50£ der Räume des Wirbelbettes abgesperrt und außer Betrieb gesetzt, wobei sich Asche und Kohle absetzen können·

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Das Zusammenwirken von Teilen des Wirbelbettes, die abgesetzt sind mit solchen, die im bewegten Schwebezustand gehalten werden, wird durch die Wände verhindert, die die Kammern des Bettes trennen und mit Ventilen 14c verbunden sind, die die Luftströlung nach den jeweiligen Abschnitten steuern.

Die Steuerventile 14c können entweder zusammen oder unabhängig voneinander geöffnet oder geschlossen werden, oder die Strömung der Verbrennungsluft und der Wirbelluft nach irgend einer der Kammern 14a ändern.

Gemäß einer nicht dargestellten Anordnung sind einige der Kammern 14a nicht mit einem Steuerventil versehen und sie stehen ständig im Arbeitsprozeß während das Triebwerk läuft, während die restlichen Kammern mit Steuerventilen ausgestattet sind, die eine Steuerung der Änderung des Wärmeausgangs des Wirbelbettes bewirken, um eine Anpassung an verminderte Leistung zu bewirken, und zwar verbunden mit der Arbeitsweise des Leistungssteuer-Nebenschlußventils .

Die Erfindung wurde vorstehend in Verbindung mit Kohle als Teilchenbrennstoff beschrieben, jedoch können andere teilchenförmige Brennstoffe ebenfalls benutzt werden.

6 0 9842/071/4 Patentansprüche :

Claims

PATENTANSPRÜCHE

Verfahren zum Betrieb einer Wirbelbettverbrennungseinrichtung, wobei das Wirbelbett aus den zu verwirbelnden Materialien,inerte Materialien und teilchenförmigen Brennstoff enthält,
dadurch gekennzeichnet, daß Verbrennungsluft in einer Menge zugeführt wird, die jene Menge beträchtlich überschreitet, die für eine stoichiometrische Verbrennung erforderlich ist, und daß die Zufuhr von teilchenförmigen! Brennstoff in das Wirbelbett zugemessen wird, um das Bett auf einer im wesentlichen konstanten vorbestimmten Temperatur zu halten.

2. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von inertem Material zu teilchenförmigen! Brennstoff innerhalb des Wirbelbettes im Bereich zwischen 100 : 1 und 1000 : 1 liegt·

5. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß ein variabler Anteil von Wirbelluft und Verbrennungsluft im Nebenschluß um die Wirbelbettverbrennungsvorrichtung herumgeführt und mit der Luft gemischt wird, die in der Verbrennungseinrichtung erhitzt wurde.

4. Vorrichtung zur Wirbelbettverbrennung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3, wobei ein Gefäß vorhanden ist, welches ein Wirbelbett aus inertem Material und teilchenförmigen! Brennstoff aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Gefäß mit Wirbelluft und Verbrennungsluft und

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einer zugemessenen Menge teilchenförmigen Brennstoffs gemäß der erforderlichen Temperatur des Wirbelbettes gespeist wird, und daß die Luftzufuhr beträchtlich über jener Menge liegt, die erforderlich ist, um eine stoichiometrische Verbrennung durchzuführen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß das Gefäß einen mit Ventilen versehenen Nebenschluß besitzt, und daß eine variable Menge von Wirbelluft und Verbrennungsluft durch den Nebenstrom und die Ventile abströmen kann, die dann mit der Luft gemischt wird, die im Wirbelbett erhitzt wurde.

6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 oder 5* dadurch gekennzeichnet, daß das Gefäß in mehrere Unterkammern unterteilt ist, wobei jede Kammer ein Bett aus inerten Materialien und teilchenförmigen Brennstoff enthält, daß eine Zumeßzuführung teilchenförmigen Brennstoffs und eine Zuführung für Wirbelluft und Verbrennungsluft vorgesehen ist, und daß wenigstens ein Teil der Kammern Ventile besitzen, um die Zufuhr von Wirbelluft bzw. Verbrennungsluft nach den jeweiligen Kammern zu steuern.

7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß teilchenförraiger Brennstoff durch Mittel zugemessen wird, welche einen Fühler für die Bett-Temperatur aufweisen, dessen Ausgangssignal eine Ventilanordnung in einer Leitung steuert, über die der teilchenförmige Brennstoff durch verdichtete Luft geblasen wird.

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8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7* dadurch gekennzeichnet, daß der teilchenförmige Brennstoff Kohle ist, und daß das Verhältnis von inerten Materialien zu Kohle im Bereich zwischen 100 : 1 und 1000 : 1 liegt.

9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbelbettverbrennungseinrichtung benutzt wird, um das Arbeitsmittel einer Gasturbinenanlage zu erhitzen, wobei die Kompressorluft der Anlage die Wirbelluft und die Verbrennungsluft liefert.

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