DE3842737A1 - Verfahren und vorrichtung zur kuehlung des bettmaterials in der brennkammer einer pfbc-kraftanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kühlung des Bettma­ terials in der Brennkammer einer PFBC-Kraftanlage gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Durchführung des Verfahrens.

Die Erfindung ist in erster Linie zur Anwendung in einer An­ lage mit einer Brennkammer bestimmt, die einen luftvertei­ lenden Bettboden mit Öffnungen hat durch welche das Bett und die entstandenen Aschen in einen Abführraum für das Material unter dem Boden fallen kann.

Es ist notwendig, das aus der Brennkammer abgeführte Mate­ rial auf eine Temperatur herabzukühlen, welche eine gute Handhabbarkeit des Materials in der Abführvorrichtung ermög­ licht. Bei Anlagen mit einer Brennkammer mit einem luftver­ teilenden Boden, der Öffnungen hat, durch die Material aus dem Verbrennungsraum der Brennkammer in eine Aschenkammer unter dem genannten Boden fallen kann, ist es bekannt, der Aschenkammer Kühlluft zuzuführen, die durch das Material und den Boden nach oben in den Verbrennungsraum strömt. Im Ver­ brennungsraum wird die Kühlluft für die Verbrennung verwen­ det. Eine Anlage dieser Art ist bekannt aus der EP-A-87 109 233.4. Der für die Kühlung des Materials erforderliche Luftstrom ist so groß, daß es schwierig ist, lokale Fluidi­ sationen in der Aschenkammer oder in den Öffnungen im luft­ verteilenden Boden zu verhindern. Solche Fluidisationen kön­ nen den Materialtransport behindern. Die Kühlung durch Luft begründet auch die Gefahr eines Sinterns, besonders wenn das Bettmaterial unverbrannten Brennstoff enthält.

Es ist auch bekannt, das Material mit Hilfe von Rohre zu kühlen, die in der Aschenkammer angeordnet sind und von Ver­ brennungsluft oder Wasser durchströmt werden. Es hat sich jedoch als schwierig erwiesen, eine ausreichende Kühlfläche innerhalb des verfügbaren Raumes zu schaffen. Auch aus War­ tungsgründen ist die Anordnung von Rohren in der Aschenkam­ mer unerwünscht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kühlvorrich­ tung der eingangs genannten Art zu entwickeln, bei welcher die Kühlung von Asche und Bettmaterial in der Aschenkammer in einer Weise erfolgt, die von den genannten Nachteilen der bekannten Verfahren frei ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren gemäß dem Ober­ begriff des Anspruches 1 vorgeschlagen, welches erfindungs­ gemäß die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 genannten Merkmale hat.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens ist im An­ spruch 2 genannt.

Eine Kraftanlage zur Durchführung des Verfahrens ist gemäß der Erfindung durch die im Anspruch 3 genannten Merkmale ge­ kennzeichnet.

Vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Kraftanlage sind in den weiteren Ansprüchen 3 bis 6 genannt.

Gemäß der Erfindung wird die Asche und das Bettmaterial der Aschenkammer der Brennkammer auf seinem Wege durch diese Kammer zu einer Abführvorrichtung durch ein Gas gekühlt, welches durch eine Materialschicht in der Aschenkammer und durch eine das erhitzte Kühlgas kühlende Kühlvorrichtung zirkuliert wird. Eventuell im Gas vorhandener Sauerstoff verbrennt rückständigen Brennstoff, der aus der Brennkammer in die Aschenkammer gefallen ist. In der Praxis wird das zirkulierende Gas daher sauerstoffrei oder sehr sauerstof­ farm. Das Material in der Aschenkammmer ist partikelförmig und die Kontaktfläche zwischen den Materialpartikeln und dem Gas ist sehr groß. Der Wärmeaustausch wird sehr effektiv. Die erforderliche Dicke der Materialschicht, durch welche das Kühlgas geführt werden muß, ist gering. Die Kühlvorrich­ tung ist einfach, erfordert keine oder nur geringe Wartung und vereinfacht die Brennkammer. Das Problem der unerwünsch­ ten häufig auftretenden örtlichen Fluidisation des Materials in der Aschenkammer, welches den Fluß und die Kühlung behin­ dert, ist beseitigt. Das gleiche gilt für die Gefahr des Zu­ sammensinterns.

Der Gaskühler kann beispielsweise für die Heizung von Spei­ sewasser für die in der Brennkammer vorhandenen Rohre ver­ wendet werden, die das Wirbelbett in der Brennkammer kühlen und in denen Dampf für eine Dampfturbine erzeugt wird. Der Gaskühler kann ein durch das Kühlgas fluidisierbares Bett enthalten, wodurch ein großer spezifischer Wärmeübergang zu den Vorerwärmerrohren für das Speisewasser erzielt wird.

Anhand der in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 schematisch eine PFBC-Kraftanlage mit einem Ausfüh­ rungsbeispiel einer Vorrichtung gemäß der Erfindung ("PFBC" ist abgeleitet von dem englischen Ausdruck "Pressurized Fluidized Bed Combustion"),

Fig. 2 die Aschenkammer mit einer alternativen Ausführungs­ form einer Vorrichtung gemäß der Erfindung.

In Fig. 1 bezeichnet 10 ein Druckgefäß, 12 eine Brennkammer und 14 eine Zyklon-Gasreinigungsanlage, Diese Anlagenteile sind in einem Druckgefäß 10 untergebracht. Es ist nur ein Zyklon 14 dargestellt; in Wirklichkeit besteht die Reini­ gungsanlage jedoch aus einer Vielzahl parallelgeschalteter Zweige, von denen jeder aus einer Gruppe von in Reihe ge­ schalteter Zyklone besteht. Die Brennkammer 12 wird durch einen luftverteilenden Boden 16 unterteilt in einen Verbren­ nungsraum 18, dessen oberster Teil als Freiraum 18 a ausge­ bildet ist, und eine untere Aschenkammer 20. Der Boden 16 besteht aus langgestreckten Luftverteilungskammern 22 mit Luftdüsen 24. Zwischen den Kammern 22 sind Zwischenräume 26 vorhanden. Im Verbrennungsraum 18 der Brennkammer 12 be­ findet sich ein fluidisierbares Bett 28 aus partikelförmigem Material. Verbrauchtes Bettmaterial und gebildete Asche kön­ nen durch die Zwischenräume 26 aus dem Verbrennungsraum 18 in die Aschenkammer 20 fallen und von hier über eine Leitung 30, die mit einer Materialschleuse 32 und einem Ventil 33 versehen ist, abgeführt werden. Im Verbrennungsraum 18 sind Rohre 36 vorhanden, welche dem Bett 28 Wärme entziehen und in denen Dampf für eine nicht dargestellte Dampfturbine er­ zeugt wird. Brennstoff und frisches Bettmaterial werden dem Bett 28 der Brennkammer 12 über die Leitung 38 beziehungs­ weise 40 aus nicht dargestellten Vorratsbunkern für Brenn­ stoff und Bettmaterial zugeführt.

Die in dem Bett 28 erzeugten Verbrennungsgase werden in dem Freiraum 18 a gesammelt und von dort über die Leitung 42 dem Zyklon 14 zugeführt. Abgeschiedener Staub wird über eine druckreduzierende Abführvorrichtung 44 abgeführt. Das gerei­ nigte Gas wird über die Leitung 46, die mit einem Verschluß­ ventil 48 versehen ist, der Turbine 50 zugeführt. Die Tur­ bine 50 treibt einen Kompressor 52 und einen Generator 54. Komprimierte Verbrennungsluft vom Kompressor wird über eine Leitung 56 mit einem Verschlußventil 58 dem Innenraum des Druckgefäßes 10 zugeführt. Von hier strömt Luft über die Luftverteilungskammern 22 zu den Düsen 24, fluidisiert das Bettmaterial und verbrennt in dem Bett 28 den zugeführten Brennstoff.

Beim Auftreten einer Betriebsstörung, die mit der Gefahr ei­ nes Durchgehens der Gasturbine verbunden ist, werden die Turbine 50 und der Kompressor 52 von der Brennkammer 12 be­ ziehungsweise dem Raum 59 des Druckgefäßes 10 durch Schließen der Ventile 48 und 58 strömungsmäßig getrennt. Gleichzeitig wird das Ventil 60 in der Leitung 62 geöffnet. Im Falle einer andauernden Betriebsstörung und einer Still­ setzung der Anlage wird der Druck auf Atmosphärendruck redu­ ziert und in vielen Fällen der Verbrennungsraum 18 über die Aschenkammer 20 entleert.

Sowohl während des normalen Betriebes wie auch im Falle der Stillsetzung werden die Asche und das Bettmaterial bei der Abführung aus der Aschenkammer 20 vollständig oder teilweise durch ein Gas gekühlt, welches durch eine Materialschicht 21 in der Aschenkammer 20 und ein Kühlsystem 69 zirkuliert.

In dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 enthält der untere Teil der Aschenkammer 20 ein Rohrsystem 70 mit Düsen 72 zur gleichmäßigen Verteilung des Kühlgases über den Querschnitt des Raumes 20. Darüber sind nach unten offene Sammelkanäle 74 für das Kühlgas vorgesehen, die an ein oder mehrere Sam­ melrohre 76 angeschlossen sind. Diese Rohre sind über eine Leitung an einen Wärmetauscher 80 des Kühlkreises 69 ange­ schlossen, wobei der Wärmetauscher 80 als Vorwärmer für das den Rohren 36 zugeführte Speisewasser dient. Von dem Wärme­ tauscher 80 wird das Kühlgas dem Rohrsystem 70 mit den Düsen 72 wieder zugeführt über die Leitung 82, den Reiniger 89, die Leitung 86, den Kompressor oder Ventilator 88 und die Leitung 90. Bei Betrieb der Anlage beträgt der Arbeitsdruck etwa 12 bar. Der erforderliche Antriebsdruck für die Zirku­ lierung von Gas durch den Kühlkreis kann in der Größenord­ nung von 0,5 bar liegen. Beim Kühlen der Brennkammer 12, wenn diese im Falle einer Stillsetzung entleert wird, ist der Druck gleich dem atmosphärischen Druck. Ein zweckmäßiger Abstand zwischen dem Rohrsystem 70 mit den Düsen 72 und dem Sammelkanal 74 liegt in der Größenordnung von 200 mm.

In dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 ist zur Verteilung des Kühlgases in der Aschenschicht 75 ein zentral und in vertikaler Richtung angeordneter Gasverteiler 71 mit Schlit­ zen 73 vorhanden. Das Kühlgas strömt horizontal durch die Schicht 75, wie dies durch die Pfeile 77 angedeutet ist, und wird in dem Kanal 79 gesammelt, welcher über Schlitze 81 mit der Aschenkammer 21 in Verbindung steht.

Claims (8)

1. Verfahren zur Kühlung von Asche und Bettmaterial bei der Abführung der Asche und des Bettmaterials aus einer Brenn­ kammer (12), in welcher eine Verbrennung in einem Wirbelbett (28) aus partikelförmigem Material erfolgt, wobei die Küh­ lung in einer Aschenkammer (20) innerhalb oder nahe der Brennkammer (12) stattfindet, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Material beim Passieren der Aschen­ kammer (20) durch zirkulierendes Gas gekühlt wird, welches derart in die Aschenkammer (20) eingeführt wird, daß es durch eine im wesentlichen horizontale Materialschicht (21) strömt, und daß das durch die Kühlung aufgeheizte Gas in einem Wärmetauscher (80) gekühlt wird und dann der Aschenkammer (20) wieder zwecks Kühlung zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Kühlgas in die Aschenkammer (20) über einen auf einem horizontalen Niveau angeordneten Gas­ verteiler (70) eingeführt wird, nach oben die Material­ schicht (21) durchströmt, in einer Sammelvorrichtung (76) auf einem höheren Niveau gesammelt wird, den Wärmetauscher (80) durchströmt und zu dem Gasverteiler (70) in der Aschen­ kammer (20) zurückgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Kühlgas über einen Gasverteiler (71) in die Aschenkammer (20) eingeführt wird, durch eine im wesentlichen horizontale Materialschicht (21) strömt, in ei­ ner Sammelvorrichtung (79) gesammelt wird, den Wärmetauscher (80) durchströmt und zu dem Gasverteiler (71) in der Aschen­ kammer (20) zurückgeführt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es bei ei­ ner PFBC-Kraftanlage angewendet wird.

5. Kraftanlage, in der Brennstoff in einem Wirbelbett (28) aus partikelförmigem Material verbrannt wird,

• - mit einer Brennkammer (12) mit Verbrennungsraum (18),
• - mit einem Boden (16) im unteren Teil der Brennkammer (12), welcher mit Düsen (24) für die Zufuhr von Verbren­ nungsluft in den Verbrennungsraum (18) zur Fluidisierung des Bettes (28) und zur Verbrennung von Brennstoff im Bett (28) versehen ist,
• - mit einer Aschenkammer (20) unter dem Boden (16) und ei­ ner Vorrichtung (32) zur Abführung von Material aus der Aschenkammer (20),
• - mit Öffnungen in dem genannten Boden (16), durch welche Material aus dem Verbrennungsraum (18) in die Aschenkam­ mer (20) passieren kann,
• - mit einer Turbine (50), die von dem in der Brennkammer (12) erzeugten Verbrennungsgas angetrieben wird, und
• - mit einem Kompressor (52) zur Verdichtung von Verbren­ nungsluft, dadurch gekennzeichnet, daß zu der Kraftanlage gehören:
• - eine Vorrichtung (70, 71) zur Verteilung von Gas in einer im wesentlichen horizontalen Materialschicht (20),
• - eine Vorrichtung (76, 79) zum Sammeln des Gases, nachdem dieses die Materialschicht (21) durchströmt hat,
• - ein Wärmetauscher (80) zur Kühlung des Gases und
• - ein Kompressor oder Ventilator (88), welcher das Gas durch die Materialschicht (21) und den Wärmetauscher (80) zirkuliert.

6. Kraftanlagen nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine auf einem ersten Niveau angeordnete im wesentlichen horizontale Vorrichtung (70) zur Verteilung von Kühlgas über den Querschnitt der Aschenkammer (20) vorhanden ist, daß eine auf einem höheren Niveau gele­ gene Vorrichtung (76) zum Sammeln des Kühlgases vorhanden ist und daß ein an die Verteilervorrichtung (70) und die Sammelvorrichtung (76) angeschlossener Kühlkreis mit einem Wärmetauscher (80) und einem Kompressor oder Ventilator (88) zur Zirkulation und Kühlung des Kühlgases vorhanden ist.

7. Kraftanlage nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine im wesentlichen verti­ kal orientierte Vorrichtung (71) zur Verteilung von Kühl­ gas in der horizontalen Materialschicht (75) vorhanden ist, daß eine Sammelvorrichtung (79) für Gas, welches die Materialschicht (75) passiert hat, um die Verteilervor­ richtung (71) herum oder ihr gegenüber angeordnet ist, und daß ein an die Verteilervorrichtung (71) und die Sam­ melvorrichtung (79) angeschlossener Kühlkreis mit einem Wärmetauscher (80) und einem Kompressor oder Ventilator (88) zur Zirkulation und Kühlung des Kühlgases vorhanden ist.

8. Kraftanlage nach einem der Ansprüche 5 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß es sich um eine PFBC-Kraftanlage handelt.