DE3842738A1 - Verfahren und vorrichtung zur kuehlung des bettmaterials in der brennkammer einer pfbc-kraftanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kühlung des Bettmaterials in der Brennkammer einer PFBC- Kraftanlage gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Der Begriff PFBC ist eine Abkürzung des englischen Ausdruc­ kes "pressurized fluidized bed combustion".

Eine Betriebsstörung kann beispielsweise im Falle eines Lastausfalles auftreten. Bei einer solchen Störung werden zwei Ventile geschlossen, nämlich ein Ventil in der Heißgas­ leitung, durch welche eine Gasturbine mit Treibgas versorgt wird, und ein Ventil in der Luftleitung vom Kompressor, der von der Turbine angetrieben wird und die Anlage mit verdich­ teter Verbrennungsluft versorgt. Gleichzeitig wird ein Ven­ til in einer Bypassleitung zwischen den beiden eben genann­ ten Leitungen, also der Treibgasleitung und der Luftleitung geöffnet, wodurch eine direkte Verbindung (Kurzschluß) zwi­ schen den Strömungskreisen der Turbine und des Kompressors hergestellt wird. Durch die strömungsmäßige Abschaltung der Gasturbine von der Brennkammer wird ein Durchgehen der Tur­ bine und des Kompressors verhindert.

Wenn die Betriebsstörung anhält, muß der Druck durch Ablas­ sen von Verbrennungsgas aus der Brennkammer und verdichteter Verbrennungsluft aus dem die Brennkammer umgebenden Druckge­ fäß reduziert werden.

Die Druckherabsetzung kann zum Beispiel durch gleichzeitige Herabsetzung des Druckes in der Brennkammer und durch Ablas­ sen der Verbrennungsluft aus dem Druckgefäß in die Atmo­ sphäre herbeigeführt werden, wie dies beispielsweise in der US-A-47 44 212 beschrieben ist, oder in irgendeiner anderen geeigneten Weise. Bei einer Druckherabsetzung in der vorge­ nannten Weise wird die Temperatur des Bettmaterials nur un­ bedeutend herabgesetzt, so daß das Bettmaterial zusätzlich auf eine Temperatur, welche die Gefahr eines Zusammensin­ terns der Bettpartikel ausschließt, oder auf Raumtemperatur abgekühlt werden muß. Bei Temperaturen oberhalb von 600 Grad C und bei Anwesenheit von Sauerstoff besteht die Gefahr, daß sich aus dem im Bett vorhandenen Brennstoff Kohlenmonoxyd bildet, daß zu einer Explosion führen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Abkühlung des Bettes in der vorgenannten Situation zu schaf­ fen, bei der die Gefahr einer Explosion durch Bildung von Kohlenmonoxyd verhindert wird.

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 Weiterentwicklung der Erfindung ist im An­ spruch 2 genannt.

Eine Kraftanlage zur Durchführung des vorgenannten Verfah­ rens ist gemäß der Erfindung durch die im Anspruch 3 genann­ ten Merkmale gekennzeichnet.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen dieser Kraftanlage sind in den weiteren Ansprüchen 4 bis 6 genannt.

Gemäß der Erfindung wird also das Bett bei der Gefahr eines Durchgehens der Gasturbine und einer zur Abwendung dieser Gefahr erfolgten Abschaltung der Gasturbine und des Kompres­ sors von der Brennkammer beziehungsweise dem Druckgefäß das Bett in einem geschlossenen Kreis durch ein Gas gekühlt. Die Brennkammer, ein Gaskühler und ein Kompressor oder ein Ven­ tilator sind in diesem Kreis enthalten. Stickstoff kann die­ sem Kreis oder direkt der Brennkammer zugeführt werden, so daß man ein sauerstoffreies oder sauerstoffarmes Kühlgas er­ hält.

Anhand des in der einzigen Figur gezeigten Ausführungsbei­ spiels einer Kraftanlage nach der Erfindung soll die Erfin­ dung näher erläutert werden.

In der Figur bezeichnet 10 ein Druckgefäß, 12 eine Brennkam­ mer und 14 einen Gasreiniger, der symbolisch durch einen in dem Druckgefäß 10 untergebrachten Zyklon angedeutet ist. Es ist nur ein Zyklon 14 dargestellt; in Wirklichkeit besteht die Reinigungsanlage jedoch aus einer Vielzahl parallelge­ schalteter Zweige, von denen jeder aus einer Gruppe von in Reihe geschalteter Zyklone besteht. Die Brennkammer 12 wird durch einen luftverteilenden Boden 16 unterteilt in einen Verbrennungsraum 18, dessen oberster Teil als Freiraum 18 a ausgebildet 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 in die Aschenkammer 20 fallen und von hier über eine Leitung 30, die mit einer Material­ schleuse 32 und einem Ventil 33 versehen ist, abgeführt wer­ den. Im Verbrennungsraum 18 sind Rohre 36 vorhanden, welche dem Bett 28 Wärme entziehen und in denen Dampf für eine nicht dargestellte Dampfturbine erzeugt wird. Brennstoff und frisches Bettmaterial werden dem Bett 28 über eine Leitung 38 beziehungsweise 40 zugeführt.

Die in dem Bett 28 erzeugten Verbrennungsgase werden in dem Freiraum 18 a gesammelt und von hier 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 Luft vom Kompressor wird über eine Leitung 56 mit einem Verschlußventil 58 dem Innenraum des Druckgefäßes 10 zugeführt. Von hier strömt Luft über die Luftverteilungs­ kammern 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 Bypass- oder Kurz­ schlußleitung 62 geöffnet. Der Druck in der Brennkammer 12 und im Druckgefäß 10 kann auf das Niveau des atmosphärischen Druckes reduziert werden durch Ablassen der Verbrennungsgase über ein Ablaßventil 64 oder über Undichtigkeiten des Ven­ tils 48 und durch gleichzeitigen Luftablaß aus dem Raum 59 über das Ventil 65. Im Falle einer Abtrennung der Gasturbine kann die Verbrennung im Bett 28 dadurch schnell unterbrochen werden, daß Inertgas, zweckmäßigerweise Stickstoff, dem Bett 28 über die Fluidisierungsdüsen 24 zugeführt wird.

Der Wärmeinhalt des das Bett 28 bildenden Materials ist so groß, daß das Bett durch das beim Reduzieren des Druckes durch das Bett geführte Gas nur unbedeutend gekühlt wird. Wenn die Fluidisierung aufhört, fällt das Bett 28 in sich zusammen, so daß die Rohre 36 vollständig oder zum Teil oberhalb des Bettes 28 liegen und dem Bettmaterial keine Wärme mehr entziehen, dieses also nicht mehr kühlen. Bei ho­ her Temperatur kann das Material im zusammengefallenen Bett 28 zusammensintern. Es ist daher wichtig, daß dieses Mate­ rial so schnell wie möglich auf eine Temperatur unterhalb 600 Grad C gekühlt wird. Nachdem die Anlage abgeschaltet ist, kann es wünschenswert sein, diese schnell auf Raumtem­ peratur abzukühlen.

Zu der Kraftanlage gehört ein geschlossener Kühlkreis 69. Zu diesem gehört eine Leitung 70, die an die Leitung 62 vom Zy­ klon 14 oder direkt an die Brennkammer 12 angeschlossen ist, wie dies die gestrichelte Linie 70 a zeigt, ein Kühler 72, ein Filter 74, ein Kompressor oder Ventilator 76 und eine Rückführleitung 78, die an die Luftverteilungskammern 22 an­ geschlossen ist. Die Leitung 78 enthält ein Verschlußventil 80. Ein in der Aschenkammer 20 angeordneter Kühlgasverteiler 82 ist über eine Leitung 84 mit einem Ventil 86 an die Lei­ tung 78 angeschlossen. Ein Stickstoffgasbehälter 88 ist über eine Leitung 90 mit einem Ventil 92 an die Leitung 78 ange­ schlossen.

Nach einem Abschalten der Gasturbine können das Bett 28 und das Material in der Aschenkammer 20 durch Gas gekühlt wer­ den, welches durch die Brennkammer 12 und den Kühlkreis 69 zirkuliert wird. Die Ventile 80 und 82 werden geöffnet, und der Kompressor 76 wird gestartet. Zur gleichen Zeit wird das Ventil 92 geöffnet, so daß die Brennkammer 12 und der Kühl­ kreis 69 mit Stickstoff gefüllt werden und so ein sauerstof­ freies oder sauerstoffarmes Kühlgas gewonnen wird. Die Ver­ brennung von rückständigem Brennstoff im Bett 28 und die Entstehung eines explosiven Gases werden unterbrochen. Nach Füllung der Brennkammer 12 und des Kühlkreises 69 kann eine verminderte fortgesetzte Zuführung von Stickstoff zweckmäßig sein. Kühlgas, welches durch den Kühlgasverteiler 82 und die Düsen 24 eingeführt wird, passiert nach oben durch das in der Aschenkammer 20 vorhandene Bettmaterial und das zusam­ mengefallene Bett 28 und entzieht dem Bettmaterial Wärme. Das das Bett 28 verlassende heiße Gas wird in einem gewissen Umfange durch die freigelegten Rohre 36 über dem Bett 28 ge­ kühlt und anschließend in dem Kühler 72, wonach das gekühlte Gas in die Aschenkammer 20 und den Verbrennungsraum 18 re­ zirkuliert wird.

Claims (6)

1. Verfahren zur Kühlung des Bettmaterials (28) in der Brennkammer (12) einer PFBC-Kraftanlage, beispielsweise im Falle einer Betriebsstörung in der Turbineneinheit (50, 52) infolge eines Lastabwurfes und damit verbundener Durchgege­ fahr für die Gasturbine oder im Falle der Stillsetzung der Anlage zum Zwecke der Wartung, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Gas aus der Brennkammer (12) durch einen Kühlkreis (69) zirkuliert wird, der außer­ halb der Brennkammer (12) angeordnet ist und in welchem das Gas in einem Kühler (72) gekühlt wird, woraufhin das Gas der Brennkammer (12) erneut zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in den Kühlkreis (69) und die Brennkam­ mer (12) inertes Gas, beispielsweise Stickstoff, eingespeist wird zur Unterdrückung der Verbrennung von rückständigem Brennstoff in Bett (28) und der Bildung eines explosiven Gasgemisches.

3. 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 die Brennkammer (12) 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 die Ver­ brennungskammer (12) an einen Kühlkreis (69) angeschlossen ist, der zur Kühlung von Gas aus der Brennkammer (12) einen Kühler (72) und einen Kompressor oder Ventilator (76) ent­ hält, und mit Mitteln zur Rückführung des gekühlten Gases zu der Brennkammer (12).

4. Kraftanlage nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Kühlkreis (69) mit seiner Abströmseite an den Luftverteilungsboden (16) der Brennkam­ mer (12) angeschlossen ist.

5. Kraftanlage nach Anspruch 3 oder 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Kühlkreis (69) mit seiner Abströmseite an einen in der Aschenkammer (20) angeordneten Kühlgasverteiler (82) angeschlossen ist.

6. Kraftanlage nach einem der Ansprüche 3-5, dadurch gekennzeichnet, daß zu der Anlage eine Gas­ quelle (88) gehört, die ein hinsichtlich dem Brennstoff in der Brennkammer (12) inertes Gas enthält, zum Beispiel Stickstoff, und daß die Gasquelle (88) an den Kühlkreis (69) oder direkt an die Brennkammer (12) angeschlossen ist.