DE3879752T2 - Kraftwerk zum Verbrennen von Brennstoff in einem Wirbelbett aus teilchenförmigem Material. - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf eine Kraftwerksanlage zur Verbrennung von Brennstoff in einem Wirbelbett aus partikelförmigem Material gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Eine solche Kraftwerksanlage wird beschrieben in der US-A-4 268 244.
• Die Erfindung ist anwendbar sowohl auf Anlagen, in welchen die Verbrennung unter atmosphärischem Druck stattfindet, als auch für Anlagen, bei denen die Verbrennung bei einem beträchtlich über dem atmosphärischem Druck liegenden Druck stattfindet, zum Beispiel in einer sogenannten PFBC-Kraftwerksanlage mit einer Brennkammer, die in einem Druckgefäß untergebracht ist und von komprimierter Verbrennungsluft in dem Raum zwischen dem Druckgefäß und dem Bettgefäß umgeben ist. Der Ausdruck "PFBC" ist abgeleitet aus den Anfangsbuchstaben des englischen Ausdruckes "Pressurized Fluidized Bed Combustion".
• In Anlagen mit einem Bettgefäß, das einen offenen Bettboden mit parallelen Luftverteilungsrohren und eine Brennkammer über dem Bettboden hat und eine oder mehrere Aschenkammern mit gekühlten Wänden unter dem Bettboden hat, entstehen durch Temperaturdifferenzen zwischen der Aschenkammer und den Luftverteilungsrohren Konstruktionsprobleme, die durch die unterschiedliche Wärmeausdehnung der verschiedenen Konstruktionsteile bedingt sind. Die Temperaturdifferenzen sind besonders groß beim Starten der Anlage und beim Einschießen von heißen Verbrennungsgasen mit einer Temperatur von 800 -900ºC aus einer Start-Brennkammer durch die Luftverteilungsrohre des Bettbodens zum Aufheizen des Bettmaterials auf die Selbsterhitzungstemperatur des Brennstoffes.
• In einer Kraftwerksanlage der oben genannten Art, die in der US-A-4 268 244 beschrieben wird, sind eine Anzahl von Luftverteilungsrohren mit kreisförmigem Querschnitt einzeln mittels eines Verbindungsrohres an eine Luftverteilungskammer angeschlossen, die senkrecht zu den Rohren angeordnet ist. In einer gezeigten Ausführungsform mit einem ausreichenden Querschnitt der Luftverteilungsrohre und einer für die Fluidisation des Bettes und für eine gute Verbrennung des Brennstoffes ausreichenden Entfernung zwischen den Rohren wird die Entfernung zwischen den Luftverteilungsrohren klein und die Spaltgröße unzureichend. Schlackeklumpen, die sich während der Verbrennung bilden, können nicht in die unter den Rohren vorhandene Aschenkammer gelangen, und die Verbrennung wird gestört. Dies führt schließlich zu einer Unterbrechung des Betriebes.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kraftwerksanlage zur Verbrennung von Brennstoff in einem Wirbelbett aus partikelförmigem Material zu entwickeln, die so konstruiert ist, daß die oben genannten Schlackeklumpen den Bettboden passieren können, ohne die Luftverteilung für die Fluidisation des Bettes und die Verbrennung des Brennstoffes zu beeinträchtigen, und die große Druckverluste in dem Luftverteilungssystem vermeidet. Ferner soll die Konstruktion so beschaffen sein, daß die mechanische Beanspruchung infolge unterschiedlicher Wärmeausdehnungen der Konstruktionsteile des Luftverteilungssystems gering ist.
• Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Kraftwerksanlage zur Verbrennung von Brennstoff in einem Wirbelbett aus partikelförmigem Material gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 vorgeschlagen, welche erfindungsgemäß die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 genannten Merkmale hat.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen genannt.
• Gemäß der Erfindung ist der Bettboden des Bettgefäßes mit Luftverteilungsrohren versehen, die eine beträchtlich größere Höhe als Breite haben. Das Verhältnis zwischen Höhe und Breite sollte größer als 2:1 sein, zweckmäßigerweise größer als 3:1 sein. Mit einer solchen Konstruktion kann eine im Hinblick auf die Schlackenbildung ausreichende Spaltbreite zwischen den Luftverteilungsrohren erreicht werden bei einem geeigneten Abstand zwischen den Rohren unter Beachtung des erforderlichen Abstandsmusters von Düsen zur Erzielung einer guten Fluidisation und guter Verbrennungsbedingungen. Spaltbreiten von 40 mm können ohne Schwierigkeit erreicht werden. Diese Breite ist im Hinblick auf die unvermeidbare Bildung von kleinen Schlackeklumpen ausreichend. Zur Kühlung des Materials in der Aschenkammer durch Injektion von Verbrennungsluft ist eine große Spaltfläche zwischen den Luftverteilungsrohren erwünscht. Eine große Fläche reduziert die Gefahr, daß diese Kühlluft eine Fluidisation des Materials in den Spalten verursacht.
• Die Fläche eines zylindrischen Verbindungsrohres zwischen einem Luftverteilungsrohr und einer Verteilerkammer ist ungenügend für die in Rede stehende Luftmenge. Eine hohe Luftgeschwindigkeit würde unerwünschte Druckabfälle und Energieverluste verursachen. Rechteckige Verbindungskanäle sind mit Konstruktionsschwierigkeiten verbunden, insbesondere hinsichtlich der thermischen Beanspruchungen bei unterschiedlicher Ausdehnung verschiedener Konstruktionsteile. Durch die Verbindung der Luftverteilungsrohre mit der Luftverteilungskammer in Gruppen von je mehreren Rohren mittels einer zylindrischen Verbindungsleitung, die als sogenannte Thermohülse ausgebildet ist, erhält man einen ausreichenden Strömungsquerschnitt und ausreichende Bewegungsmöglichkeiten zwischen den Konstruktionsteilen der Anlage, die in unterschiedlicher Weise erhitzt werden. Unter "gruppenweiser" Verbindung wird verstanden, daß zumindest zwei Luftverteilungsrohre über eine gemeinsame Verbindungsleitung mit der Luftverteilungskammer verbunden sind. Die Verbindungsleitung, oder Thermohülse, kann aus zwei konzentrischen Rohren aufgebaut sein. Die Rohre können aus zwei konzentrischen Hülsen hergestellt sein. Die innere Hülse ist an ihrem oberen Ende mit einem oder mehreren Luftverteilungsrohren verbunden. Die unteren Enden der Hülsen sind miteinander verbunden. Die äußere Hülse ist an ihrem oberen Ende mit der oberen Wand der sich quer erstreckenden Luftverteilungskammer verbunden. Die Hülsen haben zweckmäßigerweise einen kreisförmigen Querschnitt.
• Das Bettgefäß ist zweckmäßigerweise mit zwei parallelen Aschenkammern versehen. Die Luftverteilungskammer ist zwischen den beiden Aschenkammern angeordnet, wobei die Wände der Aschenkammern zugleich Seitenwände der Luftverteilungskammer bilden.
• Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist unter der Luftverteilungskammer ein vertikaler Kanal vorgesehen, und in dem unteren Teil dieses Kanals ist eine Brennkammer vorhanden. Die Aufgabe dieser Brennkammer besteht darin, heißes Gas für die Aufheizung des Bettmaterials beim Start der Anlage zu erzeugen. Der Kanal hat eine horizontale Wand, durch die ein Austrittsrohr von der Start-Brennkammer nach oben hindurchtritt. Sowohl oberhalb wie unterhalb dieser horizontalen Wand steht der Kanal mit einer Druckluftquelle in Verbindung, welche die Anlage mit komprimierter Verbrennungsluft versorgt. Zu der Verbindung oberhalb der horizontalen Wand gehört ein Ventil, durch welches die gesamte Luftmenge von der Verbrennungsluftquelle so gesteuert werden kann, daß sie durch die Start-Brennkammer strömt.
• Anhand der in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen
• Figuren 1 und 2 schematisch je einen vertikalen Schnitt durch eine PFBC-Kraftwerksanlage in zwei zu einander senkrecht bestehenden Ebenen,
• Figuren 3 und 4 die Verbindung zwischen der Luftverteilungskammer und langgestreckten Luftverteilungsrohren, die mit Fluidisationdüsen versehen sind und einen offenen Bettboden bilden,
• Figur 5 eine perspektivische Darstellung, die ebenfalls die Verbindung zwischen der Luftverteilungskammer und den Luftverteilungsrohren zeigt,
• Figur 6 im vergrößerten Maßstab eine schematische Darstellung des unteren Teils des Bettgefäßes mit der Luftverteilungskammer und der Start-Brennkammer im gleichen Schnitt wie in Figur 1.
• In den Figuren bezeichnet 10 ein Druckgefäß. Darin befindet sich ein Bettgefäß 12, eine Reinigungsanlage mit Zyklonen 14 zur Abscheidung von Staub aus den Verbrennungsgase, die bei der Verbrennung von Brennstoff in einem Wirbelbett 16 in der Brennkammer 11 im Bettgefäß 12 entstehen. Die Verbrennungsgase, die sich im Freiraum 18 sammeln, werden über die Leitungen 20 zu den Zyklonen 14 geleitet und von dort durch die Leitungen 22 zu einer Gasturbine 24. Mehrere Gruppen von in Reihe geschalteten Zyklonen 14 sind vorhanden. Die Turbine 24 treibt einen Kompressor 26 und einen Generator 28. Die in dem Kompressor 24 komprimierte Verbrennungsluft wird über die Leitung 29 dem Raum 30 im Druckgefäß 10 zugeführt. Im Bettgefäß 12 befinden sich Rohre 32 zur Erzeugung von Dampf, der zum Antrieb einer nicht dargestellten Dampfturbine und zur Kühlung des Bettes 16 dient. Staub, der in den Zyklonen 14 abgeschieden wird, wird über eine druckreduzierende Abführvorrichtung 15 abgeführt und in einem Behälter 17 gesammelt.
• Das Bettgefäß 12 ist mit einem offenen Bettboden 34 versehen, der aus einer Anzahl langgestreckter Luftverteilungsrohre 36 mit Fluidisationdüsen 38 besteht. Der Boden 34 unterteilt das Bettgefäß 12 in einen oberen Teil mit der Brennkammer 11 und dem Freiraum 18 und einen unteren Teil mit zwei parallelen Aschenkammern 40. Material aus dem Bett 16 kann durch die Spalte 42 zwischen den Luftverteilerrohren 36 in die Aschenkammern 40 gelangen. Luft zur Kühlung des Materials in den Aschenkammern 40 kann über Rohre 41 mit Düsen 43 zugeführt werden. Luft direkt aus dem Raum 30 kann als Asche-Kühlmittel verwendet werden.
• Eine Luftverteilungskammer 50 wird durch die inneren Seitenwände 44 (Figur 2) der Aschenkammern 40, durch Wände 46 (Figur 1), die sich zwischen diesen Seitenwänden erstrecken, und durch horizontalen Wänden 48 und 58 gebildet. Von dieser Kammer 50 werden die Luftverteilungsrohre 36 gruppenweise - in den Figuren besteht jede Gruppe aus drei solchen Rohren 36 - mit Verbrennungsluft über je ein sich nach unten erstreckende doppelwandiges Verbindungsrohr 52 (Thermohülse) versorgt, welches aus einer inneren Hülse 54 und einer äußeren Hülse 56 besteht. Die innere Hülse 54 ist an die drei Luftverteilungsrohre 36 angeschlossen. Die innere Hülse 54 und die äußere Hülse 56 sind an ihren unteren Enden miteinander verbunden. An ihrem oberen Ende ist die äußere Hülse 56 mit der horizontalen Wand 58 verbunden, die die Kammer 50 nach oben begrenzt.
• Wie deutlicher aus den Figuren 3, 4 und 5 hervorgeht, besteht die inneren Hülse 54 des Verbindungsrohres 52 aus einem inneren zylindrischen Teil 54a und einem tunnelartigen Übergangsteil 54b, welcher die Hülse 54 mit den zugehörigen drei Luftverteilungsrohren 36 verbindet. Die äußere Hülse 56 besteht aus einem zentralen zylindrischen Teil 56a, einem unteren konischen Teil 56b, der mit dem unteren Teil 54a der inneren Hülse 54 verbunden ist, und einem oberen konischen Teil 56c, der mit der horizontalen Wand 58 verbunden ist. Zwischen den Luftverteilungsrohren 36 sind schräge Bleche 60 vorhanden. Diese Bleche 60 bilden ein Dach über dem Rohr 52 und grenzen den Raum über der Öffnung des Rohres 52 von dem Raum ab, der das Bett 16 enthält.
• Beim Start der Anlage mit heißem Gas von den Start-Brennkammern 72, welches Gas dem Bett über die Luftverteilungsrohre 36 zugeführt wird, ist die Temperaturdifferenz zwischen den verschiedenen Konstruktionsteilen groß. Dank des Aufbaues des Verbindungsrohres (Thermohülse) 52 mit einer inneren Hülse 54 und einer äußeren Hülse 56 können sich die vorhandenen Konstruktionsteile in unterschiedlichem Maße thermisch ausdehnen, ohne daß hierbei unzulässige Spannungen auftreten.
• Unter dem Bettgefäß ist ein vertikaler Kanal 70 vorhanden, der an seinem Boden geschlossen ist und der oben in die Luftverteilungskammer 50 mündet. Der Kanal 70 ist an die untere Wand 48 der Luftverteilungskammer 50 angeschlossen. Im unteren Teil des Kanals 70 befindet sich eine Anzahl von Start-Brennkammern 72, die von einer Säule 74 getragen werden. Diese Start-Brennkammern 72 sind an ihrer Austrittsseite an einen inneren Kanal 76 angeschlossen. Zwischen den Kanälen 70 und 76 ist eine horizontale oder geneigte Wand 78 vorhanden, welche den ringförmigen Raum zwischen den beiden Kanälen 70 und 76 in einen oberen Raum 80 und einen unteren Raum 82 teilt. Diese Räume 80 und 82 stehen mit dem Raum 30, der komprimierte Verbrennungsluft enthält, über den Kanal 84 (Figur 1) und die Kanäle 86 und 88 in Verbindung. In dem Kanal 84 ist die druckreduzierende Abführvorrichtung 15 vorhanden, die als Kühler ausgebildet ist. Sie ist an die Ascheaufnahmebehältern 17 angeschlossen. In der Luftleitung 86 befindet sich ein Ventil 94. Die Start-Brennkammern 72 werden mit Brennstoff, Gas oder Öl über die Leitungen 96 und die Brenner 98 versorgt.
• Beim Start der Anlage ist die Luftzufuhr zu dem Raum 80 durch das Ventil 94 in der Leitung 86 gesperrt, wie in dem rechten Teil in Figur 1 und Figur 6 gezeigt ist, und Luft wird nur dem unteren ringförmigen Raum 82 und den Start- Brennkammern 72 zugeführt. Die Brennkammern werden über die Leitungen 96 mit Brennstoff versorgt, die heißen Verbrennungsgase werden über den inneren Kanal 76 der Luftverteilungskammer 50 zugeführt und von dort über die doppelwandigen Rohre 52 (Thermohülsen) auf die Luftverteilungsrohre 36 und die Mundstücken 38 zur Heizung des Bettes 16 verteilt. Wenn das Bett 16 eine für die Selbstentzündung von Brennstoff ausreichend hohe Temperatur erreicht hat, wird das Ventil 94 geöffnet, und das Bett 16 wird durch die Brennstoffleitung 100 mit Brennstoff versorgt. Die Brennstoffzufuhr zu den Start-Brennkammern 72 wird unterbrochen. Verbrennungsluft wird nun direkt der Luftverteilungskammer 50 zugeführt, teilweise durch die Leitung 86 und dem Raum 80 und teilweise über die Leitung 88, die Start-Brennkammern 72 und den inneren Kanal 76.

Claims (7)

1. Kraftwerksanlage zur Verbrennung von Brennstoff, vorzugsweise Kohle, in einem Wirbelbett (16) aus partikelförmigem Material mit

einem Bettgefäß (12),

einer Anzahl paralleler Luftverteilungsrohre (36) mit Düsen (38), die einen Bettboden (34) bilden und das Bettgefäß (12) in einen oberen Teil mit einer Brennkammer (11) und einem Freiraum (18) über dem Wirbelbett (16) und einen unteren Teil unterteilen, der eine Aschenkammer (40) für abgezogene Asche und verbrauchtes Bettmaterial bildet,

Spalten (42) zwischen den Luftverteilungsrohren (36), durch welche Asche und Bettmaterial aus der Brennkammer (11) in die Aschenkammer (40) passieren kann, und

einer unter dem Bettboden (34) angeordneten Luftverteilungskammer (50), von der aus die Luftverteilungsrohren (36) mit Verbrennungsluft zur Fluidisation des Bettes (16) und zur Verbrennung des Brennstoffes im Bett (16) versorgt werden,

dadurch gekennzeichnet, daß die Luftverteilungsrohre (36) eine wesentlich größere Höhe als Breite haben und daß die Luftverteilungsrohre (36) gruppenweise an die Luftverteilungskammer (50) angeschlossen sind durch ein gemeinsames, im wesentlichen zylindrisches Verbindungsrohr (52) von Art einer sogenannten Thermohülse, welches unterschiedliche Wärmeausdehnungen der oberen Wand (58) der Luftverteilungskammer (50) und der Luftverteilungsrohre (36) zuläßt.

2. Kraftwerksanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftverteilungsrohre einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt haben.

3. Kraftwerksanlage nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Höhe und Breite der Luftverteilungsrohre (36) größer als 2:1, vorzugsweise größer als 3:1 ist.

4. Kraftwerksanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungsrohr (52) vom Thermohülsentyp aus einer inneren Hülse (54) und einer äußeren Hülse (56) besteht, daß die innere Hülse (54) an ihrem oberen Ende mit mindestens zwei Luftverteilungsrohren (36) verbunden ist, daß die Hülsen (54, 56) an ihren unteren Enden miteinander verbunden sind und daß die äußere Hülse (56) an ihrem oberen Ende mit einer Wand (58) der Luftverteilungskammer (50) verbunden ist.

5. Kraftwerksanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungsrohr (52) an der Anschlußebene an die Luftverteilungsrohre (36) ein Übergangsteil (54b) mit rechteckigem Querschnitt hat.

6. Kraftwerksanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

das Bettgefäß (12) mindestens zwei Aschenkammern (40) hat,

die Luftverteilungskammer (50) zwischen den Aschenkammern (40) angeordnet ist, und

die Seitenwände (44, 46) der Aschenkammern (40) zugleich die Seitenwände der Luftverteilungskammer (50) bilden.

7. Kraftwerksanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

unter der Luftverteilungskammer (50) ein erster vertikaler Kanal (70) angeordnet ist,

zumindest eine Start-Brennkammer (72) zur Vorheizung des Bettes (16) im unteren Teil des genannten ersten Kanals (70) angeordnet ist,

im inneren des ersten Kanals (70) ein zweiter Kanal (76) vorhanden ist, der einen Ausgang von der Start-Brennkammer (72) bildet,

zwischen den Kanälen (70,76) eine Wand (78) vorhanden ist, welche den ringförmigen Raum zwischen den beiden Kanälen (70, 76) in einen oberen Raum (80) und einen unteren Raum (82) unterteilt,

die beiden Räume (80, 82) zwischen den Kanälen (70, 76) mit einer Druckluftquelle (30) in Verbindung stehen und

ein Luftventil (94) in der Verbindung zwischen der genannten Druckluftquelle (30) und dem oberen Raum (80) vorhanden ist.