DE69024816T2

DE69024816T2 - Verfahren und vorrichtung zur vorerwärmung eines wirbelbettes

Info

Publication number: DE69024816T2
Application number: DE69024816T
Authority: DE
Inventors: Svante Thorhuus
Original assignee: ABB Stal AB
Current assignee: ABB Stal AB
Priority date: 1989-09-22
Filing date: 1990-09-21
Publication date: 1996-09-05
Anticipated expiration: 2010-09-22
Also published as: FI921224A; US5347936A; WO1991004444A1; EP0493497A1; SE8903123D0; AU6512590A; FI921224A0; DE69024816D1; JPH05501002A; ES2084707T3; SE8903123L; SE464539B; EP0493497B1; FI93574C; DK0493497T3; FI93574B

Description

Technisches Gebiet.

Die Erfindung betrifft ein Wirbelbett mit Verbrennung von dem Wirbelbett zugeführten Hauptbrennstoff. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Wirbelbett mit Verbrennung in einem unter Druck stehenden Wirbelbett mit partikelförmigem Bettmaterial, einer sogenannten PFBC-Anlage ("Pressurized Fluidized Bed Combustion"). Genauer, bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Vorwärmen des Bettmaterials auf mindestens die Zündtemperatur für den im Wirbelbett verwendeten Hauptbrennstoff und auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Stand der Technik

Wirbelbetten sind gut geeignet zur Verbrennung von festen, flüssigen und gasförmigen Brennstoffen. Die für die Verbrennung notwendige Luft wird auch zur Fluidisierung des Bettmaterials verwendet. Die große thermische Trägheit des Bettmaterials bewirkt, daß die Verbrennung bei niedrigen Temperaturen stattfindet, wodurch die Bildung von unerwünschten Stickstoffoxyden unterdrückt wird. Die große Wärmekapazität reduziert Störungen, die durch Variationen im Brennstoff entstehen können. Wenn schwefelhaltige Brennstoffe verbrannt werden, können Zusätze an Schwefel-Absorptionsmitteln, wie zum Beispiel Kalk, Kalkstein oder Dolomit, zum Bettmaterial die Emission von Schwefeloxyden stark reduzieren, da der während der Verbrennung freiwerdende Schwefel an das Schwefel-Absorptionsmittel gebunden wird.
Damit die Verbrennung in einem Wirbelbett stattfinden kann, muß jedoch zunächst das Bettmaterial auf die Zündtemperatur des Brennstoffes vorgewärmt werden. Eine Vorwärmung kann durch im Wirbelbett vorhandene Wärmeaustauscherrohre erfolgen, durch welche von einer äußeren Quelle kommender überhitzter Dampf geleitet wird. Es können spezielle Brenner in dem Wirbelbett eingeführt werden. Startbrennstoff mit einer niedrigen Zündtemperatur kann dem Wirbelbett zugeführt und entzündet werden und während seiner Verbrennung das Wirbelbett vorwärmen. Jedoch bei großen Wirbelbetten begründet die Mischung von Startbrennstoff und Luft in dem Wirbelbett die Gefahr einer Explosion.
Das Bettmaterial kann außerhalb des Bettgefäßes vorgewärmt werden und im heißen Zustand zugeführt werden oder durch eine äußere Heizvorrichtung rezirkuliert werden.
Normalerweise erfolgt die Vorwärmung jedoch durch die Durchleitung heißer Gase, vorzugsweise Verbrennungsgase, durch das Bett. Die Verbrennungsgase erhält man durch Verbrennung in speziellen Startbrennkammern oder Startbrennern, die in den Gaspfaden integriert sein können (gemäß VDI-Bericht Nr. 322, 1978, Seite 139-145) oder frei aufgestellt sein können. Zur Vermeidung von Korrosion im Zusammenhang mit dem Kondensat von Verbrennungsgasen an den kalten Wänden der Gaspfade werden die Gaspfade normalerweise vorgewärmt mit heißer, vorzugsweise trockener Luft mit einer Temperatur, die etwa 250º C betragen soll, bevor die Verbrennung von fossilen Brennstoffen in den Gaspfaden stattfindet.
Startbrenner und Startverbrennungskammern bekannter Art führen zu starken Druckverlusten und damit verbundenen Verlusten an den Brennern und Verbrennungskammern, wenn man diese während des normalen Betriebes in den Gaspfaden beläßt. Um dies zu vermeiden, werden die Startbrenner oder Startbrennkammern entweder nur während des Starts in die Gaspfade ein geführt, oder, unter Umleitung des Luftstromes zum Wirbelbett, nur während des Starts an die Gaspfade angeschlossen und wieder entfernt, wenn die Anlage an die normalen Betriebsbedingungen angepaßt ist, siehe beispielsweise EP-A-O 4 289 974.

Zusammenfassung der Erfindung

Durch das Verfahren gemäß der Erfindung und der in den Gaspfaden angeordneten Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens zur Verbrennung von Startbrennstoff kann ein Wirbelbett mindestens auf die Zündtemperatur für den im Wirbelbett ver wendeten Hauptbrennstoff vorgewärmt werden, ohne die Notwendigkeit, eine spezielle Vorwärmausrüstung während des Startvorganges einzuführen oder anzuschließen, wie dies nach dem Stande der Technik notwendig ist. Ein Bettvorwärmer gemäß der Erfindung verursacht auch keine Verluste bedingt durch Druckverluste oder andere Störungen in den Gaspfaden während des normalen Betriebes. Daher kann der Vorwärmer dauernd in den Gaspfaden verbleiben, wodurch sich ein einfacherer Aufbau und reduzierte Konstruktionskosten ergeben.
Gemäß der Erfindung erfolgt die Vorwärmung durch Verbrennung eines Startbrennstoffes. Die Glieder zur Verbrennung des Startbrennstoffes sind gemäß der Erfindung in die Gaspfade stromaufwärts des Wirbelbetts integriert. Die Gaspfade sind imstande, das Wirbelbett mit Luft zur Fluidisierung des partikelförmigen Bettmaterials und zur Verbrennung des dem Wirbelbett zugeführten Hauptbrennstoffs zu versorgen und enthalten unter anderem Fluidisierungsglieder, die nahe dem Wirbelbett angeordnet sind. Startbrennstoff wird den in den Fluidisierungsglieder angeordneten Brennstoffinjektoren zugeführt, wird durch Druck in den Brennstoffinjektoren zerstäubt, und zwar entweder durch Druck, der durch ein Druckrohr zugeführt wird, oder durch gleichzeitige Beschickung der Brennstoffinjektoren mit einem unter Druck stehenden Zerstäubungsmittel, wie beispielsweise Dampf oder Luft. Der zerstäubte Brennstoff wird mit der Luft vermischt, die durch die Fluidisierungsglieder strömt und wird entzündet. Zur Zündung der Mischung aus Startbrennstoff und Luft sind Zünd glieder in der Nähe der Brennstoffinjektoren angeordnet. Ferner sind in der Nähe der Fluidisierungsglieder Kontrollglieder angeordnet zur Feststellung, ob die Zündung stattgefunden hat. Nach erfolgter Vorwärmung wird das Brennstoffrohr gespült, wozu der Überdruck in den Fluidisierungsgliedem verwendet wird. Ein Ventil öffnet ein Kurzschlußrohr, welches derart angeordnet ist, daß die Brennstoffpumpe und der Brennstoffilter umgangen werden. Der Brennstofftank darf keinem Überdruck ausgesetzt werden.
Durch die Zünd- und Kontrollgueder, die gemäß der Erfindung verwendet werden, wird eine Ansammlung von Startbrennstoff in den Gaspfaden und die damit zusammenhängende Gefahr von Explosionen vermieden.
Gemäß der Erfindung sind die Glieder zur Verbrennung von Startbrennstoff derart angeordnet und beschaffen, daß an ihnen nur ein minimaler Druckverlust auftritt, während sie gleichzeitig die erforderliche Turbulenz in der Nähe der Brennstoffinjektoren erzeugen. Dies wird gemäß der Erfindung durch die Anordnung von flußlenkenden Gliedern erreicht, vorzugsweise Flanschen und Führungsflächen, die um die Brennstoffinjektoren herum oder stromaufwärts derselben angeordnet sind. Die Führungsflächen teilen den an den Brennstoffinjektoren vorbeiströmenden Luftfluß in einen turbulenten Teilfluß, welcher die für die Verbrennung notwendigen Druckdifferenzen erzeugt, und einen Hauptfluß auf, der an den Brennstoffinjektoren mit minimaler Störung vorbeigeführt wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Das Prinzip der Erfindung wird in Figur 1 gezeigt. Die Integration der Erfindung in die Fluidisierungsglieder zeigen die Figuren 2 und 3, und Figur 4 zeigt die Glieder zur Verbrennung des Startbrennstoffes, welche Führungsflächen (Führungsbleche) und Brennstoffinjektoren enthalten. Die für die Zuführung von Startbrennstoff erforderlichen Kreise und die für die Zündung und Kontrolle der Vorwärmung verwendeten Glieder zeigt Figur 5. Figur 6 zeigt die Anwendung der Erfindung bei eine PFBC-Anlage.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele

In einer Verbrennungsanlage mit Verbrennung in einem partikelförmigen Wirbelbett 10 ist gemäß Figur 1 das Wirbelbett 10 in einem Bettgefäß 11 enthalten. Bettmaterial, welches falls der Brennstoff schwefelhaltig ist, mindestens teilweise Schwefel-Absorptionsmittel enthält, wie zum Beispiel Kalk, Kalkstein oder Dolomit, und Brennstoff können durch Glieder 12 zugeführt werden. Luft zur Fluidisierung und zur Verbrennung des dem Wirbelbett 10 zugeführten Brennstoffes wird durch Gaspfade 50 zugeführt, die in der Verbrennungsanlage vorhanden sind. Unmittelbar stromaufwärts des Wirbelbettes 10 sind Fluidisierungsglieder 13 in den Gaspfaden 14 vorhanden zur Injektion und Verteilung von Luft in dem Wirbelbett 10. In Figur 1 bezeichnet 41 einen bekannten Zyklon und 12a und 12b bezeichnen Vorrichtungen für die Zuführung von Schwefel-Absorptionsmittel beziehungsweise Hauptbrennstoff.
Der Hauptteil der während der Verbrennung freigesetzten Wärme wird durch mindestens eine Wärmeübertragungsfläche 14 entzogen, die in dem Wirbelbett 10 angeordnet ist. Weitere Hitze kann in dem Freiraum 15 über dem Wirbelbett 10 nutzbar gemacht werden durch mindestens eine Wärmeübertragungsfläche 16, die in dem Freiraum 15 angeordnet ist. Ferner kann den Verbrennungsgasen Energie in mindestens einer nicht gezeigten Gasturbine entzogen werden, die stromabwärts des Wirbelbettes 10 in den Gaspfaden 40 angeordnet ist.
Bevor die Verbrennung von zugeführtem Hauptbrennstoff in dem Wirbelbett 10 beginnen kann, muß das Bettmaterial mindestens auf die Zündtemperatur des Hauptbrennstoffes vorgewärmt werden, was im Falle der Verbrennung von Kohle 400 bis 700ºC, vorzugsweise 500 bis 600ºC, bedeutet.
Gemäß der Erfindung wird die genannte Vorwärmung durch die Verbrennung von Startbrennstoff in den Gaspfaden 40 stromoberhalb des Wirbelbettes 10 mittels Glieder 17 herbeigeführt, die für die Verbrennung von Startbrennstoff geeignet sind. Als Startbrennstoff kann Heizöl verwendet werden oder auch andere Brennstoffe mit Zündtemperaturen unter der des in der Anlage verwendeten Hauptbrennstoffes. Genauer gesagt, sind die Glieder 17 in den Fluidisierungsgliedern 13 ange ordnet. Die Glieder 17 sind gemäß der Erfindung so angeordnet und beschaffen, daß sie nicht aus den Gaspfaden 40 ent fernt zu werden brauchen, wenn vom Starten zum normalen Betrieb, das heißt, zur Verbrennung des Hauptbrennstoffes im Wirbelbett 10, übergegangen wird. Auch findet gemäß der Erfindung keine Umlenkung von Luft in den Gaspfaden 40 statt, wenn vom Starten zum Betrieb übergegangen wird, das heißt, die Zuführung von Luft zum Wirbelbett 10 erfolgt während der Vorwärmung des Wirbelbetts mit Startbrennstoff und während der Verbrennung des Hauptbrennstoffes im Wirbelbett durch die gleichen Gaspfade 40 und Fluidisierungsglieder 13.
Die Figuren 2, 3 und 4 zeigen die Anwendung der Erfindung bei einem Wirbelbett 10, bei welchem die Fluidisierungsglieder 13 mindestens einen Einlaßzylinder 18, mindestens ein Heißgasrohr 19, mindestens einen Windkasten 20 und mindestens ein Verteilerrohr 21 haben. Gemäß der Erfindung sind die Glieder 17 zur Verbrennung von Startbrennstoff in oder in Nachbarschaft der heißen Gasrohre 19 angeordnet. Die Glieder 17 sind 50 angeordnet, daß sie einen minimalen Druckverlust in den Gaspfaden 40 verursachen, während gleichzeitig eine genügende Turbulenz um die Glieder 17 herum erzeugt wird, um Bedingungen für eine stabile Verbrennung zu schaffen. Die Glieder 17 zur Verbrennung von Startbrennstoff enthalten mindestens einen Brennstoffinjektor 22, mindestens ein Brennstoffrohr 23, welches unter Druck stehen kann, mindestens ein Zündglied 24 zur Entzündung des Startbrennstoffs und mindestens ein Kontrollglied zur Feststellung, ob der Startbrennstoff gezündet hat. Zur Zerkleinerung des Startbrennstoffes in dem Brennstoffinjektor 22 für den Fall, daß das Brennstoffrohr nicht unter Druck steht, werden die Glieder 17 ergänzt durch ein Druckrohr 26 für ein unter Druck stehendes Zerkleinerungsmittel, wie zum Beispiel Dampf oder Luft. Beispiele von Zündgliedern und Kontrollgliedern werden bei der Beschreibung der Figur 5 genannt.
Die Bedingung für ein erfindungsgemäßes Belassen der Glieder 17 in den Gaspfaden 40 auch während des normalen Betriebszustandes der Anlage, das heißt, während der Verbrennung des Hauptbrennstoffes in dem Wirbelbett 10, besteht darin, daß die Glieder 17 gemäß der Erfindung so beschaffen sind, daß sie nur einen minimalen Druckverlust in den Gaspfaden 40 verursachen, während sie gleichzeitig genügend Turbulenz für eine stabile Verbrennung um die Brennstoffinjektoren 22 herum erzeugen. Die oben genannte Flußsituation wird gemäß der Erfindung durch Anordnung von flußlenkenden Gliedern 27a, 27b erreicht, vorzugsweise in Gestalt von Flanschen oder Führungsflächen, die um die Brennstoffinjektoren 22 herum und/oder stromaufwärts derselben angeordnet sind, whrend gleichzeitig der Hauptfluß an den Gliedern 17 mit einem Minimum an Störungen und einem Minimum an Druckverlust vorbeigeführt werden.
Um während der Vorwärmung zu verhindern, daß sich korrosives Kondensat an den Wänden der Gaspfade 40 oder an anderen in den Gaspfaden 40 vorhandenen Bauteilen niederschlägt, findet die Verbrennung von fossilen Brennstoffen in den Gaspfaden normalerweise erst statt, wenn die Gaspfade der Anlage mit trockenem Gas vorgewärmt worden sind. Dies ist der Fall während der Vorwärmung gemäß der vorliegenden Erfindung.
Der für die Vorwärmung gemäß der Erfindung erforderliche Brennstoffkreis und die für die Zündung und für die Überwachung der Vorwärmung erforderlichen Vorrichtungen sind schematisch in Figur 5 gezeigt. Von einem Brennstofftank 28 wird Brennstoff durch das Brennstoffrohr 23 den Brennstoffinjektoren 22 zugeführt. Um unerwünschte Komponenten zu entfer nen, passiert der Brennstoff ein Brennstofffilter 29. Beispielsweise wird eine Brennstoffpumpe 30 für die Zuführung verwendet. zur Zündung des Startbrennstoffes sind Zündglieder 24, wie zum Beispiel eine Zündkerze, ein Glühfaden oder eine Pilotflamme, nane den Brennstoffinjektoren 22 angeordnet. Um zu überprüfen, ob der Startbrennstoff gezündet hat, sind Kontrollglieder 25, beispielsweise Thermoelemente oder andere Thermosensoren, oder alternativ ein optischer Flammendetektor vom Fotozellentyp ebenfalls nahe den Brennstoffinjektoren 22 angeordnet. Nach beendeter Vorwärmung wird das Brennstoffrohr 23 zum Brennstofftank 28 hin durch Verwendung des Überdruckes in den heißen Gasrohren 18 gespült. Ein Ventil 31 öffnet ein Kurzschlußrohr, 50 daß die Brennstoffpumpe 30 und der Brennstoff filter 29 nicht gespült werden. Ein Ventil 32 stellt sicher, daß der Brennstofftank 28 keinem Überdruck ausgesetzt wird.
In einer Anlage mit Verbrennung in einem unter Druck stehenden Wirbelbett, einer PFBC-Anlage, ist das Bettgefäß 11, in welchem sich das Wirbelbett 10 befindet, in einem Druckgefäß 33 eingeschlossen. Das Druckgefäß 33 wird mit Luft versorgt, die in einem (nicht gezeigten) Kompressor komprimiert wurde. Die Druckluft wird durch das Druckgefäß 33 über die Fluidisierungsglieder 13 in das Wirbelbett 10 geführt. Wie im allgemeinen Fall sind die Glieder 17 zur Verbrennung von Startbrennstoff in den Fluidisierungsgliedern 13 angeordnet.

Claims

1. Verfahren zum Betrieb eines Wirbelbettes (10) in einer Verbrennungsanlage, bei der vor der Zuführung eines Hauptbrennstoffes dem genannten Wirbelbett durch Gaspfade (40) Luft zugeführt wird zur Fluidisierung und Verbrennung des dem Wirbelbett zugeführten Hauptbrennstoffes, mit Fluidisierungsgliedern (13) für die Einführung von Luft in das Wirbelbett und zur Verteilung von Luft in dem Wirbelbett, wobei das Wirbelbett durch Verbrennung eines Startbrennstoffes in den Gaspfaden vorgewärmt wird und die Luft während der Vorwärmung des Wirbelbetts mit Startbrennstoff dem Wirbelbett durch dieselbe Anordnung von Gaspfaden und dieselben Fluidisierungglieder wie während der Verbrennung des Hauptbrennstoffes in dem Wirbelbett zugeführt wird, wobei der Startbrennstoff durch Glieder (17) zur Verbrennung von Startbrennstoff zugeführt und verbrannt wird, die Brennstoffinjektoren (22) enthalten, und wobei die Glieder (17) in oder stromaufwärts und in Nachbarschaft der Fluidisierungsglieder angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Wirbelbett zugeführte Luftstrom sowohl während der Vorwärmung als auch während des normalen Betriebes durch flußlenkende Glieder (27a, 27b), vorzugsweise Flansche oder Leitschaufeln, aufgespalten wird in einen turbulenten Teilfluß nahe den Brennstoffinjektoren und einen Hauptfluß, der mit minimaler Störung an den Brennstoffinjektoren vorbeigeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Startbrennstoff durch ein unter Druck stehendes Zerstäubungsmittel, zum Beispiel Dampf oder Luft, zerstäubt wird, welches den Brennstoffinjektoren (22) zugeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Startbrennstoff den Brennstoffinjektoren (22) durch ein unter Druck stehendes Brennstoffrohr (23) zugeführt wird und in den Brennstoffinjektoren durch den Druck zerstäubt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Wirbelbett (10) mindestens auf die Zündtemperatur des Hauptbrennstoffes vorgewärmt wird, vorzugsweise auf 500 bis 600ºC.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Hauptbrennstoff Kohle verwendet wird und daß die Kohle in einem partikelförmigen Bett (10) verbrannt wird, welches aus nichtbrennbarem Material und Schwefel-Absorptionsmittel besteht.

6. Wirbelbett einer Verbrennungsanlage mit einem Vorwärmer zum Vorwärmen des Wirbelbetts (10) vor der Zuführung von Hauptbrennstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche Verbrennungsanlage Gaspfade (40) mit Fluidisierungsgliedern (13) enthält, die geeignet sind, dem Wirbelbett zur Fluidisierung und zur Verbrennung des dem Wirbelbett zugeführten Hauptbrennstoffes Luft zuzuführen, und welche Verbrennungsanlage Glieder (17) mit Brennstoffinjektoren (22) zur Verbrennung des Startbrennstoffs enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Glieder (17) zur Verbrennung von Startbrennstoff in denjenigen Gaspfaden (40) angeordnet sind, die zum Transport der Fluidisierungs- und Verbrennungsluft beim normalen Betrieb dienen, und daß flußlenkende Glieder (27a, 27b) um die Brennstoffinjektoren (22) der Glieder (17) zur Verbrennung des Startbrennstoffes herum oder stromaufwärts dieser Brennstoffinjektoren (22) angeordnet sind, vorzugsweise Flansche oder Leitschaufeln, die so beschaffen sind, daß sie den dem Wirbelbett zugeführten Luftstrom aufteilen in einen turbulenten Teilfluß in der Nachbarschaft der genannten Brennstoffinjektoren (22) und einen Hauptfluß, der mit einem Minimum an Störungen und einem minimalen Druckverlust an den genannten Gliedern (17) zur Verbrennung des Startbrennstoffes vorbeigeführt wird.

7. Wirbelbett nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Brennstoffrohr (23) vorhanden ist zur Versorgung der Brennstoffinjektoren (22) mit Startbrennstoff, daß die Brennstoffinjektoren imstande sind, den Startbrennstoff zu zerstäubt, daß Zündglieder (24) vorhanden sind zur Entzündung des Startbrennstoffes, daß Steuerglieder (25) vorhanden sind zur Feststellung, ob der Brennstoff gezündet hat, und daß die Brennstoffinjektoren, die Zündglieder und die Steuerglieder in den Fluidisierungsgliedern (13) angeordnet sind.

8. Wirbelbett nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Wirbelbett (10) zu einer Kraftanlage gehört, in der die Verbrennung in einem unter Druck stehenden Wirbelbett, einer PFBC-Anlage, stattfindet.