DE69110676T2 - Kraftanlage mit einer druckwirbelschichtverbrennung. - Google Patents

Description

Technischer Bereich
• Die Erfindung bezieht sich auf eine PFBC-Kraftanlage. PFBC sind die Anfangsbuchstaben des englischen Ausdruckes Pressurized Fluidized Bed Combustion. In einerm PFBC-Kraftanlage vollzieht sich die Verbrennung aud einem Wiberlschichtbett aus einem speziellen anlagestoff, der hauptsächlich aus Kalk- oder Dolomitgestein besteht, das schwefelabsorbierend wirkt. Die Verbrennung erfolgt bei einem den atmosphärischen Druck wesentlich überschreitenden Druck. Die Brennkammer ist angemessenerweise in einem Druckbehälter eingeschlossen und wird von komprimierter Verbrennungsluft umgeben. Die Verbrennungsgase werden von einer Gasturbine ausgenutzt, die einen Kompressor, der die Verbrennungsluft komprimiert, und einen Generator antreibt. Im Bettbereich der Brennkammer liegen Rohrwindungen vor, die Wärme aus dem Bett aufnehmen, dieses kühlen und Dampf für enine einen Generator antreibende Dampfturbine erzeugen und überhitzen.
Stand der Technik
• Bisher vorgeschlagene und gebaute kommerzielle PFBC-Kraftanlagen sind verhältnismässig klein und weisen eine Leistung von ungefär 200 MWE auf. Viereckige Brennkammer werden verwendet um einen geometrisch einfachen Aufbau des Rohrleitungssytemes im Bettbereich der Brennkammer zu erreichen. Eine Reinigungsanlage in Gestalt von Zyklonenbatterien zur Staubabscheidung aus den Verbrennungsgasen ist zwischen der Brennkammer und dem Druckbehälter verlegt.
• Das vorhandene Problem besteht darin, dar bisher vorgeschlagene und ausgeführte PFBC-Kraftanlagen einen Druckbehälter benötigen mit einem verhältnismäpig groben Durchmesser mit Rücksicht auf die geometrische Form der Brennkammer. In einer ersten Generation von PFBC-Kraftanlagen wurde der vorhandene Vorteil einer einfachen Rohrverlegung durch die Mehrkosten für einen größeren Druckbehälter aufgewogen. Bei einer Verdoppelung oder Vervielfältigung der Leistung ist es wichtig, das Verhältnis zwischen den Querschnittsflächen der Brennkammer und des Druckbehälters zu
• vergrößern.
• Die Druckscrift US-4,790,267 beschreibt ein Beispiel einer bekannten PFBC-Kraftanlage, die mit einer Brennkammer mit rechteckigem Querschnitt versehen war. Da der umgebende Druckbehälter kreisrunde Gestalt aufweist, werden Räume zwischen den Seitenwänden der Brennkammer und der Wand des Druckbehälters geschaffen. Diese Räume werden verwendet um Staubabscheider, wie Zyklone, aufzunehmen. Bei Erstellung größerer Kraftanlagen würden diese bekannte Art von Brennkammern mit einem äußerst geringen Verhältnis zwischen den Querschnittsflächen der Brennkammer und des Druckbehälters Anlap geben zu einem noch größeren Durchmesser im Druckbehälter, was seinerseits die Kosten für die Anlage erhöht.
• Die Brennkammer ist erf indungsgemäß als polygonales Prisma erstellt mit mindestens sechs Seitenwänden um das Verhältnis zwischen dem Querschnitt der Brennkammer und dem Querschnitt des Druckbehälters zu vergrößern. Die Brennkammer wird auf günstigste Weise mit einem sechskantigen Querschnitt versehen mit einem Bettbereich mit einem aus Verdampfer- und Überhitzerrohren bestenden Dampferzeuger und einem Freibordbereich zur Aufnahme der Verbrennungsgase aus dem Bett. Der Freibord ist in seinem oberen Teil an mindestens einen im wesentlichen senkrechten Schacht angeschlossen, der die Verbrennungsgase zu einer Reinigungsanlage führt, die in einem Raum zwischen dem Schacht und dem umgebenden Druckbehälter verlegt ist.
• Die Reinigungsanlage besteht aus einer Reihe hinterinander geschalteter Zyklone, Warmgasfilter oder einer Kombination aus Zyklonen und Warmgasfiltern.
• Die Konstruktion der Brennkammer und die Anordnung der Gasreinigungsanlage ermöglichen ein bedeutend besseres Verhältnis zwischen dem Querschnitt der Brennkammer und dem Querschnitt des Druckbehälters. Eine Verbesserung in der Größenordnung von 20 % oder mehr ist möglich. Die Verkleinerung des Druckbehälterdurchmessers und die erforderliche Wanddicke des Druckbehälters beinhalten eine erhebliche Senkung an Gewicht und Kosten. Die Gestalt der Brennkammer ermöglicht außerdem eine einfachere Aufhängung. Die Brennkammer ist angemessenerweise an ihren Ecken an Stangen aufgehängt, die direkt an dem Druckbehälter oder an verhältnismäßig kurzen Balken im Druckbehälter befestigt sind. Ein weiterer
• Vorteil dieser Ausführung besteht darin, daß die ebenen Wände der Brennkammer kürzer werden. Damit verringert sich die Länge der umgebenden Balken, die die von Druckunterschieden zwischen der Innenseite und der Aussenseite der Brennkammer verursachten Kräfte absorbieren. Das Gewicht und die Kosten für die Rahmen verringern sich.
• Der senkrechte Schacht zwischen dem Freibord der Brennkammer und der Reinigungsanlage beinhaltet einen günstigen Ausfluss und Vermischung der Verbrennungsgase sowie die Verbrennung des mitfolgenden unverbrannten Brennstoffes. Die Abscheidung grober Teile kann ausserdem im Schacht mit Hilfe einfacher Abscheidervorrichtungen erfolgen. Eine NOX-Reduktion kann im Schacht durch ein Einspritzen von Additiven, beispielsweise Ammoniak,geschehen. Der Schacht kann auch als zweirangige Brennkammer verwendet werden um die Gastemperatur und somit die Gasturbinenleistung zu erhöhen.
• Gemäss einer bevorzugten Ausführung der Erfindung werden ebene senkrechte Rohrscheiben in einer Brennkammer mit sechseckigem Querschnitt in drei Gruppen angeordnet, wobei die Rohrscheiben jeder Gruppe parallel zu zwei gegenüberliegenden Wänden orientiert sind. In der einen Ausführung kann die Brennkammer mit einem sechseckigen ringförmigen Bettquerschnitt versehen sein. In einer anderen Ausführung füllen die Rohrscheiben den ganzen sechseckigen Raum aus und jede der Rohrscheibengruppen füllt einen parallelepipedischen Raum aus.
• Die Rohrscheiben sind zu den Seitenwänden der Brennkammer parallel orientiert. Trotz der Form der Brennkammer können einfache ebene Rohrscheiben gleicher Größe in der ganzen Brennkammer verwendet werden.
• In einer Ausführung der Erfindung sind die Rohrscheiben aus Rohren in drei parallelen aneinander anschliessenden Ebenen aufgebaut. Von den Rohren der verschiedenen Ebenen in einer Rohrscheibe ist mindestens eine Rohrebene in einem Verdampfer und eine oder zwei Rohrebenen in einem Überhitzer enthalten. In einer Rohrscheibe können die Rohre einer Mittrohrebene von Trageteilen in der Brennkammer herabhängen und die anderen Rohrebenen unterstützen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungsfiguren
• Die Erfindung wird hier unten an Hand der beigefügten Figuren näher beschrieben.
• Figur l zeigt eine Ansicht und einen Schnitt durch den Druckbehälter einer PFBC-Kraftanlage mit einer Brennkammer, einer Reinigungsanlage usw. Figur 2 zeigt schematisch einen Horizontalschnitt durch den Druckbehälter und die Brennkammer bei A-A in Figur 1. Figur zeigt 3 zeigt einen senkrechten Schnitt durch die Brennkammer bei B-B in Figur 2. Figur 4 veranschaulicht in Perspektive eine perallelepipedische Gruppe von Rohrscheiben und Sammelrohren für Speisewasser und Dampf. Figur 6 zeigt schematisch zwei, den gesamten Dampferzeuger und den Strom durch diesen repräsentierende Rohrscheiben. Figur 5 zeigt schematisch eine Vorderansicht auf eine Gruppe von drei Rohrscheiben, die von Rohren der Mittrohrebene der entsprechenden Rohrscheibe unterstützt werden. Figur 7 zeigt schematisch ein alternatives Vorgehen die Rohrscheiben in einer sechseckigen Brennkammer anzuordnen. Figur 8 zeigt ein alternatives Vorgehen Rohre in einer Rohrscheibe anzuordnen.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungen
• In den Figuren bezeichnet 1 einen zylindrischen Druckbehälter, der eine Brennkammer 3 umschliesst, einen Behälter 5 zur Aufnahme und Lagerung von Bettmaterial, eine aus einer Anzahl Gruppen von seriengeschalteten Zyklonen 7a, 7b, 7c bestehende Reinigungsanlage 7, sowie gewisse weitere Hilfsausrüstung. Der untere Teil der Brennkammer 3 bildet den Bettbereich 3a der Brennkammer 3. Dieser Bereich nimmt wärmeabsorbierende, einen Dampferzeuger bildende Rohre auf. Der obere Teil der Brennkammer 3 bildet den Freibord 3b der Brennkammer, der die das Bett der Brennkammer 3 verlassenden Verbrennunggase aufnimmt. Der Freibord 3b der Brennkammer ist an einen Schacht 9 angeschlossen, der die Brennkammer 3 mit der Reinigungsanlage 7 verbindet, die im ringförmigen Raum 11 zwischen dem Schacht 9 und dem umgebenden Druckbehälter 1 liegt. Gereinigte Gase werden in der Leitung 13 gesammelt und einer in der Kraftanlage vorliegende Gasturbine zugelei-
• tet. Abgeschiedener Staub wird durch einen drucksenkenden Zyklonaschenkühler 15 beseitigt. Wie aus den Figuren 2 und 7 hervorgeht, hat die Brennkamrner 3 einer bevorzugten Ausführung einen sechseckigen Querschnitt und bildet ein Prisma. Die Brennkammer 3 ist an ihren Ecken 17 auf geeignete Weise an Pendeln 19 aufgehängt, die auf an dem Druckbehälter befestigten Trägern oder Balken 21 angebracht sind.
• In der in den Figuren 2 und 4 veranschaulichten Ausführung ist das Rohrsystem 23 in dem Bettbereich 3a der Brennkammer 3 in drei Gruppen 23a, 23b, 23c mit rhombischen Querschnitt aufgeteilt, die jeweils einen parallelepipedischen Raum im Bettbereich 3a ausfüllen. Mit dieser Anordning wird die Möglichkeit einer gesamten Ausfüllung des Querschnittes der Brennkammer 3 mit ebenen parallelen Rohrscheiben 24 geschaffen.
• In der gezeigten Ausführung besteht jede Gruppe von Rohrscheiben 23 aus Rohrscheiben 24 mit Rohrspiralen 25a, 25b, 25c mit unterschiedlichen Funktionen und umfasst Rohre, die zum Verdampfer (EVA), dem Überhitzer I (SHI), dem Überhitzer II (SHII) und dem Zwischenüberhitzer (ISH) des Dampferzeugers gehören. Die Zusammenstellung innerhalb verschiedener Rohrscheiben 24 kann variieren um eine bestens angepasste Wärmeübertragungsfläche im Verdampferteil und den Überhitzerteilen des Dampferzeugers im Hinblick auf die vorliegenden Betriebsbedingungen zu schaffen. Die schematische Figur 4 zeigt Rohrscheiben 24 mit drei Rohrspiralen 25a, 25b, 25c in jeder Rohrscheibe in einer der parellelepipedischen Räume der Brennkammer 3. In solch einem Raum können in Wirklichkeit 20 bis 40 Scheiben 24 vorliegen. Wie aus den Figuren 3, 4 und 5 hervorgeht sind die Rohrscheiben 24 an der Mittrohrspirale 25b aufgehängt. Diese hängt an ihrem Mittelpunkt an Trägern 71 an einer der Aussenwände 3c der Brennkammer 3 und an einer Wand 3d zwischen den parallelepipedischen Räumen innerhalb der Brennkammer 3.. Die Träger 71 sind mit der konischen Decke der Brennkammer 3 mit Hilfe gekühlter Anschlusstäbe (-rohre) 73 und 75 verbunden.
• In der Ausführung des in Diagrammform in Figur 6 veranschaulichten Dampferzeugers liegen zwei Arten von Rohrscheiben 24a und 24b vor. Die Scheibe 24a enthält Rohre 27 mit zwei parellelen Rohrspiralen 27a, 27b, die einen Teil des Verdampfers EVA des
• Dampferzeugers bilden, eine Rohrspirale 29, die einen Teil eines ersten Überhitzers SHI bildet und Rohre 31 mit zwei parallelen Rohrspiralen 31a, 31b, die einen Teil eines Zwischenüberhitzers 1SH bilden. Die Rohrscheiben 24b enthalten Rohrscheibenohre 29, die einen Teil eines ersten Überhitzers SHI bilden, Rohre 33 in zwei Rohrspiralen 33a, 33b, die einen Teil eines zweiten Überhitzers SHII bilden, und Rohre 31 mit zwei parallelen Rohrspiralen 31a, 31b, die einen Teil eines Zwischenüberhitzers 1SH bilden. Die Überhitzerrohre 29 im ersten Überhitzer SHI dienen als Stützrohre. In den Ebenen dieser Rohre 24 und zwischen deren senkrechten Teilen können weitere Überhitzerrohre angeordnet werden (in diesem Falle sind die Zwischenüberhitzerrohre 31 in dieser Lage veranschaulicht).
• Speisewasser vom Speisewasserbehälter 25 wird von einer Speisewasserpumpe 37 zu den Verteilerrohren des Verdampfers gefördert und weiter zu den Verdampferrohren 27, wird nach dem Durchfliessen des Verdampfers in Sammelrohren 41 des Verdampfers aufgesammelt und dem Dampfabscheider 43 zugeleitet. Abgeschiedenes Wasser wird durch die Leitung 45 und das den Wasserpegel regulierende Ventil 47 zum Speisewasserbehälter 35 zurückgeleitet. Der Dampf wird durch die Verteilerrohre 46 des ersten Überhitzers SHI den Rohren 29 des ersten Überhitzers SHI zugeleitet und wird nach Durchlaufen des ersten Überhitzers SHI in den Sammelrohren 51 des ersten Überhitzers SHI aufgesammelt, durchläuft den Dampfkühler 54, wo die Dampftemperatur mit Hilfe von Wassereinsprtzung geregelt wird, bevor der Dampf über die Verteilerrohre 52 des zweiten Überhitzers SHII auf die Rohre 33a, 33b des zweiten Überhitzers SHII verteilt wird. Nach Durchlaufen des Überhitzers SHII, wird der überhitzte Dampf in den Sammelrohren 53 des zweiten Überhitzers SHII aufgesammelt und durchläuft die Leitung 55 zum Hochdruckteil 57a der Turbine 57. Der Dampf aus diesem Turbinenteil durchläuft eine Leitung 59 über die Verteilerrohre 61 des Zwischenüberhitzers ISH, zu den Rohren 31a, 31b des Zwischenüberhitzers ISH, wird nach dem Durchlaufen des Zwischenüberhitzers ISH in den Sammelrohren 63 des Zwischenüberhitzers ISH aufgesammelt und wird zum Zwischen- und Niederdruckteil 57b der Turbine 57 zurückgeleitet, und von da über eine Leitung 67 zu einem hier nicht gezeigten Kondensator.
• Wie aus Figur 3 ersichtlich, kann die Brennkammer beispielsweise mit gasgefeuerten Brennern 77 in dem Freibordteil 3b oder der Schacht 9 versehen werden um die Gastemperatur zu erhöhen, insbesondere bei Teillast. Der Schacht 9 kann Anordnungen 79 mit Mundstücken 81 zum Einspritzen einer NOX-reduzierenden Substanz in den Rauchgasen enthalten, beispielweise Ammoniak.
• Figur 7 zeigt ein alternatives Vorgehen die Rohrscheiben 24 in einer großen Brennkammer anzuordnen. In dieser Ausführung ist die Größe der Rohrscheiben 24 verringert. In dem mittig ausgebildeten Raume 83 können Hilfsvorrichtungen angeordnet werden.

Claims (8)

Patentansprüche

1. PFBC-Kraftanlage mit einer innerhalb eines im wesentlichen zylindrischen Druckbehälter (1) mit kreisrundem Querschnitt eingeschlossenen Brennkammer (3), wobei - die Brennkammer (3) einen Bettbereich (3a) und einen Freibordbereich (3b) enthält, - die Kraftanlage einen aus Verdampferrohren und Überhitzerrohren (25a, 25b, 25c) bestehenden Dampferzeuger umfasst, - eine Reinigungsanlage (7) für Rauchgase an den Freibordbereich (3b) über mindestens einen Schacht (9) am Oberteil des Freibordbereiches (3b) angeschlossen ist,

dadurch gekennzeichnet, daß - die Brennkammer (3) als polygonales Prisma ausgebildet ist mit sechs Seitenwänden um das Verhältnis zwischen dem Querschnitt der Brennkammer (3) und dem Querschnitt des Druckbehälters (l) zu vergrößern, wobei der Bettbereich (3a) der Brennkammer (3) ein für die gesamte Brennkammer (3) gemeinsames Wirbelschichtbett enthält, - in drei Gruppen angeordnete Verdampfer- und Überhitzerrohre (25a, 25b, 25c) auf dem Wirbelschichtbett angeordnet sind.

2. PFBC-Kraftanlage gemäss Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dap die Verdampfer- und Überhitzerrohre (25a, 25b, 25c) als eine Anzahl von paralleler ebener Scheiben (24) in drei Gruppen (23) gebildet werden, wobei die Scheiben (24) der jeweiligen Gruppe parallel zu zwei gegenüberliegenden Seiten in der sechseckigen Brennkammer (3) orientiert sind und wo jede Rohrscheiben (24) Rohre (25a, 25b, 25c) umfasst, die Verdampfer- und/oder Überhitzerrohre bilden.

3. PFBC-Kraftanlage gemäss Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Gruppe (23a, 23b, 23c) von Rohr- Scheiben (24) eine parallelepipedisches Teilvolumen des Bettbereich (3a) ausfüllen.

4. PFBC-Kraftanlage gemäss Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dar jede Rohrscheibe (24) aus Rohren (25a, 25b, 25c) in verschiedenen, vorzugsweise drei Ebenen besteht, und daß die Rohrscheibe in der Brennkammer inder Mittrohrebene aufgehängt ist.

5. PFBC-Kraftanlage gemäss Patentanspruch l, dadurch gekennzeichnet, dap die Reinigungsanlage (7) über der Brennkammer (3) in einem Raum zwischen dem Schacht oder den Schächten (9) und den Wänden des Druckbehälters (l) beherbigt ist.

6. PFBC-Kraftanlage gemäss Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dap die Reinigungsanlage (7) Zyklone und/oder Warmgasfilter umfasst und in einem ringförmigen, einen Mittschacht (9) umgebenden Raum angeordnet ist.

7. PFBC-Kraftanlage gemäss Patentanspruch l oder 2, dadurch gekennzeichnet, dar die Brennkammer (3) mit einem sechseckigen Bettbereich (3a) versehen ist, der einen sechseckigen, Hilfsausrüstung enthaltenden Raum umschliesst.

8. PFBC-Kraftanlage gemäss Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dar die Brennkammer (3) mit an den Druckbehälterwänden und den Ecken der Brennkammer (3) befestigten Aufhängungsvorrichtungen (19) aufgehängt ist.