DE69404423T2

DE69404423T2 - Zirkulierender Wirbelschichtreaktor mit Wärmeaustauschflächenerweiterungen

Info

Publication number: DE69404423T2
Application number: DE69404423T
Authority: DE
Inventors: Pascale Amadieu; Jean Aubry; Pierre Gauville; Jean-Xavier Morin; Jean-Claude Semedard
Original assignee: GEC Alsthom Stein Industrie
Current assignee: GE Vernova GmbH
Priority date: 1993-11-10
Filing date: 1994-11-07
Publication date: 1997-12-04
Anticipated expiration: 2014-11-08
Also published as: GR3024601T3; EP0653588A1; ES2104310T3; FR2712378A1; CA2135460A1; PL305777A1; FI945229A0; US5707591A; CZ290558B6; FI103299B; CA2135460C; EP0653588B1; CN1073882C; FI103299B1; CN1174095A; ATE155867T1; RU94040179A; FI945229A7; FR2712378B1; CZ276294A3

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Reaktor mit umlaufendem Wirbelschichtbett und erweiterten Wärmeaustauschflächen.
Ein Reaktor mit umlaufendem Wirbelschichtbett wird üblicherweise in Wärmekraftwerken und für immer größere Leistungen eingesetzt. Genauer betrachtet betrifft die Erfindung einen Reaktor mit umlaufendem Wirbelschichtbett, der eine untere Zone mit einem Verwirbelungsgitter, mit Mitteln zur Einspeisung von Primärluft unterhalb des Gitters, mit Mitteln zur Einspeisung von Sekundärluft oberhalb des Gitters sowie mit Mitteln zur Einspeisung eines Brennstoffs besitzt, wobei die diese untere Zone umgebenden Wände mit Wärmetauscherrohren versehen sind, und eine obere Zone enthält, die von Wänden mit Wärmetauscherrohren umgeben ist. Ein solcher Reaktor ist aus der Druckschrift FR-A-2 690 512 bekannt.
Um einen hohen Wirkungsgrad bei der Entschwefelung von Rauchgasen zu erzielen, muß die Temperatur des Reaktors auf einem Wert nahe 850ºC konstantgehalten werden. Ein wirksames Mittel besteht darin, Wärmetauschertafeln im Reaktor zu installieren und für die Konstanthaltung dieser Temperatur entweder die Konzentration an Feststoffen durch Regelung des Primär- und Sekundär-Luftdurchsatzes zu regeln oder den Durchsatz an Verbrennungsgasen einzustellen, oder die in den dichten Wirbelschichtbetten außerhalb des Reaktors umgewälzten Feststoffe zu kühlen.
Mehrere Anordnungen solcher Tafeln sind bekannt:
- vertikale Tafeln in L-Form, die im oberen Bereich des Reaktors aufgehängt sind und als Überhitzer wirken,
- waagrechte Tafeln im oberen Bereich, die den Reaktor ganz durchqueren und als Überhitzer wirken,
- Tafeln in U-Form, die an der Decke des Reaktors aufgehängt sind und als Überhitzer wirken,
- sehr breite Tafeln, die senkrecht an der Reaktorwand befestigt sind und von einer Emulsion durchströmt werden, beispielsweise Tafeln in einem Reaktor mit Wirbelschichtbett, wie sie in dem US-Patent 4 442 796 beschrieben sind,
- Reaktor-Trenntafeln, die in einer mittleren Höhe angeordnet sind und ggf. Verbindungsöffnungen aufweisen, wie dies in dem US-Patent 4 165 717 beschrieben ist.
Wenn die Leistung der Anlage steigt, wird nach dem Stand der Technik angenommen, daß es notwendig ist, die Anordnung dieser Wärmetauschertafeln einerseits an der Oberfläche und andererseits in Richtung zu immer niedrigeren Niveaus im Reaktor zu erweitern, wobei die Gefahren der Erosion im unteren Bereich dieser Tafeln zunehmen, die dem Fluß der Feststoffpartikel unterworfen werden, und die Gefahr einer Verformung der Tafeln und der Wände aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnungen zunehmen, insbesondere angesichts der Höhe der Tafeln, die immer größer wird, und der Gefahren von Schwingungen.
Die vorliegende Erfindung löst diese Probleme der Erosion und der Verformung und widersetzt sich dem technischen Vorurteil, das darin besteht, daß die Oberfläche der Wärmetauschertafeln des Reaktors vergrößert werden müßte.
Zu diesem Zweck ist erfindungsgemäß mindestens eine Wand mindestens einer dieser Zonen mit senkrechten Wärmetauschertafeln versehen, die Erweiterungen genannt werden und senkrecht zur Wand befestigt sind, wobei diese Erweiterungen von Wärmetauscherrohren innerhalb des Reaktors gebildet werden und eine waagrechte Breite zwischen 150 und 500 mm besitzen sowie voneinander einen Abstand zwischen 1,5 und 4 mal ihrer Breite aufweisen.
Die Erweiterungen sind weniger breit, so daß eine Verbiegung der Wände des Reaktors aufgrund der mechanischen Kräfte, die durch unterschiedliche Ausdehnungen hervorgerufen werden, vermieden wird, und diese Erweiterungen liegen in der absinkenden Schicht der Feststoffe, wie dies weiter unten beschrieben werden wird.
Wenn die Wärmetauscherrohre der Wände über Rippen miteinander verbunden sind, wird die Breite der Erweiterungen durch den Abstand zwischen der Innenseite der Rippen der Wände und der am weitesten entfernten Mantellinie des am weitesten entfernten Rohrs der Erweiterungen definiert.
Gemäß einer ersten Befestigungsvariante sind die Erweiterungen kontinuierlich auf die Wände der Zone aufgeschweißt.
Gemäß einer zweiten Befestigungsvariante besitzen die Erweiterungen von der Wand einen Abstand von weniger als 60 mm, der der Abstand zwischen der Innenseite der Rippen der Wände und der Mantellinie des nächstliegenden Rohrs der Erweiterungen ist, und die Erweiterungen werden zumindest in ihrem oberen Bereich gestützt.
Vorzugsweise sind die Erweiterungen über den inneren Umfang des Reaktors verteilt.
Die Erweiterungen können in einer beliebigen Höhe des Reaktors liegen.
Gemäß einer bevorzugen Ausführungsform liegen die Erweiterungen in der ganzen oberen Höhenzone der Wand.
In diesem Fall gehen die Erweiterungen von der Decke des Reaktors aus und durchqueren im unteren Bereich die geneigten Wände der unteren Zone. So vermeidet man jegliches Erosionsproblem, wie es beim Stand der Technik auftritt, bei dem waagrechte freiliegende Bereiche dem Partikelfluß und damit der Erosion unterliegen.
Um den mechanischen Widerstand zu erhöhen, können die Rohr-Erweiterungen Hilfsrohre besitzen, die an das freie Ende der Erweiterungen angeschlossen sind und außerhalb der Symmetrieebene der Erweiterungen befestigt sind.
Gemäß einer besonderen Ausführungsvariante, in der der Reaktor mindestens ein dichtes inneres Wirbelschichtbett in Kontakt mit der Innenseite des Reaktors in dessen oberen Bereich aufweist, das Feststoffe empfängt, die entlang der Wände der oberen Zone nach unten fallen, und das sie mindestens teilweise durch Überlauf in die untere Zone entlang und über eine Überlaufwand umlenkt, wobei dieses innere Wirbelschichtbett Wärmetauscherrohre enthält, die in ihrem unteren Bereich mit einer Zufuhrleitung und in ihrem oberen Bereich an einen Freigabeausgang angeschlossen sind, wobei die Rohre der Erweiterungen als Ausgangsrohre für die Rohre des inneren Wirbelschichtbetts verwendet werden.
Die Erfindung wird nun im einzelnen anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels und der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
Figur 1 zeigt im senkrechten Schnitt einen Reaktor mit umlaufendem Wirbelschichtbett.
Figur 2 zeigt teilweise und im senkrechten Schnitt eine Wand des Reaktors gemäß der Erfindung.
Figur 3A zeigt einen Schnitt entlang der Linie III- III in Figur 2 und Figur 3B zeigt einen entsprechenden Schnitt gemäß einer Variante.
Figur 4A zeigt im senkrechten Schnitt einen erfindungsgemäßen Reaktor gemäß einer Ausführungsvariante und Figur 4B ist eine Detaildarstellung bei IV.
Die Figuren 5, 6 und 7 zeigen teilweise und im Schnitt verschiedene Ausbildungen von erfindungsgemäßen Reaktoren.
In Figur 1, die einem klassischen Betrieb eines umlaufenden Wirbelschichtbettreaktors entspricht, enthält dieser eine untere Zone 3 mit nach oben größer werdendem Querschnitt und eine obere, parallelepipedische Zone 2. Die untere Zone 3 besitzt ein Wirbelschichtgitter 11, Mittel 12 zur Einspeisung von Primärluft unterhalb des Gitters 11, Mittel 13 zur Einspeisung von Sekundärluft oberhalb des Gitters 11 sowie Mittel 10 zur Einspeisung von Brennstoff. Die Wände 5 in der unteren Zone 3 sind mit Wärmetauscherrohren versehen. Die obere Zone 2 ist ebenfalls von Wänden 4 umgeben, die Wärmetauscherrohre enthalten.
Die Feststoffpartikel steigen über dem Gitter 11 nach oben im Reaktor gemäß den Pfeilen 6. Diese Partikel haben die Tendenz, zu den Wänden 4 und 5 auszuweichen und wieder nach unten zu fallen. Ein Teil der kleinsten Partikel wird wieder nach oben gerissen, so daß sich Wirbel 7 ergeben. Die anderen Partikel nähern sich den Wänden 4 und 5 und fallen entlang dieser Wände und entlang der Pfeile 8 nach unten und bilden dabei eine dichte Feststoffschicht.
Messungen dieser dichten Feststoffschicht entlang der Wände zeigen, daß die Dicke über die Höhe des Reaktors und je nach dem Lastzustand des Reaktors variiert und im wesentlichen zwischen 50 und 500 mm liegt.
Die Erfindung besteht darin, Erweiterungen der Wärmetauscherflächen mit geringer Breite zu realisieren, die in diese Schicht von absinkenden Feststoffen hineinragen, wodurch der Wärmeaustauschkoeffizient der Wände des Reaktors erhöht wird.
In einem klassischen Reaktor ohne Erweiterungen gemäß der Erfindung ergibt sich für einen globalen Koeffizienten von 180 W/m²ºK etwa ein Wert von 100 W/m²ºK für die Wärmestrahlung und etwa 80W/m²ºK für die Konvektion bezüglich der Feststoffpartikel. Erfindungsgemäß wird der relative Anteil der Konvektionskühlung erheblich vergrößert und damit auch der globale Koeffizient.
Die erfindungsgemäßen Erweiterungen vergrößern nämlich die Dicke der Feststoffschicht entlang der Wände durch eine Art Keileffekt. Es ergibt sich nämlich an einer Ecke eine Überdicke der Schicht aufgrund der abgerundeten Form, die die Feststoffschicht an dieser Stelle natürlich annimmt. Aufgrund der erfindungsgemäßen Erweiterungen ergeben sich zahlreiche Ecken, und die Dicke der Feststoffschicht ist dementsprechend vergrößert. Die mittlere Konzentration an Feststoffen wird daher künstlich in dem Raum vergrößert, der zwischen zwei Erweiterungen begrenzt ist, im Vergleich zu einer einfachen, ebenen Wand, wodurch der Wärmeaustauschkoeffizient vergrößert wird.
Die erfindungsgemäßen Erweiterungen besitzen außerdem zwei Wärmeaustauschseiten, wodurch die globale Wärmeaustauschfläche des Reaktors vergrößert und der Wärmeaustauschkoeffizient verbessert wird.
Die Figuren 2 und 3A zeigen ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Erweiterung. Diese Erweiterungen werden vorzugsweise in üblicher Form realisiert und bestehen dann aus Rohren, die durch ebene Rippen miteinander verbunden sind. An die Wand 4 mit in Längsrichtung verlaufenden Wärmetauscherrohren 9 werden Erweiterungen 14 angefügt, die senkrecht zur Wand 4 ins Innere des Reaktors vorstehen. Die Erweiterung 14 enthält drei senkrechte Wärmetauscherrohre 15, die im oberen und unteren Bereich durch Betonschichten 16, in die sie eingebettet sind, geschützt werden. Die Rohre sind ebenso wie die Rohre 9 über ebene, angeschweißte Rippen 20 miteinander verbunden. Die Rohre 15 werden mit einer Emulsion aus Wasser und Dampf im unteren Bereich durch eine Speiseleitung gespeist und sind im oberen Bereich an eine Ausgangsleitung 19 angeschlossen. Um differentielle Ausdehnungen zu vermeiden, werden diese Rohre 15 mit einer Emulsion gespeist.
Erfindungsgemäß sind die Erweiterungen 14 senkrecht an mindestens einer Wand 4 oder 5 mindestens einer der Zonen 2 und 3 befestigt und werden von Rohren 15 im Reaktor gebildet. Die waagrechte Breite 1 der Erweiterungen 14 beträgt zwischen 150 und 500 mm, und sie besitzen voneinander einen Abstand D zwischen 1,5 und 4 mal ihrer Breite, die als der Abstand zwischen der Innenseite der Rippen 30 der Wand 4, 5 und der am weitesten entfernten Mantellinie des am weitesten entfernten Rohrs 15A der Erweiterungen definiert ist.
Die Erweiterungen können kontinuierlich an die Wand 4 oder 5 der Zonen 2 und 3 angeschweißt sein, wie dies in Figur 2 gezeigt ist, oder einen Abstand d von weniger als 60 mm zu diesen Wänden 4 und 5 besitzen, wobei dieser Abstand zwischen der Innenseite der Rippen 30 der Wände und der Mantellinie des nächstliegenden Rohrs 15B definiert ist. Dabei entfällt die erste Rippe 20A der Erweiterungen und diese Erweiterungen werden von oben und ggf. von unten gestützt.
Die Erweiterungen 14 mit den Rohren 15 können Hilfsrohre 15C enthalten, die am freien Ende 14A der Erweiterungen 14 liegen und außerhalb der Symmetrieebene der Erweiterungen 14 befestigt sind, um den mechanischen Halt der Erweiterungen 14 zu verstärken, wie dies beispielsweise in Figur 3B gezeigt ist.
Figur 4A zeigt eine Anordnung der Erweiterungen gemäß der Erfindung, die besonders günstig ist.
Beispielsweise aus der französischen Patentanmeldung 2 690 512 der Anmelderin ist es bekannt, den Reaktor mit dichten inneren Wirbelschichtbetten 22 und 23 zu versehen. Diese dichten Wirbelschichtbetten 22 und 23 stehen mit dem Innenraum des Reaktors über ihren oberen Bereich in Verbindung, auf den die Feststoffe entlang der Wände 4 von der oberen Zone 2 fallen und von dort mindestens teilweise mittels Überlauf zur unteren Zone 3 entlang und oberhalb der Überlaufwände 28 und 29 weitergeleitet werden. Diese inneren Wirbelschichtbetten 22 und 23 besitzen in ihren Wänden Wärmetauscherrohre, die in ihrem unteren Bereich an eine Zufuhrleitung und im oberen Bereich an einen freien Ausgang angeschlossen sind. Gegebenenfalls enthalten diese Wirbelschichtbetten auch eingebettete Wärmetauscherrohre. Vorzugsweise können die Rohre der erfindungsgemäßen Erweiterungen 14 als Ausgangsrohre für die Rohre verwendet werden, die die Wände dieser Wirbelschichtbetten 22 und 23 bilden, und ggf. für die Rohre, die in diese Wirbelschichtbetten 22 und 23 hineinragen, wodurch eine Durchquerung der Wand 4 mit den damit verbundenen Gefahren der Erosion vermieden wird, denn die Ausgangsrohre verlaufen vertikal und nicht mehr horizontal. Figur 4B zeigt ein Beispiel für die Verbindung am Ausgang dieser Wärmetauscherrohre 24 des inneren Wirbelschichtbetts 22 und der Rohre 15 einer Erweiterung 14.
Gemäß dieser Ausführungsform liegt jedes innere Wirbelschichtbett 22, 23 zwischen mindestens zwei Erweiterungen 14, woraus sich ein weiterer vorteilhafter technischer Effekt der Erfindung ergibt. Die Räume zwischen den Erweiterungen 14 bilden nämlich Kanäle oder Schächte, durch die die Feststoffe in die Wirbelschichtbetten 22 und 23 fallen, und erhöhen den Durchsatz an zu den Wirbelschichtbetten absinkenden Feststoffen. Die inneren Wirbelschichtbetten 22 und 23, die an äußere Wärmetauscher angeschlossen sind, werden durch eine größere Menge an Feststoffen gespeist, wodurch der Wärmeaustausch verbessert und die Größe der äußeren Wärmetauscher erheblich verringert wird.
In den Figuren 5 bis 7 sind mehrere mögliche Anordnungen der Erweiterungen 14 dargestellt. Der Reaktor enthält in klassischer Weise einen Zyklon 31. Die Erweiterungen 14 mit den Rohren 15 liegen über die ganze Höhe der Wand 4 der oberen Zone 2 des Reaktors verteilt auf einer oder mehreren Seiten dieser Zone 2. In diesem Fall gehen die Erweiterungen von der Decke des Reaktors aus und verlaufen im unteren Bereich durch die geneigten Wände 5 der unteren Zone 3. Damit ist jede Gefahr einer Erosion wie beim Stand der Technik vermieden, da kein waagrechter, freistehender Bereich mehr einem Partikelfluß unterworfen ist.

Claims

1. Reaktor mit einem umlaufendem Wirbelschichtbett und einer untere Zone (3), die ein Verwirbelungsgitter (11), Mittel (12) zur Einspeisung von Primärluft unterhalb des Gitters (11), Mittel (13) zur Einspeisung von Sekundärluft oberhalb des Gitters (11) sowie Mittel (10) zur Einspeisung eines Brennstoffs besitzt, wobei die diese untere Zone umgebenden Wände (5) mit Wärmetauscherrohren versehen sind, während eine obere Zone (2) von Wänden (4) mit Wärmetauscherrohren (9) umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Wand mindestens einer dieser Zonen (2, 3) mit vertikalen Wärmetauschertafeln versehen ist, die Erweiterungen (14) genannt werden und senkrecht zur Wand (4, 5) befestigt sind, wobei diese Erweiterungen von Wärmetauscherrohren (15) innerhalb des Reaktors gebildet werden und eine waagrechte Breite (1) zwischen 150 und 500 mm besitzen sowie voneinander einen Abstand (D) zwischen 1,5 und 4 mal ihrer Breite aufweisen.

2. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscherrohre (9) der Wände (4, 5) über Rippen (30) miteinander verbunden sind und daß die Breite (1) als der Abstand zwischen der Innenseite der Rippen (30) der Wände (4, 5) und der am weitesten entfernten Mantellinie des am weitesten entfernten Rohrs (15A) der Erweiterungen definiert ist.

3. Reaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erweiterungen kontinuierlich an die Wand (4, 5) der Zone (2, 3) angeschweißt sind.

4. Reaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erweiterungen (14) von der Wand (4, 5) einen Abstand (d) von weniger als 60 mm besitzen, der der Abstand zwischen der Innenseite der Rippen (30) der Wände und der Mantellinie des nächstliegenden Rohrs (158) der Erweiterungen ist und die Erweiterungen zumindest in ihrem oberen Bereich gestützt werden.

5. Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Erweiterungen (14) über den inneren Umfang des Reaktors verteilt sind.

6. Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Erweiterungen (14) über die ganze Höhe des Reaktors angeordnet sind.

7. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Erweiterungen (14) über die ganze Höhe der Wand (4) der oberen Zone (2) verteilt angeordnet sind.

8. Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Erweiterungen (14) mit Rohren (15) versehen sind und Hilfsrohre (15C) besitzen, die an das freie Ende (14A) der Erweiterungen (14) angeschlossen sind und außerhalb der Symmetrieebene der Erweiterungen (14) befestigt sind.

9. Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er mindestens ein inneres, dichtes Wirbelschichtbett (22, 23) in Kontakt mit der Innenseite des Reaktors über dessen oberen Bereich besitzt, auf das die Feststoffe entlang der Wände (4) der oberen Zone (2) absinken und das sie mindestens teilweise durch Überlauf in die untere Zone (3) entlang und über eine Überlaufwand (28, 29) umlenkt, wobei dieses innere Wirbelschichtbett (22, 23) Wärmetauscherrohre enthält, die in ihrem unteren Bereich mit einer Zufuhrleitung und in ihrem oberen Bereich an einen Freigabeausgang angeschlossen sind, und daß die Rohre (15) der Erweiterungen (14) als Ausgangsrohre für die Rohre des inneren Wirbelschichtbetts (22, 23) verwendet werden.