EP0272410A2 - Steam generator with fluidised-bed combustion - Google Patents

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EP0272410A2
EP0272410A2 EP87115825A EP87115825A EP0272410A2 EP 0272410 A2 EP0272410 A2 EP 0272410A2 EP 87115825 A EP87115825 A EP 87115825A EP 87115825 A EP87115825 A EP 87115825A EP 0272410 A2 EP0272410 A2 EP 0272410A2
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EP
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fluidized bed
solids
steam generator
combustion chamber
pressure
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EP87115825A
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Horst Dr. Möllenhoff
Heiko Dr. Rehwinkel
Dirk Dr. Bunthoff
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Deutsche Babcock Werke Energie und Umwelttechnik AG
Original Assignee
Deutsche Babcock Werke AG
Deutsche Babcock Werke Energie und Umwelttechnik AG
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B31/00—Modifications of boiler construction, or of tube systems, dependent on installation of combustion apparatus; Arrangements of dispositions of combustion apparatus
    • F22B31/0007—Modifications of boiler construction, or of tube systems, dependent on installation of combustion apparatus; Arrangements of dispositions of combustion apparatus with combustion in a fluidized bed
    • F22B31/0084—Modifications of boiler construction, or of tube systems, dependent on installation of combustion apparatus; Arrangements of dispositions of combustion apparatus with combustion in a fluidized bed with recirculation of separated solids or with cooling of the bed particles outside the combustion bed

Definitions

  • the invention relates to a steam generator and a method for burning fuels in such a steam generator according to the preamble of claims 1 and 2.
  • Such a steam generator is characterized by short start-up and shutdown times, low pollutant emissions, good burnout values and the ability to process any fuel. However, the steam generator can no longer be enlarged from a certain size with reasonable effort.
  • a steam generator with a circulating fluidized bed combustion which is operated under pressure.
  • the combustor, the cyclones and the convection part of the steam generator are each housed in separate pressure vessels.
  • fluid bed coolers are also required to cool the circulating solid streams.
  • the invention has for its object to modify a steam generator of the generic type such that its performance is increased while maintaining its basic properties, so that it can be used both for new systems and for retrofitting an existing steam power plant.
  • the steam generator In the steam generator according to the invention, all the devices necessary for its operation can be accommodated within a common pressure vessel.
  • the steam generator is constructed so that it supplies steam for the operation of a conventional steam turbine.
  • the output of the generic steam generator is increased.
  • the temperature of the flue gas is reduced to such an extent that the flue gas can be expanded with the pressure present in a gas turbine for driving the air compression. Hot gas filters and waste heat recovery devices are not required.
  • the steam generator can therefore be used both for new systems and for replacing an existing boiler in the water circuit of an existing steam power plant.
  • FIG. 1 An embodiment of the invention is shown in the drawing and is explained in more detail below.
  • the drawing shows schematically the longitudinal section through a steam generator according to the invention.
  • the steam generator comprises a combustion chamber 1, which is enclosed by gas-tight welded tube walls.
  • the lower part of the combustion chamber 1 tapers and is closed by a nozzle base 2 for the passage of combustion air.
  • a fluidized bed with a limited surface is located above the nozzle base 2.
  • Convection heating surfaces 5 are arranged, which are connected as economizers, evaporators or superheaters.
  • Coarse separators 6 in the form of non-bricked cyclones are connected to the upper part of the combustion chamber 1, the gas outlets of which are connected to a flue gas line 7 leading to a filter (not shown).
  • the discharge of the coarse separator 6 on the solids side is connected to a return system.
  • the return system consists of a down pipe 8, which leads to an ash siphon 9.
  • the ash siphon 9 is provided with a discharge line 10 and a connecting line 11 leading into the fluidized bed 3.
  • the coal is fed into the fluidized bed 3 together with lime via a coal line 12 as a suspension.
  • the coal can also be fed in in other ways, for example in lump form, into the connecting line 11 between the ash siphon 9 and the fluidized bed 3.
  • the nozzle base 2 is provided with an ash drain 13.
  • the ash drain 13, like the discharge lines 10, is connected to a lock system consisting of two bunkers 14.
  • the combustion chamber 1 with the convection heating surfaces 5 arranged therein, the coarse separators 6 and the return system 8, 9, 10 are surrounded by a cylindrical pressure vessel 15 designed for a pressure of, for example, 12 bar.
  • the pressure vessel 15 is suspended from a frame 16.
  • the flue gas line 7, the discharge lines 10 and the ash drain 13 are led out of the pressure vessel 15.
  • An air line 17 opens into the pressure vessel 15, via which air is fed into the pressure vessel 15 at a pressure of, for example, 12 bar.
  • the air enters the fluidized bed 3 through the nozzle base 2 and into the free space 4 of the combustion chamber 1 via secondary nozzles 18 which are attached above the fluidized bed 3.
  • the air is compressed in a compressor (not shown) before it enters the pressure vessel 15.
  • the compressor is driven by a gas turbine, which is acted upon by the flue gas leaving the combustion chamber 1 and the downstream filter.
  • the fuel introduced into the combustion chamber 1 burns with the air under pressure.
  • the air introduced into the fluidized bed 3 through the nozzle base 2 also serves as a fluidization medium. Fluidization speeds of 1 to 5 m / s are maintained, so that a fluidized bed is formed which differs from the atmosphere in the clear space 4 above the fluidized bed 3 by a clear density jump.
  • the wall heating surfaces of the combustion chamber 1 and the convection heating surfaces 5 in the free space 4 of the combustion chamber 1 cool the flue gas formed by the combustion of the fuel to a temperature of 300 to 500 degrees C.
  • a portion of the solid separated in the coarse separators 6 is returned to the fluidized bed 3 in order to keep the bed temperature constant at, for example, 850 degrees C. and to regulate the output. Otherwise, the output is controlled by changing the amount of fuel and air introduced.

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Abstract

Eine für einen Dampferzeuger bestimmte stationäre Wirbelschichtfeuerung mit einem erhöhten Feststoffumlauf und einer Feststoffrückführung ist bisher nur unter atmosphärischem Druck betrieben worden. Zur Erhöhung der Leistung und zur Einpassung des Dampferzeugers in eine bestehende Dampfkraftanlage vorgegebener Leistung sind die Brennkammer (1) des Dampferzeugers mit den Konvektionsheizflächen (5), die Grobabscheider (6) und das Rückführsystem (8, 9, 10) von einem auf Druck ausgelegten Druckgefäß (15) umschlossen. Dabei werden durch Fluidisierungsgeschwindigkeiten von 1 bis 5 m/s in dem Freiraum (4) oberhalb der Wirbelschicht (3) Feststoffgehalte von 0,5 bis 5 kg Feststoff pro kg Rauchgas eingehalten, die Rauchgase auf 300 bis 500 Grad C gekühlt und die Temperatur in der Wirbelschicht und die Last über die Menge der in die Wirbelschicht (3) rückgeführten Feststoffe geregelt (Zeichnung). Verbrennung von festen Brennstoffen in der Wirbelschichtbrennkammer eines Dampferzeugers.A stationary fluidized bed firing intended for a steam generator with an increased solids circulation and a solids return has so far only been operated under atmospheric pressure. The combustion chamber (1) of the steam generator with the convection heating surfaces (5), the coarse separator (6) and the return system (8, 9, 10) are designed for pressure in order to increase the output and to adapt the steam generator to an existing steam power plant with a specified output Enclosed pressure vessel (15). By fluidization speeds of 1 to 5 m / s in the free space (4) above the fluidized bed (3) solids contents of 0.5 to 5 kg of solids per kg of flue gas are maintained, the flue gases are cooled to 300 to 500 degrees C and the temperature in the fluidized bed and the load are regulated by the amount of solids returned to the fluidized bed (3) (drawing). Solid fuel combustion in the fluidized bed combustion chamber of a steam generator.

Description

Die Erfindung betrifft einen Dampferzeuger und ein Verfahren zum Verbrennen von Brennstoffen in einem solchen Dampferzeuger nach dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 2.The invention relates to a steam generator and a method for burning fuels in such a steam generator according to the preamble of claims 1 and 2.

Ein solcher Dampferzeuger zeichnet sich durch kurze An- und Abfahrzeiten, geringen Schadstoffausstoß, gute Ausbrandwerte und durch die Möglichkeit aus, beliebige Brennstoffe zu verarbeiten. Jedoch läßt sich der Dampferzeuger ab einer bestimmten Größe unter vertretbarem Aufwand nicht mehr vergrößern.Such a steam generator is characterized by short start-up and shutdown times, low pollutant emissions, good burnout values and the ability to process any fuel. However, the steam generator can no longer be enlarged from a certain size with reasonable effort.

Es ist bekannt, daß die Leistung einer Wirbelschichtfeuerung unter Anwendung von Druck erhöht werden kann. Bekannte Druckwirbelschichtfeuerungen arbeiten mit einer rein stationären Wirbelschicht ohne Ascherückführung. Dabei ist die Brennkammer des Dampferzeugers einschließlich der Zyklone von einem Druckgehäuse umgeben. Da dieser Dampferzeuger Bestandteil eines kombinierten Gas-Dampf-Kraftwerkes ist, werden die Rauchgase mit dem Prozeßdruck und einer Temperatur von 850 Grad C abgezogen und der Gasturbine zugeführt. Ein solches kombiniertes Kraftwerk erfordert den Einsatz einer aufwendigen Heißgasfiltration unter Druck und hoher Temperatur sowie die Anordnung von innerhalb der Wirbelschicht liegenden und daher der Erosion ausgesetzten Heizflächen. Bei einer Gaseintrittstemperatur von 850 Grad C können korrosive Komponenten im Rauchgas zu Schäden an der Gasturbine führen. Schließlich ist die Lastregelung durch den Transport und die Zwischenlagerung von Bettmaterial verhältnismäßig aufwendig.It is known that fluidized bed firing performance can be increased using pressure. Known pressure fluidized bed combustion systems work with a purely stationary fluidized bed without ash return. The combustion chamber of the steam generator, including the cyclones, is surrounded by a pressure housing. Since this steam generator is part of a combined gas-steam power plant, the flue gases are drawn off at the process pressure and a temperature of 850 degrees C and fed to the gas turbine. Such a combined power plant requires the use of complex hot gas filtration under pressure and high temperature and the arrangement of heating surfaces located within the fluidized bed and therefore exposed to erosion. At a gas inlet temperature of 850 degrees C, corrosive components in the flue gas can damage the gas turbine. Finally, the load regulation by the transport and the intermediate storage of bed material is relatively complex.

Weiterhin ist ein Dampferzeuger mit einer zirkulierenden Wirbelschichtfeuerung bekannt, die unter Druck betrieben wird. Bei dieser Wirbelschichtfeuerung sind der Combustor, die Zyklone und der Konvektionsteil des Dampferzeugers jeweils in voneinander getrennten Druckgefäßen untergebracht. Aus verfahrenstechnischen Gründen sind außerdem Fließbettkühler zur Kühlung der umlaufenden Feststoffströme erforderlich.Furthermore, a steam generator with a circulating fluidized bed combustion is known, which is operated under pressure. In this fluidized bed combustion, the combustor, the cyclones and the convection part of the steam generator are each housed in separate pressure vessels. For procedural reasons, fluid bed coolers are also required to cool the circulating solid streams.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Dampferzeuger der gattungsgemäßen Art derart abzuwandeln, daß unter Beibehaltung seiner grundsätzlichen Eigenschaften seine Leistung erhöht wird, so daß er sowohl für Neuanlagen als auch zur Nachrüstung eines bestehenden Dampfkraftwerkes verwendet werden kann.The invention has for its object to modify a steam generator of the generic type such that its performance is increased while maintaining its basic properties, so that it can be used both for new systems and for retrofitting an existing steam power plant.

Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Dampferzeuger durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Dampferzeugers ist durch den Anspruch 2 gekennzeichnet.This object is achieved in a generic steam generator by the characterizing features of claim 1. A method for operating such a steam generator is characterized by claim 2.

Bei dem erfindungsgemäßen Dampferzeuger lassen sich alle zu seinem Betrieb notwendigen Einrichtungen innerhalb eines gemeinsamen Druckgefäßes unterbringen. Dabei ist der Dampferzeuger so aufgebaut, daß er Dampf für den Betrieb einer herkömmlichen Dampfturbine liefert. Durch die Anwendung des Druckes innerhalb der Brennkammer wird die Leistung des gattungsgemäßen Dampferzeugers erhöht. Die Temperatur des Rauchgases wird soweit abgebaut, daß das Rauchgas mit dem vorhandenen Druck in einer Gasturbine für den Antrieb des Luftverdichtes entspannt werden kann. Heißgasfilter und Einrichtungen zur Abwärmenutzung sind dabei nicht erforderlich. Der Dampferzeuger kann daher sowohl für Neuanlagen als auch für den Ersatz eines bestehenden Kessels an den Wasserkreislauf einer vorhandenen Dampfkraftanlage eingesetzt werden.In the steam generator according to the invention, all the devices necessary for its operation can be accommodated within a common pressure vessel. The steam generator is constructed so that it supplies steam for the operation of a conventional steam turbine. By using the pressure within the combustion chamber, the output of the generic steam generator is increased. The temperature of the flue gas is reduced to such an extent that the flue gas can be expanded with the pressure present in a gas turbine for driving the air compression. Hot gas filters and waste heat recovery devices are not required. The steam generator can therefore be used both for new systems and for replacing an existing boiler in the water circuit of an existing steam power plant.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert. Die Zeichnung stellt schematisch den Längsschnitt durch einen Dampferzeuger gemäß der Erfindung dar.An embodiment of the invention is shown in the drawing and is explained in more detail below. The drawing shows schematically the longitudinal section through a steam generator according to the invention.

Der Dampferzeuger umfaßt eine Brennkammer 1, die von gasdicht verschweißten Rohrwänden umschlossen ist. Der untere Teil der Brennkammer 1 läuft konisch zu und ist durch einen Düsenboden 2 für den Durchtritt von Verbrennungsluft geschlossen. Oberhalb des Düsenbodens 2 befindet sich eine Wirbelschicht mit einer begrenzten Oberfläche. In dem Freiraum 4 über der Wirbelschicht 3 sind innerhalb der Brennkammer 1 Konvektionsheizflächen 5 angeordnet, die als Economiser, Verdampfer oder Überhitzer geschaltet sind. An den oberen Teil der Brennkammer 1 sind Grobabscheider 6 in Form von nicht ausgemauerten Zyklonen angeschlossen, deren Gasaustritt mit einer zu einem nicht gezeigten Filter führenden Rauchgasleitung 7 verbunden sind.The steam generator comprises a combustion chamber 1, which is enclosed by gas-tight welded tube walls. The lower part of the combustion chamber 1 tapers and is closed by a nozzle base 2 for the passage of combustion air. A fluidized bed with a limited surface is located above the nozzle base 2. In the free space 4 above the fluidized bed 3 are inside the combustion chamber 1 Convection heating surfaces 5 are arranged, which are connected as economizers, evaporators or superheaters. Coarse separators 6 in the form of non-bricked cyclones are connected to the upper part of the combustion chamber 1, the gas outlets of which are connected to a flue gas line 7 leading to a filter (not shown).

Der feststoffseitige Austrag der Grobabscheider 6 ist mit einem Rückführsystem verbunden. Das Rückführsystem besteht aus einer Falleitung 8, die zu einem Aschesiphon 9 führt. Der Aschesiphon 9 ist mit einer Austragsleitung 10 und einer in die Wirbelschicht 3 führenden Verbindungsleitung 11 versehen. Im dargestellten Fall wird die Kohle zusammen mit Kalk über eine Kohleleitung 12 als Suspension in die Wirbelschicht 3 eingespeist. Die Kohle kann auch auf andere Weise zum Beispiel in stückiger Form in die Verbindungsleitung 11 zwischen dem Aschesiphon 9 und der Wirbelschicht 3 aufgegeben werden. Der Düsenboden 2 ist mit einem Ascheablauf 13 versehen. Der Ascheablauf 13 ist ebenso wie die Austragsleitungen 10 mit einem aus zwei Bunkern 14 bestehenden Schleusensystem verbunden.The discharge of the coarse separator 6 on the solids side is connected to a return system. The return system consists of a down pipe 8, which leads to an ash siphon 9. The ash siphon 9 is provided with a discharge line 10 and a connecting line 11 leading into the fluidized bed 3. In the case shown, the coal is fed into the fluidized bed 3 together with lime via a coal line 12 as a suspension. The coal can also be fed in in other ways, for example in lump form, into the connecting line 11 between the ash siphon 9 and the fluidized bed 3. The nozzle base 2 is provided with an ash drain 13. The ash drain 13, like the discharge lines 10, is connected to a lock system consisting of two bunkers 14.

Die Brennkammer 1 mit den darin angeordneten Konvektionsheizflächen 5, die Grobabscheider 6 und das Rückführsystem 8, 9, 10 sind von einem zylindrischen, auf einen Druck von zum Beispiel 12 bar ausgelegten Druckgefäß 15 umgeben. Das Druckgefäß 15 ist an einem Gerüst 16 aufgehängt. Die Rauchgasleitung 7, die Austragsleitungen 10 und der Ascheablauf 13 sind aus dem Druckgefäß 15 herausgeführt. In das Druckgefäß 15 mündet eine Luftleitung 17, über die Luft mit einem Druck von beispielsweise 12 bar in das Druckgefäß 15 eingespeist wird. Die Luft tritt durch den Düsenboden 2 in die Wirbelschicht 3 und über Sekundärdüsen 18, die oberhalb der Wirbelschicht 3 angebracht sind, in den Freiraum 4 der Brennkammer 1 ein. Die Luft wird vor dem Eintritt in das Druckgefäß 15 in einem nicht gezeigten Verdichter komprimiert.The combustion chamber 1 with the convection heating surfaces 5 arranged therein, the coarse separators 6 and the return system 8, 9, 10 are surrounded by a cylindrical pressure vessel 15 designed for a pressure of, for example, 12 bar. The pressure vessel 15 is suspended from a frame 16. The flue gas line 7, the discharge lines 10 and the ash drain 13 are led out of the pressure vessel 15. An air line 17 opens into the pressure vessel 15, via which air is fed into the pressure vessel 15 at a pressure of, for example, 12 bar. The air enters the fluidized bed 3 through the nozzle base 2 and into the free space 4 of the combustion chamber 1 via secondary nozzles 18 which are attached above the fluidized bed 3. The air is compressed in a compressor (not shown) before it enters the pressure vessel 15.

Der Verdichter ist durch eine Gasturbine angetrieben, die von dem die Brennkammer 1 und das nachgeschaltete Filter verlassenden Rauchgas beaufschlagt wird.The compressor is driven by a gas turbine, which is acted upon by the flue gas leaving the combustion chamber 1 and the downstream filter.

Der in die Brennkammer 1 eingebrachte Brennstoff verbrennt mit der Luft unter Druck. Die durch den Düsenboden 2 in die Wirbelschicht 3 eingebrachte Luft dient gleichzeitig als Fluidisierungsmedium. Es werden Fluidisierungsgeschwindigkeiten von 1 bis 5 m/s eingehalten, so daß sich eine Wirbelschicht ausbildet, die sich durch einen deutlichen Dichtesprung von der Atmosphäre unterscheidet, die in dem über der Wirbelschicht 3 vorhandenen Freiraum 4 herrscht. Hier stellt sich eine Staubbeladung von 0,5 bis 5 kg Feststoff pro kg Rauchgas ein. Durch die Wandheizflächen der Brennkammer 1 und die Konvektionsheizflächen 5 in dem Freiraum 4 der Brennkammer 1 wird das durch die Verbrennung des Brennstoffes gebildete Rauchgas auf eine Temperatur von 300 bis 500 Grad C abgekühlt. Ein Teil des in den Grobabscheidern 6 abgetrennten Feststoffes wird in die Wirbelschicht 3 zurückgeführt, um die Bettemperatur konstant auf zum Beispiel 850 Grad C zu halten und die Leistung zu regeln. Im übrigen erfolgt die Leistungsregelung über eine Veränderung der eingebrachten Brennstoff- und Luftmenge.The fuel introduced into the combustion chamber 1 burns with the air under pressure. The air introduced into the fluidized bed 3 through the nozzle base 2 also serves as a fluidization medium. Fluidization speeds of 1 to 5 m / s are maintained, so that a fluidized bed is formed which differs from the atmosphere in the clear space 4 above the fluidized bed 3 by a clear density jump. Here there is a dust load of 0.5 to 5 kg of solid per kg of flue gas. The wall heating surfaces of the combustion chamber 1 and the convection heating surfaces 5 in the free space 4 of the combustion chamber 1 cool the flue gas formed by the combustion of the fuel to a temperature of 300 to 500 degrees C. A portion of the solid separated in the coarse separators 6 is returned to the fluidized bed 3 in order to keep the bed temperature constant at, for example, 850 degrees C. and to regulate the output. Otherwise, the output is controlled by changing the amount of fuel and air introduced.

Claims (2)

1. Dampferzeuger mit einer Brennkammer (1) aus gasdichten Rohrwänden, in deren unterem Teil eine Wirbelschicht (3) vorgesehen ist, oberhalb der ein Freiraum (4) mit einer sprunghaft niedrigeren Feststoffdichte vorhanden ist, in dem Konvektionsheizflächen (5) angeordnet sind, wobei an den oberen Teil der Brennkammer (1) Grobabscheider (6) zum Abscheiden von Feststoffen angeschlossen sind, deren Feststoffaustrag jeweils über ein Rückführsystem (8, 9, 10) mit der Wirbelschicht (3) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer (1) mit den Konvektionsheizflächen (5), die Grobabscheider (6) und das Rückführsystem (8, 9, 10) von einem auf Druck ausgelegten Druckgefäß (15) umschlossen sind.1. Steam generator with a combustion chamber (1) made of gas-tight tube walls, in the lower part of which a fluidized bed (3) is provided, above which there is a free space (4) with an abruptly lower solid density, in which convection heating surfaces (5) are arranged, whereby Coarse separators (6) for separating solids are connected to the upper part of the combustion chamber (1), the solids discharge of which is connected to the fluidized bed (3) via a return system (8, 9, 10), characterized in that the combustion chamber (1 ) with the convection heating surfaces (5), the coarse separators (6) and the return system (8, 9, 10) are enclosed by a pressure vessel (15) designed for pressure. 2. Verfahren zum Verbrennen von Brennstoffen in einer Wirbelschicht mit einem erhöhten Feststoffumlauf in der Brennkammer eines Dampferzeugers gemäß Anspruch 1, in dem die Rauchgase auf 300 bis 500 Grad C abgekühlt und in Grobabscheidern (6) vorgereinigt werden, wobei die anfallenden Feststoffe zumindest teilweise in die Wirbelschicht (3) zurückgeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennung in der Wirbelschicht (3) unter Druck durchgeführt wird, daß durch Fluidisierungsgeschwindigkeiten von 1 bis 5 m/s in dem Freiraum (4) oberhalb der Wirbelschicht (3) Feststoffgehalte von 0,5 bis 5 kg Feststoff pro kg Rauchgas eingehalten werden und daß die Temperatur in der Wirbelschicht und die Last über die Menge der in die Wirbelschicht (3) rückgeführten Feststoffe geregelt werden.2. A method of burning fuels in a fluidized bed with an increased solids circulation in the combustion chamber of a steam generator according to claim 1, in which the flue gases are cooled to 300 to 500 degrees C and pre-cleaned in coarse separators (6), the resulting solids at least partially in the fluidized bed (3) are returned, characterized in that the combustion in the fluidized bed (3) is carried out under pressure, that by means of fluidization speeds of 1 to 5 m / s in the space (4) above the fluidized bed (3) solids contents of 0 , 5 to 5 kg of solids per kg of flue gas are observed and that the temperature in the fluidized bed and the load are regulated via the amount of solids returned to the fluidized bed (3).
EP87115825A 1986-12-23 1987-10-28 Steam generator with fluidised-bed combustion Ceased EP0272410A3 (en)

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