EP0760071B1 - Verbrennungsanlage nach dem prinzip einer zirkulierenden wirbelschicht - Google Patents

Verbrennungsanlage nach dem prinzip einer zirkulierenden wirbelschicht Download PDF

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EP0760071B1
EP0760071B1 EP95919921A EP95919921A EP0760071B1 EP 0760071 B1 EP0760071 B1 EP 0760071B1 EP 95919921 A EP95919921 A EP 95919921A EP 95919921 A EP95919921 A EP 95919921A EP 0760071 B1 EP0760071 B1 EP 0760071B1
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Bernd BRÄNDLE
Paul Gilli
Werner HÖLBLINGER
Emmerich Seidelberger
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Austrian Energy and Environment SGP Waagner Biro GmbH
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Austrian Energy and Environment AG and Co KG
Austrian Energy and Environment SGP Waagner Biro GmbH
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    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C10/00—Fluidised bed combustion apparatus
    • F23C10/02—Fluidised bed combustion apparatus with means specially adapted for achieving or promoting a circulating movement of particles within the bed or for a recirculation of particles entrained from the bed
    • F23C10/04—Fluidised bed combustion apparatus with means specially adapted for achieving or promoting a circulating movement of particles within the bed or for a recirculation of particles entrained from the bed the particles being circulated to a section, e.g. a heat-exchange section or a return duct, at least partially shielded from the combustion zone, before being reintroduced into the combustion zone
    • F23C10/08—Fluidised bed combustion apparatus with means specially adapted for achieving or promoting a circulating movement of particles within the bed or for a recirculation of particles entrained from the bed the particles being circulated to a section, e.g. a heat-exchange section or a return duct, at least partially shielded from the combustion zone, before being reintroduced into the combustion zone characterised by the arrangement of separation apparatus, e.g. cyclones, for separating particles from the flue gases
    • F23C10/10—Fluidised bed combustion apparatus with means specially adapted for achieving or promoting a circulating movement of particles within the bed or for a recirculation of particles entrained from the bed the particles being circulated to a section, e.g. a heat-exchange section or a return duct, at least partially shielded from the combustion zone, before being reintroduced into the combustion zone characterised by the arrangement of separation apparatus, e.g. cyclones, for separating particles from the flue gases the separation apparatus being located outside the combustion chamber
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C2206/00—Fluidised bed combustion
    • F23C2206/10—Circulating fluidised bed
    • F23C2206/101—Entrained or fast fluidised bed

Definitions

  • the invention relates to an incinerator according to the principle of a circulating fluidized bed with one or more cyclone separators for returning the bed material into the combustion chamber formed from fin tube walls, in particular in a standing or self-supporting construction with steam drum and a riser and downpipe system in which the cyclone separator has a vertical axis the outside of a wall of the boiler body as part of the cooling system is formed at least in part from flowed fin walls.
  • DE-A1-3517987 From DE-A1-3517987 it is known to provide such systems with horizontal cyclone separators. This design is susceptible to failure in the partial load range and requires a large height, which is again limited by the pipes used.
  • DE-A1-3640377 discloses the removal of cyclones and the use of separating beams and DE-A1-4101918 the arrangement of the cyclone within the combustion chamber, difficulties being expected due to the heated return of the separated residues and the heating surfaces are poorly used.
  • EP-A2 0481438 discloses a steam generator without a steam drum, which is fired by a circulating fluidized bed. Due to the omission of the steam drum, the combustion chamber can be made higher than in conventional standing steam generators with a steam drum and forms a structural unit with the separating cyclone.
  • the invention has set itself the task of allowing the higher design for steam generators with steam drum, so that the cheaper natural circulation system in operation. can be used for larger fluidized bed firing. In the constructional realization, it is also essential to increase the thermal stresses influence that a quick start is also made possible. It is advantageous here to integrate the downpipes in the supporting structure and to design them as weakly heated heating surfaces, this heating surface being designed as the wall of the separating cyclone opposite the combustion chamber.
  • the invention thus enables the range of application of the natural circulation system to be increased to the greatest combustion chamber heights, the combustion chamber being relieved of the weight of the steam drum and the downpipe system being used as a heating surface.
  • This has the effect that the entire construction formed by pipes is cooled by evaporating water and is thus kept practically at the same temperature, so that a higher approach speed is achieved when starting.
  • the invention is characterized in that the steam drum (9) of the boiler body (2) is arranged on a standpipe (10) or a standpipe group and that the standpipe or standpipe group with the boiler body (2) in the region of the front wall (7) is connected and the front wall (7) of the cyclone separator (1) is designed as part of the downpipe system and is thus integrated into the cooling circuit for the combustion chamber front and rear wall.
  • Essential configurations of the invention are specified in subclaims 2 to 7.
  • FIGS. 1 and 2 show an elevation and Fig. 2 shows a side view of a steam generator with a circulating fluidized bed.
  • Fig. 1 shows a steam generator in a compact design in which the cyclone separator (1) is integrated in the boiler body (2) and is designed as part of the support structure.
  • the purpose of the cyclone separator (1) is formed by fin tube walls which, among other things, form the front wall (7) and the side walls (8).
  • the front wall (7) is advantageously designed as part of the downpipe system and thus serves to supply cooling water to the combustion chamber (6), which essentially represents the riser pipe system of the steam generator.
  • the side walls (8) of the cyclone separator are also integrated in the riser pipe system.
  • the dip tube (11) of the cyclone separator (1) is designed to be fire-proof and is suspended in an annular collecting chamber (12) and, if necessary, held via lines (13) connected to the cooling system.
  • the steam drum (9) of the boiler body (2) is arranged at both ends on a standpipe (10) or on a standpipe group, the standpipes being welded to the front wall or integrated into the front wall (7).
  • the lower part of the cyclone separator (1) is funnel-shaped, with the design as a fin wall, the front wall (7) is first bent in the direction of the combustion chamber and only further down by inclining the Side walls of the final funnel exit is reached.
  • the actual return (5) into the combustion chamber (6) takes place via a siphon or an L-valve or a weir through which the returned bed material is returned to the fluidized bed and is finally swirled together with the fuel, the Fuel burns and the bed material is returned to the bed after being separated from the flue gas stream.
  • a weir can also be installed in the horizontal feed channel of the return, which in the event of flooding enables the return but prevents backflow from the combustion chamber.
  • the flue gas flow is indicated in the drawing by arrows, while the return of the bed material is indicated by dashed arrows.
  • This design enables the cooled design of the cyclone separator (1) and, if necessary, the bed return in fin tube construction in an economical manner.
  • the collectors (4) are arranged as far as possible in the intersection lines of the individual pipe walls (Fig. 2), the connections being made by means of inclined pipe sockets or pipe elbows just before the collector.
  • the fin tube walls are bent out, or in some cases provided with bifurcations, if necessary in order to incorporate difficult-to-cool parts into the circulation.
  • An essential feature of the invention is the rectangular or square design of the cyclone separator, which enables integration into the boiler body (2). With this construction it is possible to arrange several cyclones next to each other. In this case, the side-by-side hopper walls, e.g. B. on fork pieces in the necessary partition (15) between the cyclones.
  • the boiler drum (9) in the extension of the intermediate wall between the cyclone (1) and the combustion chamber (6), the downpipes then forming the front wall (7) and the standpipes (10 ) at the ends of the boiler drum outside of the flue gases, i.e. unheated.
  • Fig. 2 shows a side view of the construction of the return of the circulating fluidized bed.
  • the front wall (7) is part of the downpipe system, which is shown in dashed lines in the lower part and ends in collectors (4), in which the liquid phase from the boiler drum (9) (Fig.1) are collected, with the connections to the downpipe fin wall are arranged obliquely.
  • the collectors (4) then open into the lower funnel (14) with the sloping surfaces in the intermediate level and thus lead to the lowest point of the steam generator.

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Abstract

Bei einer Verbrennungsanlage nach dem Prinzip einer zirkulierenden Wirbelschicht mit Zyklonabscheider mit vertikaler Achse zur Rückführung des Bettmaterials in die Brennkammer, insbesondere in stehender oder selbsttragender Bauweise, wird der Zyklonabscheider (1) als Teil des Kesselkörpers (2) ausgebildet und damit in die tragende Konstruktion eingebunden, wobei Flossenrohrwände verwendet werden, die teilweise dem Steigrohr- bzw. Fallrohrsystem des Kühlsystems angehören, und der Zyklonabscheider selbst in vorteilhafter Weise einen rechteckförmigen oder quadratischen Querschnitt aufweist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Verbrennungsanlage nach dem Prinzip einer zirkulierenden Wirbelschicht mit einem oder mehreren Zyklonabscheidern zur Rückführung des Bettmateriales in die aus Flossenrohrwänden gebildete Brennkammer, insbesondere in stehender oder selbsttragender Bauweise mit Dampftrommel und einem Steig- und Fallrohrsystem, bei der der Zyklonabscheider mit vertikaler Achse an der Außenseite einer Wand des Kesselkörpers als Teil des Kühlsystems zumindest zum Teil aus durchströmten Flossenwänden gebildet.
  • Aus der DE-A1-3517987 ist es bekannt, derartige Anlagen mit horizontal liegenden Zyklonabscheidern vorzusehen. Diese Bauweise ist im Teillastbereich störungsanfällig und benötigt eine große Bauhöhe, die wieder durch die verwendeten Rohre begrenzt ist. Um diesen Nachteilen zu begegnen, offenbart die DE-A1-3640377 die Abkehr von Zyklonen und die Verwendung von Abscheidebalken bzw. die DE-A1-4101918 die Anordnung des Zyklons innerhalb der Brennkammer, wobei durch die beheizte Rückführung der abgeschiedenen Rückstände Schwierigkeiten erwartet werden und die Heizflächen schlecht ausgenützt werden.
  • Die EP-A2 0481438 offenbart einen Dampferzeuger ohne Dampftrommel, der durch eine zirkulierende Wirbelschicht befeuert wird. Die Brennkammer kann durch den Enffall der Dampftrommel höher als bei konventionellen stehenden Dampferzeugern mit Dampftrommel ausgebildet werden und bildet mit dem Abscheidezyklon eine Baueinheit.
  • Die Erfindung hat es sich zur Aufgabe gestellt, die höhere Bauweise auch für Dampferzeuger mit Dampftrommel zu ermöglichen, sodaß das in Betrieb billigere Naturumlaufsystem auch. bei größeren Wirbelschichffeuerungen verwendet werden kann. Bei der konstruktiven Verwirklichung ist es darüber hinaus wesentlich, die auftretenden Wärmespannungen so zu beeinflussen, daß auch ein schnelles Anfahren ermöglicht wird. Es ist hierbei von Vorteil, die Fallrohre in die Tragkonstruktion zu integrieren und als schwach beheizte Heizflächen auszubilden, wobei diese Heizfläche als die der Brennkammer gegenüberliegende Wand des Abscheidezyklons ausgebildet wird.
  • Die Erfindung ermöglicht somit eine Vergrößerung des Anwendungsbereiches des Naturumlaufsystems bis auf größte Brennkammerhöhen, wobei die Brennkammer vom Gewicht der Dampftrommel entlastet wird und das Fallrohrsystem als Heizfläche verwendet wird. Dies bewirkt, daß die ganze von Rohren gebildete Konstruktion durch verdampfendes Wasser gekühlt wird und damit praktisch bei gleicher Temperatur gehalten wird, sodaß beim Anfahren eine höhere Anfahrgeschwindigkeit erreicht wird.
  • Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Dampftrommel (9) des Kesselkörpers (2) auf einem Standrohr (10) oder einer Standrohrgruppe angeordnet ist und daß das Standrohr, bzw. die Standrohrgruppe mit dem Kesselkörper (2) im Bereich der Vorderwand (7) verbunden ist und die Vorderwand (7) des Zyklonabscheiders (1) als Teil des Fallrohrsystems ausgebildet und damit in den Kühlkreis für die Brennkammervorder- und -rückwand eingebunden ist. Wesentliche Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 7 angegeben.
  • Die Erfindung ist in den angeschlossenen Figuren 1 und 2 beispielsweise und schematisch dargestellt. Fig. 1 zeigt einen Aufriß und Fig. 2 eine Seitenansicht eines Dampferzeugers mit zirkulierender Wirbelschicht.
  • Die Fig. 1 zeigt einen Dampferzeuger in Kompaktbauweise bei der der Zyklonabscheider (1) in den Kesselkörper (2) integriert ist und als Teil der Tragkonstruktion ausgebildet ist. Zu diesem Zweck ist der Zyklonabscheider (1) von Flossenrohrwänden gebildet, die unter anderem die Vorderwand (7) und die Seitenwände (8) bilden. In vorteilhafter Weise ist die Vorderwand (7) als Teil des Fallrohrsystems ausgebildet und dient damit der Kühlwasserversorgung der Brennkammer (6) die im wesentlichen das Steigrohrsystem des Dampferzeugers darstellt. In diesem Sinn sind auch die Seitenwände (8) des Zyklonabscheiders in das Steigrohrsystem eingebunden. Das Tauchrohr (11) des Zyklonabscheiders (1) ist feuerfest ausgebildet und in einer Ringsammelkammer (12) eingehängt und gegebenenfalls über am Kühlsystem angeschlossenen Leitungen (13) gehalten.
  • Die Dampftrommel (9) des Kesselkörpers (2) ist an beiden Enden auf einem Standrohr (10) bzw. auf einer Standrohrgruppe angeordnet, wobei die Standrohre mit der Vorderwand verschweißt bzw. in die Vorderwand (7) integriert sind. Es ergibt sich der statische Vorteil, daß dadurch die Tragfähigkeit der Vorderwand bzw. des gesamten Kesselkörpers (2) erhöht wird, sodaß die Bauweise eine Vergrößerung der Leistung des größten nach der selbsttragenden Bauweise zu errichtenden Dampferzeugers ermöglicht, wodurch die Wirtschaftlichkeit besonders angehoben wird.
  • Für die Rückführung des Bettmateriales, welches im wesentlichen aus Sand besteht, ist der untere Teil des Zyklonabscheiders (1) trichterförmig ausgebildet, wobei bei der Ausführung als Flossenwand zuerst die Vorderwand (7) in Richtung zur Brennkammer abgebogen wird und erst weiter unten durch Schrägstellung der Seitenwände der endgültige Trichteraustritt erreicht wird. Die eigentliche Rückführung (5) in die Brennkammer (6) erfolgt über einen Syphon oder ein L-Valve oder ein Wehr durch welche das rückgeführte Bettmaterial in das Wirbelbett rückgeführt wird und schließlich zusammen mit dem Brennstoff verwirbelt wird, wobei der Brennstoff verbrennt und das Bettmaterial nach einer Abtrennung vom Rauchgasstrom wieder in das Bett rückgeführt wird. Statt dem Syphon bzw. L-Valve kann auch im horizontalen Zuführungskanal der Rückführung ein Wehr eingebaut werden, welches im Falle einer Überflutung die Rückführung ermöglicht aber einen Rückstrom aus der Brennkammer unterbindet. Der Rauchgasstrom ist in der Zeichnung durch Pfeile angedeutet, während die Rückführung des Bettmateriales durch strichlierte Pfeile angedeutet ist.
  • Diese Bauweise ermöglicht auf wirtschaftliche Weise die gekühlte Ausführung von Zyklonabscheider (1) und allenfalls der Bettrückführung in Flossenrohrbauweise. Hiebei werden die Sammler (4) möglichst in den Verschneidungslinien der einzelnen Rohrwände angeordnet (Fig. 2), wobei die Anschlüsse durch schräg gestellte Rohrstutzen oder Rohrkrümmer knapp vor dem Sammler erfolgen. Um die Flossenrohrwände insbesondere des Zyklonabscheiders (1) den Erfordernissen des Zyklons anzupassen, werden die Flossenrohrwände, gegebenenfalls um schwierig zu kühlende Teile in die Zirkulation einzubinden, ausgebogen, bzw. manchmal mit Gabelungen versehen.
  • Ein wesentliches Kennzeichen der Erfindung besteht in der rechteckförmigen bzw. quadratischen Ausbildung des Zyklonabscheiders, wodurch die Eingliederung in den Kesselkörper (2) ermöglicht wird. Bei dieser Konstruktion ist es möglich, daß mehrere Zyklone nebeneinander angeordnet werden. In diesem Falle setzen sich die nebeneinander liegenden Trichterseitenwände, z. B. über Gabelstücke in der allfällig notwendigen Trennwand (15) zwischen den Zyklonen fort.
  • Im Rahmen der Erfindung ist es auch möglich, die Kesseltrommel (9) in der Verlängerung der Zwischenwand zwischen Zyklon (1) und Brennkammer (6) anzuordnen, wobei dann die Fallrohre nach einer entsprechenden Krümmung die Vorderwand (7) bilden und die Standrohre (10) an den Enden der Kesseltrommel außerhalb der Rauchgase also unbeheizt angeordnet werden.
  • Fig. 2 zeigt in Seitenansicht die Konstruktion der Rückführung der zirkulierenden Wirbelschicht. Man erkennt die parallele Anordnung mehrer Zyklonabscheider (1) mit ihrem Tauchrohr (11), die nebeneinander angeordnet sind, in welchen das Abgas vom Bettmaterial getrennt wird, welches in einer trichterförmigen Wandanordnung gesammelt und der eigentlichen Rückführung (5) zugeführt wird. Die Vorderwand (7) ist Teil des Fallrohrsystems, welches im unteren Teil strichliert dargestellt ist und in Sammlern (4) endet, in welchen die flüssige Phase aus der Kesseltrommel (9) (Fig.1) zwischengesammelt werden, wobei die Anschlüsse an die Fallrohrflossenwand schräg angeordnet sind. Die Sammler (4) münden dann in den unteren Trichter (14) mit den schrägen Flächen in der Zwischenebene und führen so an die tiefste Stelle des Dampferzeugers.

Claims (7)

  1. Verbrennungsanlage nach dem Prinzip einer zirkulierenden Wirbelschicht mit einem oder mehreren Zyklonabscheidern zur Rückführung des Bettmateriales in die aus Flossenrohrwänden gebildete Brennkammer, insbesondere in stehender oder selbsttragender Bauweise mit Dampftrommel und einem Steig- und Fallrohrsystem, bei der der Zyklonabscheider mit vertikaler Achse an der Außenseite einer Wand des Kesselkörpers als Teil des Kühlsystems zumindest zum Teil aus durchströmten Flossenwänden gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Dampftrommel (9) des Kesselkörpers (2) auf einem Standrohr (10) oder einer Standrohrgruppe angeordnet ist und daß das Standrohr, bzw. die Standrohrgruppe mit dem Kesselkörper (2) im Bereich der Vorderwand (7) verbunden ist und die Vorderwand (7) des Zyklonabscheiders (1) als Teil des Fallrohrsystems ausgebildet und damit in den Kühlkreis für die Brennkammervorder- und -rückwand eingebunden ist.
  2. Verbrennungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Flossenwand des Zyklonabscheiders (1) versorgenden Sammler (4) an den Verschneidungskanten der Flossenwände angeordnet sind und über schräge Stutzen mit den Flossenwänden verbunden sind.
  3. Verbrennungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zyklonabscheider (1) ein in einem Sammler (12) eingehängtes feuerfestes Tauchrohr (11) aufweist und vorzugsweise über Wasser/Dampf führende Leitungen (13) gehalten ist.
  4. Verbrennungsanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der trichterförmige Unterteil (3) des Zyklonabscheiders (1) von oben nach unten zuerst durch Schrägstellung der Vorderwand (7) in einer Richtung und weiter unten durch Schrägstellung der Seitenwände (8) in der anderen Richtung gebildet ist.
  5. Verbrennungsanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Rohrgruppe der Vorderwand (7) ausgebogen und insbesondere gegabelt ist, um die inneren Seitenwände (8) des Trichters des Zyklonabscheiders (1) und gegebenenfalls die Rückführung (5) zu bilden.
  6. Verbrennungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die inneren Seitenwände (8) der Rückführung (5) teilweise durch Ausbiegung und insbesondere durch Gabelung zumindest einen Teil der Trennwand zur Brennkammer (6) bilden.
  7. Verbrennungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Teile der Rückführung (5), insbesondere in der Ausführung als Syphon, als Flossenwände ausgebildet sind und vorzugsweise von leicht beheizten Fallrohren versorgt werden, die anschließend weitere Bauteile des Kesselkörpers (2) mit Wasser/Wasserdampfgemisch versorgen.
EP95919921A 1994-05-31 1995-05-30 Verbrennungsanlage nach dem prinzip einer zirkulierenden wirbelschicht Revoked EP0760071B1 (de)

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