FI91559B - Voimala, jossa polttoaineen palaminen tapahtuu hiukkasmaista ainetta sisältävässä leijukerroksessa - Google Patents

Description

91559

Voimala, jossa polttoaineen palaminen tapahtuu hiukkasmaista ainetta sisältävässä leijukerroksessa

Esillä olevan keksinnön kohteena on voimala, tarkemmin määriteltynä patenttivaatimuksen 1 johdanto-osassa määritelty voimala. Tällaisessa voimalassa polttoaineen palaminen tapahtuu hiukkasmaisesta aineesta koostuvassa leijukerroksessa. Keksintö soveltuu käytettäväksi laitoksissa, joissa palaminen tapahtuu sekä ilmanpaineessa että ilmanpaineen huomattavasti ylittävässä paineessa; esimerkkinä voidaan mainita PFBC-voimalat, joissa on paineastian sisällä sijaitseva ja paineastian ja kerrosastian välisessä tilassa puristetun palamisilman ympäröimä polttokammio. PFBC ovat alkukirjaimet englanninkielisestä termistä Pressurised Fluidised Bed Combustion (paineistettu leijukerrospalaminen).

Laitokset, joissa on yhdensuuntaiset ilmanjakoputket sisältävästä avoimesta kerrospohjasta muodostuva kerrosastia, ja joissa astian yläpuolella sijaitsee palamistila ja alapuolella yksi tai useampi jäähdytettäväseinäinen tuhkatila, aiheuttavat ongelmia johtuen rakenne-elementtien erilaisesta laajentumisesta. Lämpöerot tulevat erityisen suuriksi laitosta käynnistettäessä ja puhallettaessa 800 - 900 °C kuumia palamiskaasuja alkupolttokammiosta kerrospohjan jakoputkien “ kautta kerrosaineen lämmittämiseksi polttoaineen syttymis- lämpötilaan.

Tämän kaltaisessa voimalassa, jota kuvataan US-patentissa 4 268 244, on useita poikkileikkaukseltaan pyöreitä ilmanjako-putkia liitetty yksittäin kohtisuoraan, putkia kohti suun-tautuvaan, liitosputken sisältävään ilmanjakokammioon. Yllä mainitun kaltaisessa rakennemallissa, jossa ilmanjakoputkien poikkileikkaus on riittävä ja putkien välinen etäisyys on suositeltava kerroksen tyydyttävän fluidisoimisen ja polttoaineen hyvän palamisen aikaansaamiseksi tulevat ilmanjako-putkien välinen etäisyys ja rako riittämättömiksi. Palamisen aikana muodustuvat kuonapaakut eivät voi kulkeutua tuhkati- 91559 2 laan putkien alle, ja palaminen häiriintyy. Tämä merkitsee sitä, että tuotanto täytyy ajan mittaan keskeyttää.

Tämä ongelma on ratkaistu esillä olevan keksinnön mukaisesti siten, että ilmanjakoputket ovat huomattavasti leveyttään korkeampia ja että ilmanjakoputket on ryhmittäin yhdistetty ilmanjakokammioon yhteisen, pääasiassa lieriömäisen liitos-putken avulla, joka liitosputki on n.k. lämpöholkkityyppiä, joka sallii erilaiset lämpölaajentumiset ilmanjakokammion ylemmällä seinällä ja ilmanjakoputkissa. Korkeuden ja leveyden välisen suhteen tulisi olla suurempi kuin 2:1, suositel-tavasti suurempi kuin 3:1. Näin rakennetussa voimalassa saadaan aikaan kuonan kerääntymisen kannalta tyydyttävä ilman-jakoputkien välisten rakojen leveys putkien välisen etäisyyden ollessa sopiva otettaessa huomioon suuttimen tiiviys hyvien fluidisointi- ja palamisedellytysten säilyttämiseksi. Rakojen 40 mm leveys voidaan vaikeuksitta saada aikaan. Tämä leveys on riittävä pienehköjen kuonapaakkujen väistämättömän muodostumisen kannalta. Jäähdytettäessä ainetta tuhkatilassa palamisilman puhaltamisen avulla on toivottavaa, että ilman-jakoputkien väliset raot ovat suuria. Suuri ala vähentää riskiä, että jäähdytysilma aiheuttaisi aineen fluidisoitu-mista raoissa.

Lieriömäisen liitosputken ala ilmanjakoputken ja huoltavan ·' ilmanjakokammion välillä ei riitä todelliselle ilmamäärälle.

Korkea ilmannopeus aiheuttaa ei-toivottavaa paineen laskua ja energiahukkaa. Suorakulmaiset liitosputket aiheuttavat rakennevaikeuksia etenkin lämpöjännityksen kannalta, koska eri rakenne-elementit laajenevat eri tavoin. Liittämällä ryhmittäin ilmanjakoputkia lieriömäisen liitosputken, n.k. lämpöholkin sisältävään ilmanjakokammioon, saavutetaan riittävä virtausala ja riittävät liikemahdollisuudet eri tavalla lämmitettävien laitoksen osien välillä. Ryhmäliitoksella tarkoitetaan, että ainakin kaksi ilmanjakoputkea liitetään ilmanjakokammioon yhteisellä liitosputkella. Liitosputki, lämpöholkki, voi olla koottu kahdesta samankeskisestä putkesta. Putket voivat olla valmistettuja kahdesta samankeski-

II

91559 3 sestä hoikista. Sisempi holkki on yläpäästään liitetty yhteen tai useampaan ilmanjakoputkeen. Hoikkien alemmat päät ovat yhteenliitettyjä. Ylempi holkki on ylemmästä päästään liitetty poikittaisen ilmanjakokanavan ylempään seinään.

Holkit ovat poikkileikkaukseltaan suositeltavasti pyöreitä.

Kerrosastia on suositeltavasti koottu kahdesta samansuuntaisesta tuhkatilasta. Ilmanjakokammio on sijoitettu tuhkatilo-jen väliin, ja tuhkatilojen seinät toimivat sen sivuseininä.

Kuvatussa esillä olevan keksinnön sovelluksessa sijaitsee ilmanjakokammion alapuolella pystysuora kuilu, ja kuilun alemmassa osassa on polttokammio kuuman kaasun kehittämistä varten kerroksen lämmittämiseksi laitosta käynnistettäessä. Kuilussa on vaakasuora seinä, ja tämän seinän yläosan kautta kulkee poistoputki mainitusta polttokammiosta. Kuilu sijaitsee sekä vaakasuoran seinän ylä- että alapuolella, ja se on yhteydessä paineilmalähteeseen, joka toimittaa laitokseen puristettua palamisilmaa. Seinän yläpuolella sijaitsee siihen yhteydessä olevan kuristusläppä siten, että koko ilma-määrä palamisilmalähteestä voidaan ohjata alkupolttokammion lävitse.

Esillä olevaa keksintöä kuvataan seuraavaksi viitaten liitteenä oleviin piirroksiin, joissa kuviot 1 ja 2 kuvaavat kaaviomaisesti PFBC-voimalaa kahdesta toisiinsa nähden kohtisuorasta tasosta, kuviot 3 ja 4 kuvaavat ilmanjakokammion ja pitkittäisten, leijusuuttimin varustettujen, avoimen kerrospohjan muodostavien ilmanjakoputkien välistä liitosta, kuvio 5 esittää ilmanjakokammion ja ilmanjakoputkien välistä liitosta perspektiivikuvana, ja kuvio 6 kuvaa suurennetussa mittakaavassa kaaviomaisesti kerrosastian alempaa osaa, jossa sijaitsevat ilmanjakokammio ja alkupolttokammio samoin kuin kuviossa 1.

Kuvioissa on numerolla 10 kuvattu paineastiaa. Tähän on sijoitettu kerrosastia 12 ja syklonit 14 sisältävä puhdistus- 91559 4 laitos karstan erottamiseksi palamiskaasuista, joita syntyy poltettaessa polttoainetta kerrosastian 12 palamistilan 11 leijukerroksessa 16. Palamiskaasut kerääntyvät varatilaan 18, josta ne johdetaan putkien 20 välityksellä sykloneihin 40 ja niistä edelleen putkien 22 kautta kaasuturbiiniin 24. Laitteessa on useita sarjaankytkettyjen syklonien 14 ryhmiä. Turbiini käyttää kompressoria 26 ja generaattoria 28. Kompressorissa 24 puristettu palamisilma johdetaan putken 29 kautta paineastiassa 10 olevaan tilaan 30. Kerrosastiassa sijaitsee putkia 32 höyryn kehittämiseksi höyryturbiiniin (ei kuvioissa) ja kerroksen 16 jäähdyttämiseksi. Sykloneissa 14 erotettu karsta kuljetetaan pois painetta alentavien poissyöttölaitteiden 15 kautta ja kerätään säiliöihin 17.

Kerrosastia on varustettu avoimella kerrospohjalla 34, joka koostuu useista pitkittäisistä, leijusuuttimet 34 sisältävistä ilmanjakoputkista 36. Tämä pohja 34 jakaa kerrosastian ylempään, palamistilan 11 ja varatilan 18 sisältävään tilaan ja alempaan, kaksi samansuuntaista tuhkatilaa 40 sisältävään osaan. Kerroksesta 16 aine voi kulkeutua alaspäin tuhkati-laan 40 ilmanjakoputkien 36 välissä sijaitsevien rakojen 42 kautta. Tuhkatilassa 40 aineen jäähdyttämisessä tarvittava ilma voidaan syöttää suuttimet 43 sisältävien putkien (41) kautta. Tilasta 30 suoraan tulevaa ilmaa voidaan käyttää hyväksi jäähdytysaineena.

• «

Tuhkatilan sisemmät sivuseinät 44 (kuvio 2) ja näiden välissä kulkevat seinät 46 (kuvio 1) sekä vaakasuorat seinät 48 ja 58 muodostavat ilmanjakokammion 50. Kammiosta johdetaan palamisilmaa yksittäisiin ilmanjakoputkiin tai kuvioiden mukaisesti kolmeen ilmanjakoputkeen 56 alas suuntautuvan kaksiseinäisen putken 52 (lämpöholkki) kautta; tämä holkki sisältää sisemmän hoikin 54 ja ulomman hoikin 56. Sisempi holkki 54 on liitetty kolmeen ilmanjakoputkeen 36. Sisempi holkki 54 ja ulompi holkki 56 ovat alemmista päistään liitettyjä toisiinsa. Ulompi holkki on yläosastaan liitetty vaakasuoraan seinään 58, joka rajoittaa ylöspäin tilaa 50.

li 5 91559

Kuten kuvioista 3, 4 ja 5 voidaan nähdä, liitosputken 52 sisempi holkki 54 koostuu lieriömäisestä osasta 54a ja siirto-osasta 54b, joka yhdistää hoikin 54 kolmeen ilmanjakoput-keen 36. Ulompi holkki sisältää keskimmäisen lieriömäisen osan 56a, alemman kartiomaisen osan 56b, joka on yhdistetty sisemmän hoikin 54 lieriömäiseen osaan 54 a, ja ylemmän kartiomaisen osan 56b, joka on yhdistetty vaakasuoraan seinään 58. Ilmanjakoputkien 36 välissä sijaitsee vinoon asetettuja levyjä 60. Nämä levyt 60 muodostavat katon putken 52 yläpuolelle ja rajoittavat putken 52 suuttimen yläpuolella olevan tilan kerroksen 16 sisältävästä tilasta.

Käynnistettäessä laitos kuumalla kaasulla alkupolttokammi-oista 72, jotka johtavat kerrokseen 16 ilmanjakoputkien 36 kautta, lämpötilaerot eri rakenne-elementtien välillä muodostuvat suuriksi. Liitosputken (lämpöholkin) 52 sisemmän ja ulomman holkkirakenteen avulla voivat sisäänpäin suuntautuvat rakenne-elementit laajentua eri tavoin ilman, että laitokseen muodostuu ei-sallittuja jännityksiä.

Kerrosastian 12 alapuolella on pystysuora kuilu 70, joka on alaosastaan suljettu ja joka yläosastaan laskee ilmanjako-kommioon 50. Kuilu 70 on liitetty ilmanjakokammion 50 alempaan seinään 48. Kuilun alemmassa osassa on useita alkupolt-tokammioita 72 pylvään 74 kannattamina. Nämä alkupolttokam- »t miot ovat laskusivuiltaan liitettyjä sisempään kuiluun 76. Kuilujen 70 ja 76 välillä sijaitsee vaakasuora seinä, joka jakaa kuilujen 70 ja 76 välisen tilan ylempään tilaan 80 ja alempaan tilaan 82. Tilat 80 ja 82 sijaitsevat yhteydessä puristettua palamisilmaa sisältävän tilan 30 kanssa kuilun 84 (kuvio 1) ja putkien 86 ja 88 kautta. Kuilussa 84 on tuh-kajäähdyttimeksi tarkoitettu painetta alentava tuhkan pois-syöttölaite 15, joka on liitetty tuhkaa varten tarkoitettuun vastaanottosäiliöön 17. Ilmajohdossa 86 on kuristusläppä 94. Alkupolttokammioihin johdetaan polttoainetta, kaasua tai öljyä putkien 96 ja polttimien 98 kautta.

91559 6

Laitoksen käynnistysvaiheessa ilmansyöttö kammioon 80 pidetään suljettuna putkessa 86 olevan kuristusläpän 94 avulla, joka on nähtävissä kuvion 1 oikeanpuoleisessa osassa ja kuviossa 2 ja joka johtaa kaiken ilman kammioon 82 ja alku-polttokammioihin 72. Polttokammioihin polttoaine johdetaan putkien 96 kautta, ja kuumat palamiskaasut johdetaan sisemmän kuilun kautta ilmanjakokammioon 50 ja jaetaan siinä ilman jakoputki in 36 kaksiseinäisten putkien 52 (lämpöholkkien) kautta ja suuttimiin 38 kerroksen 16 lämmittämiseksi. Kun kerros 16 on saavuttanut polttoaineen syttymiselle tarvittavan korkean lämpötilan, kuristusläppä 94 avataan ja polttoaine johdetaan kerrokseen 16 polttoainejohdon (ei kuvioissa) kautta. Polttoaineen toimitus alkupolttokammioihin 72 keskeytetään. Palamisilma johdetaan tämän jälkeen ilmanjakokammioon osittain suoraan putken 86 ja tilan 80 kautta ja osittain putken 88, alkupolttokammioiden 74 ja kuilun 76 kautta.

«*

II

Claims (7)

91 559 7

1. Voimala, jossa poltetaan polttoainetta, useimmiten hiiltä, hiukkasmaista ainetta sisältävässä leijukerroksessa (16), voimalan sisältäessä kerrosastian (12), useita samansuuntaisia, suuttimet (38) sisältäviä ilmanjako-putkia (36), jotka muodostavat kerrospohjan (34) ja jakavat kerrosastian ylempään, palamistilan (li) ja varatilan (18) sisältävään, leijukerroksen yläpuolella olevaan osaan ja alempaan, tuhkatilan (40) muodostavaan osaan tuhkan ja käytetyn kerrosaineen poistamiseksi, ilmanjakoputkien (36) välissä sijaitsevat raot (42), joiden lävitse tuhka ja kerrosaine voi kulkeutua palamistilasta (11) tuhkatilaan (40), ja kerrospohjan (34) alapuolella sijaitsevan ilmanjakokammion (50), josta palamisilmaa johdetaan ilmanjakoputkiin (36) kerroksen (16) fluidisoimiseksi ja polttoaineen polttamiseksi kerroksessa (16), tunnettu siitä, että ilmanjakoputket (36) ovat huomattavasti leveyttään korkeampia ja että ilmanjakoputket (36) on ryhmittäin yhdistetty ilmanjakokammioon (50) yhteisen, pääasiassa lieriömäisen liitosputken (52) avulla, joka liitosputki on n.k. lämpöholkkityyppiä, joka sallii erilaiset lämpölaajentumiset ilmanjakokammion (50) ylemmällä seinällä ja ilmanjakoputkissa (36).

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen voimala, tunnettu siitä, että ilmanjakoputket ovat poikkileikkaukseltaan pääasiassa suorakulmaisia.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen voimala, tunnettu siitä, että ilmanjakoputkien (36) korkeuden ja leveyden välinen suhde on suurempi kuin 2:1, edullisimmin suurempi kuin 3:1.

4. Jonkin patenttivaatimuksista 1-3 mukainen voimala, tunnettu siitä, että lämpöholkkityyppinen liitosputki (52) sisältää sisemmän hoikin (54) ja ulomman hoikin 91559 8 (56), että sisempi holkki (54) on yläosastaan liitetty ainakin kahteen ilmanjakoputkeen (36) , että holkit (54, 56) ovat alemmista päistään liitettyjä toisiinsa ja että ulompi holkki (56) on yläosastaan yhdistetty ilmanjakokammion (50) seinään (58) .

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen voimala, tunnettu siitä, että liitosputki (52) on muotoiltu sisältämään poikkileikkaukseltaan suorakulmaisen ylimeno-osan (54b) ilmanja-koputkien (36) liitoskohdassa.

6. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen 1-5 mukainen voimala, tunnettu siitä, että kerrosastia (12) sisältää ainakin kaksi tuhkatilaa (40), että ilmanjakokammio (50) on sijoitettu näiden tuhka-tilojen (40) väliin, ja että tuhkatilojen (40) sivuseinät (44, 46) muodostavat myös ilmanjakokammion (50) sivuseinät.

7. Jonkin patenttivaatimuksista 1-6 mukainen voimala, tunnettu siitä, että ilmanjakokammion (50) alapuolella sijaitsee ensimmäinen pystysuora kuilu (70) , että ainakin yksi alkupolttokammio (72) kerroksen (16) esi-lämmittämiseksi sijaitsee ensimmäisen kuilun (70) alemmassa osassa, että kuilun (70) sisällä on toinen kuilu (76), joka muodostaa laskuaukon alkupolttokammiosta (72), että kuilujen (70, 76) välissä on seinä (78), joka jakaa kuilujen (70, 76) välisen rengasmaisen tilan ylempään tilaan (80) ja alempaan tilaan (82), että kuilujen (70, 76) väliset tilat (80, 82) ovat yhteydessä paineilmalähteeseen (30) sekä mainitun seinän (78) ala-ja yläpuolelta, ja että paineilmalähteen (30) ja ylemmän tilan (80) välissä on ilman kuristusläppä (94). Il 9 91559