FI92956B - Polttimolla varustettu voimalaitos polttoa varten leijukerroksessa - Google Patents

Description

5 ! 92956

Polttimolla varustettu voimalaitos polttoa varten lei-jukerroksessa - Med förbrännare utrustat kraftverk för förbränning i en fluidiserad bädd

Esillä olevan keksinnön kohteena on voimalaitos, joka käsittää polttimon, jossa on leijukerros patenttivaatimuksen 1 johdannon mukaisesti.

Esillä oleva keksintö kohdistuu erityisesti voimalaitoksiin, jotka ovat yllämainittua tyyppiä, ja joissa on paineistettu leijukerros polttimossa, joka sijaitsee paineastiassa (PFBC-laitos, Pressurized Fluidized Bed

Combustion, Paineistettu leijukerrospoltto).

15 PFBC-laitoksessa yhdistetään usein kaasun- ja höyryn-kierto. Sekä kaasuturbiinien ponnekaasu että höyryturbiinien höyry valmistetaan yhteisessä polttimossa. Ko-konaistehoa voidaan nostaa ja kiinteitä polttoaineita 20 voidaan polttaa. Lisäksi ympäristölle haitallisia tuotteita, esim. rikkiä, voidaan absorboida tehokkaasti.

Kerroksen korkeus on säädettävä siten, että aikaansaadaan haluttu antoteho. Siksi on kerrosmateriaalia pois-25 tettava tai syötettävä polttimoon. Johtuen korkeasta lämpötilasta, 750-900°C, ja muista ominaisuuksista, kerrosmateriaalin käsittely sisältää ongelmia, jotka ovat vaikeasti ratkaistavia.

^ yllämainitut ongelmat ja tunnettu tekniikka koskien elimiä kerrosmateriaalin käsittelemiseksi laitoksissa, joissa on poltin, jossa on leijukerros, selostetaan yksityiskohtaisesti raportissa ANL/CEN/FE-81-3, Argonne

National Laboratory, Argonne, Illinois, "Discharge and 35

Handling of Solids from Pressurized Fluidized Bed Combustors", John E Hanway Jr ja W F Podolski.

2 92956

Julkaisusta DE-C-948 105 tunnetaan polttolaitos, jossa on leijukerros, josta kerrosmateriaalia poistetaan jatkuvasti ja palautetaan siihen. Leijukerroksesta poistettu kerrosmateriaali viedään johdossa kosketuksiin 5 suhteellisen kylmän puristetun kaasun kanssa, joka ab sorboi lämpöä kerrosmateriaalista. Syklonissa kerrosmateriaali erotetaan kaasusta. Kerrosmateriaali palautetaan leijukerrokseen, jolloin kaasu sekoitetaan leijukerroksesta tuleviin polttokaasuihin ja syötetään kaa- 10 suturbiiniin. Tällä tavalla säädetään turbiiniin vir- taavien kaasujen lämpötilaa. Menetelmää ei käytetä tehon säätöön polttolaitoksessa, jossa on leijukerros, ja leijukerroksessa olevan kerrosmateriaalin määrä on lähes vakio koko ajan.

15

Eurooppalaisessa patenttijulkaisussa 84104821.8, jul-kaisunumero 0 124 842 esitetään toinen selostetun tyyppinen voimalaitos.

20 Esillä olevan keksinnön tarkoituksena on parantaa mai nitussa EP-julkaisussa selostetun tyyppistä voimalaitosta siten, että kuuman kerrosmateriaalin säilytyssäi-liöissä säiliön seinämät, joihin kohdistuu suuret jännitykset ja vaativat suuren ainespaksuuden, voidaan 25 valmistaa yksinkertaisista ja suhteellisen halvoista . rakenneaineista. Yksi ehto tälle on, että seinämän • · lämpötila on alhainen ja huomattavasti alhaisempi kuin säilytettävän materiaalin lämpötila.

30 Tämän tehtävän ratkaisemiseksi ehdotetaan patenttivaa timuksen 1 johdannon mukaista laitosta, joka keksinnön mukaisesti omaa patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosan ominaisuudet.

35 Keksinnön mukaisesti varustetaan laitos säilytyssäi- liöllä, jossa on sisäinen eristys, joka on keraamista eristemateriaalia aukossa säilön seinämän ja sisävaipan välillä. Tämän vaipan sisällä säilytetään kuuma kerrosti 3 92956 materiaali. Vaipassa on käytettävä lämmönkestävää korkean lämpötilan materiaalia. Koska säiliön seinämä ja vaippa koostuu materiaaleista, joilla on eri lämpölaa-jenemisvakiot ja jotka on lämmitetty eri lämpöisiksi, 5 sylinteri ja vaippa laajenevat eri määrissä. Edelleen toisessa päässä, edullisesti alapäässä, vaipan on oltava kaasutiivisti liitetty säiliön ulkoseinästään jolloin kaasu ei pääse kiertämään vaipan sisällä olevan tilan ja säilöseinämän aukon ja vaipan välillä. Tällai-10 nen kierto voisi aikaansaada harmillisen paikallisen lämpenemisen ja lämpöepätasapainon säiliöseinämässä, vaurioita eristeaineelle ja kuljettaa kerrosmateriaalia aukkoon vaipan ja eristeen välillä, joka aukko on välttämätön jotta eristeeseen ei kohdistuisi painevaurioita 15 kun vaippa laajenee lämmitettäessä.

Laajenemisongelmat lämmitettäesää voitetaan järjestämällä vaipan alaosaan ulospäin ja ylöspäin suunnattu kaulus tai hame, joka uloimmalta osaltaan on kaasutii-20 viisti liitetty hitssamalla säiliön seinäään. Säiliön seinämän ja vaipan välissä olevan tilan sisäinen eristys ja kylmän kerrosmateriaalin eriste vaipassa ja kauluksessa aikaansaavat asteittain laskevan lämpötilan vaipan lieriömäisen osan ja säiliön seinämän välillä, 25 joka vähentää jännityksiä kartiomaisessa kauluksessa tai laipassa siedettäviin arvoihin. Laipan aksiaalinen pidentäminen vaikuttaa jännityksien suuruuteen. Kartio-mainen kaulus tai laippa on valmistettu useista materiaaleista. Lähinnä vaipan lieriömäistä osaa käytetään 30 edullisesti materiaalia, jonka ominaisuudet ovat vas taavat. Lähinnä säiliön seinämää käytetään edullisesti materiaalia, jolla on vastaavat ominaisuudet kuin käytetyillä materiaaleilla. Kaulus keskittää myös vaipan säiliössä.

35

Keksintöä selostetaan seuraavassa lähemmin viittaamalla oheisiin kuvioihin, joissa .. kuvio 1 esittää kaaviomaisesti PFBC-voimalaitosta, 4 92956 kuvio 2 on osittain täytetty materiaalisäiliö lämpimän kerrosmateriaalin säilyttämiseksi, kuvio 3 on tyhjennetty materiaalisäiliö, ja kuvio 4 esittää sisäisen metallivaipan alaosan muodon 5 säiliössä.

Viitenumerolla 10 esitetään poltin ja numerolla 12 puhdistuslaite, joka esitetään syklonina. Nämä ykiköt on sovitettu paineastiaan 14. Tilassa 16 paineastian 14 ja 10 polttimon 10 välissä sijaitsee paineistettua polttoil- maa, jota syötetäöän polttimoon suuttimien 17 kautta pohjassa 18. Ilmaa leijuttaa tiettyä materiaalia olevaa kerrosta 20 ja polttaa polttoainetta, jota syötetään polttimoon syöttöjohdon 22 kautta. Kerros 20 sisältää 15 materiaalia, joka pystyy absorboimaan rikkiä, kuten kalkkia tai dolomiittia. Polttokaasut, jotka syntyvät polttimossa syötetään kaasuturbiinille 24 puhdituksen jälkeen puhdistuslaitteessa 12. Tämä turbiini 24 käyttää kompressoria 26, joka puristaa polttoilmaa, joka on 20 tuoto tilaan 16 paineastiassa 14 ja generaattoriin 28.

Poltin 10 sisältää putket 30, jotka poistavat lämpöä kerroksesta 20 ja aikaansaavat höyryä höyryturbiinin 32 ja generaattorin 34, joka on kytketty turbiiniin 32, käyttämiseksi.

25 . Kun säädetään laitoksen tehoa, kerroksen 20 korkeutta muutetaan. Jotta tehoa vähennettäessä säilytettäisiin kerroksessa lämpötila, joka on riittävä palamista varten, pienennetään kerroksen korkeutta siten, että eräät 30 putket 30 paljastetaan ja niiden lämmön absorbointi pienenee. Tehoa lisättäessä kerorksen korkeutta lisätään.

Tehoa muutettaessa kerrosmateriaalia siirretään poltti-35 mon 10 ja useiden eristettyjen säilytyssäiliöiden 36 välillä, jotka on sovitettu paineastian 14 sisälle tai sen ulkopuolelle. Materiaalin siirtyminen johtoa 38 pitkin aikaansaadaan vähentämällä tilan 40 painetta tl 5 92956 säiliössä 36, jolloin aikaansaadaan paine-ero polttimon 10 ja säiliön 36 välillä, joka on välttämätön kuljetusta varten. Tämä paineen pienentäminen aikaansaadaan avaamalla johdon 44 venttiiliä 42 ja poistamalla kaasua 5 tilasta 40. Edullisesti kaasujen virtausrajoitin 43 so vitetaan alavirtaan venttiilistä 42 ja kaasujen jäähdytin 45 ylävirtaan venttiilistä 42. Tällä tavalla venttiilin kaasunopeus ja venttiilin lämpiäminen pienenee ja venttiiliin kohdistuvat jännitykset pienenevät. Ker-10 rosmateriaalin siirtäminen polttimolta 10 säiliöön 36 tapahtuu laihan jakson aikana. Kerrosmateriaalin 46 palauttaminen säiliöstä poltimoon 10 tehoa lisättäessä tapahtuu johdon 48 kautta, jossa on L-venttiili 50. Palautus johdon 48 kautta tapahtuu tiheänä jaksona. Pon-15 nekaasu tätä varten aikaansaadaan kompressorilta 52 johdon 54 kautta, jossa on venttiili 56. Kun säiliön 36 paluujohto 48 on estetty, esimerkiksi sintterin avulla, noin 850°C asteinen säiliön 36 materiaali on jäähdytettynä ennen kuin se voidaan imeä ulos huoltoreiän kautta 20 ja huoltohenkilöstö voi mennä paineastiaan 14 ja säi liöön 36 poistamaan johdossa 48 olevan estävän materiaalin.

Jäähdytyskaasua syötetään säiliöön 36 suuttimien 58 25 kautta säiliön 36 alaosassa. Kerrosmateriaalissa 46 oelvan polttoaineen palamisen estämiseksi käytetään inerttiä jäähdytyskaasua, esimerkiksi typpeä. Typpeä syötetään säiliöstä 60 johdon 62 kautta, jossa on venttiili 64.

30

Kuten esitetään kuvioissa 2, 3 ja 4 muodostuu säilitys-säiliö 36 alaosasta 36a ja yläosasta 36b. Nämä onlii-tettu toisiinsa laiipojen 36c ja 36d ja pulttiliitok-sen(ei-esitetty) kautta. Säiliön alemmassa osassa 36a 35 on sisävaippa 66 ja sisäeriste 68, joka on keraamista materiaalia, esimerkiksi lohkareita materiaalia, joka on nimellä PyroblockR. Tämän eristeen 68 ja vaipan 66 väilssä on aukko 70. Alaosasta koko tila voidaan kui- 6 92956 tenkin täyttää eristävällä materiaalilla. Säiliön yläosa, joka on muodostettu luukuksi, on varustettu sisäe-risteellä 72 ja kuorella 74. Eristeen 72 ja kuoren 74 välissä on aukko 76. Kuoren 74 sisä- alaosa 74a ulottuu 5 alas vaippaan 66. Kuoren 74 osan 74a ja vaipan 66 vä lissä on aukko 75, jonka läpi aukot 70 ja 76 ovat yhteydessä tilaan 40 siten, että ei synny paine-eroja tilan 40 ja aukkojen 70 ja 76 välillä. Syöttöjohto 38 ja kaasujohto 44 on liitetty säiliön ylöosaan 36b palkien 10 78 ja 80 kautta, vastaavasti. Poistojohto 48 ja jäähdy- tyskaasun johto 62 on liitetty säiliöosan 36a alaosaan palkien 82 ja 84 kautta, vastaavasti.

Kuten mainittiin yllä sisäweriste 68 mahdollistaa sen, 15 että säiliön ulko-osa 36a, 36b, johon kohdistuu suuret voimat tilan 40 painetta vähennettäessä, pidetään alhaisessa lämpötilassa. Se jäähdytetään ympäröivällä paineistetulla ilmalla ja voidaan pitää noin 300°C lämpötilassa. Tarvittava lujuus voidaan aikaansaada yk-20 sinkertaisella ja halvalla metallilevyllä (hiilite rästä) ja ohuella ainespaksuyudella. Sisävaippa 66, joka suojaa eristettä ja ympäröi kerrosmateriaalin 46 saa saman lämpötilan kuin kuuma kerrosmateriaali, 850-900°C. Johtuen korkeasta lämpötilasta on vaippa 66 val-25 mistettava lämmönkestävästä materiaalista, joka kestää hyvin tätä lämpötilaa jotta se voisi absorboida voimia • · kerrosmateriaalista 40.

Teräsmateriaali säiliön 36 ulkoseinämässä ja korkea-30 lämpötilamateriaali sisävaipassa omaavat eri lämpölaa- jenemisvakiot, 13x10“** ja 19xl0“*V°C. Tämä tarkoittaa sitä, että halkaisija kasvaa eri tavalla kun laitos käynnistetään ja lämpötila nousee 300°C:een ja vastaavasti 850°C:een. Halkaisijoilla 1300 mm ja vastavasti 35 1200 mm lisääntyvät halkaisijat 5 ja vastaavasti 19,5 mm. Tämä halkaisijan ero tarkoittaa sitä, että aukon 70 on oltava ainakin noin 15 mm jotta eristemateriaali 70 ·. ei puristuisi sisävaipan 66 ja säilytyssäiliön 36 vä- ti 7 92956 liin ja vaurioituisi. Kaasutiivis liitäntä vaipan 66 alaosan ja säiliön 36 seinämän välillä on välttämätön useista syistä. Se on välttämätön jotta mahdollsitet-taiaiin jäähdytyskaasun virtauksen ylös kerrosmateriaa-5 Iin 46 läpui, jossa virtausvastus on huomattava. Tämä virtausvastus voi aiheuttaa paineen laskun noin 0,2-0,3 bar. Vuoto vaipan 66 alaosan ja säiliön 36 seinämän välillä tarkoittaisi sitä, että jäähdytyskaasu vuotaisi tätä kautta eikä kuuman kerrosmateriaalin kautta. Vuoto 10 saisi myös aikaan haitallisia lämpötilasysäyksiä koko seinämälle, alempaan vaippaosaan ja liitoksiin. Lisäksi kaasuvuoto kuljettaisi kerrosmateriaalia tilaan vaipan 66 ja säiliön 36 seinämän välissä, jolloin on olemassa vaara, että aukko 70 täyttyisi kerrosmateriaalista ja 15 vaurioittaisi eristeen 68. Kaasutiivis liitos mahdollistaa tällaisen matalan lämpötilan ylläpidon säiliön 36 seinämässä, että hiiliterästä voidaan käyttää rakennemateriaalina.

20 Jotta estettäisiin laajenemiserot vaipan 66 alaosan on varustettu ulospäin ja ylöspäin suunnatulla hameaisella laipalla, joka edullisesti koostuu ainakin kahdesta, mutta sopivasti kolmesta osasta 66a, 66b ja 66c, vastaavasti, jotka kaikki ovat eri materiaalia. Osassa 66a 25 voidaan käyttää samaa materiaalia kuin vapian 66 lie riömäisessä osassa. Yläosassa 66b käytetään edullisesti materiaalia, jolla on olennaisesti samat ominaisuudet lämpölaajenemisen suhteen kuin materiaalilla säiliön 36 ulkoseinämässä. Osassa 66c käytetään sopivasti mate-30 riaalia, joka lämpölaajenemisen suhteen sijaitsee osien 66a ja 66b materiaalien välissä. Ylempi laippaosa 66b voidaan liittää säiliön 36 ulkoseinästään joko suoraan tai välilevyn 36c kautta, hitsaamalla. Eristeen 68 ja kylmän kerrosmateriaalin takia vaipan 66 alaosassa 35 lämpötila putoaa asteittain hameaisessa lapiassa 66a, 66c, 66b, joka aiheuttaa sen, että jännitykset liitoskohdissa rajoittuvat sallittuihin arvoihin. Aukon 70 on oltava niin suuri, että vaippa 66 ei koskaan puristu 0 92956

O

vasten eristystä 68. Yllämainituilla koilla on aukko 20 mm sopiva.

Poistoputki 48 ulkonee sopivasti säiliöön 36 niin pal-5 jon, että säiliötä 36 tyhjennettäessä jäljellä oleva kerrosmateriaali 46a muodostaa suppilon 88, joka on riippuvainen lepokulmasta. Putken 48 suu 48a sijaitsee edullisesti sellaisesella tasolla, että suppilon 88 yläosan ulko-osa sijaitsee olennaisesti samalla tasolla 10 kuin hameaisen osan 66b liitos seinämään 36a säiliössä 36. Tämä kerrosmateriaali muodostaa eristeen vaipan 66 alaosaa vastaan jotta aikaansaataisiin lämpö-tilagradientti vaipan 66 kuumimman osan ja säiliön 36 seinämän välillä, joka on edullinen jännitysten suh-15 teen.

Säiliön alaosaan on edullisesti sovitettu eriste 86 hameaisen osan 66b, 66c ja säiliön 36 seinämän välille. Aukon 70 alaosaan on mahdollisesti sovitettu eristema-20 teriaalia 90 eristeen 68 ja vaipan 66 välille.

25 * » 30

II

35

Claims (5)

9 92956

1. Voimalaitos, jossa on poltin (10) , jossa on leijukerros (20) siihen syötetyn polttoaineen polttamiseksi, ja jossa on laitteet, joilla säädetään kerroksen korkeutta toimintaolo- 5 suhteista riippuen siirtämällä kerrosmateriaalia polttimon ja säilytyssäiliön (36) välillä, jossa on ulkokotelo, joka on ensimmäistä materiaalia, sisäinen lieriömäinen vaippa (66), joka on toista, korkean lämpötilan kestävää materiaalia, keraaminen eriste (68) ulkokuoren ja vaipan (66) välissä, 10 tunnettu siitä, että vaippa (66) on kaasutiiviisti liitetty alapäästään säiliön (36) seinämään ulospäin ja ylöspäin suunnatulla hamemaisella laipalla (66a, 66c, 66b).

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen voimalaitos, t u n - 15. e t t u siitä, että eristeen (68) ja vaipan (66) välissä on aukko (70).

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen voimalaitos, tunnettu siitä, että laippa koostuu ainakin kahdesta osasta 20 (66a, 66b), joista osa (66a), joka on liitetty vaippaan (66), on valmistettu samasta materiaalista kuin vaippa tai materiaalista, jolla on lämpölaajenemiskerroin, joka on samaa suuruusluokkaa kuin vaipan materiaalilla, ja osa (66b), joka on liitetty säiliön (36) ulkoseinämään (36a), on valmistettu sa-25 masta materiaalista kuin ulkoseinämä tai materiaalista, jolla on lämpölaajenemiskerroin, joka on samaa suuruusluokkaa kuin ulkoseinänhän materiaalilla.

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen voimalaitos, t u n - 30. e t t u siitä, että laippa käsittää väliosan (66c), joka on materiaalia, jonka lämpölaajenemiskerroin sijaitsee ympäröivien osien (66a, 66b) lämpölaajenemiskertoimien välissä.

5. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen voimalai-35 tos, tunnettu siitä, että yksi tai useampi säiliö (36) sisältyy PFBC-voimalaitokseen ja sijaitsee paineastiassa (14) yhdessä polttimon kanssa. 92956 10