ITMI941949A1

ITMI941949A1 - Sistema di combustione a stadi multipli per impianti riscaldati dal l'esterno

Info

Publication number: ITMI941949A1
Application number: IT94MI001949A
Authority: IT
Inventors: Alexander I Kalina
Original assignee: Exergy Inc
Priority date: 1993-09-27
Filing date: 1994-09-26
Publication date: 1996-03-26
Also published as: ATE200566T1; RU94034120A; EP0645581A3; US5450821A; JPH07217820A; IT1271213B; IS4211A; CN1103940A; ITMI941949A0; NZ264476A; RU2126514C1; DK0645581T3; PH30405A; DE69427060D1; CN1050892C; EP0645581B1; EP0645581A2

Abstract

Apparecchiatura e procedimento di combustione e stadi multipli da utilizzare con centrali elettriche o impianti di potenza riscaldati dall'esterno che consente alla temperatura del colore rilasciato a qualsiasi stadio di essere fatta corrispondere alle caratteristiche termiche del fluido di lavoro dalla centrale elettrica.

Description

DESCRIZIONE

La presente invenzione riguarda un procedimento e sistemi per bruciare combustibile per fornire calore a caldaie e surriscaldatori di centrali elettriche riscaldate dall'esterno.

I sistemi di combustione impiegati attualmente per impianti di potenza riscaldati dall'esterno possono essere divisi in due categorie: sistemi in cui l'aria alimentata nel combustore viene preriscaldata e sistemi in cui l'aria non è preriscaldata. Un sistema di combustione con preriscaldamento d'aria consente un'efficienza maggiore del sistema di energia o potenza poiché il calore viene rilasciato in un intervallo di temperatura superiore alla temperatura in cui i gas di combustione vengono utilizzati per preriscaldare l'aria in ingresso, ad esempio solitamente in un intervallo di temperature superiore ad approssimativamente 700’F (circa 193°C).

Due tipi noti di procedimenti di combustione comprendono sistemi di combustione di carbone in polvere (in cui il carbone bruciato viene ridotto in una polvere sottile) e sistemi di combustione a letto fluidizzato. I sistemi di combustione a carbone in polvere sono solitamente utilizzati solamente per bruciare carbone (che, a differenza degli altri tipi di com-bustibile, può essere macinato in una polvere sottile). La sottile polvere di carbone viene tipicamente bruciata con almeno il 15-20% di eccesso d'aria per fornire combustione completa. La rimozione di calore viene eseguita mediante tubi speciali che circondano la zona della fiamma. In questi tubi, il fluido di lavoro (solitamente acqua) è in ebollizione, impedendo così che i tubi si surriscaldino e brucino. La temperatura di combu-stione è tipicamente molto elevata in modo tale che vengono prodotti gas di ossido di azoto (Ν0χ) nocivi per l'ambiente. La temperatura elevata della combustione impedisce inoltre la rimozione di gas di zolfo nocivi per l'ambiente, ad esempio mediante aggiunta di calcare.

In sistemi di combustione a letto fluidizzato si possono bruciare forme diverse di combustibile solido. Il combustibile viene solitamente alimentato nella zona di combustione miscelato con calcare; lo scopo del calcare è di rimuovere i gas di zolfo. Come per il sistema a carbone in polvere, il combustibile viene bruciato tipicamente con almeno il 15-20% di eccesso d'aria per fornire combustione completa. Tubi di raffreddamento speciali che assorbono calore in tali combustori sono posti direttamente nella zona di combustione, fornendo cosi raffreddamento efficace. Come ri-sultato, i sistemi di combustione a letto fluidizzato possono bruciare combustibile a temperature pari ad approssimativamente 1600"F (circa 470<*>C). A tale temperatura, il calcare assorbe i gas di zolfo e gas di Νοχ non vengono prodotti dall'aria. Tuttavia, poiché la maggior parte del calore viene rilasciato mediante raffreddamento singolo del gas di combustione da 1600“F (circa 470’C) ad approssimativamente 700’F (190‘C), non vi è sufficiente calore rilasciato per riscaldare il fluido di lavoro nel ciclo di potenza, diminuendo così l'efficienza del sistema di potenza. ;In un primo aspetto, l'invenzione è caratterizzata da un procedimento per fornire calore ad un impianto di energia riscaldato dall'esterno che comprende le fasi di: ;fornire una corrente di aria preriscaldata e una porzione della quantità totale di combustibile di combustione ad una prima camera di combustione; ;bruciare la miscela di aria preriscaldata e combustibile di combustione per formare una prima corrente di gas di combustione, ;la quantità di combustibile per la combustione alimentato alla prima camera di combustione essendo scelta in modo tale che la temperatura della prima corrente di gas di combustione è inferiore alla temperatura alla quale si formano gas di Νοχ; ;trasferire calore dalla prima corrente di gas di combustione ad una corrente di fluido di lavoro da un impianto di energia riscaldato dal-l'esterno; ;bruciare il restante combustibile di combustione in una serie di una o più fasi di combustione successive per formare in ciascuna fase una cor-rente di gas di combustione impiegando la corrente di gas di combustione creata nella fase di combustione immediatamente precedente; ;la quantità di combustibile di combustione in ciascuna fase di combustione successiva essendo scelta in modo tale che la corrente di gas di combustione creata dalla fase di combustione è inferiore alla temperatura alla quale si formano gas di Νοχ; ;la somma degli innalzamenti di temperatura associati con ciascuna fase di combustione essendo uguale all'innalzamento di temperatura associato con la combustione di tutto il combustibile di combustione in una singola fase di combustione utilizzando la quantità di aria minima necessaria per la combustione; e ;trasferire calore da ciascuna successiva corrente di gas di combustione ad una corrente di fluido di lavoro da un impianto di energia riscaldato dall esterno. ;In un secondo aspetto, l'invenzione è caratterizzata da un procedimento per fornire calore ad un impianto di energia riscaldato dall'esterno, comprendente le fasi di: ;alimentare una corrente di aria preriscaldata e una porzione della quantità totale del combustibile di combustione ad una prima camera di combustione; ;bruciare la miscela di aria preriscaldata ed il combustibile di combustione per formare una prima corrente di gas di combustione, ;la quantità di combustibile di combustione alimentato alla prima camera di combustione essendo scelta in modo tale che la temperatura della prima corrente di gas di combustione è inferiore alla temperatura in cui si formano gas di Ν0χ; ;trasferire calore dalla prima corrente di gas di combustione ad una corrente di fluidi di lavoro da un impianto di energia riscaldato dal-1 'esterno; ;bruciare una miscela della prima corrente di gas di combustione e di una seconda porzione del combustibile di combustione in una seconda camera di combustione per formare una seconda corrente di gas di combustione, la quantità del combustibile di combustione alimentato alla seconda camera di combustione essendo scelta in modo tale che la temperatura della seconda corrente di gas di combustione è inferiore alla temperatura alla quale si formano i gas di Ν0χ; ;trasferire calore dalla seconda corrente di gas di combustione ad una corrente di fluido di lavoro da un impianto di energia riscaldato dall esterno; ;bruciare una miscela della seconda corrente di gas di combustione e una terza porzione del combustibile di combustione in una terza camera di combustione per formare una terza corrente di gas di combustione, ;la quantità di combustibile di combustione alimentato alla terza camera di combustione essendo scelta in modo tale che la temperatura della terza corrente di gas di combustione è inferiore alla temperatura alla quale si formano gas di Ν0χ e ;trasferire calore dalla terza corrente di gas di combustione ad una corrente di fluido di lavoro da un impianto di energia riscaldato dall'esterno, ;la somma degli innalzamenti di temperatura associati con ciascuna fa-se di combustione essendo uguale all'innalzamento di temperatura associato con la combustione di tutto il combustibile di combustione in una singola fase di combustione utilizzando la quantità minima di aria necessaria per la combustione. ;In un terzo aspetto, l'invenzione è caratterizzata da una apparecchiatura per fornire calore ad un impianto di energia riscaldato dal-l'esterno che comprende: ;un preriscaldatore per preriscaldare una corrente d'aria in ingresso impiegando calore trasferito da una corrente di gas di combustione; ;una prima camera di combustione per bruciare una miscela di aria pre-riscaldata e una parte della quantità totale di combustibile di combustione per formare una prima corrente di gas di combustione; ;un misuratore per scegliere la quantità di combustibile di combustione alimentato alla prima camera di combustione in modo tale che la temperatura della prima corrente di gas di combustione è inferiore alla temperatura alla quale si formano gas Ν0χ; ;un primo scambiatore di calore per trasferire calore dalla prima corrente di gas di combustione ad una corrente di fluido di lavoro dall'im-pianto di energia riscaldato dall'esterno; ;una o più ulteriori camere di combustione disposte in serie per bruciare il restante combustibile di combustione in una serie di una o più successive fasi di combustione per formare in ciascuna fase una corrente di gas di combustione impiegando una corrente di gas di combustione creata nella fase di combustione immediatamente precedente; ;uno o più misuratori per scegliere la quantità di combustibile di combustione in ciascuna fase di combustione successiva in modo tale che la temperatura della corrente di gas di combustione creata dalla fase di combustione è inferiore alla temperatura alla quale si formano gas Ν0χ, la somma degli aumenti di temperatura associati con ciascuna fase di combustione essendo uguale all'aumento di temperatura associato con la combustione di tutto il combustibile di combustione in una singola fase di combustione impiegando la minima quantità di aria necessaria per la combustione; e ;uno o più ulteriori scambiatori di calore per trasferire calore da ciascuna successiva corrente di gas di combustione ad una corrente di fluido di lavoro dall'impianto di energia riscaldato dall'esterno. ;In un quarto aspetto, l'invenzione è caratterizzata da una apparecchiatura per fornire calore ad un impianto di energia riscaldato dall'esterno che comprende: ;un preriscaldatore per preriscaldare una corrente d'aria in ingresso impiegando il calore trasferito da una corrente di gas di combustione; una prima camera di combustione per bruciare una miscela di aria preriscaldata e una parte della quantità totale del combustibile di combustione per formare una prima corrente di gas di combustione; ;un primo misuratore per scegliere la quantità di combustibile di alimentazione fornito o alimentato alla prima camera di combustione in modo tale che la temperatura della prima corrente di gas di combustione è inferiore alla temperatura alla quale si formano gas Ν0χ; ;un primo scambiatore di calore per trasferire calore dalla prima cor-rente di gas di combustione ad una corrente di fluido di lavoro da un im-pianto di energia riscaldato dall'esterno; ;una seconda camera di combustione per bruciare una miscela della prima corrente di gas di combustione e una seconda porzione del combustibile di combustione per formare una seconda corrente di gas di combustione; un secondo misuratore per scegliere la quantità di combustibile di combustione alimentato alla seconda camera di combustione in modo tale che la temperatura della seconda corrente di gas di combustione sia inferiore alla temperatura alla quale si formano gas Ν0χ; ;un secondo scambiatore di calore per trasferire calore dalla seconda corrente di gas di combustione ad una corrente di fluido di lavoro da un impianto di energia riscaldato dall'esterno; ;una terza camera di combustione per bruciare una miscela della seconda corrente di gas di combustione e una terza parte del combustibile di combustione per formare una terza corrente di gas di combustione; ;un terzo misuratore per scegliere la quantità di combustibile di com-bustione alimentato alla terza camera di combustione in modo tale che la temperatura della terza corrente di gas di combustione è inferiore alla temperatura alla quale si formano gas Ν0χ; e ;un terzo scambiatore di calore per trasferire calore dalla terza corrente di gas di combustione ad una corrente di fluido di lavoro da un impianto di energia riscaldato dall'esterno; ;la somma degli aumenti di temperatura associati con ciascuna fase di combustione essendo uguale all'aumento di temperatura associato con la combustione di tutto detto combustibile di combustione in una singola fase di combustione utilizzando la quantità minima di aria necessaria per la combustione. ;Nelle forme di realizzazione preferite, sia il procedimento che l'ap-parecchiatura di combustione possono comprendere inoltre un quarto ciclo di combustione in cui una miscela della terza corrente di gas di combustione e una quarte parte del combustibile di combustione vinee bruciata in una quarta camera di combustione per formare una quarta corrente di gas di combustione. La quantità di combustibile di combustione alimentato alla quarta camera di combustione viene scelta in modo tale che la temperatura della quarta corrente di gas di combustione è inferiore alla temperatura alla quale si formano gas Ν0χ. Il calore viene quindi trasferito dalla quarta corrente di gas di combustione ad una corrente di fluido di lavoro da un impianto di energia riscaldato dall'esterno. La somma degli aumenti di temperatura associati con ciascuna fase di combustione nel sistema a quattro cicli è uguale all'aumento di temperatura associato con la combustione di tutto il combustibile di combustione in una singola fase di com-bustione utilizzando la minima quantità di aria necessaria alla combustio-ne. ;In altre forme di realizzazione preferite, il calore viene ulteriormente trasferito dall'ultima corrente di gas di combustione ad una corrente d'aria in ingresso per preriscaldare la corrente d'aria, dopo di che la corrente di gas di combustione viene rilasciata all'atmosfera. Dalla corrente di gas di combustione si possono anche rimuovere gas di zolfo, ad esempio aggiungendo calcare al combustibile di combustione nelle ultime fasi di combustione (ad esempio alla terza o alla quarta camera di combustione) oppure lavando l'ultima corrente di gas di combustione (ad esempio la terza o quarta corrente di gas di combustione) prima di rilasciare la corrente nell'atmosfera. Una o più delle camere di combustione (ad esempio la terza o la quarta camera) possono essere una camera di combustione a letto fluidizzato. Nel caso in cui una qualsiasi delle correnti di gas di combustione non abbia un contenuto di ossigeno sufficiente alla combustione, una porzione della corrente di aria preriscaldata può essere deviata e bruciata con il combustibile di combustione per compensare questa mancan-za. ;La temperatura di ciascuna delle correnti di gas di combustione è preferibilmente non superiore a circa 1700°F (circa 500’C) (ad esempio non superiore a circa 1600-1700’F ovvero circa 470-500'C) per impedire la formazione di gas Ν0χ. L'eccesso complessivo di aria rispetto alla quantità totale di combustibile di combustione consumato è preferibilmente circa del 5-7Z. ;Un vantaggio significativo del sistema di combustione a stadi multipli dell'invenzione consiste nel fatto che la quantità di cui il gas di combustione si raffredda in ciascuna fase (e pertanto la temperatura del calore rilasciato) può essere controllata controllando il numero di stadi di combustione. Ciò, a sua volta, consente di far corrispondere la temperatura del calore rilasciato con le caratteristiche termiche del fluido di lavoro. La capacità di adattare in modo preciso la temperatura del calore rilasciato in qualsiasi punto del processo di combustione per farlo corrispondere alle caratteristiche termiche del fluido di lavoro manipolando il numero di stadi di combustione, fornisce mezzi semplici e tuttavia altamente efficaci per migliorare l'efficienza della centrale elettrica. ;Poiché il processo di combustione utilizza aria preriscaldata, calore viene rilasciato a temperature sufficientemente elevate da provvedere al riscaldamento del fluido di lavoro del sistema di energia, portando ad ulteriori miglioramenti nell'efficienza. Poiché queste temperature possono essere scelte in modo tale da essere significativamente maggiori della temperatura alla quale il gas di combustione si sarà raffreddato nell'ultimo scambiatore di calore, la quantità di calore prodotto a temperature maggiori sarà maggiore della quantità di calore prodotto a temperature inferiori. L'impiego di stadi di combustione multipli consente inoltre di rilasciare calore a temperature maggiori diminuendo la quantità di cui il gas di combustione si raffredda in uno qualsiasi degli stadi di combustione. Il risultato netto è che la temperatura media alla quale viene rilasciato l'intero calore sarà aumentata, consentendo così l'impiego del sistema proposto per un ciclo di potenza con un singolo ri-riscaldamento o ri-riscaldamenti multipli del fluido di lavoro e migliorando inoltre l'efficienza. Allo stesso tempo, la temperatura di una qualsiasi delle corren-ti di gas di combustione prodotta nel processo di combustione non supera il livello (approssimativamente 1600-1700’F, circa 470-500"C), al quale si possono rimuovere in modo efficace gas di zolfo, ad esempio mediante aggiunta di calcare, e al quale non vengono prodotti gas Ν0χ, portando ad una produzione di combustibile pulita dal punto di vista ambientale. ;Un altro vantaggio consiste nel fatto che, poiché solamente una parte del combustibile di combustione viene bruciata in ciascuna camera di combustione, la quantità di aria in una qualsiasi camera di combustione data rimane elevata, mentre l'eccesso complessivo di aria rispetto alla quantità totale del combustibile bruciato è ancora solamente dal 5-7%. Questo riduce le perdite di calore con gas di camino. ;Poiché non è necessario fornire alle camere di combustione tubi o al-tre superfici che consumino calore, attraverso le camere di combustione può passare gas o aria con velocità fortemente aumentata, riducendo così le dimensioni complessive della camera di combustione. Inoltre, gli scambiatori di calore utilizzati per l'acquisizione di calore possono essere prefabbricati e trasportati in sito in sezioni che vengono facilmente assemblate, riducendo nettamente il costo di costruzione di un tale impianto di combustione. Un vantaggio aggiuntivo consiste nel fatto che i tubi dello scambiatore di calore non sono esposti a temperature eccessivamente elevate come negli impianti di combustione a carbone in polvere e neppure all'erosione mediante un letto fluidizzato. Come risultato, si può utilizzare un materiale più economico in quantità minore per i tubi negli scambiatori di calore, contribuendo ulteriormente alla riduzione di costi del-1 'impianto. ;Un ulteriore vantaggio consiste nel fatto che il sistema proposto viene controllato in modo semplice perchè è sempre possibile regolare la quantità sia del combustibile che dell'aria inviata ad una qualsiasi camera di combustione particolare. ;Altre caratteristiche e vantaggi dell'invenzione risulteranno evidenti dalla seguente descrizione delle sue forme di realizzazione preferite e dalle rivendicazioni. ;La figura 1 è una rappresentazione schematica di una forma di realiz-zazione del procedimento e della apparecchiatura della presente invenzione avente tre cicli di combustione. ;La figura 2 è una rappresentazione schematica di una forma di realiz-zazione del procedimento e della apparecchiatura della presente invenzione avente quattro cicli di combustione. ;La presente invenzione è un procedimento ed una apparecchiatura innovativi per bruciare combustibile per fornire calore ad impianti di energia o centrali elettriche riscaldate dall'esterno. Lo schema mostrato in figura 1 mostra una forma di realizzazione di una apparecchiatura preferita che può essere utilizzata nel procedimento della presente invenzione. Specificatamente, la figura 1 mostra un sistema di combustione 100 che comprende una ventola 101, un preriscaldatore d'aria 102, camere di combu-stione 103, 104 e 105, scambiatori di calore 106, 107 e 108 e un sistema di energia esterno 109. ;Il sistema di energia 109 può essere un qualsiasi sistema di conversione di energia riscaldato direttamente dall'esterno. Il sistema di combustione secondo l'invenzione è particolarmente utile in cicli e sistemi di energia o potenza in cui la maggior parte del calore necessario per i cicli di conversione dell'energia viene non utilizzato per l'evaporazione del fluido di lavoro ma piuttosto per il suo surriscaldamento e ri-riscaldamento. Esempi di tali impianti di energia o centrali elettriche sono descritti ad esempio nei brevetti statunitensi N. 4.732.005 e 4.899.545, che sono qui incorporati a titolo di riferimento. ;Facendo riferimento alla figura 1, aria atmosferica con i parametri al punto 1 viene alimentata nel sistema di combustione 100 mediante una ventola 101. Dopo l'aumento della pressione dell'aria, la corrente d'aria esce dalla ventola avendo i parametri al punto 2. L'aria passa quindi attraverso un preriscaldatore d'aria 102 ove viene riscaldata fino ad una temperatura approssimativamente di 500-600'F (circa 126—160"C) e ottiene i parametri indicati al punto 3. Successivamente, la corrente d'aria viene divisa in due sotto correnti con i parametri rispettivamente indicati nei punti 4 e 5. La sotto corrente avente i parametri al punto 4 (che contiene la maggior parte dell'aria) viene quindi inviata entro una prima camera di combustione 103 ove viene bruciata con il combustibile alimentato alla camera 103 in quantità tale da fornire gas di combustione che lasciano la camera di combustione 103 con una temperatura non superiore a 1600-1700<*>F (470-500‘C circa), che è necessaria ad impedire la formazione di Ν0χ. La quantità di combustibile alimentato alla camera 103 rappresenta solamente una parte del combustibile totale da bruciare.

Successivamente, gas di combustione avente i parametri al punto 6 passa attraverso un primo scambiatore di calore 106. Il fluido di lavoro della centrale elettrica o sistema di energia 109 passa anche in contro corrente attraverso lo scambiatore di calore 106, con il risultato netto che il calore viene trasferito dal gas di combustione a questo fluido di lavoro. Il gas di combustione raffreddato esce quindi dallo scambiatore di calore 106, ottenendo i parametri al punto 7. La temperatura al punto 7 viene scelta per fornire la temperatura elevata necessaria di calore che viene trasferito al fluido di lavoro. Se necessario, la temperatura al punto 7 può essere significativamente maggiore della temperatura al punto 4 in modo tale che tutto il calore trasferito al fluido di lavoro nel primo scambiatore di calore avrà una temperatura relativamente alta.

Poiché solamente una parte del combustibile totale che deve essere combusto è stato bruciato nella prima camera di combustione 103, il gas di combustione che lascia la prima camera di combustione contiene ancora una quantità significativa di ossigeno e pertanto può essere utilizzato per ulteriore combustione. Così, dopo essere passato attraverso lo scambiatore di calore 106, il gas di combustione che ha i parametri al punto 7 viene inviata in una seconda camera di combustione 104 dove viene ancora alimentato con combustibile in una quantità necessaria per fornire gas di combustione che escono dalla camera di combustione 104 con una temperatura non superiore a 1600-1700"F (circa 470-500°C).

Il gas di combustione lascia la seconda camera di combustione 104 con parametri corrispondenti al punto 8. Successivamente, il gas di combustione passa attraverso un secondo scambiatore di calore 107 e viene raffreddato di nuovo, trasferendo così calore al fluido di lavoro nel sistema di energia o centrale elettrica 106 e ottenendo i parametri al punto 9.

La temperatura del gas di combustione al punto 9 viene scelta per fornire la temperatura elevata necessaria del calore rilasciato nello scambiatore di calore 107 e trasferito al fluido di lavoro. Poiché in entrambe la prima e la seconda camera di combustione solamente una parte del combustibile da bruciare è stato bruciato, il gas di combustione avente i parametri al punto 9 contiene ancora l'ossigeno sufficiente necessario a completare la combustione nella terza camera di combustione 105. Tuttavia, se l'ossigeno contenuto nel gas di combustione non è sufficiente a fornire la combustione completa nella terza camera di combustione, allora entro la terza camera di combustione 105 viene alimentata ulteriormente una corrente di aria preriscaldata avente i parametri al punto 5.

Il resto del combustibile viene alimentato nella terza camera di combustione 105 per completare il processo di combustione (ancora facendo attenzione che la quantità di combustibile sia scelta in modo tale che la temperatura del gas di combustione risultante non superi i 1600-1700'F, circa 470-500‘C). Alla camera di combustione 105 si può inoltre aggiungere calcare per assorbire i gas di zolfo dal gas di combustione, controllando così efficacemente la loro emissione. A questo scopo, la terza camera di combustione 105 può avere un combustore a letto fluidizzato.

Il gas di combustione che lascia la terza camera di combustione 105, avente i parametri come indicato al punto 10, passa attraverso un terzo scambiatore di calore 108, ove di nuovo trasferisce il calore al fluido di lavoro dal sistema di energia o centrale elettrica 109 e quindi esce dallo scambiatore di calore 108 con i parametri indicati al punto 11. La temperatura al punto 11 è inferiore alla temperatura ai punti 7 e 9, cioè dei punti di uscita dal primo e dal secondo scambiatore di calore 106 e 107. Successivamente, il gas di combustione viene inviato in contro flusso all'aria entrante entro il preriscaldatore d'aria 102 e viene raffreddato in modo tale da avere i parametri indicati al punto 12. Esso viene di nuovo rilasciato al camino.

Ciascuna singola fase di combustione è associata con un aumento di temperatura della corrente di gas in ingresso. Il totale degli aumenti di temperatura in tutte le camere di combustione è uguale al totale che si otterrebbe se il combustibile venisse bruciato in uno stadio singolo utilizzando la minima quantità di aria necessaria per la combustione completa. Tuttavia, è possibile che, a causa della temperatura relativamente elevata del gas di combustione che entra nella seconda e nella terza camera di combustione, la quantità di combustibile che può essere bruciato in tali camere deve essere ridotta per impedire che la temperatura del gas di combustione che lascia tali camere di combustione non superi una temperatura di 1600-1700 "F, circa 470-500°C. Come risultato, il totale degli aumenti di temperatura in tutte e tre le camere di combustione può essere inferiore all'aumento di temperatura totale definito bruciando tutto il combustibile in una sola fase. Ciò, a sua volta, può far sì che il gas di combustione che lascia la terza camera di combustione trattenga una quantità significativa di ossigeno, portando così ad un eccesso di aria inacettabilmente elevato introdotto per il processo di combustione complessiνο. Per evitare questo problema, si può utilizzare uno stadio di combustione aggiuntivo, cioè una quarta camera di combustione.

Un sistema di combustione 200 a quattro stadi è mostrato in figura 2. Il sistema di combustione 200 è identico al sistema di combustione 100 (figura 1) eccetto per il fatto che comprende inoltre una quarta camera di combustione 110 e un quarto scambiatore di calore 111. Dopo che il gas di combustione esce dal terzo scambiatore di calore 108, con i parametri indicati al punto 11, esso viene alimentato nella quarta camera di combustione 110, insieme con il restante combustibile di combustione, per completare il processo di combustione (ancora una volta facendo attenzione che la quantità di combustibile sia scelta in modo tale che la temperatura del gas di combustione risultante non superi i 1600-1700°F, circa (470-500°C). Se il contenuto di ossigeno del gas di combustione non è sufficiente a fornire la combustione completa nella quarta camera di combustione, allora si può ulteriormente alimentare entro la quarta camera di combustione 110 una corrente di aria preriscaldata avente i parametri indicati al punto 5. Si può inoltre aggiungere calcare alla camera di combustione 110 per assorbire i gas di zolfo dal gas di combustione (nel qual caso la camera di combustione 110 può essere un combustore a letto fluidizzato).

Il gas di combustione che lascia la quarta camera di combustione 110, avente parametri indicati al punto 12, passa attraverso un quarto scambiatore di calore 111, ove di nuovo trasferisce il calore al fluido di lavoro dal sistema di energia 109 ed esce quindi dallo scambiatore di calore 111 avente i parametri al punto 13. La temperatura al punto 13 è inferiore alla temperatura ai punti 7, 9 e 11, cioè i punti di uscita dal primo, secondo e terzo scambiatore di calore 106, 107 e 108. Successivamente, il gas di combustione viene inviato in contro flusso all'aria in ingresso entro il preriscaldatore d'aria 102 e raffreddato in modo tale da avere i parametri al punto 14. Esso viene quindi rilasciato verso il camino.

Sebbene la presente invenzione sia stata descritta rispetto ad alcune forme di realizzazione preferite, gli esperti del ramo comprenderanno che una pluralità di variazioni e modifiche si possono apportare a tali forme di realizzazione. E' inteso che le rivendicazioni accluse coprono tutte tali variazioni e modifiche che rientrano nello spirito vero e nell'ambito di protezione dell'invenzione.

Ad esempio, sebbene i sistemi descritti sopra siano presentati come sistemi di combustione a tre e quattro stadi, è evidente che si può uti-lizzare un qualsiasi numero di stadi, cioè l'apparecchiatura può avere più di tre o quattro stadi, o anche solamente due stadi. Il numero di stadi è scelto in base alle caratteristiche termiche della corrente di fluido di lavoro al fine di far corrispondere la temperatura del calore rilasciato con queste caratteristiche. In questo modo, il calore rilasciato può essere stabilito in modo preciso per adattarsi alla richiesta dell'impianto di energia o centrale elettrica aumentando così l'efficienza complessiva.

La purificazione dei gas di combustione per rimuovere gas di zolfo può essere eseguita prima di rilasciare i gas al camino utilizzando unità di lavaggio.

Le camere di combustione multiple possono essere disposte verticalmente, cioè con l'ultima camera di combustione in cima e le precedenti camere di combustione consecutivamente al di sotto di essa. In tal caso, il sistema può essere configurato in modo tale che la cenere della camera di combustione finale, nonché il combustibile che non è stato bruciato completamente dalla camera di combustione finale, ricadano successivamente verso il basso a ciascuna camera di combustione precedente. Questa disposizione garantisce la combustione completa di tutto il combustibile e allo stesso tempo consente la rimozione di cenere solamente dalla camera di combustione posta più in basso.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Procedimento per fornire calore ad un sistema di energia riscaldato dall'esterno, comprendente le fasi di: alimentare una corrente di aria preriscaldata e una porzione della quantità totale di combustibili di combustione ad una prima camera di combustione; bruciare la miscela di aria preriscaldata e combustibile di combustione per formare una prima corrente di gas di combustione; la quantità di detto combustibile di combustione alimentato a detta prima camera di combustione essendo scelta in modo tale che la temperatura di detta prima corrente di gas di combustione è inferiore alla temperatura alla quale si formano gas Ν0χ; trasferire calore da detta prima corrente di gas di combustione ad una corrente di fluido di lavoro da un sistema di energia riscaldato dall 'esterno; bruciare il restante combustibile di combustione in una serie di una o più successive fasi di combustione per formare in ciascuna fase una corrente di gas di combustione impiegando la corrente di gas di combustione creata nella fase di combustione immediatamente precedente, la quantità di combustibile di combustione in ciascuna fase di combustione successiva essendo scelta in modo tale che la temperatura della corrente di gas di combustione creata dalla fase di combustione sia inferiore alla temperatura alla quale si formano gas Ν0χ, la somma degli aumenti di temperatura associati con ciascuna fase di combustione essendo uguale all'aumento di temperatura associato con la combustione di tutto detto combustibile di combustione in una singola fase di combustione utilizzando la minima quantità di aria necessaria alla combustione; e trasferire calore da ciascuna corrente di gas di combustione successiva ad una corrente di fluido di lavoro da detto sistema di energia riscaldato dall'esterno.
2. Procedimento secondo la rivendicazione 1, comprendente inoltre trasferire calore dall'ultima corrente di gas di combustione ad una corrente d'aria in ingresso per preriscaldare detta corrente d'aria e rilasciare detta ultima corrente di gas di combustione all'atmosfera.
3. Procedimento secondo la rivendicazione 1, comprendente inoltre aggiungere calcare al combustibile di combustione nell'ultima fase di combustione per rimuovere gas di zolfo.
4. Procedimento secondo la rivendicazione 1, comprendente inoltre rimuovere i gas di zolfo lavando l'ultima corrente di gas di combustione.
5. Procedimento secondo la rivendicazione 1, comprendente inoltre deviare una porzione di detta corrente di aria preriscaldata e bruciare detta parte con detto combustibile di combustione in una o più di dette fasi di combustione.
6. Procedimento secondo la rivendicazione 1, in cui la temperatura di ciascuna di dette correnti di gas di combustione è non superiore a circa 1700‘F (circa 500°C) per impedire la formazione di gas Ν0χ.
7. Procedimento secondo la rivendicazione 1, in cui l'eccesso complessivo di aria rispetto alla quantità totale di combustibile di combustione consumato è circa il 5-7%.
8. Procedimento per alimentare calore ad un sistema di energia riscaldato dall'esterno comprendente le fasi di: alimentare una corrente di aria preriscaldata e una parte della quantità totale di combustibile di combustione ad una prima camera di combustione; bruciare la miscela di aria preriscaldata e combustibile di combustione per formare una prima corrente di gas di combustione, la quantità di detto combustibile di combustione alimentato a detta prima camera di combustione essendo scelta in modo tale che la temperatura di detta prima corrente di gas di combustione è inferiore alla temperatura alla quale si formano gas Ν0χ; trasferire calore da detta prima corrente di gas di combustione ad una corrente di fluido di lavoro da un sistema di energia riscaldato dall esterno; bruciare una miscela di detta prima corrente di gas di combustione e una seconda porzione di detto combustibile di combustione in una seconda camera di combustione per formare una seconda corrente di gas di combustione; la quantità di detto combustibile di combustione alimentato a detta seconda camera di combustione essendo scelta in modo tale che la tempera-tura di detta seconda corrente di gas di combustione è inferiore alla temperatura alla quale si formano gas di Ν0χ; trasferire calore da detta seconda corrente di gas di combustione ad una corrente di fluido di lavoro da un sistema di energia riscaldato dall'esterno; bruciare una miscela di detta seconda corrente di gas di combustion e una terza parte di detto combustibile di combustione in una terza camera di combustione per formare una terza corrente di gas di combustione, la quantità di detto combustibile di combustione alimentato a detta terza camera di combustione essendo scelta in modo tale che la temperatura di detta terza corrente di gas di combustione è inferiore alla temperatura alla quale si formano gas di Νοχ; e trasferire calore da detta terza corrente di gas di combustione ad una corrente di fluido di lavoro da un sistema di energia riscaldato dall esterno, la somma degli aumenti di temperatura associati con ciascuna fase di combustione essendo uguale all'aumento di temperatura associato con la combustione di tutto detto combustibile di combustione in una singola fase di combustione impiegando la quantità minima di aria necessaria per la combustione .
9. Procedimento secondo la rivendicazione 8, comprendente inoltre trasferire calore da detta terza corrente di gas di combustione ad una corrente d'aria in ingresso per preriscaldare detta corrente d'aria; e rilasciare detta terza corrente di gas di combustione all'atmosfera.
10. Procedimento secondo la rivendicazione 8, comprendente aggiungere calcare al combustibile di combustione in detta terza camera di combustione .
11. Procedimento secondo la rivendicazione 8, comprendente inoltre rimuovere gas di zolfo lavando detta terza corrente di gas di combustione.
12. Procedimento secondo la rivendicazione 8, comprendente inoltre deviare una porzione di detta corrente di aria preriscaldata e bruciare detta porzione con detto combustibile di combustione in una o più di dette fasi di combustione.
13. Procedimento secondo la rivendicazione 8, in cui la temperatura di ciascuna di dette correnti di gas di combustione è non superiore a circa 1700T (circa 500"C) per impedire la formazione di gas di Ν0χ.
14. Procedimento secondo la rivendicazione 8, in cui l'eccesso complessivo di aria rispetto alla quantità totale di combustibile di combustione consumato è circa il 5-7%.
15. Procedimento secondo la rivendicazione 8, comprendente inoltre bruciare una miscela di detta terza corrente di gas di combustione e una quarta porzione di detto combustibile di combustione in una quarta camera di combustione per formare una quarta corrente di gas di combustione, la quantità di detto combustibile di combustione alimentato a detta quarta camera di combustione essendo scelta in modo tale che la temperatura di detta quarta corrente di gas di combustione è inferiore alla tempe-ratura alla quale si formano gas di Νοχ; e trasferire calore da detta quarta corrente di gas di combustione ad una corrente di fluido di lavoro da un sistema di energia riscaldato dall'esterno, la somma degli aumenti di temperatura associati con ciascuna fase di combustione essendo uguale all'aumento di temperatura associato con la combustione di tutto detto combustibile di combustione in una singola fase di combustione utilizzando la minima quantità di aria necessaria per la combustione.
16. Procedimento secondo la rivendicazione 15, comprendente inoltre trasferire calore da detta quarta corrente di gas di combustione ad una corrente d'aria in ingresso per preriscaldare detta corrente d'aria; e rilasciare detta quarta corrente di gap di combustione all'atmosfera.
17. Procedimento secondo la rivendicazione 15, comprendente aggiunge-re calcare al combustibile di combustione in detta quarta camera di combustione.
18. Procedimento secondo la rivendicazione 15, comprendente inoltre rimuovere i gas di zolfo lavando detta quarta corrente di gas di combu-stione.
19. Procedimento secondo la rivendicazione 15, comprendente inoltre deviare una parte di detta corrente d'aria preriscaldata e bruciare detta parte con detto combustibile di combustione in una o più di dette fasi di combustione.
20. Procedimento secondo la rivendicazione 15, in cui la temperatura di ciascuna di dette correnti di gas di combustione è non superiore a cir-ca 1700°F, circa 500"C, per impedire la formazione di gas di Ν0χ.
21. Procedimento secondo la rivendicazione 15, in cui l'eccesso com-plessivo di aria rispetto alla quantità totale di combustibile di combu-stione consumato è circa il 5-7%.
22. Apparecchiatura per alimentare calore ad un sistema di energia riscaldato dall'esterno, comprendente: un preriscaldatore per preriscaldare una corrente d'aria in ingresso utilizzando il calore trasferito da una corrente di gas di combustione; una prima camera di combustione per bruciare una miscela di aria preriscaldata e una porzione della quantità totale di combustibile di combustione per formare una prima corrente di gas di combustione; un misuratore per scegliere la quantità di detto combustibile di combustione alimentato a detta prima camera di combustione in modo tale che la temperatura di detta prima corrente di gas di combustione sia inferiore alla temperatura alla quale si formano gas Ν0χ; un primo scambiatore di calore per trasferire calore da detta prima corrente di gas di combustione ad una corrente di fluido di lavoro da un sistema di energia riscaldato dall'esterno; una o più ulteriori camere di combustione disposte in serie per bruciare il restante combustibile di combustione in una serie di una o più successive fasi di combustione per formare in ciascuna fase una corrente di gas di combustione impiegando la corrente di gas di combustione creata nella fase di combustione immediatamente precedente; uno o più misuratori per scegliere la quantità di combustibile di combustione in ciascuna fase di combustione successiva in modo tale che la temperatura della corrente di gas di combustione creata dalla fase di combustione sia inferiore alla temperatura alla quale si formano gas di Ν0χ, la somma degli aumenti di temperatura associati con ciascuna fase di combustione essendo uguale all'aumento di temperatura associato con la combustione di tutto detto combustibile di combustione in una singola fase di combustione utilizzando la minima quantità di aria necessaria per la combustione; e uno o più ulteriori scambiatori di calore per trasferire calore da ciascuna corrente di gas di combustione successiva ad una corrente di fluido di lavoro da detto sistema di energia riscaldato dall'esterno.
23. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 22, comprendente inoltre mezzi per aggiungere calcare al combustibile di combustione nell'ultima camera di combustione per rimuovere gas di zolfo.
24. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 22, comprendente inoltre un dispositivo di lavaggio per lavare l'ultima corrente di gas di combustione per rimuovere i gas di zolfo.
25. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 22, comprendente inol-tre mezzi per deviare una porzione di detta corrente di aria preriscaldata ad una o più di dette camere di combustione per la combustione con detto combustibile di combustione.
26. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 22, in cui la temperatura di ciascuna di dette correnti di gas di combustione è non superiore a circa 1700’F (circa 500<*>C) per impedire la formazione di gas di Ν0χ.
27. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 22 in cui l'eccesso complessivo di aria rispetto alla quantità totale di combustibile di com-bustione consumato è circa il 5-7%.
28. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 22, in cui almeno una di dette camere di combustione comprende una camera di combustione a letto fluidizzato.
29. Apparecchiatura per alimentare calore ad un sistema di energia riscaldato dall'esterno comprendente: un preriscaldatore per preriscaldare una corrente d'aria in ingresso utilizzando il calore trasferito da una corrente di gas di combustione; una prima camera di combustione per bruciare una miscela di aria preriscaldata e una porzione della quantità totale del combustibile di combustione per formare una prima corrente di gas di combustione; un primo misuratore per scegliere la quantità di detto combustibile di combustione alimentato a detta prima camera di combustione in modo tale che la temperatura di detta prima corrente di gas di combustione sia inferiore alla temperatura alla quale si formano gas di Ν0χ; un primo scambiatore di calore per trasferire calore da detta prima corrente di gas di combustione ad una corrente di fluido di lavoro da un sistema di energia riscaldato dall'esterno; una seconda camera di combustione per bruciare una miscela di detta prima corrente di gas di combustione e una seconda porzione di detto combustibile di combustione per formare una seconda corrente di gas di combustione; un secondo misuratore per scegliere la quantità di detto combustibile di combustione alimentato a detta seconda camera di combustione in modo tale che la temperatura di detta seconda corrente di gas di combustione sia inferiore alla temperatura alla quale si formano gas di Ν0χ; un secondo scambiatore di calore per trasferire il calore da detta seconda corrente di gas di combustione ad una corrente di fluido di lavoro da un sistema di energia riscaldato dall'esterno; una terza camera di combustione per bruciare una miscela di detta seconda corrente di gas di combustione e una terza parte di detto combustibile di combustione per formare una terza corrente di gas di combustione; un terzo misuratore per scegliere la quantità di detto combustibile di combustione alimentato a detta terza camera di combustione in modo tale che la temperatura di detta terza corrente di gas di combustione sia infe-riore alla temperatura alla quale si formano gas di Ν0χ; e un terzo scambiatore di calore per trasferire calore da detta terza corrente di gas di combustione ad una corrente di fluido di lavoro da un sistema di energia riscaldato dall'esterno, la somma degli aumenti di temperatura associati con ciascuna fase di combustione essendo uguale all'aumento di temperatura associato con la combustione di tutto detto combustibile di combustione in una singola fase di combustione utilizzando la minima quantità di aria necessaria alla combustione.
30. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 29, comprendente inoltre mezzi per aggiungere calcare al combustibile di combustione in detta terza camera di combustione per rimuovere i gas di zolfo.
31. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 29, comprendente inoltre un dispositivo di lavaggio per lavare detta terza corrente di gas di combustione per rimuovere i gas di zolfo.
32. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 29, comprendente inoltre mezzi per deviare una porzione di detta corrente di aria preriscaldata ad una o più di dette camere di combustione per la combustione con detto combustibile di combustione.
33. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 29, in cui la temperatura di ciascuna di dette correnti di gas di combustione è non superiore a circa 1700'F (circa 500<*>C) per impedire la formazione di gas di Ν0χ.
34. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 29, in cui l'eccesso complessivo di aria rispetto alla quantità totale di combustibile di combustione consumato è circa il 5-7%.
35. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 29, in cui detta terza camera di combustione comprende una camera di combustione a letto fluidizzato.
36. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 29, comprendente inoltre: una quarta camera di combustione per bruciare una miscela di detta terza corrente di gas di combustione e una quarta porzione di detto combustibile di combustione per formare una quarta corrente di gas di combustione; un quarto misuratore per scegliere la quantità di detto combustibile di combustione alimentato a detta quarta camera di combustione in modo tale che la temperatura di detta quarta corrente di gas di combustione sia inferiore alla temperatura alla quale si formano gas di Ν0χ; e un quarto scambiatore di calore per trasferire calore da detta quarta corrente di gas di combustione ad una corrente di fluido di lavoro da un sistema di energia riscaldato dall'esterno; la somma degli aumenti di temperatura associati con ciascuna fase di combustione essendo uguale all'aumento di temperatura associato con la combustione di tutto detto combustibile di combustione in una singola fase di combustione utilizzando la quantità minima di aria necessaria per la combustione.
37. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 36, comprendente inoltre mezzi per aggiungere calcare al combustibile di combustione in detta quarta camera di combustione per rimuovere gas di zolfo.
38. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 36, comprendente inol-tre un dispositivo di lavaggio per lavare detta quarta corrente di gas di combustione per rimuovere gas di zolfo.
39. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 36, comprendente inol-tre mezzi per deviare una porzione di detta corrente di aria preriscaldata ad una o più di dette camere di combustione per la combustione con detto combustibile di combustione.
40. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 36, in cui la tempera-tura di ciascuna di dette correnti di gas di combustione è non superiore a circa 1700’F (circa 500'C) per impedire la formazione di gas di Ν0χ.
41. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 36, in cui l'eccesso complessivo di aria rispetto alla quantità totale di combustibile di com-bustione consumato è circa il 5-7%.
42. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 36, in cui detta quarta camera di combustione comprende una camera di combustione a letto fluidizzato.