NL8102454A - Systeem voor wervelbedverbranding onder druk. - Google Patents

Description

v 1 * < VO 1830

Systeem voor wervelbedverbr ending onder druk.

De uitvinding heeft "betrekking op een systeem voor vervelbedver-branding onder druk omvattende een wervelbedketel met een toevoerleiding voor onder druk getrachte lucht, een afvoerleiding voor rookgassen alsmede middelen voor het onder druk "brengen van de toe te voeren lucht en 5 voor het expanderen van de rookgassen.

Werbelbedverbrandingssystemen staan sterk in de "belangstelling, omdat deze system een optimale verbranding van kolen kunnen verschaffen, welke verbranding tevens zeer milieuvriendelijk is omdat het bij de verbranding vrijkomende zwaveldioxide grotendeels gebonden kan worden door 10 de in het wervelbed aanwezige kalksteen en de NO -produktie door de lage verbrandingstemperatuur erg laag is.

De temperatuur van het wervelbed moet terwille van een goede zwavelbinding binnen een beperkt temperatuurtraject, dat van circa 800°C tot 850°C varieert, blijven. Bij 850°C is de binding van de zwavel vol-15 doende effektief; boven de 850°C kan verslakking van de in de kolen aan- . wezige as optreden, terwijl onder de 800°C de zwavelbinding sterk terugloopt .

De wervelbedvuurhaard bestaat uit een vat, gedeeltelijk gevuld met voornamelijk as en dolomiet, waarin men steenkool verstookt. Een com-20 pressor, die in de luchttoevoerleiding naar het bed is aangebracht, levert verbrandingslucht onder de gewenste druk en de daaüij behorende compressie-eindtemperatuur. De rookgassen verlaten de vuurhaard met een temperatuur van circa 850°C.

Om de rookgasver lie zen zo klein mogelijk te houden doet men de 25 verbranding normaliter plaatsvinden met een geringe luchtovermaat van circa 20 %. Aangezien men de temperatuur van het bed binnen de gewenste grenzen wil houden kan met deze luchthoeveelheid slechts circa 1/3 van de ontwikkelde warmtehoeveelheid afgevoerd worden uit het bed. De overige 2/3 moet op een andere wijze afgevoerd worden.

30 Direkte koeling met een pijpenbundel,die doorstroomd wordt door water dat door de verhitting wordt omgezet in stoom, is zeer effektief maar heeft als nadeel dat er slechts een geringe variatie in de ver-mogensafgifte mogelijk is. Dit zal in het hiernavolgende verduidelijkt worden.

35 Voor het overgedragen vermogen tussen het wervelbed en het koel medium geldt: 81 02 4 5 4 * -* -2- Q = K . F . Δ T.^; waarbij Q * overgedragen vermogen (W); 2 K = totale warmteoverdrachtseoëfficient (W/m K); 2 5 F = geïnstalleerd warmteoverdragend oppervlak (m ); Δ T^n = het logarithmische temperatuurverschil tussen beide media (K). Bij een conventionele ketel regelt men de vermogensafgifte onder andere door gelijktijdige aanpassing van Δ en K. Deze aanpassing geschiedt door verandering van de brandstof en verbrandingsluchttoevoer.

10 Een nadeel van vervelbedinstallaties met water/stoomkoeling van het bed is, dat K nagenoeg niet te wijzigen is en dat de bedtemperatuur slechts in een beperkt gebied gevarieerd kan worden. Aanpassing van Δ bij water/stoomgekoelde wervelbedinstallaties door wijziging van dë water/ stoomtemperatuur is niet mogelijk omdat een groot deel van de koelpijpen 15 in het bed gevormd wordt door de verdampersektie, waarin over het algemeen een konstante druk en dus temperatuur heerst.

Aanpassing van het warmte overdragend oppervlak is mogelijk door delen van dit oppervlak af te schakelen in kombinatie met delen van het wervelbed.

20 Het nadeel hiervan is dat de regeling diskontinu is.

Andere mogelijkheden om het wervelbed te koelen zijn koeling door lucht, welke door een door pijpen gevormd warmte wisselend oppervlak in het wervelbed geleid wordt, of koeling door het door het wervelbed zelf laten stromen van een luchtstroom, die dan circa driemaal zo groot is als 25 de normale luchtstroom, die nodig is voor de verbranding.

De eerstgenoemde mogelijkheid heeft ten opzichte van het water/ stoomgekoelde wervelbed als bezwaar dat 1) de temperatuur van de pijpwanden in het bed tot een waarde kan stijgen, die inzet van zeer kostbaar materiaal nodig maakt, 30 2) de temperatuur van de gassen voor de gasturbine relatief laag is ten opzichte van het systeem met water/stoomkoeling, hetgeen het rendement v.h.verbrandingssysteem nadelig beïnvloedt, 3) er een hoog schoorsteenverlies optreedt, hetgeen het rendement eveneens verlaagt.

35 De als tweede genoemde mogelijkheid heeft de bovenstaand onder 1) en 2) genoemde nadelen niet, maar bezit eveneens het onder 3)genoemde nadeel. __

De uitvinding beoogt derhalve te voorzien in een systeem voor wer- 81 02 4 5 4 v i -3- velbedverbranding onder druk dat een goede regelbaarheid en een optimaal rendement, ook bij deellast, koppelt aan een konstructief eenvoudig te realiseren opbouv. De uitvinding voorziet hiertoe in een werveibed-verbrandingssysteem van voornoemde soort, waarbij voorzien is in een 5 kringloop voor het recirculeren van een gedeelte van de rookgassen, welke kringloop boven en onder het gebied in de ketel waar zich in bedrijf het wervelbed bevindt met de wervelbedketel is gekoppeld, waarbij in de kringloop tenminste voorzien is in een ventilator, waarvan de snelheid geregeld kan worden, en waarbij voorzien is in middelen voor het opnemen van warm-10 te uit de rookassen.

Het gebruik van de gekoelde rookassen voor het koelen van het wervelbed door het doen recirculeren van deze gassen, heeft een aantal voordelen. De middelen, welke bestemd zijn om de warmte uit de afvoer-gassen op te nemen, bijvoorbeeld een water/stoomkringloop zijn gekoppeld 15 met een conventionele stoomturbine, waarvan het deellastrendement in verhouding tot het vollastrendement aanmerkelijk beter is dan bij een gasturbine. Men behoeft de kompressor/gasturbine kombinatie nu niet in deellast te bedrijven, hetgeen gunstig is voor het rendement, omdat het deellastrendement van een dergelijke installatie relatief laag is.

20 Door het terugreden van de snelheid van de rookgasrecireulatie- ventilator neemt de hoeveelheid recirculerend rookgas af, en daarmee het vemogen dat afgegeven wordt aan de waterstoomkringloop. Het vermogen van de stoomturbine is op deze wijze goed te regelen. Verder behoeven bij de koelkringloop volgens de uitvinding in principe geen pijpen voor het 25 door het wervelbed geleiden van een koelmedium worden aangebracht, zodat geen materiaalproblemen optreden.

De uitvinding zal in het hierna volgende nader worden beschreven aan de hand van een aantal uitvoeringsvoorbeelden, onder verwijzing naar de tekening. Hierin toont schematisch: 30 fig. 1 een eerste uitvoeringsvoorbeeld van een wervelbedverbran- dingssysteem met een kringloop voor het recirculeren van de rookgassen; fig. 2 een tweede uitvoeringsvoorbeeld van de uitvinding; fig. 3 een derde uitvoeringsvoorbeeld van de uitvinding; en fig. k een vierde uitvoeringsvoorbeeld van de uitvinding.

35 De figuren tonen alle een wervelbedverbrandingssysteem dat met behulp van rookgasrecirculatie gekoeld kan worden. In de figuren zijn gelijke onderdelen aangegeven met gelijke verwijzingscijfers.

Fig. 1 toont een wervelbedketel 1 met een invoerleiding 2 voor 81 02 4 5 4 -u- lucht en een afvoerleiding 3 voor rookgassen en een compressor ^ voor het onder druk "brengen van lucht. In de ketel 1 is schematisch met het verwijzingscijfer 7 bet gebied aangegeven vaar zich in "bedrijf het wer-velbed bevindt. De compressor ^ is gekoppeld met een expansie-inrichting 5 5, welke verbonden is met de leiding 3 en tevens met een wisselstroom-generator 6. De compressor k en de expansie-inrichting 5 vormen samen een gasturbine, welke wordt aangedreven met behulp van de afvoergassen en waarbij een deel van de energie in die gassen wordt benut voor compressie van de lucht en een deel van de energie wordt omgezet in wisselstroom. Aan 10 de compressor ^ wordt via een leiding 8 lucht toegevoerd, terwijl de afvoerleiding 9 van de expansie-inrichting de afvoergassen toevoert aan een zogenaamde afgassencyclus, waarin een deel van de resterende ener-gie-inhoud van de afvoergassen benut kan worden. De afvoergassen moeten voordat zij aan de expansie-inrichting worden toegevoerd vergaand ont-15 stoft worden, dit kan op bekende wijze in cyclonen plaatsvinden.

Met de wervelbedketel is een verdere afvoerleiding 10 gekoppeld via welke een deel van de afvoergassen toegevoerd kan worden aan een stoomketel 11 waarin de warmte van de afvoergassen benut wordt voor het in stoom omzetten van water, dat aan de ketel wordt toegevoerd via een 20 leiding 12. Met de stoomketel 11 is verder een leiding 13 verbonden, waarin een ventilator 1¼ is opgenomen en welke leiding weer zodanig ge-koppels is met de wervelbedketel, dat de afvoergassen aan de onderzijde van het wervelbed kunnen worden toegevoerd.

Door het regelen van de snelheid van de ventilator en derhalve 25 het regelen van de massastrobm rookgassen kan men de warmte-opname uit het bed regelen, alsmede de warmte-afgifte aan de water/ stoomcyclus. Eventueel kan voor regeling van de temperatuur van de rookgassen gaande naar de stoom/waterkringloop via een gestippeld getekende parallellei-ding 15 met daarin opgenomen een bestuurbare klep een deel van de rook-30 gassen vanaf de ventilator 1^ weer worden toegevoerd aan leiding 10, zonder dat de door deze parallelleiding stromende gassen door het wervelbed gaan.

Fig. 2 toont een andere uitvoeringsvorm van het wervelbedverbran-dingssysteem met rookgasrecirculatie, waarbij de kringloop 12, waarin 35 water kan worden omgezet in stoom, is opgenomen binnen de wervelbedketel zelf, zodat geen afzonderlijke stoomketel nodig is. De afvoerleiding 3 van de verbrandingsgassen ^ is daarbij vanzelfsprekend op een zodanige plaats met de wervelbedketel gekoppeld, dat deze de verbrandingsgassen 8102454 -5- af kaai voeren voordat deze de kringloop 12 gepasseerd zijn en dus zijn afgekoeld.

Fig. 3 toont nog een andere uitvoeringsvorm van het wervelbed-verbrandingssysteem met rookrecireulatie, waarbij evenals bij de uit-5 voeringsvorm volgens fig. 2 de kringloop 12 binnen de vervelbedketel is opgenomen, maar waarbij tevens deze ketel voorzien is van een binnen-behuizing 16, die aan de boven- en onderzijde open is, en die binnen de eigenlijke ketel is gelegen. Het wervelbed en de kringloop 12 zijn binnen de binnenbehuizing aangebraeht, terwijl aan de bovenzijde van 10 ae binnenbehuizing een regelbare ventilator 14 is aangebracht voor het transporteren van de rookgassen. De rookgassen kunnen via de ruimte 17 tussen de binnen- en buitenbehuizing weer worden toegevoerd aan de onderzijde van het wervelbed. Op deze wijze kan men een zeer compacte opbouw van het wervelbedverbrandingssysteem verkrijgen, waarbij het aantal toe-15 en afvoerleidingen minimaal kan zijn en waarbij tevens voor een voldoende koeling van het buitenvat gezorgd kan worden.

Een neveneffect bij het regelen van de koeling van het wervelbed met behulp van de rookgassen is, dat er bij het reeirculeren van een grote hoeveelheid rookgassen een daling van de partiële O^-druk en een 20 stijging van de partiële CO^-druk in de gastoevoer aan het wervelbed optreedt. Dit kan eventueel een nadelige invloed hebben op het verbrandingsproces en op de zwavelbinding. Een oplossing voor dit probleem is het vergroten van de luchtovermaat die via de compressor wordt toegevoerd.

25 Een tweede neveneffect, dat bij rookgas recirculatie kan optreden, ontstaat doordat de fluldisatiesnelheid, dat wil zeggen de snelheid waarmee een fluïdumstroom door het wervelbed getransporteerd moet worden om dit bed in de gewenste zwevende toestand te houden, binnen bepaalde grenzen moet blijven. Verwacht wordt dat tussen deze grenzen een maximale 30 verhouding 1 : 2,5 mag bestaan. Hierdoor zijn dus grenzen gesteld aan de snelheid waarmee en de mate waarin rookgassen gecirculeerd kunnen worden.

Fig. b toont een uitvoeringsvorm waarbij deze problemen grotendeels ondervangen zijn. Hiertoe is onder het wervelbed een plaat 18 aangebracht met daarin openingen 19» op welke openingen steeds pijpen 20 zijn aange-35 bracht, welke pijpen boven het wervelbed uitmonden. De toevoerleiding voor het re reeirculeren rookgas 13 is na de ventilator gesplitst in twee leidingen 21 en 22. De leiding 21 komt in de wervelbedketel 1 uit in de ruimte beneden de plaat 18, terwijl de leiding 22 uitkomt in de ruimte 81 02 4 54 w -6- boven de plaat 18 maar onder het wervelbed. In de leiding 21 is een regelbare klep 23 opgenomen. Wanneer men nu het verbrandsingssysteem in deel-last wil bedrijven, verlaagt men eerst de stroming van de rookgassen door de leiding 21, welke rookgassen nu geen invloed hebben op de fluïdisatie-5 snelheid van de gassen in het bed, omdat de gassen uit de leiding 21 via de pijpen 20 geleid worden tot boven het bed. Wanneer men de stroming in de pijpen 20 teruggeregeld heeft tot nul, kan men vervolgens de stroming in de leiding 22 nog zover terugregelen, totdat de minimale fluïdisatie-snelheid voor het wervelbed bereikt is. Op deze wijze is het mogelijk om 10 de deelbelasting van het wervelbed over een groter gebied te regelen dan met behulp van een enkele leiding, via welke afvoergassen worden teruggevoerd aan het bed, mogelijk is. Bij het uitvoeringsvoorbeeld volgens fig.

komt de leiding 2 van de compressor voor het toevoeren van de verbrandingslucht uit in de ruimte boven plaat 18, opdat deze lucht door het 15 wervelbed en niet door de pijpen zal stromen.

De uitvoeringsvorm met de van pijpen voorziene plaat is beschreven in samenhang met de uitvoeringsvorm welke getoond is in fig. 2, vanzelfsprekend is deze plaat met pijpen ook toe te passen bij de uitvoeringsvormen volgens de figuren 1 en 3.

20 Het is ook mogelijk om de koeling door middel van rookgasrecircu latie te combineren met bekende manieren van koelen, zoals met bijvoorbeeld een stoom/waterkringloop in het wervelbed. Dit kan als voordeel hebben, dat de afmetingen van de ketel kleiner zijn en dat het rendement van de ketel een weinig hoger is, doordat de recirculatieventilator 25 blinder vermogen vraagt.

Opgemerkt wordt nog, dat het principe van de koeling van een wervelbed door middel van rookgasrecircualtie niet beperkt is tot onder druk bedreven wervelbedden, maar in principe ook toepasbaar is bij de bij atmosferische druk bedreven wervelbedden. Het bezwaar hiervan is 30 echter, dat bij een dergelijk wervelbed het oppervlak van het bed, dat bij een atmosferisch wervelbed reeds vele malen groter is dan dat van een onder druk bedreven wervelbed, tenminste verdubbeld zou moeten worden, hetgeen tot ontoelaatbare afmetingen van het bed zou leiden.

Het is echter niet uitgesloten dat het in de toekomst door nieuwe tech-35 nieken mogelijk wordt om rookgasrecirculatie ook op voordelige wijze toe te passen bij een bij atmosferische druk bedreven wervelbed.

Er wordt op gewezen dat de uitvinding beschreven is aan de hand van een aantal mogelijke uitvoeringsvormen, maar dat het vanzelf- 81 02 4 5 4 i- -* -τ- sprekend zowel mogelijk is om in de beschreven uitvoeringsvormen diverse voor de vakman voor de hand liggende wijzigingen aan te brengen als om het principe van de rookgasrecirculatie toe te passen bij een wervelbed-systeem met een andere opbouw, dan die welke beschreven is.

81 0 2 4 5 4

Claims (6)

1. Systeem voor wervelbedverbranding onder druk omvattende een wervelbedketel met een toevoerleiding voor onder druk gebrachte lucht, een afvoerleiding voor rookgassen alsmede middelen voor het onder druk brengen van de toe te voeren lucht en voor het expanderen van de rookgas- 5 sen, met het kenmerk, dat voorzien is in een kringloop voor het recircu-leren van een gedeelte van de rookgassen, welke kringloop boven en onder het gebied in de ketëL waar zich in bedrijf het wervelbed bevindt met de vervelbedketel is gekoppeld,waarbij in de kringloop tenminste is voorzien in een ventilator, waarvan de snelheid geregeld kan worden en waarbij 10 voorzien is in middelen, voor het opnemen van warmte uit de rookgassen. „

2. Wervelbedverbrandsingssysteem volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de kringloop boven en onder het gebied waar zich het wervelbed bevindt steeds met behulp van een leiding met de wervelbedketel is gekoppeld en dat deze leidingen gekoppeld zijn met een stoomketel waarin het 15 warmteabsorberend oppervlak van de water/stoomkringloop is opgenomen.

3. Wervelbedverbrandingssysteem volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het warmteabsorberend oppervlak van de middelen voor het opnemen van warmte uit de rookgassen in de wervelbedketel zijn opgenomen in een gebied boven het wervelbed; dat de leiding voor het terugvoeren van de rook- 20 gassen naar de onderzijde van het wervelbed met de ketel gekoppeld is boven het gedeelte waar het warmteabsorberend oppervlak is aangebracht en dat de afvoerleiding voor de rookgassen met de ketel gekoppeld is op een plaats gelegen tussen het gebied waar het wervelbed zich bevindt en het gebied waar het warmteabsorberend oppervlak is aangebracht.

25 Wervelbedverbrandingssysteem volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat de wervelbedketel aan de bovenzijde en onderzijde geopend is, dat op een afstand rond deze ketel een tweede, gesloten ketel is aangebracht, en dat aan de open bovenzijde ventilatiemiddelen zijn aangebracht voor het recirculeren van de rookgassen via de tussenruimte tussen de buiten- 30 ketel en de binnenketel.

5. Wervelbedverbrandingssysteem volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat onder het wervelbed voorzien is in een van openingen voorziene plaat, waarbij op ieder van de openingen pijpen geplaatst zijn, welke uitmonden boven het gebied waar het wervelbed zich bevindt, en dat cfe 81 02 4 5 4 -9- toevoerleiding voor rookgassen, aan de onderzijde van het wervelbed bestaat uit een eerste leiding, waarin een regelbare klep is aangebracht en welke uitmondt in de ruimte van de ketel onder de van openingen voorziene plaat en een tweede leiding, welke uitmondt in de ruimte tussen 5 de onderzijde van het wervelbed en de van openingen voorziene plaat, met welke ruimte tevens de leiding gekoppeld is voor het toevoeren van lucht.

6. Wervelbedverbrandingssysteem volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de middelen voor het opnemen van warmte uit de rook-10 gassen en water/stoomkringloop omvatten. 81 02 4 5 4