NL8200836A - Verbrandingsketel met gefluidiseerd bed. - Google Patents

Description

VO 3168

Verbrandingsketel met gefluldiseerd bed.

De uitvinding beeft in het algemeen betrekking op warmtewisselaars, en meer in bet bijzonder op een verbeterde verbrandingsketel voor gebruik met voedingsvater, voorzien van een hoog gehalte aan opgeloste vaste stof.

5 Een toepassing van verbrandingsketels is in samenhang met stel sels voor het verhogen van de aardoliewinning. Een mengsel van stoom en water uit de ketel wordt geïnjecteerd in aardolie voerende lagen voor bet verdringen van de aardolie. Omdat het voor de ketel op aard-olievelden beschikbare voedingswater gewoonlijk van een slechte kwali-10 teit is met een zeer boog totaal gehalte aan opgeloste vaste stof, wordt bij ketels voor dergelijke toepassingen in het algemeen gebruik gemaakt van een enkele buiskringloop door de gehele eenheid. Bovendien is de stoomkwaliteit aan de uitlaat van de ketel gewoonlijk beperkt tot niet meer dan 80% stoom. Door het gebruiken van dit niveau aan 15 restwater bij de uitlaat samen met het toepassen van een hoge fluïdum-snelheid in de buiskringloop, worden zouten en andere oplosbare vaste stoffen in oplossing gehouden voor het voorkomen van neerslaan in de ketelhuizen.

Kenmerkende ketels, gebruikt voor toepassingen van vergrote 20 aardoliewinning, worden met olie gestookt, waarbij gebruik wordt gemaakt van een horizontale verbrandingskamer. De kamer wordt gekoeld met buizen of pijpen, die in een horizontale kronkelende gedaante zijn aangebracht om de verbrandingskamer. Daar deze · ontwerpen een beperkt succes hebben, bestaat daarbij een moeilijkheid, doordat het mengsel 25 van stoom en water in de buizen op verschillende punten in de buiskringloop onderhevig kan zijn aan grote verandering in warmtestromingen. Indien een grote warmtestroming samenvalt met een gebied van de kringloop, dat stoom van een betrekkelijk hoge kwaliteit bevat, kan oververhitting een defect in de buis tot gevolg hebben.

30 Het is een doel van de uitvinding een verbeterde ketelconstruc- 8200836 * <· - 2 - tie te verschaffen, die als het warmteaverdrachtfluïdum het gebruik mogelijk maakt van water, dat een zeer hoog totaal gehalte opgeloste vaste stoffen bevat.

Een ander doel is het verschaffen van een verbeterde ketelcon-5 structie, die in het bijzonder geschikt is voor gebruik in samenhang met stelsels voor een vergrote aardoliewinning.

Een ander doel is het verschaffen van een verbeterde ketel, die als het warmteoverdracht fluïdum het gebruik mogelijk maakt van water, dat een zeer hoog totaal gehalte opgeloste vaste stoffen bevat, en de 10 mogelijkheid van defect raken van de buis tot een minimum beperkt en tezelfdertijd de warmteoverdracht-doelmatigheid tot een maximum opvoert.

De uitvinding wordt nader toegelicht aan de hand van de tekening, waarin:

Fig.1 schematisch een ketelstelsel toont, waarin de ketel wordt 15 toegepast; ïig.2 een ruimtelijk aanzicht is met weggebroken delen van een gedeelte van het stelsel van fig.1;

Eig.3 een gedeelte toont van een andere uitvoeringsvorm;

Eig.il· een doorsnede is volgens de lijn IY-IV in fig.3; 20 Fig.5 een aanzicht is van een gedeelte van nog een uitvoerings vorm; en

Fig.6 een aanzicht is van een gedeelte van nog een andere uitvoeringsvorm..

Zeer in het algemeen omvat de verbrandingsketel 10 een in hoofd-25 zaak verticaal langwerpige verbrandingskamer 11. Circulatiemiddelen 13 zijn aangebracht voor de circulatie van een verbrandend gefluidiseerd bed naar boven door de verbrandingskamer vanaf het onderste einde naar het bovenste einde. 'Buismiddelen 15 zijn aangebracht in een enkele laag om de buitenomtrek van de verbrandingskamer. De buismiddelen hebben 30 een gedaante voor het verschaffen van een stijgende schroeflijnvormige stromingsbaan voor daar doorheen gaand fluïdum.

Thans gedetailleerder verwijzende naar de tekening is in fig.1 het algemene schema van het ketelstelsel getoond. In de ketel 10 wordt gebruik gemaakt van een gefluidiseerd bed voor een hoge warmteover-35 drachtdoelmatigheid. Ketels met verbranding van een circulerend gefluï- 8200836 if % - 3 - diseerd bed zijn in staat een grote verscheidenheid aan brandstof en brandstof afmetingen te benutten. Verbrandingsdoelmatigheden van 95 -98$ zijn gebruikelijk met een inherente lage ontwikkeling van stikstof-oxydulen en vasthouding in de orde van 95% van het zwavel in de brand-5 stof als deel van de vaste asafvoer. Dienovereenkomstig spruiten belangrijke voordelen voort; uit het gezichtspunt van lucht vervuiling.

Het verbrandende gefluxdiseerde bed wordt verticaal gecirculeerd vanuit het onderste einde van de verbrandingskamer 11 naar het bovenste einde 19, en wordt verwijderd door een leiding 21 naar een hete cy-10 cloonopvanginrichting 13. De cyeloonopyanginrichting kan b.v. een cycloon zijn met een .diameter van 3 m, waarin het hete verbrandingsgas binnenkomt met een temperatuur van gewoonlijk 871°C met meegesleurde as, kalksteen en onverbrande vaste brandstof. De vaste stoffen worden afgescheiden uit het hete verbrandingsgas en worden door de zwaarte-15 kracht naar een onderste kamer 23 gevoerd, waaruit zij worden teruggebracht naar de verbrandingskamer door middel van een niet getoond ge-, schikt stelsel.

Het hete· verbrandingsgas, dat uit de hete cycloonverzamelinrich-ting 13 naar buiten komt, gaat verder door een bovenliggende leiding 25 20 naar een voedingsvatervoorvervarmer 27. In de voedingswatervoorverwar-mer draagt het hete verbrandingsgas zijn warmte over aan het voedings-'water.

Ha het verlaten van de stoomontwikkelaar 27 wordt het verbrandingsgas overgebracht door een leiding 33 naar een centrifugaalstofop-25 vanginrichting 35· De opvanginrichting 35 kan van een willekeurig geschikt ontwerp zijn voor het uit het verbrandingsgas verwijderen van grote deeltjes. Een leiding 37 voert dan het verbrandingsgas naar een zakhuisstofopvanginrichting 39 van een geschikt ontwerp, bekend op dit gebied voor het verwijderen van fijne deeltjes overeenkomstig de eisen 30 van milieubescherming. Het verbrandingsgas wordt dan afgevoerd naar de niet getekende schoorsteen door middel van een ventilator iH voor het opwekken van trek. Asverwijdering uit de stofopvanginrichtingen 35 en 39 is door een leiding k3, en de as wordt meegenomen door een vliegasventilator om in een vliegasopslagsilo kj te worden afgezet.

35 De water-stoombaan begint bij een voedingswaterinlaat U9, van- 8200836

« V

- k - waar het naar boven circuleert door een tegenstroomwarmtewisselaar 51 en vandaar in de voedingsvatervoorverwarmersectie 31. Vandaar circuleert het voedingswater door de laatste voedingswatersectie 29 en dan terug door de. buizen 53 en de tegenstroomwarmtewisselaar 51 naar de 5 hoofdverbrandingsketel 10, waar het water wordt veranderd in stoom met ongeveer 80% droogheid. Stoom die dan de verbrandingsketel bij de uitlaat 55 verlaat, wordt benut voor een vergrote aardoliewinning.

. Brandstof voor het gefluïdiseerde bed in de verbrandingsketel 10 wordt uit een steenkooltrechter 57 en een kalksteentrechter 59 resp.

10 door zwaartekrachttoevoerorganen 6l en 63 verschaft aan een schroef-transporteur 65- De transporteur voert de steenkool en de kalksteen in de verbrandingsketel op hetzelfde punt waar de hete vaste stoffen vanuit de hete cycloonopvanginrichting 13 worden teruggebracht. Lucht voor de verbranding en het meenemen van vaste stoffen voor het verschaf-15 fen van het gefluïdiseerde bed wordt verschaft uit een luchtinlaat 67 door middel van een primaire luchtventilator 69 en een secundaire lucht-vehtilator 71. Eodemas wordt verwijderd door een leiding 73 naar een geschikte afvoertransporteur 75·

Thans- gedetailleerder verwijzende naar fig.2 zijn de bepaalde 20 details van de constructie van de verbrandingsketel 10 duidelijker te zien. Het onderste einde van de verbrandingsketel 10 is voorzien van een asafvoerkamer 77» die een trechter 78 omsluit, die in verbinding staat met de asafvoerleiding 73 (fig.l) voor bodemasafvoer uit de verbrandingsketel 10. Boven de onderste askamer 77 is een vuurvaste kamer 25 79, die is gevoerd met een wand van vuurvaste stenen 8l of een ander • geschikt materiaal voor het weerstaan van met hoge temperatuur verbrandende materialen. Gehercirculeerde vaste stoffen komen de onderste vuurvaste kamer 79 binnen door een leiding 83, die in verbinding staat met de opvanginrichting 23.

30 De verbrandingskamer 10 is voorzien van een buitenwand 85a - c (fig.2), 'die resp. de vuurvaste kamer 79, de verbrandingskamer 11, de huismiddelen 15 en het bovenste einde 19 omsluit. Het gefluïdiseerde bed, dat bestaat uit circulerende steenkool en andere vaste brandstoffen en kalksteen, aangevuld uit de schroeffcransporteur 65 (fig.l), 35 gaat de onderste vuurvaste kamer 79 binnen op een in fig.2 niet af ge- 8200836 - 5 - "beeld punt, dat'echter op een hoogte ligt met de leiding 83. Deze vaste stoffen, die de onderste vuurvaste kamer 83 binnengaan, -worden meegenomen in de circulerende gassen en stromen naar hoven door de verbran-dingskamer 11. Ss een natuurlijk gevolg van het verbrandingspatroon 5 zijn de warmteoverdrachtscoëfficiënten naar de stoombuizen bij het onderste einde van de verbrandingskamer 11 hoger dan bij het hogere einde van de verbrandingskamer 11.

In’bedrijf van de verbrandingsketel wordt het aanzetten tot stand gebracht door het toepassen van een olie- of gas-gestookt aan-10 zetverwarmingsstelsel, dat niet is getoond aangezien het op het gebied van het gebruik van een gefluldiseerd bed bekend is. Wanneer het bed-materiaal eenmaal is verwarmd tot een voldoende hoge temperatuur, b.v. 538°C, wordt begonnen met de toevoer van steenkool en kalksteen, en wordt de eenheid onder gebruikmaking van de vaste brandstof, tot volle 15 belasting gebracht.. Het olie- en gasstoken voor aanzetdoeleinden wordt dan beëindigd wanneer eenmaal een stabiele verbranding van de steenkool bij een. geschikte stromingssnelheid, b.v. 33$ van de volle stromingssnelheid, is bereikt. Gewoonlijk wordt de brandstoftoevoer naar wens geregeld door de zwaartekrachttoevoerorganen 6l en 63 in fig.1. De ver-20 houding van kalksteen tot steenkool kan naar wens over alle belasting-bereiken worden gehandhaafd in aanspreking op veranderingen in het gehalte aan zwavelzuurstofverbindingen in de uitlaatgassen.

Zoals getoond in fig.2 heeft de verbrandingskamer 11 in het algemeen vierkante dwarsdoorsnede. Een cirkelvormige dwarsdoorsnede is 25 echter ook praktisch. De stroming van het mengsel van water en stoom door de verbrandingskamer voor warmtewisseling met het; gefluldiseerde bed wordt tot stand gebracht door de huismiddelen 15. De huismiddelen omvatten een of meer buisvormige leidingen, aangebracht in een enkele laag en voorzien van een schroeflijnvormige gedaante, zodat het mengsel 30 van water en stoom in een schroeflijnvormige baan gaat om de verbrandingskamer 11 en naar boven naar het bovenste einde daarvan. :De huismiddelen 15 vormen een omhulling, die de buitenomtrek omgeeft van de verbrandingskamer 11, en vormen een wand door het volgens een raaklijn in aangrijping zijn over nagenoeg de gehele lengte van de buizen, zo-35 als getoond in fig.2 en ook in het rechter, schematisch opengebroken 8200836 * - β - gedeelte in fig.1. Ook kunnen de buizen zijn verbonden door lijven 15a, zoals getoond in het linker, schematisch opengebroken gedeelte in fig.1. In ieder geval vormen de huismiddelen een wand, die een met water gekoelde omhulling vertegenwoordigt, die het uitwendige of de om-5 trek van de verbraadingskamer omgeeft.

In de fig.3 en 4 is een andere uitvoeringsvorm van de verbran-dingsketel getoond. Gedeelten van de ketel met een soortgelijke werking als de gedeelten van de ketel van de uitvoeringsvorm volgens de fig.1 en 2, zijn voorzien van gelijke verwijzingscijfers, voorafgegaan door 10 een 1. Bij de uitvoeringsvorm van de fig.3 en k zijn de huismiddelen 115 aangebracht op een plaats op afstand vanaf de wand 85 van de ver-brandingsketel'10. Bovendien zijn de windingen van de huismiddelen axiaal op onderlinge afstand geplaatst teneinde het de verbrandingsgassen met meegenomen vaste stoffen mogelijk te maken zowel langs de buiten-- 15 zijde als de binnenzijde van de schroeflijnvormige buisspiraal te stromen. Dit verschaft, een grote warmteoverdracht doelmatigheid.

Teneinde verstoring van de materiaalstroming in het onderste einde van de verbrandingskamer 111 te voorkomen, kan. de verticale afstand of de afstand evenwijdig met de hartlijn van de schroeflijn tus-20 sen naburige windingen in het onderste deel van de schroeflijn groter zijn uitgevoerd dan in het bovenste deel. Op deze wijze wordt meer .warmte geabsorbeerd door het door de leiding stromende fluïdum in het bovenste deel van de verbrandingskamer. De afstand tussen de windingen van de huismiddelen 115 kan dus worden gekozen om nauwkeurig te zijn 25 aangepast aan de warmteverdeling in de stromende gassen en meegenomen vaste stoffen in de verbrandingsketel.

In fig.5 is nog een uitvoeringsvorm getoond. De elementen van fig.5, die in werking gelijk zijn aan de overeenkomstige elementen van fig.1, zijn voorzien van gelijke verwijzingscijfers, voorafgegaan 30 door een 2. Bij de uitvoeringsvorm van fig.5 zijn de huismiddelen 215 aangebracht in drie groepen 215’, 215" en 215*". De buizen van de groep 215' en 215" in het onderste deel van de verbrandingskamer zijn aangebracht om zijn buitenamtrek;teneinde minder verstoring te geven van de stroming van de gassen en meegenomen vaste stoffen. De leiding 35 van de derde groep 215*" is aangebracht op een plaats op afstand van de 8200836 -7 - wand van de verbrandingskamer, zodat de gassen met meegenomen vaste stoffen zowel langs de buitenzijde als de binnenzijde van de buisspira-len in dit gebied kunnen stromen. De groepen 215' en 215" zijn ge-scheiden door een afstand, die voldoende is voor het mogelijk maken van 5 inspuiten van secundaire lucht door eèn leiding 86. Op soortgelijke wijze is de groep 215’" gescheiden van de groep 215" door een ruimte, die v oldoende is om het inbrengen mogelijk te maken van secundaire lucht door een paar leidingen 87.

I In fig.6 is nog een andere uitvoeringsvorm getoond, waarbij ele-10 menten met een gelijke functie als die van de uitvoeringsvorm van fig.1 zijn voorzien van gelijke verwijzingscijfers, voorafgegaan door een 3. Bij de uitvoeringsvorm van fig.6 hebben de huismiddelen 315 een afnemende diameter bij toeneming van de hoogte van de schroeflijn. Dienovereenkomstig is de omhullende van de schroeflijn volgens een in het algemeen 15 afgeknot kegelvormige gedaante. Dit verschaft een stromingsbaan voor de gassen'en meegenomen vaste stoffen voor het volledig omgeven van de buizen, gaande tussen naburige windingen alsmede aan de binnenzijde en de buitenzijde van de schroeflijnvormig aangebrachte huismiddelen.

In de huismiddelen 15, 115» enz. is de stroming van het mengsel van.

20 stoom en water schroeflijnv’ormig naar boven. Bij de betrekkelijk hogere warmtestromingen naar het onderste einde van de verbrandingskamer 11, is dus de stoomkwaliteit van het circulerende mengsel van water en stoom lager. Naar het hogere einde van de verbrandingskamer, waar de warmteoverdrachtscoëfficiënten naar de huismiddelen lager zijn in het 25 geiluidiseerde bed, is de stoomkwaliteit in het mengsel van water en stoom, dat door de huismiddelen stroomt, hoger. Deze groepering in een stroming met een enkele doorgang matigt tegen mogelijk oververhitten van het stoom/wateimengsel, waardoor de opgeloste vaste stoffen zouden neerslaan op de buis en deze als gevolg daarvan defect zou raken. De 30 gebruikelijke kwaliteit van de naar buiten komende stoom van de ketel is beperkt tot ongeveer 80%, hetgeen samen met het handhaven van een betrekkelijk hoge stromingssnelheid in de blusmiddelen voldoende is· voor het in oplossing houden van vaste stoffen en het voorkomen van het neerslaan in de buizen.

35 Meer in het bijzonder kunnen gebruikelijke stromingssnelheden 8200836 « '* - 8 - van stoom en water in de ketel veranderlijk zijn tussen TOO en 3000 kg/m . De ketel kan zijn geconstrueerd met buisafmetingen in het bereik van een diameter van ongeveer 12,5 mm. tot ongeveer 100 mm. De buizen met een grotere diameter worden gewoonlijk gebruikt in een ontwerp 5 · voor een enkele doorgang aan de waterzijde. Buizen met een kleinere diameter worden gewoonlijk gebruikt voor ontwerpen met een aantal door- __ Ij.

• gangen. Voor een ketel met twee doorgangen en een vermogen van 88 x 10 kW» is het voorkeursdiameterbereik ^0 - 65 mm voor de inwendige diameter- met een snelheid aan de oppervlakte van 2 m/sec en 20 m/sec. De gas-10 temperatuur bij gebruikelijke ontwerpomstandigheden is in de meeste gevallen. 850 - 950°C + 100°C. Wanneer zwavel aanwezig is» kan een lagere ontwerptemperatuur worden gebruikt.

Het is derhalve duidelijk, dat de uitvinding een verbeterde verbrandingsketel verschaft, waarbij gebruik wordt gemaakt van een 15 ge fluidis eer d bed in samenhang met een verticale bedstroming en een opwaartse, schroeflijnvormige circulatie van een koelmiddel. Ondanks het hoge gehalte van opgeloste vaste stoffen in het mengsel van water en stoom, is een doelmatige verwarming met een minimale inwendige neerslag het gevolg. Bovendien worden de omstandigheden, die leiden tot 20 het defect raken van een buis, tot een minimum beperkt. Dit leidt samen met het gefluldiseerde bed tot een hoge verwarmingsdoelmatigheid ondanks de voorwaarden van eenmalige doorgang, vereist onder deze omstandigheden.

Behalve de getoonde en beschreven, zullen verschillende wijzi-25 gingen voor een deskundige duidelijk worden uit de voorgaande beschrijving en de. bijgevoegde tekening. Dergelijke wijzigingen worden geacht binnen de omvang van de aangehechte conclusies te vallen.

8200836

Claims (9)

1. Verbrandingsketel, gekenmerkt door een in hoofdzaak verticaal langwerpige verbrandingskamer, door circulatiemiddelen -voor het circuleren van een verbrandend gefluïdiseerd bed naar boven door de verbran-dingskamer vanuit het onderste einde naar het bovenste einde, en door 5 huismiddelen, die in een enkele laag om de buitenomtrek van de verbrandingskamer zijn aangebracht, welke huismiddelen een gedaante hebben voor het verschaffen van een stijgende schroeflijnvormige stromingsbaan voor daar. doorheen gaand fluïdum,. waardoor het gebied van stoom met een hogere kwaliteit in de huismiddelen samenvalt met het gebied van 10 de laagste warmteoverdrachts coëffi cienten.

2. Ketel volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de huismiddelen een wand' bepalen, die de verbrandingskamer omsluit.

3. Ketel volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de huismiddelen althans een gewonden buis omvatten, waarvan de windingen volgens een 15 raaklijn in aangrijping zijn over nagenoeg de gehele lengte van de buis. 1*. Ketel volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de huismiddelen althans êën gewonden buis omvatten, waarbij de windingen daarvan zijn verbonden door een lijf over nagenoeg de gehele lengte van de buis. 20 5· Ketel volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de verbrandings kamer een in hoofdzaak cirkelvormige dwarsdoorsnede heeft.

6. Ketel volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de verbrandingskamer een in hoofdzaak vierkante dwarsdoorsnede heeft. 7. ' Ketel volgens conclusie 1, gekenmerkt door inlaatmiddelen voor 25 de huismiddelen en aangebracht nabij het onderste einde van de verbrandingskamer, en door uitlaatmiddelen, aangebracht nabij het bovenste einde van de verbrandingskamer.

8. Ketel volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de circulatiemiddelen, middelen omvatten voor het vanuit de bovenkant van de verbrandingskamer verwijderen van gassen en meegenomen vaste stoffen, en 30 het naar het onderste einde daarvan terugbrengen van de vaste stoffen.

9. Ketel volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de huismiddelen 8200836 -10- op afstand van de wand van de verbrandingskamer zijn aangebracht, welke afstand voldoende is om het, het gefluidiseerde bed mogelijk te maken naar boven te circuleren tussen de huismiddelen en de wand van de verbrandingskamer.

10. Ketel volgens conclusie 9, met het kenmerk, dat de windingen van ♦ de huismiddelen axiaal ten opzichte van 'elkaar op afstand liggen.

11. Ketel volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de windingen van de huismiddelen zijn aangebracht in een aantal axiaal volgens de verbrandingskamer op onderlinge afstand liggende groepen, waarbij de cir- 10 culatiemiddelen, middelen bevatten voor het naar de gebieden tussen de groepen invoeren van gas.

12. Ketel volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de omhullende van de schroeflijnvormige huismiddelen afgeknot kegelvormig is, waarbij de windingen van de huismiddelen axiaal ten opzichte van elkaar op af-· 15 stand liggen. 8200836