NO871667L

NO871667L - BOILING FOR FLUID-BED COMBUSTION.

Info

Publication number: NO871667L
Application number: NO871667A
Authority: NO
Inventors: Jens Bundgaard; John Emil Piper
Original assignee: Burmeister & Wains Energi
Priority date: 1986-04-23
Filing date: 1987-04-22
Publication date: 1987-10-26
Also published as: EP0243156A1; JPS62258912A; FI871698A0; BR8701911A; NO871667D0; KR870010356A; DK186086A; FI871698A; DD256081A5; DK186086D0

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en kjele for fluid-bed forbrenning og av den art som har dels et loddrettstående forbrenningskammer, hvori et virvellag av inert materiale under kjelens drift, holdes så kraftig fluidisert at en vesentlig del derav medrives av de bortstrømmende røkgasser og etter utskillelse fra gassene resirkuleres til forbrennlngskammer et , dels en varmeveksler, hvori kjelens arbeidsmedium opptar varme fra resirkulerende virvellagsmateriale . The present invention relates to a boiler for fluid-bed combustion and of the kind which partly has a vertical combustion chamber, in which a swirling layer of inert material is kept so strongly fluidized during the operation of the boiler that a significant part of it is entrained by the flue gases flowing away and after separation from the gases are recycled to a combustion chamber, partly a heat exchanger, in which the boiler's working medium absorbs heat from recirculating fluid bed material.

A A

Fra US-patent 4.111.158 kjennes en kjele av denne art, som har to kretsløp for resirkulasjon av virvellagsmateriale, inklusive askepartikler og eventuelt uforbrent brensel. Det ene kretsløp inneholder en syklonseparator, hvori største-delen av de partikler som følger med de fra forbrenningskammeret bortstrømmende røkgasser, utskilles fra gassene, og hvorfra partiklene ledes tilbake til forbrenningskammeret. Den omtalte varmeveksler hvori den ved forbrenningen utvik-lede energi nyttiggjøres, inngår i et annet kretsløp hvori partiklene tas ut fra bunnen av virvellaget i forbrenningskammeret og etter avkjøling i den utenfor dette kammer beliggende varmeveksler, føres tilbake til et høyere beliggende område av forbrenningskammeret. A boiler of this type is known from US patent 4,111,158, which has two circuits for recirculation of fluid bed material, including ash particles and any unburnt fuel. One circuit contains a cyclone separator, in which most of the particles accompanying the flue gases flowing away from the combustion chamber are separated from the gases, and from which the particles are led back to the combustion chamber. The aforementioned heat exchanger, in which the energy developed during combustion is utilised, forms part of another circuit in which the particles are taken out from the bottom of the vortex layer in the combustion chamber and, after cooling in the heat exchanger situated outside this chamber, are brought back to a higher area of the combustion chamber.

En kjele ifølge den foreliggende oppfinnelse atskiller seg fra den således kjente, ved at forbrenningskammeret omfatter et øvre fyrrom og et nedre reaktorrom, hvori forbrenningen foregår, at reaktorkammeret er plassert sentralt under fyrrommet og har vesentlig mindre tverrsnittsareal enn dette, og at varmeveksleren er innbygget i en eller flere loddrette sjakter som er plassert utenfor og støter opp til reaktorkammeret, og som oventil er åpne mot fyrrommet. A boiler according to the present invention differs from the one thus known in that the combustion chamber comprises an upper boiler room and a lower reactor room, in which the combustion takes place, that the reactor chamber is centrally located below the boiler room and has a significantly smaller cross-sectional area than this, and that the heat exchanger is built into one or more vertical shafts which are placed outside and abut the reactor chamber, and which are open at the top towards the boiler room.

Med oppfinnelsen oppnås flere betydningsfulle fordeler, som vil fremgår av den etterfølgende generelle beskrivelse av kjelens funksjon. The invention achieves several significant advantages, which will be apparent from the subsequent general description of the boiler's function.

I det nedenfor forbrenningskammeret beliggende reaktorkammer forbrenner hovedparten av det tilførte brensel ved reaksjon med den i bunnen av kammeret tilførte fluidiserings- og forbrenningsluft, hvis mengdestrøm er så høy at partiklene i virvel laget, inklusive askepartikler og eventuelt uforbrent brensel , i betydelig omfang følger med røkgassene opp i det et ter 1 iggende fyrrom. Den for oppfinnelsen karakteristiske oppdeling av forbrenningskammeret i det nettopp omtalte nedre reaktorkammer og det overliggende fyrrom som har et vesentlig større tverrsnittsareal, medfører en tilsvarende plutselig reduksjon av gassenes strømningshastighet når de passerer fra reaktorkammeret inn i fyrrommet. Som følge herav opphører røkgassenes transportvirkning på partiklene hurtig, og partiklene beveger seg utad mot fyrromsveggene hvor gass-hastigheten er helt eller tilnærmelsesvis null. Til slutt faller partiklene ned i den eller de åpne sjakter fra hvis bunn de etter å ha avgitt varme til arbeidsmediet, føres tilbake til bunnen av reaktorkammeret. In the reactor chamber located below the combustion chamber, the majority of the supplied fuel burns by reaction with the fluidization and combustion air supplied at the bottom of the chamber, the flow rate of which is so high that the particles in the vortex layer, including ash particles and any unburned fuel, to a significant extent accompany the flue gases up in the third boiler room. The division of the combustion chamber characteristic of the invention into the just-mentioned lower reactor chamber and the overlying boiler room, which has a significantly larger cross-sectional area, results in a corresponding sudden reduction in the flow rate of the gases when they pass from the reactor chamber into the boiler room. As a result, the transport effect of the flue gases on the particles ceases quickly, and the particles move outwards towards the boiler room walls where the gas velocity is completely or almost zero. Finally, the particles fall into the open shaft(s) from the bottom of which, after giving off heat to the working medium, they are returned to the bottom of the reactor chamber.

Idet innholdet av varme partikler i røkgassene på denne måte er blitt sterkt redusert, er det uten betenkelighet mulig å bygge inn konveksjonsvarmeflater i røkgasspassasjen umiddelbart etter fyrrommet og derved bringe røkgasstemperaturen ned til en verdi hvor en etterfølgende syklonseparator kan utføres av stål uten overtrekk av høytemperatur- og slitebe-standige materialer, som er nødvendige i syklonseparatoren ifølge det før omtalte USA-patentskrift. Dette medfører dels en høyere utskillingsgrad da separatoren kan utføres med et sentralt gassavløpsrør, hvis lengde kan justeres til en forutbestemt utskillingsgrad, dels lavere vekt og lavere fremstillingspris. Plasseringen av sjakten eller sjaktene opp langs det sentrale reaktorkammer med felles mellomvegger gir en god varmeøkonomi, lave termiske spenninger i mellomveggene og en enkel konstruksjon. Den relativt lave røkgasstempera-tur ved avløpet fra forbrenningskammeret betyr også at man bortsett fra reaktorkammeret, stort sett kan unnvære utmuring med ildfast materiale. Den herav følgende reduksjon av kjelens varmeakkumulerende evne muliggjør hurtigere oppstart-ing og kortere nedkjølingstid ved driftsstopp. Samtidig nedsettes kjelens egenvekt og dermed også vekten av dens bærende konstruksjoner samt kravene til kjelefundamenter. As the content of hot particles in the flue gases has been greatly reduced in this way, it is possible without hesitation to build in convection heating surfaces in the flue gas passage immediately after the boiler room and thereby bring the flue gas temperature down to a value where a subsequent cyclone separator can be made of steel without overcoating of high-temperature and wear-resistant materials, which are necessary in the cyclone separator according to the previously mentioned US patent document. This results partly in a higher degree of separation as the separator can be made with a central gas waste pipe, the length of which can be adjusted to a predetermined degree of separation, partly in lower weight and lower manufacturing cost. The placement of the shaft or shafts up along the central reactor chamber with common intermediate walls provides a good heat economy, low thermal stresses in the intermediate walls and a simple construction. The relatively low flue gas temperature at the outlet from the combustion chamber also means that apart from the reactor chamber, you can largely dispense with lining with refractory material. The resulting reduction in the boiler's heat-accumulating ability enables faster start-up and a shorter cool-down time in the event of a shutdown. At the same time, the boiler's own weight is reduced and thus also the weight of its supporting structures as well as the requirements for boiler foundations.

Oppfinnelsen skal forklares nærmere i det følgende med henvisning til den skjematiske tegning, hvor The invention shall be explained in more detail below with reference to the schematic drawing, where

fig. 1 er et loddrett bilde, delvis i snitt, etter linjen I-l i fig. 2, av en utførelsesform for en kjele ifølge oppfinnelsen , fig. 1 is a vertical view, partly in section, along the line I-1 in fig. 2, of an embodiment of a boiler according to the invention,

fig. 2 et snitt etter linjen II-II i fig. 1, ogfig. 2 a section along the line II-II in fig. 1, and

fig. 3 et forenklet diagram av kjelen tilsvarende bildet i fig. 1. fig. 3 a simplified diagram of the boiler corresponding to the image in fig. 1.

Den i tegningen anskueliggjorte kjele er tenkt utformet som en beholderkjele med naturlig sirkulasjon, og dens generelt med 1 betegnede forbrenningskammer er avgrenset av loddrette, gasstette rørvegger, hvis stigerør på tradisjonell måte ovenfor via passende samlekasser, munner ut i en øvre beholder 2, mens de nedentil er forbundet med ikke nærmere viste fordelerkasser. Forbrenningskammeret 1 er oppdelt i et øvre avsnitt 3, som i det følgende betegnes som kjelens fyrrom, og et sentralt - eller koaksialt - under fyrrommet plassert nedre avsnitt 4 som utgjør kjelens reaktorkammer, hvori den altoverveiende del av forbrenningen foregår. Reaktorkammeret som oventil er åpent mot fyrrommet, har vesentlig mindre tverrsnittsareal enn dette, i den viste utførelsesform ca. 25% av fyrrommets tverrsnittsareal. The boiler illustrated in the drawing is thought to be designed as a container boiler with natural circulation, and its combustion chamber, generally denoted by 1, is delimited by vertical, gas-tight pipe walls, whose risers, in the traditional way above via suitable collection boxes, open into an upper container 2, while the at the bottom are connected to distribution boxes not shown in more detail. The combustion chamber 1 is divided into an upper section 3, which is referred to in the following as the boiler's boiler room, and a central - or coaxially - located below the boiler room lower section 4 which constitutes the boiler's reactor chamber, in which the predominant part of the combustion takes place. The reactor chamber, which is open at the top towards the boiler room, has a significantly smaller cross-sectional area than this, in the embodiment shown approx. 25% of the boiler room's cross-sectional area.

To loddrette sjakter 5, hvis samlede tverrsnittsareal i den viste utførelsesform er stort sett likt med kammerets 4 areal, er plassert langs de to av kammerets 4 motstående sidevegger. På de tre andre sider er hver sjakt 5, som vist i fig. 1 og 2, avgrenset av en isolert yttervegg. Reaktor kammerets 4 yttervegger, hvorav de to altså danner skillevegg til sjaktene 5, er utført som gasstette rørvegger, hvis rør nedentil mates fra ikke nærmere viste fordelerkasser, mens de oventil er ført ut mot og fortsetter i fyrrommets 3 loddrette rørvegger. Two vertical shafts 5, whose combined cross-sectional area in the embodiment shown is largely equal to the area of the chamber 4, are placed along the two of the chamber 4's opposite side walls. On the other three sides, each shaft 5, as shown in fig. 1 and 2, bounded by an insulated outer wall. The outer walls of the reactor chamber 4, two of which thus form a partition wall to the shafts 5, are designed as gas-tight pipe walls, whose pipes below are fed from distribution boxes not shown in more detail, while those above are led out towards and continue in the boiler room's 3 vertical pipe walls.

Som det er forsøkt vist i fig. 1 og 2, er rørføringen ved overgangen fra reaktorkammeret 4 til fyrrommet 3 slik at hvert annet rør 6 er forskutt loddrett for hvert annet rør 7, og idet samtidig de platedeler som i rørveggene forbinder de suksessive rør, er utelatt her, dannes det mellom reaktorkammer 4 og fyrrommets 3 vegger gjennomstrømningspassasjer for det partikkelmateriale som blåses ut oventil av reaktorkammeret 4 og deretter som følge av den reduserte gasshastig-het i fyrrommet 3, faller ned i sjaktene 5. I bunnen av hver sjakt er det et ikke nærmere vist styrbart skyvespjeld, hvormed tilbakeføringen av partikkelmaterialet fra hver sjakt til reaktorkammerets 4 bunnområde kan styres. As has been attempted shown in fig. 1 and 2, the piping at the transition from the reactor chamber 4 to the boiler room 3 is such that every other pipe 6 is offset vertically for every other pipe 7, and while at the same time the plate parts that connect the successive pipes in the pipe walls are omitted here, it forms between reactor chambers 4 and the walls of the boiler room 3 are flow passages for the particulate material that is blown out from above by the reactor chamber 4 and then, as a result of the reduced gas velocity in the boiler room 3, falls into the shafts 5. At the bottom of each shaft there is a controllable sliding damper, not shown in detail, with which the return of the particulate material from each shaft to the bottom area of the reactor chamber 4 can be controlled.

Som det best sees i fig. 3, er det under reaktorkammeret 4 et vindkammer 8 med et tilløp 9 for fluldiserings- og forbrenningsluft. Gjennom kammeret 8 og en I prinsippet tradisjonell rist- eller dysebunn 10, blåses luften inn i reaktorkammeret 4 i en mengdestrøm som er tilstrekkelig til å sikre at det i kammeret forekommende partikkelmaterialet ikke bare virvles kraftig opp med derav følgende effektivisering av forbrenningen, men også for en vesentlig del rives med av de ved forbrenningen dannede røkgasser når disse forlater reaktorkammerets øvre munning (såkalt pneumatisk transport). I fig. 3 er det også rent skjematisk vist tilløpsledninger 11 og 12 for henholdsvis findelt brensel og inert virvelmateri-ale for utligning av materlaltapet under kjelens drift. As can best be seen in fig. 3, there is a wind chamber 8 under the reactor chamber 4 with an inlet 9 for flooding and combustion air. Through the chamber 8 and a, in principle, traditional grate or nozzle base 10, the air is blown into the reactor chamber 4 in a quantity flow that is sufficient to ensure that the particulate material occurring in the chamber is not only vigorously stirred up with the resulting efficiency of the combustion, but also for a significant part is carried away by the flue gases formed during combustion when these leave the upper mouth of the reactor chamber (so-called pneumatic transport). In fig. 3 also schematically shows supply lines 11 and 12 for respectively finely divided fuel and inert swirling material for compensating the material loss during boiler operation.

Fyrrommet 3 som i den viste utførelsesform har stort sett samme høyde som reaktorkammeret 4, avsluttes oventil med en skrå rørvegg 13 som tilveiebringer et i forhold til resten av fyrrommets tverrsnitt, vesentlig innsnevret areal av kjelens avløpsåpning 14 for røkgasser. Etter avløpsåpningen 14 følger en kort, oppadgående konveksjonsstrekning 15 og en vesentlig lengre nedadgående konveksjonsstrekning 16 plassert i umiddelbart anlegg mot en av fyrrommets 3 sidevegger. I de to gasstrekninger 15 og 16 er det vist konveksjonsvarmeflater som generelt er betegnet med 17, og som på i og for seg kjent måte kan utgjøre f.eks. forovervarmere, luftforvarmere eller økonomiserere.Fra den nedre ende av gasstrekningen 16 fører en kanal 18 oppad inn i en syklonseparator 19, hvori en vesentlig del av de ennå tilbakeværende partikler utskilles fra røkgassen og gjennom en avløpsledning 20 i bunnen av separatoren oppsamles i en beholder 21, hvorfra de helt eller delvis kan føres tilbake til en av sjaktene 5 gjennom en returledning 22 og/eller fjernes fra systemet. De rensede røkgasser løper ut fra separatoren gjennom en ledning 23 som som vist i fig. 1, kan lede røkgassene til ytterligere konveksjonsvarmeflater 24 og derfra til en strømutskiller 25, f.eks. et pose- eller elektrofilter. Fra støvutskilleren 25 fører en ikke vist sugetrekkventilator røkgassene til en skorstein. The boiler room 3, which in the embodiment shown has largely the same height as the reactor chamber 4, ends at the top with an inclined pipe wall 13 which provides a substantially narrowed area of the boiler's exhaust opening 14 for flue gases in relation to the rest of the boiler room's cross-section. After the drain opening 14 follows a short, upward convection section 15 and a substantially longer downward convection section 16 located in immediate contact with one of the boiler room's 3 side walls. In the two gas sections 15 and 16, convection heating surfaces are shown which are generally denoted by 17, and which in a manner known per se can form e.g. forward heaters, air preheaters or economizers. From the lower end of the gas section 16, a channel 18 leads upwards into a cyclone separator 19, in which a significant part of the still remaining particles are separated from the flue gas and through a drain line 20 at the bottom of the separator are collected in a container 21 , from where they can be completely or partially returned to one of the shafts 5 through a return line 22 and/or removed from the system. The cleaned flue gases run out from the separator through a line 23 which, as shown in fig. 1, can lead the flue gases to further convection heating surfaces 24 and from there to a flow separator 25, e.g. a bag or electrofilter. From the dust separator 25, a suction draft ventilator (not shown) leads the flue gases to a chimney.

Foruten de allerede nevnte konveksjonsvarmeflater og de vanngj ennomstrømmede rørvegger i reaktorkammeret 4 og fyrrommet 3, inneholder kjelen varmeflater 26 innebygget i de to sjakter 5. Disse varmef later, som i det minste for en dels vedkommende kan være utformet som rørspiraler og som best vist i fig. 2, er utsatt for de høyeste temperaturer i kjelen, og det er derfor naturlig at disse varmeflater eller i hvert fall en del av dem utgjør kjelens slutt-overheter, for så vidt kjelen er innrettet til å levere overhetet damp til f.eks. en turbogenerator. In addition to the already mentioned convection heating surfaces and the pipe walls through which water flows in the reactor chamber 4 and the boiler room 3, the boiler contains heating surfaces 26 built into the two shafts 5. These heating surfaces, which at least in part can be designed as pipe spirals and which are best shown in fig. 2, is exposed to the highest temperatures in the boiler, and it is therefore natural that these heating surfaces, or at least part of them, constitute the boiler's end surfaces, insofar as the boiler is designed to deliver superheated steam to e.g. a turbogenerator.

Ovenfor ble det kort nevnt at tilbakeføringen av partikkelmateriale fra sjaktene 5 til reaktorkammeret 4 kan styres ved hjelp av regulerbare spjeld. Disse spjeld kan benyttes til å styre arbeidsmediets varmeopptagelse i varmeplatene 26 samt til å regulere temperaturen av virvellaget i reaktorkammeret 4 i avhengighet av den tilførte brenselmengde. Forøvrig kan man på mer eller mindre kjent måte regulere damptemperaturen til en tilsluttet turbin ved vanninnsprøyting, og damptrykket kan benyttes til styrende størrelse for belastningsregulering av brensels- og luftmengdene. Ved lav belastning kan den til forbrenningen nødvendige luftmengde i seg selv være for liten til tilstrekkelig fluidisering av materialet i reaktorkammeret 4, og under slike forhold resikuleres en del av røkgassen til reaktorkammeret gjennom dette kammers bunn 10. Above, it was briefly mentioned that the return of particulate material from the shafts 5 to the reactor chamber 4 can be controlled by means of adjustable dampers. These dampers can be used to control the heat absorption of the working medium in the heating plates 26 as well as to regulate the temperature of the vortex layer in the reactor chamber 4 depending on the amount of fuel supplied. Otherwise, the steam temperature of a connected turbine can be regulated in a more or less known way by water injection, and the steam pressure can be used as a controlling variable for load regulation of the fuel and air quantities. At low load, the amount of air required for combustion may in itself be too small to sufficiently fluidize the material in the reactor chamber 4, and under such conditions part of the flue gas is recycled to the reactor chamber through the bottom 10 of this chamber.

Claims

1. Boiler for fluid-bed combustion and of the kind that partly has a vertical combustion chamber (1), in which a swirling layer of inert material is kept so strongly fluidized during the operation of the boiler, that a significant part of it is entrained by the flue gases flowing away and after separation from the gases are recycled to the combustion chamber, partly a heat exchanger (26), in which the boiler's working medium absorbs heat from recirculating fluid bed material, characterized in that the combustion chamber (1) comprises an upper boiler room (3) and a lower reactor chamber (4), in which the combustion takes place, that the reactor chamber (4) is located centrally below the boiler room (3) and has a significantly smaller cross-sectional area than this, and that the heat exchanger (26) is built into one or more vertical shafts (5) which are located outside and abut the reactor chamber (4), and which above are open to the boiler room (3).

2. Boiler according to claim 1, characterized in that the ratio between the cross-sectional areas of the boiler room (3) and the reactor chamber (4) is at least 3:1.

3. Boiler according to claim 1 or 2, characterized in that the boiler room (3) has an essentially constant cross-sectional area up to an upper vent in the chamber with a drain opening (14) for flue gases.

4. Boiler according to claim 3 and with a downward convection section (16) following the boiler room, in which heating surfaces (17) are mounted, characterized in that the convection section (16) ends at the bottom approx. at the height of the mouths of the reaction chamber (4) and the shafts (5).

5. Chain according to any of claims 1-4, characterized in that the height of the reactor chamber (4) and the shafts (5) is approx. half the total height of the combustion chamber (1).

6. Chain according to any one of claims 1-5, characterized in that the heat exchanger built into the shaft or shafts (5) comprises an end unit (26).

7. Chain according to any of claims 1-6, characterized in that the reactor chamber (4) is free of built-in heat exchanger surfaces.