SE470222B - Förfarande för upprätthållande av nominell arbetstemperatur på rökgaserna i en PFBC-kraftanläggning - Google Patents

Description

HE; *JJ CI) 222 För kylning av bädden till en temperatur av i storleksord- ningen 850 °C är i denna placerad en ànggenerator i form av en tubsats, vilken utgör en komponent i en ångcykel. Bestäm- , ningen tubsats används här för beskrivning av en komponent, vilken i och för sig vanligen är uppdelad i ett flertal tubsatser. I tubsatsen genereras ånga, varvid energi tas ut ur bädden via de àngturbiner till vilka ångan ledes i ångcykeln. Vid fullast befinner sig hela tubsatsen inom bädden. Tubsatsens kyleffekt måste dimensioneras till effektuttaget ur bädden för att rätt bäddtemperatur ska kunna upprätthállas vid fullastdrift av anläggningen. Om reduceringen av effektuttaget ástadkommes genom minskad bränsletillförsel minskar effektutvecklingen i bädden, samtidigt som tubsatsens kyleffekt är oförändrad, nàgot som medför oönskad sänkning av bäddtemperaturen. Tubsatsens kyleffekt i bädden kan minskas genom att bäddniván sänkes, varvid en del av tubsatsen kommer att befinna sig ovanför bäddens yta. Som följd av detta regleras laständring i anläggningen vanligen genom att tubsatsens kyleffekt i bädden reduceras genom att bäddnivån varieras, varvid en viss del av tuberna i tubsatsen kan befinna sig ovanför bäddytan, så att de därigenom ej kyler bädden. Å andra sidan kyler de frilagda tuberna de från bädden till gasturbinen strömmande rökgaserna, varvid rökgasernas temperatur sänkes, vilket medför ett ytterligare tillskott till effektredu- ceringen i gasturbinen vid dellastdrift, dvs att nämnda åtgärder vidtagna för att ändra effektuttaget från àngtur- binen leder till en motsvarande ändring av effektuttaget från gasturbinen.

Vid effektreglering màste bränsle och till bädden tillförd luftmängd regleras i beroende av från anläggningen uttagen effekt och bäddnivàn samtidigt regleras, så att tubsatsens kyleffekt anpassas till energitillförseln, varigenom rätt 3 4-79 ._22 bäddtemperatur upprätthålles. Vid konstant lastuttag hàlles bäddens höjd konstant.

Det normala sättet att minska effektuttaget till àngturbinen är att sänka bäddhöjden. En konsekvens av detta är som nämnts att frilagda ángtuber ovanför bäddytan dà kommer att kyla ut till gasturbinen strömmande förbränningsgaser, var- vid gasturbineffekten ytterligare minskar. Härigenom minskar också anläggningens dellastverkningsgrad.

Vid förbränning i en anläggning av nämnt slag bildas kväve- föreningar, NOX, som en beståndsdel i rökgaserna. Av miljö- skäl strävas efter att kraftigt minska rökgasernas innehåll av kväveoxider. Detta sker exempelvis genom att ammoniak tillföres rökgaserna, varvid reduktion av NOX ástadkommes.

Denna kemiska process där NOK i avgaserna reduceras medelst tillsats av ammoniak förlöper optimalt vid fullastdrift av kraftanläggningen, dvs när rökgastemperaturen uppgàr till storleksordningen 850 °C, vid vilken temperatur rökgaserna med gott resultat befrias från större delen av NOx-innehàl- let. Vid dellastdrift av anläggningen, när rökgaserna erhål- ler en lägre temperatur, fungerar inte NOx-reduktionspro- cessen med reduktion med NH3 tillfredsställande, varvid andra hjälpmedel måste införas, såsom exempelvis utnyttjande av katalysatorer, för att avlägsnandet av kväveföreningar i rökgaserna ska fullföljas på ett godtagbart sätt. Sådana katalysatorer fördyrar dessutom anläggningen avsevärt.

Känt är att höja verkningsgraden för hela anläggningen genom sekundärförbränning i rökgasvägarna för att avsevärt höja temperaturen på de till gasturbinen förda heta gaserna. Se exempelvis patentskriften EP, 144 172. Med en sådan sekun- därförbränning kan gasernas temperatur ökas till exempel till storleksordningen 1300 - l400°C, varvid gynnsammare villkor ur verkningsgradsynpunkt för utnyttjande av en .Ps s: cs 222 gasturbin skapas. En sådan typ av sekundärförbränning, där rökgasernas temperatur ökas kraftigt före gasturbinen löser dock ej de problem som påvisas i denna beskrivning som del- lastproblematik och verkan av åtgärder för reduktion av kväveoxider. Dessutom försvåras insatser för mekanisk avskiljning av stoftpartiklar i rökgaserna för drift vid den höga rökgastemperatur som nämnts.

Vid drift av en PFBC-kraftanläggning kan rökgastemperaturen tillåtas variera inom temperaturintervallet 400 °C - 900 °C.

Vid så hög temperatur som 900 °C kan vissa askpartiklar smälta på ytan, varvid dessa bildar skadliga agglomerat, vilka stör processens funktion. Den lägsta nämnda tempera- turgränsen är inte heller särskilt gynnsam, då bland annat prestanda för gasturbinen starkt nedsättes. Önskvärt vore att åstadkomma en konstant temperatur på de från brännkammaren utgående rökgaserna vid både fullast- och dellastdrift.

Av kompromisskäl väljes en nominell arbetstemperatur omkring 850 °C för både bädd och rökgaser, till vilken arbetstempe- ratur komponenter i anläggningen dimensioneras. Denna kom- promiss bygger på en avvägning grundad på förbränningstek- niska förhållanden i bädden och att skapa så hög temperatur som möjligt för de gaser som distribueras till gasturbinen.

I och för sig vore det gynnsamt att sänka bäddens temperatur med något tiotal °C. När till exempel kol användes som bränsle föràngas i kolet bundna alkalimetaller som avsättes på ytor i rökgasvägarna, till exempel på skovlar i gastur- binen. Vissa kolsorter innehåller dessutom en större andel sådana alkalimetaller, varvid detta problem accentueras vid användning av dylikt kol vid förbränningen. Även rökgastem- peraturen skulle med fördel kunna hållas högre, exempelvis Å 5 Lï? G3 222 något tiotal °C, än den valda arbetstemperaturen utan att reningsprocesser i rökgasvägarna störes.

Vid konstruktion av en PFBC-kraftanläggning dimensioneras denna för fullastdrift vid maximalt luftflöde genom förbrän- ningsprocessen. Eftersom luftens densitet är som störst vid lägsta presumtiva utelufttemperatur på placeringsorten för anläggningen kommer anläggningen följaktligen att prestera fullast endast vid denna lägsta utelufttemperatur. I princip innebär detta att anläggningen drivs under dellastvillkor så snart som utelufttemperaturen avviker från den lägsta temperatur för vilken anläggningen dimensionerats. I följande beskrivning innefattar ordet dellast även sådan ofrivillig dellastdrift som höjda utelufttemperaturer orsakar.

BESKRIVNING AV UPPFINNINGEN Uppfinningen avser ett förfarande för att upprätthålla nomi- nell arbetstemperatur hos rökgaserna i en PFBC-kraftanlägg- ning vid dellastdrift av anläggningen, genom att eldning av ett komplementbränsle anordnas i rökgaserna nedströms översta tuber i bädden. Denna eldning åstadkommes genom att ett bränsle injiceras, inblandas väl i rökgaserna och antändes. Genom förbränningen av komplementbränslet höjes temperaturen pà fràn brännkammaren utgående rökgaser till nominell arbetstemperatur för rökgaserna.

Förfarandet möjliggör också vid kontinuerlig förbränning av ett komplementbränsle nedströms översta tuber i bädden en optimering av temperaturnivåer för bädden och rökgaserna, genom att dessa nivåer kan tillåtas avvika något från varandra. 222 6 En god inblandning av det antända komplementbränslet 1 rökgaserna ger låga värden pà blandningens maxtemperatur, varvid askpartiklar i rökgaserna ej smälter, vilket förhindrar deponering av smälta askpartiklar invändigt i rökgasutrymmen. En låg maxtemperatur minimerar också föràngning av alkalimetaller i askpartiklar.

Eldningen av komplementbränslet företages lämpligen i fribordet ovan bädden. Detta ástadkommes genom att munstycken för injicering av komplementbränsle anbringas till exempel vid fribordets väggar. Det injicerade bränslet självantändes vid injiceringen pà grund av den höga temperaturen i fribordet, varvid bränslet brinner i den syrerest som rökgaserna från förbränningen i bädden innehåller.

Fördelar som uppnås med komplementeldningen vid dellast enligt ovan är bland annat att - behövlig katalysatorvolym för avlägsnande av rester av kväveföreningar i rökgaserna reduceras eller elimineras helt, - emission av lustgas, N20, reduceras betydligt vid förhöjd rökgastempertur, - viss NOX-reduktion i rökgaserna sker vid komplement- eldning även utan tillsats av NH3, - reduktionen av kvävehaltiga oxider medelst exempelvis ammoniak fungerar med avsedd verkan i hela lastintervallet, - emissionen av koloxid, CO, vid làglast blir i det närmaste obefintlig, - förbränningsverkningsgraden ökar - halten oförbränt kol 1 askan som avskiljes i stoft- avskiljare för rökgaser nedströms fribordet minskar, - anläggningens dellastverkningsgrad ökar, - tubsatsen kan dimensioneras för lägsta utelufttempera- tur, dvs för maximalt luftflöde, med bibehållande av nomi- nell arbetstemperatur hos rökgaserna, även vid drift vid högre utelufttemperatur, - en högre uteffekt för hela anläggningen nås genom att större andel av luften kan utnyttjas i den totala processen, luftrester förbrukas ju vid komplementeldningen, - gasturbinen kan ges möjlighet att ständigt arbeta vid konstant och för denna maximal inloppstemperatur inom hela anläggningens lastområde, - vid konstanthàllen rökgastemperatur minskar temperatur- cyklingen som i annat fall uppkommer vid växling mellan oli- ka lasttillstånd, vilket minskar påfrestningarna på kompo- nenter (till exempel stoftavskiljare) i rökgasvägarna med ökad livslängd för dessa komponenter som följd.

Bäddtemperaturen kan vid komplementeldning sänkas nàgot, t ex till 840 °C för att alkaliföràngningen ska minskas, samtidigt som rökgastemperaturen kan ökas, exempelvis till 870 °C.

Fördelar som uppnås vid kontinuerlig förbränning av ett komplementbränsle med möjlighet till val av optimala nivåer för temperaturerna i bädd respektive rökgaser är bland annat förutom nyss nämnda att föràngningen av alkalimetaller frán LíÉ/"Û 222 s det fluidiserade bränslet minskar, genom att bäddtemperaturen kan sänkas något.

Vid väl fungerande komplementeldning i rökgaserna nedströms bädden vid làglast torde katalysator för avlägsnande av miljöfarliga föroreningar i rökgaserna kunna avvaras helt.

Genom att optimera luftflödet till förbränningsprocessen i och nedströms bädden kan effektbehovet från komplement- eldningen hållas pà en relativt làg nivà.

Konstant rökgastemperatur och utnyttjande av NOX-reduktion medelst NH3 skapar möjlighet att driva anläggningen med högre luftöverskott i bädden, utan att NOX-värdena blir för höga. Detta leder till högre laständringshastigheter, efter- som det därmed finns större marginal till lågt luftöver- skott, dvs bränsleflödet kan ökas snabbt.

Om komplementbränslet innehåller svavel, som kan öka emis- sionen av svaveldioxid fràn anläggningen, så kan denna negativa bieffekt från komplementeldningen reduceras eller helt elimineras genom samtidig injicering av en finmald kalksten eller dolomit till fribordet eller annat utrymme nedströms bädden. Detta är dock inget stort problem, eftersom effektbehovet fràn komplementeldningen är så lågt att eventuell ökning av S02-emission är marginell vid komplementeldning enligt uppfinningen.

FIGURBESKRIVNING Figuren återger schematiskt en PFBC-kraftanläggning med dess primära komponenter inritade och illustrerar vidare en föredragen lokalisering av komplementeldningen nedströms bädden i rökgaserna vid dellast enligt uppfinningen. 9 470 222 BESKRIVNING AV UTFÖRINGSFORMER Med stöd av bilagda figur redogörs för ett antal föredragna utföranden av uppfinningen.

I figur 1 visas ett översiktligt processchema enligt den föreliggande uppfinningen. I denna förbrännes ett bränsle i en fluidiserad bädd 1 i en brännkammare 2 innesluten i ett tryckkärl 3. Rökgaserna som bildas vid förbränningen i bäd- den 1 passerar ett fribord 4 ovan bädden 1 och renas från stoft i stoftavskiljare 5, vilka i figuren är exemplifierade av cykloner. Avskilt stoft från stoftavskiljarna 5 och aska från bädden l avledes via ett schematiserat utlopp 6 till icke visade förràdsbehållare. De renade rökgaserna från stoftavskiljarna 5 föres via en rökgasledning 8 till en gasturbin 9, som driver dels en kompressor 10, dels en generator 12 för alstring av elenergi. De i gasturbinen 9 expanderade rökgaserna föres i en kanal 15 till en avgas- kylare 16, där rökgaserna kyles ytterligare, genom att de förvärmer matarvatten i en àngkrets i anläggningen.

Kompressorn 10 komprimerar luft som tillföres dess inlopp till ett tryck som uppgår till storleksordningen 4-16 Bar (det lägsta värdet vid láglast), varefter den komprimerade luften tillföres via ledningen 33 tryckkärlet 3 för tryck- sättning av detta och vidare till bädden 1 som förbrännings- luft och fluidiseringsgas.

I den exemplifierade anläggningen tillföres bädden 1 parti- kulärt kol via en rörledning 34, medan absorbent tillsättes via en matningsledning 35. 222 1o Ångkretsen symboliseras i figuren av matarvatten som cirku- leras frán en kondensortank 36 via ledningen 37 till en förvärmare för matarvattnet i form av avgaskylaren 16, var- efter matarvatten distribueras via en matarvattenledning 38 till tubsatser 39 i bädden 1 för generering/överhettning av ånga. Den genererade/överhettade ångan föres vidare till en ångturbin 41 via ángledningar 42. Kondensat och expanderad ånga àterföres till kondensorn 36.

Enligt uppfinningen anordnas ett antal bränslemunstycken 21 i fribordet 4 ovan tubsatsen 39. Vid dellastdrift av anlägg- ningen, när tuber i tubsatsen 39 delvis är frilagda, såsom àskàdliggjorts i figuren, tillföres munstyckenas 21 anslut- ningar 20 ett, lämpligen lättantändligt, bränsle. Ett före- draget bränsle är gas. Alternativt användes en oljebaserad vätska, exempelvis fotogen, dieselolja eller eldningsolja.

Andra alternativa bränslen är fasta bränslen som till exempel fint kolpulver, torv eller flis. Vid val av fasta bränslen kompliceras naturligtvis injiceringssystemet.

Bränslet injiceras i fribordet med ett sådant tryck eller tillsammans med ett bärmedium, sà att bränslet hinner in- blandas väl i rökgaserna innan det självantändes på grund av den relativt höga temperatur som råder där (vanligen 500 °C - 850 °C, men värden mellan 400 °C - 900 °C är möjliga).

Bränslets injiceringstryck och inmatad bränslemängd bestäm- mes i beroende av kyleffekten hos de frilagda tubytorna i tubsatsen 39. Styrningen av bränslemängden sker i beroende av uppmätta värden pà rökgastemperaturen i rökgasledningen 8 samt av syrerester i rökgaserna detekterade i rökgasled- ningen 8. Som ett exempel nämnes att rökgaserna behöver värmas inom intervallet 500 °C - 900 °C i beroende av dellastgrad. (Det högsta värdet i intervallet bestäms av vald arbetstemperatur för rökgaserna). Utan upphettning av rökgaserna kan temperaturen hos dessa nämligen sjunka ända 11 f:- íš 222 ner till 500 °C under förutsättning att inga alternativa åtgärder vidtas för att upprätthålla temperaturen hos utgående rökgaser vid dellastdrift av anläggningen.

I ett alternativt utförande av anläggningen är vid inloppet till ett rökschakt 23 för rökgaserna en omblandare 22 anord- nad. Denna omblandare 22 har till uppgift att ytterligare blanda rökgaser och upphettade gaser alstrade vid förbrän- ningen i samband med komplementeldningen via bränslemun- styckena 21. Genom denna omblandning kan en reduktion av kväveföreningar i avgaserna alstrade vid förbränningen i brännkammaren 2 genomföras effektivt med ammoniak i anslutning till omblandaren 22.

Omblandaren 22 utgöres exempelvis enligt ett föreslaget utförande av snedställda skovlar i en krans i ett propeller- eller turbinliknande arrangemang. Medelst denna omblandare 22 försättes avgaserna i fribordet 4 och rökschaktet 23 i rotation, varvid de olika gaserna i fribordet omblandas effektivt, vilket är en förutsättning för att NOX- reduktionen ska förlöpa verkningsfullt och jämnt i hela rökgasflödet.

Ammoniak kan även i ytterligare ett alternativ injiceras i anslutning till stoftavskiljarna 5, där god gasomblandning råder. Vidare är det möjligt att kombinera olika injice- ringsområden i rökgasutrymmena för att uppnå goda NOX- reduktionsresultat med låg förbrukning av ammoniak.

Placering och utförande av bränslemunstyckena 21 kan varieras på mångahanda sätt inom ramen för uppfinningsidén.

Komplementbränslet kan som nämnts kräva ett bärmedium för att inblandningen i rökgaserna skall bli god och maxtempe- raturen lokalt vid komplementförbränningen låg. I en utfö- íš-TÛ 222 12 randeform anordnas injicering av komplementbränslet till- sammans med ånga för att hög impuls ska erhàllas vid injice- ringen och därigenom god omblandning av det i rökgasen injicerade bränslet.

I en utförandeform med komplementeldning, där finmalet kol nyttjas som bränsle, förblandas och injiceras kol tillsammans med finmalen kalksten för att emissionen av S02 från det förbrända kolpulvret ska minska.

Claims (12)

13 470 222 PATENTKRAV

1. Förfarande för upprätthållande av nominell arbets- temperatur pà rökgaser vid drift av en PFBC-kraftanläggning innefattande ett tryckkärl (3) med en däri innesluten brännkammare (2) för en process innebärande förbränning av ett bränsle i en fluidiserad bädd (l), en gasturbin (9) för mottagande av rökgaser bildade vid förbränningen i bränn- kammaren (2), en kompressor (10) driven av gasturbinen (9) för komprimering av luft som nyttjas som förbränningluft vid förbränningen i brännkammaren (2) och en ångturbin (41) driven av ånga genererad i tubsatser (39) i bädden (1) kännetecknat av att ett komplementbränsle eldas i rökgaserna genererade vid förbränningen i den fluidiserade bädden nedströms tubsatsen (39) för höjning av rökgastemperaturen till för processen nominell nivå, varvid syreresterna i rökgaserna nyttjas som oxidationsmedel vid förbränningen av komplementbränslet.

2. Förfarande enligt patentkrav l kännetecknat av att komplementeldning företas vid dellastdrift av anläggningen.

3. Förfarande enligt patentkrav 1 kânnetecknat av att eldningen med komplementbränslet sker i ett fribord (4) nedströms bädden (1) i brännkammaren (2).

4. Förfarande enligt patentkrav 1 kännetecknat av att komplementbränslet utgöres av en brännbar gas, exempelvis naturgas.

5. Förfarande enligt patentkrav 1 kânnetecknat av att komplementbränslet utgöres av en lättantändlig vätska, exempelvis fotogen eller dieselolja eller eldningsolja. í7Û 222 14

6. Förfarande enligt patentkrav 1 kännetecknat av att komplementbränslet utgöres av ett fast bränsle, exempelvis finmalet kolpulver eller torv eller flis.

7. Förfarande enligt patentkrav 4 eller 5 eller 6 kännetecknat av att komplementbränslet injiceras i rökgaserna fràn bädden (l) medelst bränslemunstycken (21) och självantändes.

8. Förfarande enligt patentkrav 4 eller 5 eller 6 kännetecknat av att komplementbränslet injiceras tillsammans med ett bärmedium, exempelvis ånga.

9. Förfarande enligt patentkrav 1 kännetecknat av att upphettade gaser bildade vid förbränningen av komplementbränslet/gaserna alstrade vid komplementeldningen inblandas väl i rökgaserna medelst en omblandare (22).

10. Förfarande enligt patentkrav 1 kånnetecknat av att temperaturen pà utgående rökgaser höjes genom komplementeldningen till nominell arbetstemperatur för rökgaserna alstrade vid processen, dvs till en temperatur företrädesvis i storleksordningen 850 °C - 870 °C.

ll. Förfarande enligt patentkrav 1 kännetecknat av att tillförd mängd komplementbränsle regleras i beroende av uppmätt syrehalt och temperatur i rökgaserna i rökgasledning (8) mellan brännkammare (2) och gasturbin (9).

12. Förfarande enligt patentkrav 1 kånnetecknat av att kalk injiceras i rökgaserna i anslutning till och samtidigt med injicering av ett svavelhaltigt komplementbränsle.