SE517042C2 - Förfarande och anordning för efterförbränning och samtidig avskiljning av partiklar - Google Patents

Description

25 30 517 .042 2 efterbrännkarmnare eldas vanligen med ett sekundärt bränsle, exempelvis gas eller olja. Luft eller syre tillförs den sekundära förbränningen, vilken medger att utgående rökgaser som tillföres en gasturbin i anläggningen erhåller en betydligt högre temperatur varvid verkningsgraden i gascykeln kan höjas, vilket är huvudsyftet med den sekundära förbränningen.

Samtidigt medverkar den sekundära förbrärmingen till att även icke utbränt material från partiklar i bädden utbränns. En nackdel i sammanhanget är dock att ytterligare ett bränsle måste utnyttjas. Dessutom försvåras insatser för mekanisk avskiljning av stoftpartiklar i rökgasema nedströms sekundärförbränningen vid den höga temperatur som därvid kommer ifråga. Som exempel på efterförbrärming kan anföras tekniken enligt skriften EP 144 172.

Ytterligare ett sätt att minska mängden med rökgasema ut från brännkarnrnaren strömmande oförbrända partiklar är att anordna eldning med ett komplementbränsle i fribordet ovan bäddytan, där munstycken för injektion av ett bränsle är anordnade, varvid komplementbränslet och i fribordet icke utbrända bränslepartiklar förbrännes i syrerester i rökgasema. En sådan metod anvisas i skriften PCT/SE93/0O372. Även med denna redovisade metod föreligger nackdelen att ett sekundärt bränsle måste utnyttjas.

Avsikten med föreliggande uppfinning är att anvisa ett sätt att förbränna icke utbrända partiklar medelst en speciell typ av brännare som efterförbränner partiklar utan tillförsel av annat bränsle och eventuellt även utan tillförsel av armat syre än det som är närvarande i rökgasema. vidare är syftet med uppfinningen att avskilja grövre partiklar i samband med efterförbränningen och att återföra dessa grövre partiklar till det primära förbränningsutrymmet.

BESKRIVNING AV UPPFINNINGEN.

Föreliggande uppfinning avser ett förfarande och en anordning för efterfórbränning och samtidig avskiljning av grövre partiklar vid en kraftanläggning där ett partikulärt bränsle förbrännes i en fluidiserande bädd innesluten i en brännkarnrnare, varifrån rökgaser bildade vid förbränningen förs via en kanal till en gasturbin, varvid rökgasema, innehållande icke utbrända bränslepartiklar, förbrännes nedströms den fluidiserade bädden i en efterbrännkammare, till vilken rökgasema strömmar in i och leds, utmed en konisk mantelyta, till rotation i form av en virvel, varvid efterbrännkamrnaren uppvisar tilltagande tvärsnittsarea i virvelns flödesriktning 10 15 20 25 30 517 042 3 och begränsas av två halvor av en kon med huvudsakligen cirkulärt tvärsnitt, och varvid förbränningen sker i en förbränningszon vid efterbrännkammarens mynning, där nämnda virvel kollapsar, och att grövre partiklar som passerar förbrärmingszonen avskiljs medelst en avskilj aranordning integrerad med efterbrännkammaren.

Enligt förfarandet utnyttjas en brännare som bygger på den nämnda principen om virvelkollaps.

Sådana brärmare är kända under termen EV-brännare (ex. Modem Power Systems Vol. 12, No. 5, p 55) och en mer specifik variant under namnet dubbelkonbrärmare, vilken är utförd som en konisk mantel, där konen är ituskuren i ett axiellt snitt, varefter de två konhalvoma är förflyttade relativt varandra i radiell led. Härigenom uppkommer en spalt på vardera sidan om konen, dvs längs två varandra motstående generatriser hos konen. Bränsle och luft tillförs konen utifrån vid nämnda spalter och strömmar inuti konen mot ett utlopp vid konens vidaste del. På grund av den koniska utformningen av brännaren alstras en kraftig virvel av bränsle och gas, som strömmar mot konens utlopp. Vid konens utlopp där den väldefinierade areaökningen plötsligt upphör kollapsar virveln. På grund av den intensiva omblandningen som sker mellan bränsle och syre i både den alstrade virveln och den kraftiga turbulensen i den kollapsade virveln kan nu, företrädesvis i den kollapsade virveln, bränslet förbrännas. Denna typ av dubbelkonbrännare utgör känd teknik, men används vid förbränning av gaser och eventuellt flytande bränslen i gasturbinsamrnanhang och då i första hand för att effektivisera förbränningen och minska emissioner.

Enligt uppfinningen placeras nedströms bädden, exempelvis vid rökgasernas utlopp från ett fribord, till vilket rökgaser från bädden strömmar, en EV-brärmare, exempelvis en brärmare av dubbelkontyp. Denna angörs med sitt utlopp till brännkammarens utlopp medan toppen av brärmarkonens spets är riktad motströms rökgasflödet. Rökgaserna som lärnnar bädden kommer härvid att tvingas genomströmma spaltema i dubbelkonbrärmaren, varvid en kraftig virvel genereras inuti brärmaren. Eventuellt förekommande icke utbrända bränslepartiklar i gasströmmen konfronteras härvid med syrerester i den utströmmande rökgasen. På grund av den relativt höga temperaturen (i en PFBC-kraftanläggning ca 850 °C) kommer restbränsle att självantända och utbrännas. Härigenom uppnås fördelen att bränslet kan slutförbrärmas utan att sekundära bränslen tillföres. Eventuellt kan, om närvaron av syre i rökgasema är otillräcklig, syre tillsattas EV-brännaren för att man skall vara förvissad om att allt bränsle är utbrunnet. 10 15 20 25 30 517 lJ42 4 Brärmaren kan naturligtvis placeras valfritt nedströms bädden, exempelvis i ett rökschakt eller motsvarande.

Bränslepartiklar, exempelvis kolpartiklar, som förbrännes på det anvisade sättet är av den storleksordningen att strömningskraftema i gasen kan binda dem. Större partiklar som ej kan fångas in i den virvel som genererats i brännarkonen löper runt i en spiralformad rörelse strax innanför brärmarkonens mantelyta. Enligt uppfinningen anordnas en med brännaren integrerad grovavskiljare för dessa, av gasvirveln ej infångade, större partiklar. Denna avskiljare innefattar en invid brännarkonens utlopp anordnad cylindrisk förlängning som avslutas med en innanför cylindems periferi vid utloppet utformad smal cirkulär spalt, vilken uppsarnlar de grövre partiklar som på grund av den koniska brärmarens cykloneffekt roterar utefter cylindems cirkulära periferi. Dessa avskilda och medelst den cirkulära spalten uppsamlade partiklar föres vidare till ett brännaren omgivande utrymme, varifrån de avskilda grövre partiklama återförs till det primära förbränningsrurnmet, tex till den fluidiserade bädden i en PFBC-kraftanläggning.

Härvid kan dessa större partiklar med ett eventuellt större innehåll av oförbränt bränsle ges ytterligare uppehållstid i det primära förbränningsrummet, där utbränningsgraden av bränsleinnehållet i partiklarna avsevärt ökas.

Med ett utnyttjande av förfarandet enligt uppfinningen elimineras risken för bränder nedströms brännkamrnarens fribord. Härvid kan bortses från risken för bränder nedströms det primära förbränningsutrymmet, i exempelvis stoftrenare av cyklontyp, vilket medför att dessa strömningstekniskt kan förfinas och förbättras.

En nackdel vid användning av en brännare enligt förfarandet kan synas vara att en tryckförlust uppstår vid rökgasernas passage genom brärmaren, vilket är en nackdel på grund av att gasturbinen i ett efterföljande steg härvid matas med gaser av lägre tryck. Om å andra sidan en förbränning av små kolpartiklar åstadkommes i det turbulenta området efier brärmaren kommer nämnda tryckfall att till största delen kompenseras. Genom förbränningen okar volymflödet för gasen och därmed även trycket. 10 15 20 25 30 517 042 5 En ytterligare fördel med grovavskiljning av de grövsta partiklarna, vilka återförs till det primära förbränningsrurnmet är att dessa partiklar icke bidrar till erosion på utrustning och gaskanaler nedströms grovavskiljaren, vilket bidrar till minskat servicebehov. Vidare minskas vid användning av en teknik enligt uppfinningen stoftbelastriingen i cykloner eller motsvarande stofiavskiljare.

FIGURBESKRIVNING Fig. 1 visar schematiskt placeringen av en dubbelkonbrännare med omgivande stoftavskiljare vid ett utlopp för rökgaser i en kraftanläggning med förbränning av partikulärt bränsle i en fluidiserad bädd.

Fig. 2 visar ett axiellt tvärsnitt genom en variant av dubbelkonbrännaren med tillhörande grovavskiljare enligt uppfinningen.

Fig. 2a återger en planvy av dubbelkonbrärmaren med tillhörande grovavskilj are från ovan i ett radiellt snitt.

Fig. 3 återger en alternativ utföringsform av dubbelkonbrännaren med tillhörande grovavskiljare enligt uppfinningen, där ben från grovavskilj aren är avsedda att sträcka sig ner i anläggningens fluidiserade bädd.

Fig. 3a visar en sidovy av dubbelkonbrännaren med tillhörande grovavskiljare enligt fig. 3.

Fig. 3b visar ett radiellt snitt genom dubbelkonbrännaren med tillhörande grovavskilj are enligt fig. 3.

BESKRIVNING AV UTFÖRINGSFORMER Med stöd av bilagda figurer redogörs för ett antal föredragna utföranden av uppfinningen. 10 15 20 25 30 517 042 6 I figur 1 visas ett översiktligt processchema över en anläggning för vilken den föreliggande uppfinningen är avsedd. I denna förbrännes ett bränsle i en fluidiserad bädd 1 i en brännkammare 2 innesluten i ett tryckkärl 3. Rökgasema som bildas vid förbränningen i bädden 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 stoftavskilj arna 5 och aska från bädden 1 avleds via ett schematiserat utlopp 6 till icke visade fórrådsbehållare. De renade rökgaserna från stoftavskiljama 5 föres via en rökgasledning 8 till en gasturbin 9, som driver dels en kompressor 10, dels en generator 12 för alstring av elenergi. Kompressorn 10 kornprimerar lufi som tillföres dess inlopp till ett tryck som uppgår till storleksordningen 4-16 Bar (det lägsta värdet vid låglast), varefter den komprimerade luften via ledningen 13 tillföres tryckkärlet 3 för trycksättning av detta och vidare till bädden 1 som förbränningsluft och fluidiseringsgas.

I den exemplifierade anläggningen tillföres bädden 1 partikulärt kol via en rörledning 14, medan absorbent för avsvavling av bränslet tillsätts via en matningsledning 15.

Anläggningen innefattar normalt även en icke visad ångkrets, till vilken alstras ånga i tuber nedsänkta i bädden 1.

I övre delen av fribordet 4 ovan bädden 1 vid fribordets utlopp till ett rökgaskanal 23 är enligt exemplet en dubbelkonbrännare 20 anbringad.

Funktionen hos dubbelkonbrännaren 20 förklaras med stöd av fig. 2 och fig. 2a. Brännaren 20 är uppbyggd av en kon ituskuren längs ett axiellt tvärsnitt, varvid två koniska halvor 20a och 20b uppkommer. Dessa två koniska halvor 20a och 20b är radiellt förskjutna i förhållande till varandra, varigenom två spalter 21 bildas utefter två varandra motstående generatriser hos brännarens 20 koniska mantelyta.

Orenade rökgaser tvingas enligt uppfinningen att genomströmma brärmaren 20 innan gaserna kan föras vidare från brännkammaren. Rökgasema strömmar in till brännaren 20 via spaltema 21. De inströmmande rökgasema är i figurerna symboliserade med pilarna 25. På grund av brärmarens 20 förskjutna konhalvor 20a, 20b tvingas gasema att anströmma dubbelkonen i en till brännarens omkrets tangentiell riktning. Härvid alstras i brännaren 20 en slank virvel längs 10 15 20 25 30 517 042 7 brännarens koniska symmetriaxel på känt sätt. Vid brärmarens mynning 26, där brännarsymmetrin upphör, kollapsar den nämnda slanka virveln i konens mittlinje. På grund av de mycket kraftiga omblandningar som sker mellan rökgaser och de i rökgasema innehållna oförbrända partiklarna i den slanka virveln och i den kraftiga turbulensen i det område där virveln kollapsar kommer en förbränning av otörbrända bränslepartiklar att äga rum där dessa bränslepartiklar utsätts för kontakt med syrerester eller med eventuellt till brärmaren 20 tillsatt syre. Denna förbränning är då lokaliserad till området för virvelkollapsen. Förekommande bränsle antänds av sig självt i den relativt höga temperaturen (vid en fluidbäddsanläggning vanligen ca 850 °C). Pilen 28 anger rökgasflödet. Medelst den anvisade efterförbrärmingen enligt uppfinningen kan risken för oönskade bränder i rökgasvägar nedströms brännkammaren 2 elimineras.

Vid brännarkonens 20 mynning 26, där gas/bränsleblandningen kollapsar erhålls en förbränningszon, däri gasströmmen inf°angade bränslepaitiklar förbrännes. Grövre partiklar som ej medföljer gasvirvelns rörelser sveper på sätt på grund av cykloneffekten utmed ett cylindriskt iörlängningsrörs 31 invändiga yta i en spiralformad rörelse 30, så som antyds i fig. 2. Vid törlängningsrörets 31 öppning mot en rökgaskanal 23 i anläggningen är en smal cirkulär spalt 32 utförd. Denna cirkulära spalt 32 uppfångar de grövre partiklar som roterar i spiralrörelsen 30 i iörlängningsröret 31 och leder strömmen av grövre partiklar vidare till ett yttre cylindriskt kärl 33, som omger förlängningsröret 31, varvid förlängningsröret 31 utgör innervägg i kärlet 33. Partiklamas rotationsrörelse i övre delen av kärlet 33 uppbromsas enligt uppfinningen av fyra stycken ben 34, vilka i sin övre del är formade som koniska eller konliknande fickor 35, till vilka det ringformade rummet 36 i kärlet 33 övergår. För att erhålla ett flöde av gas, aska och kolpartiklar genom kärlet 33 till benen 34 och vidare ut genom benens mynningar 37 används ejektorer 38 vid benmynningarna 37. Benens mynningar 37 är neddragna i brännkarrnnarens 2 fribord 4 till valfri nivå och riktade åt olika håll för att fördela ut från benmynningarna 37 strömmande gas och partiklar i fribordet 4.

I en variant av grovavskilj aren enligt fig. 3 visas ett utförande där benen 34 från kärlet 33 sträcker sig ända ned i bädden 1. Härvid kommer avskilda partiklar som uppsamlats vid spalten 32 och förts till det ringfonnade utrymmet 36 att bromsas upp vid detta utrymmes 36 övergång 10 15 20 25 30 517 042 8 till de koniska fickoma 35, varefter partiklarna faller ned i de långa benen 34, i vilka en stående pelare av partiklar, en s k "standpipe" uppkommer.

For att åstadkomma ett flöde genom kärlet 33 görs en återkoppling medelst en rörförbindelse 39 mellan kärlets 33 övre del och brärmarens 20 nedre del. Denna återkoppling har som funktion att skapa ett lågt tryck i kärlet 33. Den i konbrännaren 20 genererade virvel skapar nämligen lokalt i brärmarens 20 nedre del ett lägre tryck.

Benets 34 nedre del kan enligt utförandet i fig. 3 ges ett antal olika utföranden. Det som visas i fig. 3 är ett beprövat sätt, där benen avslutas i bädden med ett partikellås i form av ett knä 40, med samma funktion som ett vattenlås. Det i bädden 1 nedsänkta knät 40 medger att i benet 34 stående partiklar pressas ut i bädden, varvid i partiklarna innehållna bränslerester kan förbrännas i bädden 1. I den fluidiserade bädden har partiklarna en lägre densitet än de i benet stående ofluidiserade partiklarna, vilket medför att ett partikelflöde från benen 34 ut i bädden 21 regleras av sig självt.

En fördel med ett arrangemang med benmynningar nedsänkta i bädden och utformade enligt fig. 3 är att en större effektiv höjd av partiklar i benen 34 erhålls med denna lösning än med andra utformningar, varvid den önskade funktionen med större säkerhet uppnås. Utförandet med fyra ben 34 skapar också en spridning av återmatade partiklar över ett större område i bädden 1.

Utförandet av kärlet 33 och dess övergång mot benen 34 framgår av figur 3a och 3b, där det illustreras att kärlet 33 utvändigt uppvisar en cylindrisk vägg 41. Övergången från kärlets 33 ringfonnade utrymme 36 mellan de cylindriska väggarna 41 och 31 till benen 34 åstadkommes medelst plana plåtar 42 och koniska plåtar 43, 44, vilka plåtar 42, 43, 44 ansluter mot excentriska koniska delar 45, vilka i sin tur bildar övergång mot de rörformade benen 34.

Brännaren 20 med dess integrerade grovavskilj are kan placeras på alternativa ställen i anläggningen. Inget hindrar att den lokaliseras i rökgaskanalen 23 eller i rökgaskanaler nedströms brännkammaren 2. 10 5 1 7 0 4 2 9 Antalet koniska element 20a, 20b i brärmaren 20 kan naturligtvis också varieras. Tre eller fler koniska element förskjutna i radiell led i förhållande till varandra på ett sätt så att spalter för tillförsel av bränsle och gas åstadkommes på motsvarande sätt som vid en dubbelkonkonstruktion kan arrangeras där så önskas för att skapa en brärmare som utnyttjar principen baserad på virvelkollaps.

Efter grovavskilj arens cylindriska del 36 elimineras den befintliga virveln medelst ett antal plana plåtar 42, 43, 44. Härigenom erhålls större frihet att välja lämplig dimension på återföringsrören, dvs benen 34 för partiklar till det primära förbränningsrurnmet jämfört med en konventionell cyklon där tangentialhastighetens storlek vid övergången från kon till ben måste beaktas.

Som ett altemativ till den beskrivna grovavskilj aren kan en motsvarande avskilj are med endast två ben 34 anordnas.

Claims (13)

10 15 20 25 30 517 042 1o_ PATENTKRAV

1. Förfarande för efterförbränning och samtidig avskiljning av grövre partiklar vid en kraftanläggning där ett partikulärt bränsle förbrännes i en fluidiserande bädd (1) innesluten i en brännkammare (2), varifrån rökgaser bildade vid förbränningen förs via en kanal (23) till en gasturbin (9), k ä n n e t e c k n a t av att rökgasema, innehållande icke utbrända bränslepartiklar, förbrännes nedströms den fluidiserade bädden (1) i en efterbrännkammare (20), till vilken rökgaserna (25) strömmar in i och leds, utmed en konisk mantelyta, till rotation i form av en virvel, varvid efterbrännkamrnaren (20) uppvisar tilltagande tvärsnittsarea i virvelns flödesriktning och begränsas av två halvor (20a, 20b) av en kon med huvudsakligen cirkulärt tvärsnitt, och varvid förbrärmingen sker i en förbränningszon vid efterbrännkamrnarens (20) mynning (26), där nänmda virvel kollapsar, och att grövre partiklar som passerar förbränningszonen avskiljs medelst en avskilj aranordning integrerad med efterbrännkanunaren (20).

2. Förfarande enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n at av att rökgasema tillföres efterbrännkamrnaren (20) via minst två spalter (21) anordnade längs minst två av den koniska mantelytans generatriser.

3. Förfarande enligt patentkrav 1 eller 2, k ä n n e t e c k n at av att extra luft eller syre tillförs efierbrännkammaren (20) vid nänmda mynning (26) för att åstadkomma mer fullständig förbränning.

4. Förfarande enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n at av att avskilda partiklar återförs till brännkammaren (2).

5. Anordning för efterförbränning och samtidig avskiljning av grövre partiklar vid en kraftanläggning där ett partikulärt bränsle förbrännes i en fluidiserande bädd (1) innesluten i en brännkamrnare (2), varifrån rökgaser bildade vid förbrärmingen föres via en kanal (23) till en gasturbin (9), k ä n n e t e c k n a d av en efterbrännkammare (20) innefattande en konisk mantelyta med cirkulärt tvärsnitt, varvid mantelytan är uppdelad i minst två halvor (20a, 20b), som förskjutits relativt varandra i radiell led så att minst två spalter (21) bildas längs minst två 10 15 20 25 30 517 042 ll av mantelns generatriser och att rökgasema (25) tillföres efterbrännkamrnaren (20) via nämnda spalter (21) för åstadkommande av en virvel i efterbrännkamrnaren (20), och att efterbrännkammaren (20) omges av en avskilj aranordning, vilken uppsamlar grövre partiklar som passerar efterbrännkamrnarens (20) mynning (26) vid sidan av nämnda virvel av rökgaser alstrad i efterbrännkamrnaren (20).

6. Anordning enligt patentkrav 5, k ä n n e t e c k n a d av att efterbrännkammaren (20) är placerad i anslutning till ett utlopp för rökgaser från ett fribord (4) nedströms bädden (1) i brännkammaren (2).

7. Anordning enligt patentkrav 5, k ä n n e t e c k n a d av att efterbrännkarnrnaren (20) är placerad inne i en rökgaskanal (23) nedströms fribordet (4).

8. Anordning enligt patentkrav 5, k ä n n e t e c k n a d av att anordningen för avskiljning av grövre partiklar innefattar ett förlängningsrör (31) anslutet till efterbrännkammarens (20) mynning (26) och att forlängningsröret vid sin avslutning uppvisar en partikeluppsamlande spalt (32), vilken leder uppsamlade partiklar och ett litet flöde av gas till ett kärl (33).

9. Anordning enligt patentkrav 8, k ä n n e t e c k n a d av att kärlet (33) är ringformat och omger förlängningsröret (31).

10. Anordning enligt patentkrav 8 eller 9, k ä n n e t e c k n a d av att kärlet (33) nedströms uppvisar fickor (3 5), vilka övergår i ben (34).

11. 1 1. Anordning enligt patentkrav 10, k ä n n e t e c k n a d av att benen (34) mynnar på valfri höjd i ett fribord (4) och att en partikel/gasström upprätthålls via spalten (32), kärlet (33), benen (34) och ut i fribordet (4) medelst ejektorer (3 8) anordnade vid benmynningama (37).

12. Anordning enligt patentkrav 10, k ä n n e t e c k n a d av att benen (34) mynnar i bädden (1) och där avslutas med stoftlås (40). 517 042 12

13. Anordning enligt patentkrav 12, k ä n n e t e c k n a d av att en återkoppling (39) är utförd mellan kärlet (33) och efterbrännkanirnarens (20) mot rökgasflödet riktade del, för att därvid skapa ett lågt tryck i kärlet (33) och ett flöde av partiklar och gas till kärlet (33) nedströms efterbrännkammarens mynning (26).