DE3784767T2 - Wirbelbettdampferzeuger mit einem separaten zirkulationsbett. - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf einen Dampferzeuger, im besonderen auf einen Wirbelbettdampferzeuger mit den Merkmalen des Oberbegriffes von Anspruch 1.
• Wirbelbetten sind anerkannt als beliebte Wärmequellen, da sie den Vorteil einer verbesserten Wärmeübertragung haben, während die Korrosion, die Verschmutzung des Kessels und die Schwefeldioxidemission reduziert werden können. In einer typischen Wirbelbettanordnung wird die Luft aufwärts durch eine Menge von aus Teilchen bestehenden Material geleitet, die bewirkt, daß das Material expandiert und in einen suspendierten oder fluiden Zustand übergeht. Es gibt jedoch eine natürliche Begrenzung der Wärmezufuhr zum Wasser, das unter Wärmeaustausch zu dem Wirbelbett fließt, weitestgehend begründet durch die Tatsache, daß die Menge Luft, die dem Bett zugeführt wird, genügen muß, um dasselbe in einem fluiden Zustand zu belassen, es aber vermieden werden muß, daß übermäßige Mengen des aus Teilchen bestehenden Materials weggeblasen werden.
• Dieser Nachteil ist weitestgehend durch einen Wärmetauscher, der in dem U.S. Patent Nr. 3, 823, 693 beschrieben wurde, behoben. In der Anordnung, die in diesem Patent beschrieben wird, besteht der Ofenabschnitt des Wärmetauschers aus mehreren senkrecht aufeinandergeschichteten Kammern oder Zellen, von denen jede ein Wirbelbett enthält. Um die Flüssigkeit zu erhitzen, wird sie aufwärts durch die Wirbelbetten geleitet, mit denen sie in Wärmeaustauschbeziehung steht, um die Temperatur der Flüssigkeit allmählich zu erhöhen. Ein Röhrenbündel ist in dem Bereich oberhalb jeden Bettes angeordnet, um als Wärmeübertragungsoberfläche für das von jedem Bett aufsteigende Gas zu dienen. Das aus Teilchen bestehende Material wird von dem aufsteigenden Gas, das von jedem Bett angeregt wird, abgetrennt und in das unterste Bett, das als Wiedergewinnungszelle fungiert, zurückgeführt, um den in dem aus Teilchen bestehenden Material zurückgebliebenen Kohlenstoff vollständig zu verbrennen.
• Der Platz, der über jedem Bett zur Aufnahme der Rohrbündel zur Verfügung steht, ist jedoch relativ klein, entsprechend den Begrenzungen, die auf der Querschnittfläche jeder Zelle angebracht sind, die durch die Rohrabstände, die Zugänglichkeit beim Schweißen und die Anforderungen für die Verbrennung etc. vorgegeben wird. Demzufolge ist die Wärmeübertragungsoberfläche, die durch die Rohrbündel bestimmt ist, auf eine Größe begrenzt, so daß der Massenfluß des aufsteigenden Gases in Bezug auf die Fläche der Wärmeübertragungsfläche und der sich daraus über jedem Bett ergebende Wärmeübergangskoeffizient kleiner als optimal sind. Ebenfalls werden, da die Wiedergewinnungszelle nicht mit frischem Brennstoff versorgt wird, unbefriedigende Schwankungen der Wärmezufuhr festgestellt, die durch schwankende Brennstoffmengen oder Änderungen der Leistung des Dampferzeugers verursacht werden. Des weiteren gibt es keine Maßnahme, den Inhalt und die Fluidisierungsgeschwindigkeit in der Wiedergewinnungszelle zu kontrollieren, was sich zu dem Problem der Wärmekontrolle in den Wirbelbetten addiert.
• U.S. Patent Nr. 3, 863, 606 stellt einen Dampferzeuger der Art vor, wie er in dem Oberbegriff von Anspruch 1 angeführt wird und auf den sich die Erfindung bezieht. Dieser Dampferzeuger zeigt neben dem Ofenabschnitt mit mehreren vertikal voneinander beabstandeten Betten Vorrichtungen, die einen Wärmewiedergewinnungsraum kennzeichnen, der mit den Wirbelschichten durch Auslässe verbunden ist, wobei der Wiedergewinnungsraum einen separaten Gasauslaß hat. Des weiteren ist in dem unteren Teil des Wärmewiedergewinnungsraumes eine separate Zelle für die Kohlenstoffverbrennung vorgesehen. Diese Zelle hat einen von dem ersten Kreislauf getrennten Luft-Gaskreislauf in Form eines Einlasses, durch den die Luft in eine Dämpfungsvorrichtung gelangt, um durch das Bett zu strömen und durch einen separaten Ausgang hinauszuströmen. Da das Gas durch diesen separaten Auslaß geleitet wird, mischt es sich nicht mit dem Gas, das aus den Auslässen der Wirbelbetten kommt. Das Gas aus dem Auslaß des Wärmewiedergewinnungsraumes mischt sich erst kurz vor dem Eingang in einen Sammelbehälter mit dem Gas aus dem Auslaß der separaten Zelle. Folglich ist die Wirkung des bekannten Dampferzeugers begrenzt, da die Gase unvollständig verbrannt aus der separaten Zelle strömen. Ferner können Schwankungen bei der Wärmezufuhr auftreten.
• Die Aufgabe, die dieser Erfindung zugrunde liegt, ist es, einen Dampferzeuger zur Dampferzeugung bereitzustellen, der die Vorteile von übereinandergeschichteten Wirbelbetten besitzt, für einen optimalen Wirkungsgrad zu sorgen, im besonderen durch eine Wärmeübertragungsoberfläche idealer Größe, und die Schwankungen der Wärmezufuhr zu minimieren.
• Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruch 1 gelöst.
• Das Mischen der Gase aus den senkrecht beabstandeten Wirbelbetten mit dem aufsteigenden Gas aus dem Wirbelbett im Wärmewiedergewinnungsraum bietet zusammen mit den Vorrichtungen für die Zugabe zusätzlichen Brennmaterials in das Wirbelbett des Wärmewiedergewinnungsraumes eine Anzahl Vorteile.
• Neben der Reduzierung der Kosten für die Einrichtungen für die Materialhandhabung haben alle aufsteigenden Gase in der Kammer 20, da sie die volle Höhe der Kammer durchwandern müssen, eine relativ lange Verweilzeit und werden bei einer Temperatur gehalten, die hoch genug ist, um ihre Verbrennung durch regelmäßige Zugabe heißen Brenngases, das aus den Wirbelbettzellen A, B und C eintritt, in Gang zu halten. Ferner reagiert auch Schwefeldioxid, das in die Kammer eindringt, mit den feinen adsorbierenden Teilchen, weil die Gase sich in der Kammer aufwärts bewegen, was zu einer maximalen Wirkung des Schwefeldioxidauffanges führt, und somit regeln minimale Anforderungen an das Adsorbens die Schwefeldioxidemissionen. Zuletzt macht der extrem hohe Aufbau des Wärmewiedergewinnungsraumes über dem Wirbelbett einen ausgezeichneten Wärmeaustausch möglich. Dies ist für einen optimalen Wirkungsgrad notwendig. Die Vorrichtungen für die Zugabe des zusätzlichen Brennmaterials zu dem Wirbelbett des Wärmewiedergewinnungsraumes sind außerdem die Grundlage dafür, eine konstante Wärmezufuhr zu ermöglichen. Wenn die Fluidisierungsgeschwindigkeit des Wiedergewinnungsbettes geregelt wird, bleiben die Bedingungen in dem letzten Bett konstant.
• Weitere vorteilige Entwicklungen nach Anspruch 1 sind durch die Unteransprüche gegeben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
• Die obige kurze Beschreibung sowie weitere Gegenstände, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung können in Bezug auf die folgende detaillierte Beschreibung der gegenwärtig bevorzugten aber nichtsdestoweniger anschaulichen Ausführungsformen in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung besser beurteilt werden, wenn sie in Zusammenhang mit der begleitenden Zeichnung gebracht werden, bei der es sich um eine schematische, längs geschnittene Betrachtung des Dampferzeugers der vorliegenden Erfindung handelt.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
• Der Dampferzeuger der vorliegenden Erfindung ist in der Darstellung gezeigt und beinhaltet einen Ofenabschnitt, der aus drei Hauptwirbelbettzellen A, B und C besteht, die sich auf eine Kammer 10 ausdehnen, die durch eine Frontwand 12, eine Rückwand 14, eine Seitenwand 16 und eine weitere Seitenwand, die nicht dargestellt ist, abgegrenzt wird. Die Details jeder Wirbelbettzelle A, B und C werden später beschrieben.
• Eine zusätzliche Wand 18 ist in einem Abstand zu der Rückwand 14 aufgestellt, um eine Kammer 20 neben der Kammer 10 zu bilden. Ein Paar von Zyklonabscheidern 22 & 24 befindet sich neben der Wand 18 und ist durch die Leitungen 26 bzw. 28 mit der Kammer 20 verbunden.
• Drei horizontale, perforierte Luftverteilungsplatten 30 sind vertikal beabstandet zwischen den Wänden 12 und 14 angebracht und dehnen sich jeweils über den Querschnitt der Wirbelbettzelle A, B oder C aus. Ein Lufteinlaß 32 (im Querschnitt dargestellt) ist an jeder Wirbelbettzelle A, B und C angebracht und ragt durch die Seitenwand 16 in eine mit Luft ausgefüllte Kammer 34, die sich unterhalb jeder Platte 30 befindet, hinein. Als Ergebnis wird die Luft in jede Wirbelbettzelle A, B und C verteilt, während der Fluß durch Dämpfungsvorrichtungen oder ähnliches (nicht dargestellt) geregelt wird.
• Drei Verteiler 36 sind an drei Ausbuchtungen an der Frontwand 12 angebracht und jeweils mit den Wirbelbettzellen A, B und C verbunden. Die Verteiler 36 sind so angepaßt, daß sie das aus Teilchen bestehende Brennmaterial aus einer externen Quelle aufnehmen und dasselbe in bekannter Weise in jede Wirbelbettzelle ausströmen lassen. Damit ist gemeint, daß Tropfrohre oder vergleichbares (nicht dargestellt) dazu bestimmt sein können, ein Adsorbens, wie z. B. Kalkstein, in die jeweiligen Wirbelbettzellen A, B und C zu geben, um den Schwefel zu adsorbieren, der bei der Verbrennung des aus Teilchen bestehenden Brennstoffes in bekannter Weise entsteht. Das aus Teilchen bestehende Material bildet demzufolge in jeder Wirbelbettzelle A, B und C ein Bett aus Material, das durch die Luft, die aufwärts durch die Platten in jedes Bett strömt, fluidisiert wird.
• Ein Rohrbündel 38 ist direkt über den Platten 30 und innerhalb des Wirbelbettes, das sich in jeder Wirbelbettzelle A, B und C bildet, befestigt. Jedes Röhrenbündel ist mit einem System (nicht abgebildet) verbunden, in dem Wasser durch die Röhren zirkuliert, um Wärme von den Wirbelbetten in bekannter Weise abzuführen. Damit ist gemeint, daß geeignete Wasserkammern, Fallrohre und ähnliches (nicht abgebildet) dazu bestimmt sind, Wasser oder Dampf durch jedes Rohrbündel 38 zirkulieren zu lassen, um Wärme, die in dem Bett entsteht, auf das Wasser oder den Dampf zu übertragen.
• Drei Öffnungen 40 sind an drei Erhebungen in die Wand 14 eingelassen, um es dem aufsteigenden Gas, das in den Wirbelbettzellen A, B und C entsteht, zu ermöglichen, aus der Kammer 10 in die Kammer 20 zu strömen. Eine Wirbelbettzelle D, die mit den Wirbelbettzellen A, B und C identisch ist, befindet sich in dem unteren Teil der Kammer 20 und hat einen Lufteinlaß 32, eine Luftkammer 34, einen Verteiler 36 und ein damit verbundenes Rohrbündel 38, das auf diegleiche Weise funktioniert, wie es oben anhand der Wirbelbettzellen A, B und C beschrieben ist. Es ist ebenfalls ein Überlaufwehr 41 an der Wirbelbettzelle D angebracht, das in bekannter Weise das Volumen des aus Teilchen bestehenden Materials in der Wirbelbettzelle D regelt.
• Die Gase, die aus den Wirbelbettzellen A, B und C durch die Öffnungen 40 in die Kammer 20 einströmen, und die Gase aus der Wirbelbettzelle D mischen sich in Kammer 20 und steigen durch natürliche Konvektion in den oberen Teil der letzten Kammer auf, bevor sie sie durch die Leitungen 26 & 28 in die Zyklonabscheider 22 bzw. 24 verlassen.
• Die Zyklonabscheider 22 und 24 arbeiten in bekannter Weise, um das feste aus Teilchen bestehende Material, das von den Gasen mitgerissen wird, von diesen zu trennen. Die relativ sauberen Gase strömen aus dem Abscheider 22 durch einen Auslaß 42 in einen externen Wärmewiedergewinnungsbereich (nicht dargestellt) und die sauberen Gase aus dem Abscheider 24 strömen durch eine Auslaßleitung 44 in die Leitung 42. Damit ist gemeint, daß der Wärmewiedergewinnungsbereich mehrere Rohrbündel beinhaltet, um die Wärme von den Gasen zurückzuführen, wonach die Gase in einen röhrenförmigen Lufterhitzer, eine Sackkammer, ein Saugzuggebläse und in einen Schornstein strömen, wobei es sich bei allen um Standardeinrichtungen handelt, die daher nicht abgebildet sind.
• Jeder Abscheider 22 und 24 enthält einen Fülltrichter, der die feinen Teilchen, die von den aufströmenden Gasen getrennt worden sind, sammelt und sie in die Einspritzleitungen 46 und 48 leitet, die die Teilchen in die Wirbelbettzelle D einbringen. Die Teilchen in der Wirbelbettzelle D werden durch die Verteiler 36 mit den frischen Brennstoffteilchen in der Wirbelbettzelle zusammengeführt, und die Mischung wird in einer Weise fluidisiert und verbrannt, ähnlich der der aus Teilchen bestehenden Kohle in den Wirbelbettzellen A, B und C, wie sie oben beschrieben ist.
• Damit ist gemeint, daß die Wände 12, 14 und 16 aus mehreren sich senkrecht ausbreitenden Röhren gebildet werden, die in bekannter Weise verbunden sind, um einen Teil eines natürlichen Zirkulationsflußkreislaufs zu bilden, der einen Dampfsammler 50, mehrere Lufterhitzer, wie sie unter der Bezugszahl 52 dargestellt sind, an den Enden der oberen Wände und mehrere Röhren, von denen zwei unter Bezugszahl 52 gezeigt sind, enthält. Da diese Art Aufbau Standard ist, wird sie nicht näher erklärt.
• Im Betrieb wird die Luft in jedes Wirbelbett, das sich zur Fluidisierung jedes Bettes in den Wirbelbettzellen A, B und C befindet, geführt, wobei damit gemeint ist, daß die Geschwindigkeit und Durchflußrate der Luft so geregelt werden, daß sie hoch genug sind, das aus Teilchen bestehende Brennmaterial zu fluidisieren und eine ökonomische Verbrennung zu erreichen, oder die auf die Fläche des Bettes bezogene Wärmeabgaberate immer noch niedrig genug ist, um den Verlust von zu vielen feinen Teilchen aus dem Bett zu vermeiden und eine ausreichende Verweilzeit der Gase für eine Zurückführung durch das Adsorbens, das dem Bett zugeführt wird, zu erlauben. Nachdem die erwärmte Luft durch jedes Wirbelbett geströmt ist, vermischt sie sich mit den Verbrennungsprodukten aus dem Bett, und die sich daraus ergebende Mischung oder das Gas (im folgenden als aufsteigendes Gas bezeichnet) strömt durch die Öffnungen 40 hinaus in die Wand 14 und fließt in die Wärmewiedergewinnungskammer 20. Die aus der Wirbelbettzelle D aufströmenden Gase steigen zusammen mit den Gasen der Wirbelbettzellen A, B und C durch normale Konvektion in der Kammer 20 auf, verlassen die Kammer durch die Leitungen 26 bzw. 28 und fließen in die Abscheider 22 bzw. 24.
• Das feste Brennmaterial und die adsorbierenden Teilchen, die von den aufsteigenden Gasen mitgerissen werden, werden in den Abscheidern 22 & 24 von diesen abgetrennt, wobei die Gase durch die Leitungen 40 & 42 in den Wärmewiedergewinnungsbereich ausströmen. Die abgetrennten Teilchen, die Flugasche und nicht umgesetztes Brennmaterial und Adsorbens enthalten, werden in das Wirbelbett in der Zelle D eingeführt, wo sie sich mit dem frischen Brennstoff mischen, der durch den Verteiler 36, der mit der letzten Zelle verbunden ist, zugefügt wird. Die Geschwindigkeit der Luft aus den Einlässen 32 in jede Wirbelbettzelle A, B, C und D wird geregelt, und die Menge an Material in der Zelle D wird sorgfältig durch ein Überlaufwehr 41 in der Zelle D gesteuert, um, wenn erst einmal ein ausreichender Bestand erreicht worden ist, Erhöhungen des Bestandes in der letzten Zelle zu vermeiden, um gleichmäßige Bedingungen in der letzten Zelle beizubehalten.

Claims (8)

1. Dampferzeuger enthaltend einen Ofenabschnitt, Vorrichtungen (A, B, C) in dem Ofenabschnitt zur Ausbildung mehrerer vertikal voneinander beabstandeter Betten aus aus Teilchen bestehendem Material sowie Brennstoff, Vorrichtungen (30, 32, 34) zur Zuführung von Luft in die Betten um diese zu Wirbelschichten zu machen, eine Grenzwand (14) im Ofenabschnitt mit Öffnungen (40), durch die von den Wirbelschichten abströmenden Gase abgegeben werden können, Vorrichtungen (20, 14) einschließlich der Grenzwand (14), die einen Wärmewiedergewinnungsraum (20) abgrenzen, der sich neben dem Ofenabschnitt zur Aufnahme der abströmenden Gase befindet, Vorrichtungen neben dem Wärmewiedergewinnungsraum (20) zur Aufnahme der aus dem Wärmewiedergewinnungsraum abströmenden Gase und zur Trennung der mitgerissenen festen Teilchen von den Gasen, Vorrichtungen (D) , die in dem Wärmewiedergewinnungsraum (20) ein Bett aus diesem Material bilden, Vorrichtungen (30, 32, 34) zur Einführung von Luft in das Bett in dem Wärmewiedergewinnungsraum (20) , um aus dem Material eine Wirbelschicht zu machen und eine Vorrichtung zum Einführen der abgetrennten festen Teilchen in die Wirbelschicht in dem Wärmewiedergewinnungsraum (20), gekennzeichnet durch, eine Vorrichtung (36) zur Zuführung von zusätzlichem Brennstoffmaterial ,in das Wirbelbett (D) in dem Wärmewiedergewinnungsraum (20), wobei sich das Wirbelbett (D) in dem Wärmewiedergewinnungsraum (20) an seinem unteren Ende befindet, so daß sich die von diesem Wirbelbett abströmenden Gase nach oben über die gesamte Höhe des Wärmewiedergewinnungsraums bewegen bevor sie diesen verlassen, und bei dem von den vertikal voneinander getrennten Wirbelbetten (in A, B und C) abströmende Gase sich mit den von dem Wirbelbett (in D) im Wärmewiedergewinnungsraum (20) abströmenden Gasen verbinden.

2. Dampferzeuger nach Anspruch 1, ferner enthaltend Vorrichtungen zum Verändern der Fluidisierungsgeschwindigkeit der Luft, die in die Wirbelschicht in dem Wärmewiedergewinnungsraum (20) eingeführt wird.

3. Dampferzeuger nach Anspruch 2, ferner enthaltend eine Vorrichtung zum Steuern der Materialmenge in der Wirbelschicht im Wärmewiedergewinnungsraum (20).

4. Dampferzeuger nach Anspruch 1, bei dem zwei Wände des Ofenabschnitts und des Wärmewiedergewinnungsraums (20) durch zwei durchgehende Wände (14, 18) gebildet werden, die über die gesamte Breite des Dampferzeugers verlaufen.

5. Dampferzeugen nach Anspruch 1, ferner enthaltend eine Vorrichtung in jedem der vertikal voneinander beabstandeten Wirbelschichten, die Wärme aus diesen schichten entfernt.

6. Dampferzeuger nach Anspruch 1, ferner enthaltend eine Vorrichtung in der Wirbelschicht des Wärmewiedergewinnungsraums (20) zur Entfernung von Wärme aus dieser Wirbelschicht.

7. Dampferzeuger nach Anspruch 6, wobei die Vorrichtungen zur Entfernung der Wärme Rohre aufweisen sowie Einrichtungen, die Wasser durch diese Rohre leiten.

8. Dampferzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennvorrichtung eine Multizyklonvorrichtung (22, 24) ist, die sich neben dem Wärmewiedergewinnungsraum (20) zur Aufnahme der abströmenden Gase aus den Wirbelschichten (in A, B, C und in D) befindet.