DE69810717T2 - Kessel mit externer dichter Wirbelschicht - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft einen Kessel, welcher eine Verdampfer beinhaltet, der in eine dichte externe Wirbelschicht (Fluidatbett) eingetaucht ist.
• Ein derartiger Kessel weist u. a. die folgenden Elemente auf:
• - einen Kessel mit zirkulierender Wirbelschicht, dessen Wände vertikale Rohre aufweisen, in welchen eine Wasseremulsion (flüssige Phase und dampfförmige Phase) zirkuliert, die durch Verdampfung von Wasser erzeugt wird, das an der Basis dieser Rohre eingebracht wird;
• - eine Trenneinrichtung, im Allgemeinen einen Zyklon, welcher die Verbrennungsgase und die in diesem Herd fluidisierten Feststoffpartikel oberhalb des Herdes wiedergewinnt, um sie in zwei verschiedene Leitungen zu lenken;
• - eine dichte externe Wirbelschicht, die zum einen mit der Partikelrohrleitung der Trenneinrichtung und zum anderen mit der Basis des Herdes verbunden ist, wobei diese externe Wirbelschicht einen Wärmetauscher beinhaltet, welche die Wärme der Partikel auf das zu verdampfende Wärmeübertragungsfluid überträgt, bei dem es sich häufig um Wasser handelt.
• Das Dokument US-A-5 273 000 beschreibt einen derartigen Kessel, in welchem ein Speisewasservorwärmer (Ekonomiser) in einer externen Wirbelschicht untergebracht ist, wobei der Ausgang des Speisewasservorwärmers mit dem Dampfbehälter verbunden ist, der sich oberhalb des Kessels befindet.
• Dieser Wärmetauscher hat üblicherweise die Form eines Rohrbündels und die Zirkulation kann durch natürliche Zirkulation oder mit Unterstützung durch eine oder mehrere Pumpen erfolgen.
• Bei den mittels natürlicher Zirkulation arbeitenden Wärmetauschern stellen sich verschiedene Realisierungsschwierigkeiten. Erstens erfordern sie, damit sie mit vernünftigen Zirkulationsdurchsätzen arbeiten, eine geneigte Anordnung der Rohre, was die Höhe des Wärmetauschers im Vergleich zu einer Lösung erhöht, bei der die Rohre horizontal verlaufen, wenn im Wesentlichen die gleiche Oberfläche des Wärmetauschers erhalten bleiben soll. Jedoch ist die Höhe der Wirbelschicht (Fluidatbett) durch den Fluidisierungsdruck und auch durch die Stabilität der Fluidisierung eingeschränkt. Es gilt, dass diese Höhe kaum größer als 4 Meter sein kann, und in jedem Fall erscheint es nicht praktikabel, eine Höhe von mehr als 5 Metern vorzusehen. Zweitens muss die Geschwindigkeit in diesen Rohren geeignet sein, das Auftreten eines DNB ("departure from nucleate boiling" = "kritische Überhitzung") zu vermeiden, sowie auch dazu, ein geschichtetes Fließen zu vermeiden, d. h. das Auftreten einer Flüssigkeits-Dampf-Grenzfläche. Ein Fließvorgang dieses Typs bringt ausgeprägte Überhitzungs-, Wärmeschock- und Korrosionsphänomene mit sich. Um die erforderliche Geschwindigkeit zu erzielen, müssen die Rohre einen beträchtlichen Querschnitt und große Abgabewerte an ihren oberen Enden aufweisen. Außerdem sind während der Anlaufphase der Anlage die heißen Partikel nicht in ausreichender Menge vorhanden, so dass, da die Verdampfung gering ist, die Geschwindigkeit in den Rohren nicht ausreicht, und es besteht die Gefahr des Auftretens eines DNB.
• Die mit unterstützter Zirkulation arbeitenden Wärmetauscher erlauben, die Schwierigkeiten zu beheben, die man bei mit natürlicher Zirkulation arbeitenden Wärmetauschern antrifft. Jedoch sind die Unterstützungspumpen teuer und es besteht bei ihnen ein Ausfallrisiko, was für die Verfügbarkeit des Kessels nachteilige Auswirkungen hat.
• Die Erfindung hat daher einen Kessel zum Ziel, der mit einer dichten externen Wirbelschicht einfacher Konzeption und großer Zuverlässigkeit versehen ist.
• Gemäß der Erfindung weist dieser Kessel einen Herd mit zirkulierender Wirbelschicht, eine Trenneinrichtung für aus diesem Herd ausgebrachte Gase und Feststoffe, und eine dichte externe Wirbelschicht zwischen dem Festkörper-Auslass der Trenneinrichtung und der Basis des Herdes auf, wobei diese externe Wirbelschicht einen ersten Wärmetauscher beinhaltet, in welchem ein zu verdampfendes Wärmeübertragungsfluid zirkuliert, und außerdem ist der Auslass dieses ersten Wärmetauschers direkt mit einem im Herd angeordneten zweiten Wärmetauscher verbunden.
• Dieser zweite Wärmetauscher erlaubt, die Zirkulationsgeschwindigkeit in den Rohren des ersten Wärmetauschers beträchtlich zu erhöhen. Somit können, sogar wenn dieser mit natürlicher Zirkulation arbeitet, die diesen aufbauenden Rohre ohne Gefahr für die Anlage in horizontaler Richtung angeordnet sein.
• In vorteilhafter Weise besteht der erste Wärmetauscher aus einem Rohrbündel.
• Vorzugsweise sind diese Rohre horizontal.
• Im Übrigen sind diese Rohre mit mindestens einer schraublinienförmigen Nut versehen.
• Somit lässt sich die Zirkulationsgeschwindigkeit verringern, um das Auftreten des DNB in den Rohren zu vermeiden.
• Gemäß einem ersten Ausführungsmodus des Kessels bildet der zweite Wärmetauscher integralen Teil der Herdwand.
• Gemäß einem zweiten Ausführungsmodus ist der zweite Wärmetauscher im Herd versenkt.
• Die Erfindung ist besonders vorteilhaft, wenn es sich bei dem Herd um eine zirkulierende Wirbelschicht (Fluidatbett) handelt, das interne Membranen aufweist, die mit den über Rohre verfügenden Wänden des Herdes verschweißt sind, wobei diese Membranen als Abschirmungsvorsprünge bezeichnet werden.
• Somit ist gemäß einem dritten Ausführungsmodus der zweite Wärmetauscher in einem Abschirmungsvorsprung dieses Herdes angeordnet.
• Die Erfindung wird im Rahmen der folgenden Beschreibung von Beispielen für Kessel beispielhaft und mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen detaillierter beschrieben. Diese zeigen:
• Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Kessels.
• Fig. 2 einen Horizontalschnitt eines ersten Ausführungsmodus,
• Fig. 3 einen Vertikalschnitt eines zweiten Ausführungsmodus und
• Fig. 4 einen Horizontalschnitt eines dritten Ausführungsmodus.
• In verschiedenen Figuren vorhandene Elemente tragen gleiche Bezugszeichen.
• In Fig. 1 sind lediglich die Elemente des Kessels dargestellt, die für das Verständnis der Erfindung erforderlich sind.
• Dieser Kessel weist einen Herd 1 auf, in welchem die Verbrennung von Feststoffpartikeln erfolgt. Dieser Herd 1 ist an seinem oberen Teil mit einer Trenneinrichtung 2 verbunden, und zwar über eine Abführrohrleitung 12, welche die Verbrennungsgase und die rezirkulierten Partikel transportiert.
• Von der Trenneinrichtung 2, beispielsweise einem Zyklon, werden die Gase in eine Austragsleitung 20 abgeleitet, deren Ursprung an dessen oberem Teil liegt, und die Partikel werden in eine Umlauf oder Rezyklierleitung 23 abgeführt, die in einer dichten externen Wirbelschicht (Fluidatbett) 3 mündet. Diese Rezyklierleitung ist im Allgemeinen mit einem Siphon und einer Ummantelung versehen. Das externe Wirbelbett ist mit einem ersten Wärmetauscher 3A ausgerüstet, was hier die Form eines Bündels von Rohren hat, die in Serpentinen in vertikalen Ebenen angeordnet sind, so dass die Querschnitte der in Längsrichtung verlaufenden Rohre vorzugsweise horizontal sind. Der erste Wärmetauscher 3A wird mit dem zu verdampfenden Wärmeübertragungsfluid, beispielsweise Wasser, über eine Eintrittsleitung 39 gespeist. Die Austrittsleitung 30 dieses Wärmetauschers 3 ist mit einem zweiten Wärmetauscher 3B verbunden, der sich in Kontakt mit dem Herd 1 befindet.
• Ein erster Ausführungsmodus dieses zweiten Wärmetausches 3B, der in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist, findet Anwendung, wenn die Wand des oberen Herdkörpers durch einen Satz von untereinander fest verbundenen vertikalen Rohren 1A realisiert ist. In diesem Fall bildet eines dieser Rohre den zweiten Wärmetauscher 3B, der an seinem unteren Ende mit dem Auslass 30 des ersten Wärmetauscher 3A verbunden ist. Es sei hier angemerkt, dass der erste Wärmetauscher 3A lediglich einen einzigen Auslass aufweist. Selbstverständlich können, wenn es sich um ein Rohrbündel handelt, so viele Rohre 1A wie das Rohrbündel Rohre beinhaltet im zweiten Wärmetauscher 3B vorgesehen sein.
• Gemäß einem in Fig. 3 dargestellten zweiten Ausführungsmodus handelt es sich, unabhängig von der Beschaffenheit der Herdwand, beim zweiten Wärmetauscher 3B um einen im Inneren dieses Herdes angeordneten Verdampfer.
• Die Erfindung findet somit für Kessel Anwendung, bei denen der mit Rohren versehene Herd 1 mit einer zirkulierenden Wirbelschicht versehen ist. Es ist dann gängige Praxis, mindestens einen Abschirmungsvorsprung vorzusehen, der mit der Innenseite der Herdwand verschweißt ist. Dieser Abschirmungsvorsprung besteht selber aus untereinander fest verbundenen vertikalen Rohren.
• Somit besteht gemäß einem dritten Ausführungsmodus der Wärmetauscher 3B aus einem der Rohre des Abschirmungsvorsprungs, das an seinem unteren Ende mit dem Auslass 30 des ersten Wärmetauschers 3A verbunden ist.
• Im Übrigen lässt sich die Leistungsfähigkeit des ersten Wärmetauschers 3A noch verbessern, wenn es sich bei dem oder den diesen bildenden Rohr(en) um mit Nuten versehene ("gezogene") Rohre handelt, d. h. Rohre, welche auf ihren Innenflächen ein oder mehrere schraublinienförmige Nuten aufweisen. Tatsächlich konzentriert sich aufgrund der Zentrifugalkraft die Dampfphase der Emulsion im Inneren der Rohre, was das Auftreten des DNB hemmt.
• Es versteht sich, dass die Erfindung für einen mit natürlicher Zirkulation arbeitenden ersten Wärmetauscher vorgesehen ist. Wenn man jedoch einen mit unterstützter Zirkulation arbeitenden Wärmetauscher vorsieht, erlaubt die Erfindung, die Leistung der Unterstützungspumpe(n) beträchtlich zu reduzieren und somit die Kosten und den Stromverbrauch zu verringern.

Claims (8)

1. Kessel, der einen Herd (1) mit zirkulierender Wirbelschicht, eine Trenneinrichtung (2) für aus diesem Herd ausgebrachte Gase und Feststoffe, und eine dichte externe Wirbelschicht (Fluidatbett) (3) zwischen dem Festkörper-Auslass (23) der Trenneinrichtung (2) und der Basis des Herdes (1) aufweist, wobei diese externe Wirbelschicht (Fluidatbett) einen ersten Wärmetauscher (3A) beinhaltet, in welchem ein zu verdampfendes Wärmeübertragungsfluid zirkuliert, dadurch gekennzeichnet, dass der Austritt (30) dieses ersten Wärmetauschers (3A) direkt mit einem im Herd (1) angeordneten zweiten Wärmetauscher (3B) verbunden ist.

2. Kessel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Wärmetauscher (3A) mittels natürlicher Zirkulation arbeitet.

3. Kessel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Wärmetauscher (3A) aus einem Rohrbündel besteht.

4. Kessel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre horizontal sind.

5. Kessel nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre mit mindestens einer schraublinienförmigen Nut versehen sind.

6. Kessel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Wärmetauscher (3B) einen integralen Teil einer Wand des Herdes (1) bildet.

7. Kessel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Wärmetauscher (3B) im Herd (1) versenkt ist.

8. Kessel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Wärmetauscher (3B) in einem Vorsprung der Abschirmung der zirkulierenden Wirbelschicht angeordnet ist.