SE508061C2 - Förbränningsanläggning med cirkulerande fluidiserad bädd - Google Patents

Description

508 061 från fast material fria förbränningsgaserna genom det inre höljet till nämnda processteg.

En förbränningsenhet av denna typ kan anses vara väsentligen känd genom följande hänvisning: F.A. Zenz, Fluidization and Fluid Particle Systems, Pemm-Corp. Publications, vol. II, Draft 1989, sid 333-334. Denna publikation avser en så kallad bubb- lande fluidiseringsbäddsreaktor. Beroende på dess konstruktion och strömningsegenskaper är emellertid denna reaktor så olämp- lig att det icke finns några praktiska tillämpningar, och speciellt ej några sådana tillämpningar där reaktorkammaren skulle inhysa någon partikelseparator.

Det kan generellt sägas att pannor med fluidiserade bäddar och grundande sig på cirkulationsreaktionstekniken, till vilken teknik också föreliggande uppfinning hör, blir mer och mer populära i tekniska tillämpningar eftersom de möjliggör reduk- tion av svavel- och kväveoxidutsläpp till lagliga nivåer med mycket låga kostnader. Speciellt med svavelinnehållande bräns- len är ekonomin hos cirkulationsreaktorn utmärkt om anlägg- ningens värmeeffekt är mindre än 200 MW. I tekniska tillämp- ningar är det primära ändamålet med förbränningen produktion av värmeenergi, som leds vidare till värmeöverföringsmediet hos reaktorkammaren, vilket medium vanligen är vatten. Väggarna hos reaktorkammaren innehåller därför vanligen en rörformig kon- struktion bildad av ett flertal parallella rör och fenliknande enheter, som förbinder rören och bildar en gastät panelstruk- tur. Traditionellt är partikelseparatorer och retursystem för fast material konstruktioner placerade separat från cirkula- tionsreaktorkammaren. Partikelseparatorn och retursystemet innefattar normalt en yttre bärkonstruktion av stål och ett inre keramiskt lager, som har att isolera stålkonstruktionen från den varma partikel-gassuspensionen. Fördelen med denna typ av konstruktion är den strukturella enkelheten hos reaktorn och partikelseparatorn. Betydande erfarenhet har samlats vad gäller konstruktionens användbarhet i praktiska tillämpningar. Nack- delen hos de traditionella konstruktionerna är det stora 508 061 utrymme som erfordras eftersom både reaktorkammaren och parti- kelseparatorn .i dessa konstruktioner har ungefärligen lika stora huvuddimensioner och de måste placeras, av konstruktiva anledningar, långt från varandra. Detta medför nackdelen att retursystemet för det fasta materialet blir komplicerat till konstruktionen eftersom det måste ha ett separat system för att styra gasströmmen, vilket system i. praktiken realiseras næd hjälp av en separat fluidiserad bädd anordnad i returledningen.

Syftet med föreliggande uppfinning är att åstadkomma en för- bränningsenhet, som i tillämpningar baserade på cirkulations- teknik ger en fördelaktig konstruktion för förbränningsenheten såväl ur konstruktiv synpunkt som vad gäller strömningsegen- skaperna i fall där partikelseparatorn skall placeras inuti reaktorkammaren. Det är därför ett syfte med denna uppfinning att förbättra tidigare teknik inom området. För uppnàende av dessa syften är förbränningsenheten enligt uppfinningen primärt kännetecknad av att - åtminstone det första, d v s det yttre, höljet hos partikel- separatorn är anordnat, på i och för sig känt sätt, att bilda en företrädesvis rörformig värmeöverföringsyta, varvid ett värmeöverföringsmedium är anordnat att strömma inuti den rörformiga konstruktionen, och att - förbränningsgasinloppet il: i det första, d \r s det yttre, höljet, är anordnat att. sträcka sig utmed. hela omkretsen av höljet.

En värmeöverföringsyta som är bildad av det första, d v s det yttre, höljet är känd genom publikationen US 4 746 337, vilken emellertid avser en separat cyklonseparator. När åtminstone det första, d v s det yttre, höljet hos partikelseparatorn utformas till en värmeöverföringsyta blir hela förbränningsenheten en kontrollerbar enhet vad beträffar dess konstruktion och, i synnerhet, dess termiska expansionsegenskaper. Vid konventio- nell teknik har förbindningen av en reaktorkammare, som 508 061 fungerar såsom en värmeöverföringsyta, och en isolerad parti- kelseparator medfört ett allvarligt problem beroende på deras olika uppförande vad avser termisk expansion. Det är uppenbart att en separator för massiva partiklar och innehållande kera- miska delar med approximativt 300 mm i tjocklek måste uppstöd- jas på bottenplanet och måste vara försedd med ett självbärande stàlhölje. Reaktorkammaren med panelkonstruktioner är företrä- desvis buren ovanifrán och därför äger termisk expansion rum huvudsakligen i riktning nedåt. Under drift är temperaturen hos reaktorkammaren i en konventionell cirkulationsreaktor typiskt omkring 300°C medan det stödande stålhöljet hos en partikel- separator måste bibehállas vid 80°C sàsom maximum av säkerhetsskäl och för att minimera värmeförluster. Det är därför klart att konventionella cirkulationsreaktorer vidládes av besvärliga rörelser beroende pà temperaturförändringar under igángsättning och tagande ur drift. Denna uppfinning undanröjer de tidigare nämnda problemen eftersom förbränningsenheten beter sig som en enda enhet under dessa temperaturförändringar under igángsättning och tagande ur drift.

Uttryckt i stort uppnås en fördelaktig konstruktiv lösning när förbränningsgasinloppet är placerat .i det första, d wf s det yttre, höljet så att inloppet sträcker sig över hela periferin hos höljet. Partikelseparatorn och inloppsledningsinrättningen, som traditionellt är samordnad därmed, kräver ett stort utrym- me. Därför kan en konventionell cyklonseparator icke placeras inuti reaktorkammaren utan kostsamma, besvärliga och opraktiska konstruktioner. Problemet är följaktligen hur man skall kunna uppnå en sådan inloppsledningsinrättning, med avseende pá dess konstruktion och dess strömningsegenskaper, för förbrännings- gaserna som skulle ge en tillräcklig styrverkan för förbrän- ningsgaserna och där utrymmesbehovet för inloppsledningsin- rättningen blott skulle vara en bråkdel jämfört med utrymmes- kravet för inloppsledningsinrättningen vid konventionella cyklonseparatorer. Det tidigare nämnda problemet kan lösas exakt så att förbränningsgasinloppet. placeras i. det första, d v s det yttre, höljet för att sträcka sig över hela omkretsen - 508 061 hos höljet. Detta medför en speciell fördel i det att när en rörformig värmeöverföringsyta användes i det första, d v s det yttre, höljet kan själva rören, eller i. vissa fall medelst böjning av rören, åstadkomma den stödande konstruktionen för förbränningsgasinloppet så att baffelblad gjorda av ett kera- miskt material kan bildas på denna stödande konstruktion för förbränningsgasströmmen.

Enligt ett speciellt fördelaktigt utförande är den horisontella tvärsektionen hos reaktorkammaren, åtminstone vid den punkt där partikelseparatorn är lokaliserad, cirkulär, varvid centrum- linjen för tvärsektionsformen sammanfaller med den gemensamma centrumlinjen för separatorns höljen. Denna lösning åstadkommer en ideal konstruktion, som är axiellt symmetrisk åtminstone vid den punkt där partikelseparatorn är lokaliserad. Åtskilliga fördelar uppnås vad beträffar förbrännings-, strömnings- och konstruktionsbetingelser jämfört med konventionella cirkula- tionsreaktorer med en rektangulär tvärsektion. Beroende pà konstruktiva orsaker erfordras massiva stödkonstruktioner för att förstärka väggarna i konventionella rektangulära reaktor- delar och speciellt i stora förbränningsenheter. Hänsynstagande till den termiska expansionen ökar ytterligare komplexiteten hos dessa stödande konstruktioner. I övertryckstillämpningar blir dessa nackdelar än värre i det att en separat tryckinne- slutning mäste användas, i vilken reaktorkammaren måste place- ras. De flesta av de tidigare nämnda nackdelarna kan elimineras med hjälp av den axiellt symmetriska konstruktion som be- skrivits ovan.

Vissa fördelaktiga utföranden av förbränningsenheten enligt uppfinningen presenteras i de bifogade osjälvständiga patent- kraven.

Uppfinningen kommer nu att ytterligare illustreras genom hänvisning till bifogade ritningar. Pâ ritningarna är 508 061 Fig 1 en vertikal tvärsektionsvy av förbränningsenheten enligt uppfinningen tagen utmed centrumlinjen, Fig 2 och 3 partiella tvärsektionsvyer av Fig 1 tagna utmed A-A vid den punkt där förbränningsgasinloppet är lokaliserat för illustrerande av tvâ utföranden, och Fig 4 är en tvärsektion utmed B-B i Fig 1.

Huvuddelarna av enheten framgår speciellt i Fig 1. En cylind- risk reaktorkammare 1 med en cirkulär tvärsektion är placerad i ett vertikalt läge. Den väggkonstruktion som utgör reaktorkam- marens hölje är i huvudsak utformad till en värmeöverföringsyta innefattande ett flertal rör och sträckande sig åtminstone utmed väggkonstruktionens vertikala del. Ett värmeöverförings- medium är anordnat att strömma inuti den rörformiga konstruk- tionen. I den undre delen av reaktorkammaren 1 finns en rost- konstruktion 2 försedd med tillförsel av förbränningsluft genom användning av exempelvis ett konventionellt munstyckssystem (icke visat). För detta ändamål är anordnad en så kallad luftkammane 3 genom vilken förbränningsluften leds till mun- styckssystemet. I anslutning till rosten är dessutom anordnad en bränsletillförselanordning 4 och ett utlopp 5 för det grova materialet.

På ovansidan av rostkonstruktionen 2 bildas den fluidiserade bädden och de däri alstrade förbränningsgaserna strömmar i riktning uppåt under bortförande av fast material.

Inuti den övre delen av reaktorkammaren 1 finns en partikelse- parator 6, som har ett första, nämligen ett yttre, hölje 7 och ett andra, nämligen ett inre, hölje 8, vilka båda har cirkulär horisontell tvärsektion och vilkas centrumlinjer är anordnade att väsentligen sammanfalla och företrädesvis att sammanfalla med reaktorkammarens 1 centrumlinje. Det första, d \r s det yttre, höljet 7 är försett med ett förbränningsgasinlopp. Den undre delen av det första, d v s det yttre, höljet 7 är försedd med ett avsmalnande parti 7a, som är symmetriskt med avseende pá centrumlinjen, och den vertikala returledningen 10, som 508 061 företrädesvis har en cirkulär tvärsektion och sin centrumlinje sammanfallande med den för reaktorkammaren 1, är förbunden med den undre delen av det första, d v s det yttre, höljet. Retur- ledningen 10 sträcker sig i vertikal riktning fràn den undre delen av det första, d v s det yttre, höljet till den undre delen av reaktorkammaren 1 och således till zonen med den fluidiserade bädden.

Det andra, d v s det inre, höljet 8 hos partikelseparatorn är, i vertikal riktning, väsentligt kortare än det första, d v s det yttre, höljet 7 och det har en väsentligen rörartad form och dess övre del är förbunden med processteget följande efter förbränningsenheten för att överföra förbränningsgaserna fria från fast material genom det andra, d v s det inre, höljet 8 till processteget följande efter förbränningsenheten. Åtminstone det första, d v s det yttre, höljet 7 är anordnat att företrädesvis bilda en rörformig värmeöverföringsyta, genom vilken värmeöverföringsmediet är anordnat att strömma. Det är uppenbart att också det andra, d v s det inre, höljet 8 kan vara anordnat att bilda en värmeöverföringsyta genom att utforma nämnda hölje till en värmeöverföringsyta sammansatt av parallella rör.

Såsom framgår speciellt av Fig 1 är den rörformiga konstruktion som bildar väggen hos reaktorkammaren 1 och innehåller värme- överföringsmediet anordnad att bilda en takkonstruktion la hos förbränningsenheten och vidare slutar åtminstone vissa av de rör som lämnar den ringformiga distributionsledningen 11 i reaktorkammarens undre del i en ringformig kollektorledning 12, som omger det andra, d v s det inre, höljet 8 hos partikelse- paratorn, vilket hölje är fäst vid den ringformiga kollektor- ledningen 12. En del av de rör som lämnar den ringformiga distributionsledningen 11 kan vara förbundna i den övre delen av reaktorkammaren, såsom visas :i Fig 1, med en andra ring- formig kollektorledning 13 i den övre delen av reaktorkammaren.

Den ringformiga distributionsledningen 11 framgående av Fig 1 508 061 tillför vatten, som fungerar såsom värmeöverföringsmedium, till exempel via den rörformíga rostkonstruktionen 2 till den ringformiga distributionsledningen 14, som är lokaliserad under returledningen 10, varvid de vertikala rören 15 ombesörjer förbindelse från distributionsledningen 14 till det andra ringformiga. distributionsröret 16, som är lokaliserat i den undre delen av returledningen 10, och vidare är returledningen i dess helhet anordnad att bilda en värmeöverföringsyta inne- fattande vertikala rör. Strömning av vârmeöverföringsmediet äger rum genom returledningen 10 till den undre delen av det första, d v s det yttre, höljet och från detta vidare igenom höljets 7 rörformíga konstruktion via mellanliggande kollektorkamrar 18a, 18b till det ringformiga kollektorröret 17. Av det föregående framgår klart att värmeöverföringsmediets strömning kan anordnas enkelt så att väsentligen hela förbränningsenheten fungerar såsom en värmeöverföringsyta.

En alternativ konstruktion för det första, d v s det yttre, höljet 7 presenteras speciellt i Fig 1, där en annan ringfor- mig, mellanliggande kollektorkammare 18b är anordnad nära den undre delen av förbränningsgasinloppet 9, varifrån den på avstånd anordnade rörformíga konstruktionen sträcker sig uppåt till kollektorledningen 17. På detta sätt uppnås den speciellt i Fig 2 visade konstruktionen, där förbränningsgasinloppet 9 är sammansatt av flera öppningar placerade med specifika intervall i omkretsen av det första, d v s det yttre, höljet 7, varvid öppningarna har lika storlek och företrädesvis är rektangulära samt placerade på samma höjdnivá. Förbränningsgasinloppet 9 är placerat i den övre delen av reaktorkammaren omedelbart under reaktorkammarens 1 takkonstruktion la där denna fungerar såsom en blockerande yta för den vertikala strömmen av förbrännings- gaserna. Beroende pà storleken av förbränningsenheten kan antalet öppningar placerade i förbränningsgasinloppet 9 variera mellan 5 och 30. Varje element 19, vilket är sammansatt av ett eller flera rör och lämnar den mellanliggande kollektorkammaren 18b samt är anordnade pà ett åtskilt sätt jämfört med arrange- manget inuti motsvarande del av det första, d v s det yttre, 508 Û61 höljet under den mellanliggande kollektorkammaren l8b, är placerat inuti ett blad 20 företrädesvis gjort av ett keramiskt material. Elementen 19 är försedda med lämpliga gripelement, till exempel gripstänger, för att ombesörja grepp mellan det keramiska materialet och elementen 19. Màngfalden blad bildad av dessa blad 20 är placerade i ett snett läge med avseende på omkretsen av det första, d Xr s det yttre, höljet 7 så att förbränningsgaser strömmar huvudsakligen tangentiellt in i innandömet hos det första, d \r s det yttre, höljet 7 genom förbränningsgasinloppsöppningarna 21. Såsom framgår speciellt av Fig 2 är bladen 20 placerade väsentligen inuti ytterytan av det första, d v s det yttre, höljet 7.

Fig 3 visar ett annat konstruktivt alternativ enligt uppfin- ningen vad gäller förbränningsgasinloppet, vid vilket alterna- tiv icke finns någon mellanliggande kollektorkammare 18b såsom i figurerna 1 och 2 utan rören hos det första, d v s det yttre, höljet 7 fortsätter likformigt från den första kollektorkamma- ren 18a upp till kollektorledningen 17 ovanför takkonstruk- tionen la. I detta fall upptar de keramiska bladen 20 de delar av den rörformiga värmeöverföringsytan hos det första, d v s det yttre, höljet 7 som är lokaliserade vid förbränningsgasin- loppet 9. Dessa delar är vardera böjda från höljets ytplan så att de är lokaliserade inom den horisontella tvärsektionsarean för bladet i fråga och dessa delar är försedda med gripelement för att åstadkomma grepp mellan delarna och det keramiska materialet. I det i Fig 3 visade utförandet innehåller tvär- sektionen hos varje blad 20 tre rör och det i mitten l9a är lokaliserat i planet av det första, d v s det yttre, höljet 7 och det första 19b av rören är böjt inåt i förhållande till höljet 7 och det andra 19c utåt relativt höljet 7. Ett flertal blad bildas således, vilka blad är partiellt lokaliserade utanför höljet 7, d v s den del som är lokaliserad inom bladens kantregion för förbränningsgasinloppet. Det är naturligtvis uppenbart att böjning av rören kan utformas så att en kon- struktion enligt Fig 2 uppnås, där flertalet blad är lokalise- rade fullständigt innanför höljets 7 yta. I detta fall är samtliga rör som måste böjas böjda inåt inuti höljet 7. 508 061 10 Fig 4 visar tvârsektionen utmed B-B i Fig 1 för att illustrera konstruktionen speciellt i utförandet som visas i Fig 2.

Claims (8)

11 508 061 Patentkrav

1. l. Förbränningsenhet, vilken för att uppnå en cirkulations- process innefattar: - en reaktorkammare (1), som är placerad väsentligen i ett vertikalt läge, varvid åtminstone kammarens vertikala vägg- konstruktion är anordnad att i huvudsak bilda en företrä- desvis rörformig värmeöverföringsyta, ett värmeöverförings- medium är anordnat att strömma inuti den rörformiga kon- struktionen och en exoterm förbränningsreaktion, en så kal- lad fluidiserad bädd, är anordnad att uppstå medelst bräns- le- och lufttillopp i. reaktorkammarens undre del, varvid förbränningsgaserna alstrade i reaktionen och innehållande fast material strömmar i riktning uppåt i reaktorkammaren, och - åtminstone en partikelseparator (6), i synnerhet en så kallad cyklonseparator, placerad inuti reaktorkammaren i 'dess övre del, vilken separator har två höljen (7, 8), det ena placerat väsentligen inuti det andra, vilka höljen har centrumaxlar anordnade väsentligen sammanfallande och i ett vertikalt läge, varvid ett första, d v s det yttre, höljet (7), är försett med ett förbränningsgasinlopp (9) och den undre delen av det första, d v s det yttre, höljet är för- sett med en returledning (10) för fast material för att re- turnera det fasta material som separerats från förbrän- ningsgaserna till den undre delen av reaktorkammaren (1), varvid den övre delen av det andra, d v s det inre, rörfor- miga höljet (8), som har öppna ändar, är förbundet vid sin övre ände med ett efterföljande processteg för att leda förbränningsgaserna väsentligen fria från fast material ge- nom det andra, d wr s det inre, höljet till nämnda pro- cessteg efter förbränningsenheten, varvid åtminstone det första, d v s det yttre, höljet (7) hos partikelseparatorn (6) är anordnat att bilda en rörformig värmeöverföringsyta, 508 061 12 varvid värmeöverföringsmediet är anordnat att strömma inuti den rörformiga konstruktionen, varvid förbränningsgasinlop- pet (9) in i det första, d v s det yttre, höljet (7) är an- ordnat i omkretsen av höljet, och varvid förbränningsgasin- loppet (9) utgörs av flera öppningar (21), som är placerade med specifika intervall i höljets (7) omkrets och fördelade utmed hela denna omkrets, k ä n n e t e c k n a d därav, att vid vertikala kanter hos öppningarna (21) finns blad (20), som vartdera är ut- format mellan två angränsande öppningar (21) för att rikta förbränningsgasströmmen primärt tangentiellt in i det för- sta, d v s det yttre, höljet (7), att vart och ett av bla- den (20) i huvudsak är utformat av formstycken utförda av ett keramiskt material och att åtminstone ett rör, som hör till värmeöverföringsytan hos det första, d v s det yttre, höljet (7), är placerat inuti vart och ett av bladen (20).

2. Förbränningsenhet enligt krav l, k ä n n e t e c k n a d därav, att tvärsektionsformen hos ,reaktorkammaren (1), åtminstone vid den punkt där partikel- separatorn (6) är lokaliserad, är cirkulär och att dess centrumlinje är anordnad att sammanfalla med den gemensamma centrumlinjen för partikelseparatorns (6) höljen (7, 8).

3. Förbränningsenhet enligt krav l eller 2, k ä n n e t e c k n a d därav, att förbränningsgasinlop- pets (9) öppningar (21) är av väsentligen samma storlek och placerade på samma höjdnivå.

4. Förbränningsenhet enligt något av kraven 1-3, k ä n n e t e c k n a d därav, att 5-30 öppningar (21) är anordnade i omkretsen av det första, d v s det yttre, höl- jet (7).

5. Förbränningsenhet enligt något föregående krav, 508 061 13 k ä n n e t e c k n a d därav, att nämnda flertal blad (20) i huvudsak är placerade innanför ytterytan av det första, d v s det yttre, höljet (7).

6. Förbränningsenhet enligt något föregående krav, k ä n n e t e c k n a d därav, att en del av rören hos den rörformiga konstruktionen hos det första, d v s det yttre, höljet (7) är böjda vid förbränningsgasinloppet (9) för att bringa rören att bli belägna inuti tvärsektionen för form- styckena som bildar bladen (20).

7. Förbränningsenhet enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d därav, att förbränningsgasinloppet (9) är placerat i den övre delen av reaktorkammaren så att det sträcker sig nedåt med utgångspunkt väsentligen omedel- bart från den yta (la) av reaktorkammaren (1) som blockerar vertikal strömning av förbränningsgaserna.

8. Förbränningsenhet enligt krav 1, 'k ä n n e t e c k n a d därav, att_tillförseln av värme- överföringsmediet till det första, d v s det yttre, höljet (7) är anordnad att äga rum genom kanaler anordnade i väg- gen av returledningen (10) och att returledningen (10) ock- så är anordnad att i huvudsak fungera såsom en värmeöverfö- ringsyta, in i vilken värmeöverföringsmediet är anordnat att tillföras via en rostkonstruktion (2).