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    公开号:WO1989002564A1
    申请号:PCT/EP1988/000806
    申请日:1988-09-06
    公开日:1989-03-23
    发明作者:Raimund Croonenbrock；Horst Müller；Hubert Steven；Bernd Sudau
    申请人:L. & C. Steinmüller Gmbh；
    IPC主号:F23C9-00
    专利说明:
    [0001] Beschreibung
    [0002] Druckaufgeladen betreibbare Wirbelschichtfeuerung
    [0003] Die Erfindung betrifft eine druckaufgeladen betreibbare Wirbelschichtfeuerung mit einem Feuerraum, mit einem diesem nachgeschalteten, in einer Rauchgasleitung angeordneten Staubabscheider und mit einem in einer Verbrennungsl u f tleitung befindlichen Luftverdichter, der auf gleicher Welle mit einer elektrischen Maschine und mit einer in der Rauchgasleitung angeordneten Expansionsturbine verbunden ist.
    [0004] Eine derartige Wirbelschichtfeuerung ist aus der DE-OS 35 36 451 bekannt, bei der im Betrieb Rauchgas mit hoher Temperatur, vorzugsweise Feuerraumtemperatur, über eine Expansionsturbine geführt wird, die auf gleicher Welle über mindestens eine Kupplung mit einem in einer Luftleitung angeordneten Luftverdichter und mit einer elektrischen Maschine verbunden ist. Die elektrische Maschine kann dabei als Antriebsmotor für den Luftverdichter oder als Generator geschaltet werden. Diese Art der Feuerung wird stets in einem kombinierten Gas- und Dampfturbinenprozeß betrieben, da die im Feuerraum freigesetzte Wärme anteilig in einer Einrichtung bestehend aus mehreren Heizflächen zur Dampferzeugung und zur Erwärmung der abgeführten Rauchgase genutzt wird.
    [0005] Zur Einstellung der in der Wirbelschicht meist vorherrschenden Reaktionstemperaturen von etwa 850º C auch im Hinblick auf die Bildung von umweltbelastenden Schadstoffen im Rauchgas, beispielsweise NOχ, ist der Feuerraum der Wirbelschichtfeuerung in den Wasser-Dampf-Kreislauf de r Dampferzeugung eingebunden. Die dafür notwendigen Wärmetauscher und Heizflächen sind aufgrund eines relativ hohen FlugstaubanteiIs im Rauchgas in Verbindung mit einer hohen Reaktionstemperatur im Feuerraum der Wirbelschichtfeuerung stark erosions- bzw. abrasionsgefährdet.
    [0006] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine druckaufgeladen betreibbare Wirbelschichtfeuerung anlagenmäßig derart zu gestalten, daß keine Wärmetauscher und Heizflächen im Feuerraum der Wirbelschichtfeuerung angeordnet sind und dennoch die für eine minimale Schadstoffeinbindung maßgebenden Reaktionsbedingungen eingehalten werden.
    [0007] Zur Lösung der Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß nach dem Staubabscheider von der Rauchgasleitung mindestens eine steuerbare Leitung für eine Rückführung einer Teilmenge von Rauchgas in den Feuerraum abzweigt.
    [0008] Mit der Rückführung einer Teilmenge von Rauchgas in die Wirbelschicht kann in Abhängigkeit von der an der Leitungsabzweigung in der Rauchgasleitung herrschenden Rauchgastemperatur durch eine in der Leitung vorgesehene Steuerung der Rauchgasmenge gezielt die für eine minimale Schadstoffeinbindung maßgebende Reaktionstemperatur in der Wirbelschicht eingestellt werden. Auf diese Weise kann eine Kühlung des Feuerraums durch vom Wasser-Dampf-Kreislauf durchströmter Heizflächen bzw. Wärmetauscher in der Wirbelschicht und an deren Feuerraumwänden entfallen, wobei die gesamte in der Wirbelschichtfeuerung freigesetzte Wärme mit dem aus dem Feuerraum strömenden Rauchgas ausgetragen wird. Die zur Rauchgasrückführung vorgesehene Leitung kann nach einem Staubabscheider verschieden angeordnet sein. So kann es zweckmäßig sein, wenn die
    [0009] Rauchgasrückführleitung die Rauchgasleitung nach der Expansionsturbine und die Verbrennungsluftleitung vor dem Luftverdichter verbindet.
    [0010] Demgegenüber kann es auch zweckmäßig sein, wenn die Rauchgasrückführleitung die Rauchgasleitung vor der Expansionsturbine und die Verbrennungsluftleitung nach dem Luftverdichter verbindet und ein Druckerhöhungsgebläse aufweist.
    [0011] Alternativ kann es zweckmäßig sein, wenn bei einer stationären Wirbelschicht mit darüber befindlichem Freiraum die Rauchgasrückführleitung die Rauchgasleitung vor der Expansionsturbine mit dem Freiraum verbindet. Durch Zumischung von rückgeführtem Rauchgas im Freiraum zu dem aus der Wirbelschicht austretenden Rauchgas läßt sich die SchadstoffbiIdung, insbesondere die NOχ-Bildung, kontrollierend beeinflussen.
    [0012] Bezüglich der beiden zuletzt genannten Möglichkeiten für eine Anordnung der Rauchgasrückführleitung kann es ferner zweckmäßig sein, wenn eine weitere steuerbare Rauchgasrückführleitung die Rauchgasleitung nach der Expansionsturbine und die Verbrennungsluftleitung vor dem Luftverdichter verbindet.
    [0013] Alle diese genannten Anordnungsmöglichkeiten sind gleichermaßen geeignet, ausschließlich elektrische Energie über die als Generator geschaltete elektrische Maschine zu gewinnen. Der Einsatz einer bestimmten Anordnung einer Rauchgasrückführleitung ist jedoch dann in Betracht zu ziehen, wenn es gilt, die rückgeführte Rauchgasmenge möglichst klein zu halten und zugleich eine bestimmte Wärmemenge von einem bestimmten Temperaturniveau für einen vorgegebenen Zweck, beispielsweise zur Dampferzeugung, Fernwärme oder Prozeßwärme bereitzustellen. In dem Falle, bei dem die Rauchgasrückführleitung nach der Expansionsturbine abzweigt, ist es zweckmäßig, wenn ein Wärmetauscher in der Rauchgasleitung nach der Expansionsturbine und vor der Abzweigung der Rauchgasrückführleitung angeordnet ist. über diesen Wärmetauscher läßt sich eine relativ große Wärmemenge von niederem Temperaturniveau insbesondere zur Fernwärmebereitstellung auskoppeln.
    [0014] Für den Fall, daß die Rauchgasrückführleitung vor der Expansionsturbine abzweigt, ist es zweckmäßig, wenn Wärmetauscher in der Rauchgasleitung zwischen dem Staubabscheider der Wirbelschichtfeuerung und dem Expansionsturbineneintritt, vorzugsweise zwischen der Abzweigung der Rauchgasrückführleitung und dem Expansionsturbineneintritt, und/oder in der vor der Expansionsturbine abzweigenden Rauchgasrückführleitung angeordnet sind. Eine derartige Wärmetauscheranordnung ermöglicht es auch, eine große und/oder kleine Wärmemenge von jeweils hohem Temperaturniveau für eine Dampferzeugung oder als Prozeßwärme allein oder in Kombination mit einer nach einer Expansionsturbine vorgenommenen Wärmeauskopplung bereit zustellen.
    [0015] Der Einsatz von Wärmetauschern, die einer Expansionsturbine vor und/oder nachgeschaltet sind, ermöglichen es, gezielt Wärme als Ersatz für die direkte Wärmenutzung im Feuerraum der Wirbelschichtfeuerung auszukoppeln. Eine Erosions- bzw. Abrasionsgefährdung von Wärmetauschern ist gegenüber jenen, die unmittelbar im Feuerraum einer Wirbelschichtfeuerung angeordnet sind, durch eine vorherige Staubabscheidung hiermit vermieden.
    [0016] Die Erfindung wird nachfolgend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den zugehörigen Schemazeichnungen näher erläutert. Es zeigen FIG. 1 ein Anlagenschema einer druckaufgeladen betreibbaren Wirbelschichtfeuerung, bei der die Rauchgasrückführleitung nach einer Expansionsturbine von der Rauchgasleitung abzweigt.
    [0017] FIG. 2 ein der FIG. 1 ähnliches Anlagenschema, wobei jeweils ein Wärmetauscher vor und/oder nach einer Expansionsturbine in der Rauchgasleitung angeordnet ist.
    [0018] FIG. 3 ein Anlagenschema einer anderen druckaufgeladen betreibbaren Wirbelschichtfeuerung, bei der eine Rauchgasrückführleitung von der Rauchgasleitung vor einer Expansionsturbine abzweigt und wobei jeweils ein Wärmetauscher in der Rauchgasrückführleitung und in der Rauchgasleitung nach der Expansionsturbine angeordnet ist.
    [0019] FIG. 4 ein Anlagenschema einer abermals anderen druckaufgeladen betreibbaren Wirbelschichtfeuerung, bei der eine Rauchgasrückführleitung vor der Expansionsturbine abzweigt und in einen einer stationären Wirbelschicht befindlichen Frei räum mündet.
    [0020] Gemäß FIG. 1 ist einer druckaufgeladen betreibbaren Wirbelschichtfeuerung mit einem Wärmetauscher- und heizflächenfreien Feuerraum (1) mit Einrichtungen für eine Brennstoff- (2) und Verbrennungsluftzufuhr (3) sowie einem Asche- (4) und Rauchgasabzug (5) in einer Rauchgasleitung (6) ein Staubabscheider (7) und eine Expansionsturbine (8) nachgeschaltet. Die Expansionsturbine (8) ist auf gleicher Welle (9) mit einer elektrischen Maschine (10) und mit einem in einer Verbrennungsluftleitung (11) angeordneten Luftverdichter (12) über zwei Kupplungen (13) verbunden, wobei die Verbrennungsluftleitung (11) in die Einrichtung für die Verbrennungsluftzufuhr (3) mündet. Die elektrische Maschine (10) ist in Abhängigkeit vom Betriebszustand als Motor oder als Generator geschaltet, wobei die Schaltung als Motor in erster Linie während des Anfahrens erforderlich ist. Von der der Expansionsturbine (8) abgehenden Rauchgasleitung (6) zweigt eine durch ein Ventil (14) steuerbare Rauchgasrückführleitung (15) ab, die in die vor dem Luf tve rdi chte r (12) befindliche Verbrennungsluftleitung (11) mündet.
    [0021] Verbrennungsluft wird über die Verbrennungsluftleitung (11) von dem Luftverdichter (12) aus der Umgebung angesaugt, auf einen erforderlichen Druck verdichtet und dem Wirbelschichtfeuerraum (1) über die Einrichtung der Ve rb rennung s luft zufuh r (3) zugeführt, wobei eine Teilmenge des aus der Expansionsturbine (8) austretenden, expandierten Rauchgases vor dem Luftverdichter (12) der angesaugten Verbrennungsluft zugemischt wird. Die Teilmenge des rückgeführten Rauchgases, mit der die Reaktionstemperaturen im Feuerraum (1) der Wirbelschichtfeuerung in Hinblick auf eine Bildung von umweltbelastendem Schadstoff beeinflußt werden sollen, bestimmt sich aus der dem Wi rbelschichtfeuer räum (1) abzuführenden Wärme und der spezifischen Energie des aus der Expansionsturbine (8) austretenden, expandierten Rauchgases. Ein Einsatz einer Wirbelschichtfeuerung gemäß FIG. 1 bietet sich stets dann an, wenn ausschließlich elektrische Energie über die als Generator geschaltete elektrische Maschine (10) gewonnen werden soll. Um die rückgeführte Rauchgasmenge möglichst klein zu halten und um die im Rauchgas abgeführte Wärme für die verschiedensten Zwecke zu nutzen, kann im Prozeßablauf eine Wärmeauskopplung vorgesehen sein. Gemäß FIG. 2, die ein zu FIG. 1 vergleichbares Anlagenschema wiedergibt, ist in einer Rauchgasieitung (26) jeweils ein Wärmeaustauscher (36, 37) vor und/oder nach einer Expansionsturbine (28) angeordnet, mit dem eine kleine Wärmemenge (36) von hohem Temperaturniveau zur Dampferzeugung oder zur Prozeßwärmebereitstellung und/oder eine große Wärmemenge (37) von niederem Temperaturniveau zur Fernwärmebereitstellung ausgekoppelt wird.
    [0022] Alternativ zu der Ausführung gemäß FIG. 1und FIG. 2 kann entsprechend FIG. 3 eine Rauchgasrückführleitung (55) von einer Rauchgasleitung (46) zwischen einem Staubabscheider
    [0023] (47) und einer Expansionsturbine (48) abzweigen. Diese durch ein Ventil (54) steuerbare Rauchgasrückführleitung (55) mündet in eine zwischen einem Luftverdichter (52) und einer Einrichtung zur Verbrennungsluftzufuhr (43) im Feuerraum (41) einer druckaufgeladen betreibbären Wirbelschichtfeuerung befindlchen Verbrennungsluftleitung (51), in der ein Wärmetauscher (56) und ein Druckerhöhungsgebläse (58) angeordnet sind. Ein weiterer zur Wärmeauskopplung vorgesehener Wärmetauscher (57) ist in der Rauchgasleitung (46) nach der Expansionsturbine
    [0024] (48) vorgesehen. Entsprechend diesem Anlagenschema wird eine in den Wi rbelschichtfeuerräum (41) rückzuführende Rauchgasteilmenge der Rauchgasleitung (46) vor der Expansionsturbine (48) entnommen, im Wärmetauscher (56) gekühlt und nach erfolgter Erhöhung seines Gasdruckes im Druckerhöhungsgebläse (58) der in der
    [0025] Verbrennungsluftleitung (51) geführten und in dem Luftverdichter (52) komprimierten Verbrennungsluft zugemischt, über den vor der Expansionsturbine (48) angeordneten Wärmetauscher (56) läßt sich eine große Wärmemenge von hohem Temperaturniveau, über den nach der Expansionsturbine (48) angeordneten Wärmetauscher (57) eine relativ große Wärmemenge aber von niederem Temperaturniveau bereitstellen.
    [0026] Alternativ zu FIG. 3 besteht auch nach FIG. 4 die Möglichkeit, eine Rauchgasrückführleitung (75), die von einer Rauchgasleitung (66) zwischen einem Staubabscheider (67) und einer Expansionsturbine (68) abzweigt, getrennt von einer einen Luftverdichter (72) und eine Einrichtung zur Verbrennungsluftzufuhr (63) verbindende, verdichtete Verbrennungsluft führende Luftleitung (71) einem Feuerraum (61) einer druckaufgeladen betreibbaren Wirbelschichtfeuerung zuzuführen. Die
    [0027] Rauchgasrückführleitung (75) mündet dabei in einen über der Wirbelschicht (61') befindlichen Freiraum (61'') des Wirbelschichtfeuerraums (61) und ermöglicht so eine Rückführung einer Rauchgasteilmenge in die Wirbelschichtfeuerung ohne Einflußnahme auf den in der Wirbelschicht ablaufenden Verbrennungsprozeß.
    [0028] Bei den in den FIG. 3 und 4 beschriebenen Ausführungsbeispielen besteht jeweils auch die Möglichkeit, ggf. eine weitere, durch ein Ventil steuerbare Rauchgasrückführleitung (59; 79) - die Leitung ist als punktierte Linie dargestellt - so anzuordnen, daß sie die Rauchgasleitung (46; 66) nach der
    [0029] Expansionsturbine (48; 68) und die Verbrennungsluftleitung (51; 71) vor dem Luftverdichter (52; 72) verbindet. Bezüglich der Anordnung zur Wärmeauskopplung vorgesehenen Wärmetauscher bestehen bei den beschriebenen Anlagenschemen je nach den Erfodernissen, z. B. für die Dampferzeugung, für die Fernwärme- oder Prozeßwärmebereitstellung, auch andere Möglichkeiten, diese außerhalb des Feuerraums einer druckaufgeladen betreibbaren Wirbelschichtfeuerung, d. h. nach einem Staubabscheider, einzeln oder in Kombination in der Rauchgasleitung vor und/oder nach einer Expansionsturbine und/oder in einer Rauchgasrückführleitung anzuordnen.
    [0030] Der Vollständigkeit halber wird angemerkt, daß eine Rauchgasrückführung bei Wirbelschichtfeuerung bekannt ist, die jedoch dazu dient, wenn für einen guten Wärmeübergang an die Brennkammerwandheizflächen der Fluidisierungsgrad der Wirbelschicht aufrechterhalten werden soll, durch den für die Verbrennung im Teillastbereich in stöchiometrisch richtigem Verhältnis zur eingebrachten Brennstoffmenge einzubringenden Sauerstoffanteil die Luftzufuhr reduziert werden muß. Demgegenüber erfolgt die erfindungsgemäße Rauchgasrückführung allein zum Zweck der Temperaturregelung im WirbeIschichtfeuerräum.
    权利要求:
    ClaimsAnsprüche
    1. Druckaufgeladen betreibbare Wirbelschichtfeuerung mit einem Feuerraum, mit einem diesem nachgeschalteten, in einer Rauchgasleitung angeordneten Staubabscheider und mit einem in einer Verbrennungsluftleitung befindlichen Luftverdichter, der auf gleicher Welle mit einer elektrischen Maschine und mit einer in der Rauchgasleitung angeordneten Expansionsturbine verbunden ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß nach dem Staubabscheider (7; 27; 47; 67) von der Rauchgasleitung (6; 26; 46; 66) mindestens eine steuerbare Leitung (15; 35; 55; 75) für eine Rückführung einer Teilmenge von Rauchgas in den Feuerraum (1; 21; 41; 61) abzweigt.
    2. Wirbelschichtfeuerung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Rauchgasrückführleitung (15; 35) die Rauchgasleitung (6; 26) nach der Expansionsturbine (8; 28) und die
    Verbrennungsluftleitung (11; 31) vor dem Luftverdichter (12; 32) verbindet.
    3. Wirbelschichtfeuerung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Rauchgasrückführleitung (55) die Rauchgasleitung (46) vor der Expansionsturbine (48) und die Verbrennungsluftleitung (51) nach dem Luftverdichter (52) verbindet und ein Druckerhöhungsgebläse (58) aufweist.
    4. Wirbelschichtfeuerung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß bei einer stationären Wirbelschicht (61') mit darüber befindlichem Freiraum (61'') die
    Rauchgasrückführleitung (75) die Rauchgasleitung (66) vor der Expansionsturbine (68) mit dem Freiraun (61 ' ' ) verbindet.
    5. Wirbelschichtfeuerung nach Anspruch 3 oder 4, d a d u r ch g e k e n n z e i c h n e t, daß eine weitere steuerbare Rauchgasrückführleitung (59; 79) die Rauchgasleitung (46; 66) nach der Expansionsturbine (48; 68) und die Verbrennungsluftleitung (51; 71) vor dem Luftverdichter (52; 72) verbindet.
    6. Wirbelschichtfeuerung nach einem der Ansprüche 1, 2 und 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß ein Wärmetauscher (37; 57; 77) in der Rauchgasleitung (26; 46; 66) nach der Expansionsturbine (28; 48; 68) und vor der Abzweigung der Rauchgasrückführleitung (35; 59; 79) angeordnet ist.
    7. Wirbelschichtfeuerung nach einem der Ansprüche 1, 3, 4 und 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß Wärmetauscher (36; 56; 76) in der Rauchgasleitung (26) zwischen dem Staubabscheider (27) der Wirbelschichtfeuerung und dem
    Expansionsturbineneintritt (28), vorzugsweise zwischen der Abzweigung der Rauchgasrückführleitung und dem Expansionsturbineneintritt, und/oder in der vor der Expansionsturbine (48; 68) abzweigenden Rauchgasrückführleitung (55; 75) angeordnet sind.
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    优先权:
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