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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verwendung staubförmiger Brennstoffe durch Verga- sung zur Erzeugung von CO-und H2-haltigen Gasen oder durch Verbrennung, insbesondere unter erhöhtem Druck. Unter staubförmigen Brennstoffen sind sowohl auf Staubfeinheit zerkleinerte Braun- kohle, Steinkohle, Schwelkoks und Hochtemperaturkoks, als auch feste kohlenstoffhaltige Rückstände der Kohleveredlung und der Erdölaufbereitung sowie staubfein zerkleinerte feste, kohlenstoff- haltige organische Materialien anderer Herkunft, wie Holzabfälle, Altreifen und Kunststoffabfälle zu verstehen.
Nicht zuletzt wegen der breiten Brennstoffpalette hat sich in der Technik der Synthesegas- erzeugung aus festen Brennstoffen die Vergasung nach dem Prinzip der Partialoxydation mit einem freien Sauerstoff enthaltenden Oxydationsmittel als besonders vorteilhaft erwiesen. Der Brennstoff wird dabei staubförmig eingesetzt. Soll diese Vergasung unter höherem Druck, beispielsweise bei
3 bis 5 MPa, erfolgen, so ist die sichere Einspeisung des staubförmigen Brennstoffes in das Druck- system und seine gleichmässige Dosierung ein besonders technisches Problem.
Das gleiche gilt für die Verbrennung staubförmiger Brennstoffe bei erhöhtem Druck, beispiels- weise in Verbindung mit einer Gasturbine. Sowohl bei der Vergasung als auch bei der Verbren- nung wird der staubförmige Brennstoff in einem fluiden Medium suspendiert, einem oder mehreren
Brennern einer Brennkammer zugeführt, in der der Umsatz mit dem Oxydationsmittel erfolgt, das ebenfalls über den oder die Brenner eingeführt wird. Verbrennungs- und Vergasungsprozesse unter- scheiden sich dabei im Grunde nur durch das Verhältnis von freiem Sauerstoff im Oxydationsmit- tel zum staubförmigen Brennstoff, das bei Verbrennungsprozessen gleich oder grösser, bei Verga- sungsprozessen deutlich kleiner als das zu vollständigem Umsatz des Brennstoffes zu CO2 und
H20 erforderliche stöchiometrische Verhältnis gewählt wird.
Wenn auch Verbrennungsprozesse in der Regel mit Luft, Vergasungsprozesse mit Gemischen von technischem Sauerstoff mit Wasserdampf als Oxydationsmittel betrieben werden, sind Verbrennungsprozesse mit technischem Sauerstoff oder sauerstoffangereicherter Luft und Vergasungsprozesse mit Luft als Oxydationsmittel bekannt.
Vielfach wird als fluides Medium für den Transport des staubförmigen Brennstoffs zum Bren- ner ein Gas, im folgenden als Trägergas bezeichnet, verwendet. Als Trägergas dient in der Regel ein inertes Gas, wie Stickstoff, doch werden bei der Vergasung von staubförmigen Brennstoffen auch rückgeführte brennbare Gase eigener Erzeugung, bei der Verbrennung eigentlich Luft als
Trägergas verwendet.
Mit der DD-PS Nr. 147188 wird ein Verfahren zur Druckvergasung staubförmiger Brennstoffe beschrieben, dessen Staubzuführungssystem mit Staub-Trägergas-Verhältniswerten von mehr als
300 kg/m3 Trägergas im Betriebszustand arbeitet, und das sich durch gute Dosiergenauigkeit und hohe Gleichmässigkeit der Brennstoffzuführung zum Brenner auszeichnet.
Nach dieser Schrift wird der staubförmige Brennstoff über ein Druckschleusensystem einem Dosierbehälter zugeführt, in des- sen Unterteil über einen Anströmboden Trägergas eingeblasen wird, das die im Unterteil des Dosier- behälters befindliche Schüttung von staubförmigem Brennstoff soweit auflockert, dass der staubförmi- ge Brennstoff gemeinsam mit dem eingeblasenen Trägergas über eine im Unterteil des Dosierbehäl- ters, oberhalb des Anströmbodens beginnende Förderleitung dem oder einem Brenner der Brennkam- mer des Vergasungsreaktors zuströmt. Die Auflockerung des staubförmigen Brennstoffes im Unter- teil des Dosierbehälters kann dabei soweit gehen, dass von einer partiellen, örtlich auf den Unter- teil des Dosierbehälters beschränkten Wirbelschicht gesprochen werden kann.
Dabei ist es kenn- zeichnend, dass die im oberen Teil des Dosierbehälters befindliche Menge an staubförmigem Brenn- stoff den Charakter einer ruhenden Schüttung hat, die entsprechend der Abförderung zum Verga- sungsreaktor langsam nach unten rutscht und im Regelfall nur von der relativ geringen Gasmenge durchströmt wird, die dem Feststoffvolumen der aus dem Dosierbehälter abgeförderten Staubmenge entspricht. Unter den in der DD-PS Nr. 147188 genannten näheren Bedingungen lässt sich der dem
Brenner zufliessende Staubstrom (in kg staubförmiger Brennstoff je Zeiteinheit) sehr genau durch
Variation der dem Unterteil des Dosierbehälters zugeführten Trägergasmenge steuern, wobei in wei- tem Bereich das "Beladungsverhältnis" von Staub zu Trägergas konstant bleibt.
Bei einem typi- schen Betriebsfall für die Vergasung von Braunkohlenstaub unter einem Druck von 3 MPa wurde beispielsweise ein Braunkohlenstaub-Trägergas-Verhältnis von 400 kg/m3 im Betriebszustand er- reicht. Die Geschwindigkeit der Staub-Trägergas-Suspension im Förderrohr betrug 3, 4 m/s.
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Das im DD-PS Nr. 147188 offenbarte Verfahren ist für die Vergasung von staubförmigen Brenn- stoffen zugeschnitten. Die darin enthaltene Dichtstrom-Einspeis- und Dosiertechnologie ist jedoch auch voll auf die Verbrennung von staubförmigen Brennstoffen, insbesondere unter erhöhtem Druck übertragbar, wobei die niedrige Transportgeschwindigkeit der Staub-Trägergas-Suspension eine erheblich niedrigere Verschleissquote verursacht als normale pneumatische Fördersysteme im Dünn- strom.
Obwohl mit der dargelegten bekannten Technologie in den meisten Fällen gute Ergebnisse erzielt wurden, ist es bei einigen Sorten von staubförmigen Brennstoffen schwierig, unter allen
Betriebszuständen eine gleichmässige Auflockerung bzw. Wirbelschichtbildung im Unterteil des Dosier- behälters zu erreichen. Insbesondere im Schwachlastbereich und bei kleineren Förderrohr-Durchmessern kann es dann zu Schwankungen von Staubdurchsatz und Beladungsverhältnis kommen. Sol- che Schwierigkeiten treten vor allem bei Stäuben in Erscheinung, bei denen die einzelnen Staubpartikel infolge besonders hoher Feinheit und Nahkräfte unterschiedlichster Art die Tendenz haben, aneinander zu haften, so dass der Strömungswiderstand der Schüttung eines solchen Staubes sehr hoch wird.
Es besteht dann die Gefahr, dass einzelne Kanäle in der Schüttung freigeblasen werden, die Hauptmenge jedoch ungenügend oder gar nicht aufgelockert bzw. aufgewirbelt wird.
Mit der DE-OS 2435340 ist ein Verfahren zur Vergasung von festen Brennstoffen bekannt, bei dem feinkörnige, feuchte Kohle mit einem Trägergas in einer Wirbelschicht versetzt wird und aus dieser Wirbelschicht heraus unmittelbar in ein Bündel beheizter Vergasungsrohre eintritt. Im Gegensatz zur Lehre von DD-WP 147188 wird bei diesem Verfahren die gesamte, in den Wirbelschicht-Einspeiser eingeführte Kohlemenge fluidisiert. Das ist nur möglich durch eine aufwendige Kreislaufführung des Wirbelgases mit Staubabscheidung und Nachverdichtung. Eine Ausführungsform des Verfahrens von DE-OS 2435340 sieht zusätzlich vor, der Wirbelschicht zusätzliche Druckimpulse zu überlagern, was durch eine mechanisch bewegte, membranartige Wand der Wirbelschichtkammer bzw. durch eine impulsartige Einführung eines weiteren Trägergasstroms in den Wirbelschicht-Einspeiser erreicht wird.
Mit der Überlagerung von Druckimpulsen auf die Wirbelschicht soll eine Verbesserung, vor allem aber die Möglichkeit einer Steuerung der aus der Wirbelkammer in die Vergasungsrohre eintretenden Kohlenmenge erreicht werden.
Die Überlagerung von mechanischen Schwingungen auf Wirbelschichten ist auch in andern Anwendungsbeispielen bekannt. Beispielsweise werden die Vibrationen nach DE-AS 2435891 durch mechanische Schwinger bzw. rotierende Unwuchten am Gehäuse der Wirbelschichtkammer erregt.
Das Ziel der Erfindung ist ein Verfahren zur Einspeisung und Dosierung staubförmiger Brennstoffe für die Verbrennung oder Vergasung in einer Brennkammer, insbesondere unter Druck nach dem Dichtstromsystem, das auch bei schwierig durchströmten staubförmigen Brennstoffen und bei kleineren Durchsätzen bzw. im Schwachlastbereich mit hoher Gleichmässigkeit, hoher Betriebssicherheit, geringem spezifischen Trägergasbedarf und guter Regelbarkeit arbeitet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren für die Einspeisung und Dosierung von staubförmigen Brennstoffen bei der Verbrennung bzw. Vergasung in einer Brennkammer, insbesondere unter Druck, zu schaffen, bei dem die Zuführung und Dosierung mittels eines Trägergasstroms erfolgt, wobei der staubförmige Brennstoff mittels eines Schleusensystems in einen Dosierbehälter eingebracht wird, in dem ein um einen Betrag AP höherer Druck herrscht, als in der Brennkammer, und in welchem er als eine quasiruhende Schüttung unter Wirkung der Schwerkraft in einen Unterteil des Dosierbehälters rutscht, durch Einblasen eines Trägergases über einen Anströmboden in den Unterteil örtlich begrenzt aufgelockert bzw. in eine partielle Wirbelschicht überführt wird, gemeinsam mit dem Trägergas bei hohem Verhältnis von Brennstoff zu Trägergasvolumen, d.
h. im Dichtstrombereich, in ein oder mehreren Förderrohren, die im Unterteil des Dosierbehälters beginnen, eintritt und so dem bzw. den Brennern zugeführt wird, und der örtlich begrenzten Auflockerung bzw. partiellen Wirbelschicht im Unterteil des Dosierbehälters eine Vibrationsbewegung überlagert wird, um die Einlaufbedingungen aus der genannten partiellen Wirbelschicht in das Förderrohr auch bei schwierigem Gut zu verbessern. Dabei war davon auszugehen, dass die Vibration mit einfachen Mitteln und ohne Rückwirkungen auf die quasi ruhende Schüttung im Oberteil Jes Dosierbehälters zu erreichen ist, und dass die hohe Feststoffkonzentration in der Förderleitung zur Brennkammer im wesentlichen erhalten bleibt.
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Erfindungsgemäss wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, dass die Vibrationsbewegung bei konstantem Trägergasstrom durch pulsierende Einführung eines im Vergleich zum Trägergasstrom kleinen Steuergasstroms mit einer Pulsationsfrequenz von 0, 5 bis 10 s -1 im ersten Drittel des För- derrohres, gemessen von Beginn des Förderrohres im Unterteil des Dosierbehälters erfolgt, dass der als zeitlicher Mittelwert des Steuergasvolumens definierte mittlere Steuergasstrom je Zeiteinheit bis zu 20%, vorzugsweise 3 bis 10% des Trägergasstroms beträgt und dass die bei den Pulsationen auftretenden Minima des Steuergasstroms einen unteren, von Null verschiedenen Grenzwert, vorzugs- weise etwa 20%, bezogen auf den mittleren Steuergasstrom, nicht unterschreitet.
Erfindungsgemäss wird zur pneumatischen Vibrationserregung ein pulsierender Steuergasstrom, dessen zeitlicher Mittelwert klein ist, verglichen mit dem Trägergasstrom, benutzt. Dieser Steuer- gasstrom kann zwar direkt in den Unterteil des Dosierbehälters, oberhalb des Anströmbodens ein- geführt werden, es hat sich jedoch erfindungsgemäss bewährt, wann dieses Steuergas pulsierend direkt in das Förderrohr geführt wird, u. zw. in der Regel in der Nähe der Stelle, an der das
Förderrohr aus dem Dosierbehälter austritt. Auf jeden Fall sollte die Einbingungsstelle im ersten
Drittel des Förderrohres liegen, gemessen von seinem Beginn im Unterteil des Dosierbehälters.
Unter diesen Bedingungen pflanzen sich die durch die pulsierende Einführung des Steuergases entstehen- den Druckimpulse im Förderrohr rückwärts bis zum Einlauf des Förderrohres fort und übertragen sich in der gewünschten Weise auf die im Unterteil des Dosierbehälters befindliche partielle Wirbel- schicht. Liegt die Einbindungsstelle weiter als ein Drittel der Förderrohrlänge vom Beginn der
Förderleitung entfernt, so wird der beabsichtigte Effekt nicht mehr voll erreicht. Es genügt nach der Erfindung, wenn der mittlere Steuergasstrom, definiert als zeitlicher Mittelwert des Steuergas- volumens je Zeiteinheit, 20% des Trägergasstroms nicht überschreitet. Ein bevorzugter Bereich liegt zwischen 3 und 10% des Trägergasstroms.
Es wurde weiter gefunden, dass es vorteilhaft ist, einen geringen Steuergasstrom - unabhän- gig von der Pulsation - ständig aufrecht zu erhalten. Damit wird gewährleistet, dass die Injek- tionsstelle für das Steuergas in jedem Moment mit Gas gespült und ein Eindringen von Staubpar- tikeln, die im Laufe der Zeit zu Verstopfungen führen können, vermieden wird.
Die Einführung des Steuergases erfolgt daher in einer Weise, dass die bei der Pulsation auf- tretenden Minima des Steuergas-Volumenstroms einen unteren, von Null verschiedenen Grenzwert nicht unterschreiten. Dieser Grenzwert wird vorzugsweise zu etwa 20% des mittleren Steuergasstroms gewählt. Erreichen lässt sich diese Art der Zuführung, wie bekannt, beispielsweise mittels eines periodisch öffnenden und schliessenden Ventils im Zuführungsanschluss für das Steuergas und einer dieses Ventil umgebenden Bypass-Leitung mit einer geeigneten Drosselscheibe.
Die Pulsationsfrequenz des Steuergasstroms beträgt erfindungsgemäss 0, 5 bis 10 s -1 und entspricht damit dem Frequenzbereich, der bei der Erzeugung der Vibration durch pulsierende Zuführung des Trägergasstroms zu wählen ist.
Ausführungsbeispiele
Die Zeichnung zeigt das Schema des Verfahrens bei pneumatischer Vibrationserregung
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens nach der Zeichnung wird staubförmiger Brennstoff in die Schleusenkammer --4-- gebracht, durch Einleiten eines Gases über nicht dargestellte Anschlüsse unter einen Druck von zirka 3 MPa gesetzt und anschliessend in den Dosierbehälter-l- überführt, in dem der gleiche Druck herrscht. Im verjüngten Unterteil --2-- des Dosierbehälters ist ein gasdurchlässiger Anströmboden --3-- angeordnet, der über den Zuführungsanschluss für Trägergas --5-- mit einem inerten Gas beaufschlagt wird.
Beginnend im Unterteil --2-- führt eine Förderleitung --6-- zum Brenner --7-- der Brennkammer --9-- eines Vergasungsreaktors, in der ein Druck von zirka 2, 8 MPa herrscht. Über den Zuführungsanschluss für Oxydationsmittel - wird ausserdem ein Oxydationsmittel, bestehend aus einem Gemisch von technischem Sauerstoff und Wasserdampf dem Brenner --7-- bei ausreichend hohem Druck zugeführt.
Durch die Zuführung des Trägergases über den Anströmboden --3-- wird der im Unterteil --2-- befindliche staubförmige Brennstoff örtlich begrenzt aufgelockert, wobei diese Auflockerung so weit geht, dass sich eine
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--2-- begrenzte Wirbel schichtFörderrohr --6-- zum Brenner --7-- und setzt sich mit dem Oxydationsmittel in der Brennkammer - bei Temperaturen um 1500 C zu einem CO-und Hz-haltigen Gas um.
Die Vibration wird im Unterteil --2-- des Dosierbehälters --1-- mit pneumatischen Mitteln
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das Förderrohr --6-- injiziert. Im Zuführungsanschluss --13-- ist ein Pulsationsventil --14-- in Form eines Magnetventils installiert, das über einen Impulsgeber --10-- gesteuert wird. Das Pulsationsventil --10-- ist mit einer Bypass-Leitung --11-- mit einer Drosselscheibe --12-- ver- sehen.
Der für einen Durchsatz von 10 t/h Braunkohlenstaub bestimmten Anlage wird über Zuführungs- anschluss --5-- ein Trägergasstrom von 25 m3/h, entsprechend etwa 710 m3/h im Normalzustand, zugeführt. Das Beladungsverhältnis beträgt 400 kg Braunkohlenstaub je m3 Trägergas im Betriebs- zustand.
Über die Bypass-Leitung --11-- und die entsprechend den Vordruckbedingungen ausgelegte Drosselscheibe --12-- wird ein ständiger Steuergasstrom von 0, 3 m3/h, entsprechend etwa
9 m3/h im Normalzustand, in das Förderrohr --6-- eingeleitet. Mit einer Frequenz von 2 S-1 wird das Pulsationsventil --14-- mittels Impulsgeber --10-- stossweise soweit geöffnet und wieder ge- schlossen, dass bei jedem Stoss etwa 0, 15 dm3 Steuergas (entsprechend etwa 4, 5 dm3 unter Normalbedingungen) in das Förderrohr --6-- zusätzlich injiziert werden. Im zeitlichen Mittelwert sind das etwa 1, 1 oder 33 m3/h unter Normalbedingungen.
Die insgesamt injizierte Steuergasmenge beträgt damit 1, 4 m3/h im Betriebszustand, entsprechend etwa 5, 6% des Trägergasstroms.
Die Absenkung des Staub-Trägergas-Verhältnisses durch die zusätzliche Steuergasmenge ist unerheblich.