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Bei der Vergasung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe, z.B. Braun- oder Steinkohle, Raffinerierückständen, Biomassen, Hausmüll und dergleichen, werden die Prozesse in Vergasern so gestaltet, dass die Mineralbestandteile der eingesetzten Materialien zu flüssigen Schlacken aufgeschmolzen werden, die dann an den in der Regel zylindrischen Wänden der Vergaser nach unten fließen, um den Vergaser durch ein Schlackeloch zu verlassen und dann in ein darunter befindliches Wasserbad abzutropfen, um dort granuliert zu werden. Diese Verfahrensweise der Instant-Abkühlung von Schlacken ist sowohl in der Stahlindustrie als auch im Vergasungsbereich als „Nassgranulation“ bekannt.
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Zur Einhaltung eines kontinuierlichen Vergasungsbetrieb, muss dafür Sorge getragen werden, dass die Vergaseraustragsöffnung sich nicht zusetzt, d.h. es müssen hinreichend niedrige Viskosität der flüssigen Aschen von kleiner 25 Pas über den gesamten Betriebsbereich eingehalten werden. Dieser niedrige Wert muss auch Gültigkeit haben, wenn z.B. hinter Wirbelschichtvergasern, zur Umsetzung von Restkohlenstoff zu Gas, sehr hohe Temperaturen einzustellen sind, die gewährleisten, dass der Restkohlenstoff und Schadgase verbrannt sowie die mineralischen Bestandteile verflüssigt und in einem Abscheider (Zyklon, Schüttschicht u.a.m.) vom Rohgasstrom separiert werden. Die flüssigen Aschebestandteile sollen anschließend ebenfalls aus den Separatoren als Flüssigkeitsfilm in einem Wasserbad fließen und granuliert werden.
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Es ist bekannt, dass das Schlackeloch ein neuralgischer Punkt aller weltweit angebotenen Verfahren zur Flugstromvergasung von unterschiedlichen mineralhaltigen Brennstoffen ist, weil bei Unterschreitung einer sogenannten kritischen Viskositätstemperatur Tcv die Viskosität stark zunimmt und es sehr schnell zur teilweisen Kristallisation und Erstarrung in der mineralischen Schmelze und als Folge zu einem Verstopfen des Schlackeloches kommen kann.
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Zwar ist dieses Phänomen bei Gleichstrom - Flugstromvergasern, d.h. Rohgas und heiße flüssige mineralische Schmelze strömen gemeinsam nach unten durch das Schlackeloch, weniger ausgeprägt, weil durch die Rohgasströmung zumeist ausreichend Wärme vorhanden ist, Erstarrungsprobleme sind aber auch bei dieser Anordnung bekannt. Nicht zuletzt bewirken Schlackelöcher mit zunehmenden Durchmesser eine Erhöhung des Wärmeverlustes durch Wärmeabgabe an das Wasserbad. Auch ist bei der Gleichstrom-Schaltung oft zu verzeichnen, dass durch Rezirkulation große Mengen von kalten Schwaden an die Schlackeaustrittsöffnung transportiert wird und die Verstopfungsgefahr erhöht.
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Bei Vergasern mit getrennten Abzug des Rohgases und der heißen flüssigen Schlacke (Rohgas strömt nach oben, Schlacke fließt nach unten) muss auf jeden Fall darauf geachtet werden, dass es nicht zu einer Auskühlung des Schlackeablaufs kommt. Eine Kühlung des Schlackloches kann zur vorzeitigen Verfestigung der Schlacke am Schlackeloch und somit zu Betriebsstörungen bis hin zum Ausfall der gesamten Anlage führen. Es sind hierbei Anordnungen bekannt, bei denen auch ein Teilgasstrom und somit Wärme durch das Schlackeloch geleitet wird, die aber zu sehr komplexen Schaltungen führen, weil dieses Teil-Rohgas anschließend weiterbehandelt werden muss.
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Insgesamt kann man festhalten, dass das Granulierbad, unterhalb des Schlackeloches, eine enorme Störquelle, darstellt. Das kann auch damit begründet werden, dass sich im Bereich des Granuliebades, je nach Lastfall, große Mengen an Brüden bildet und nach oben Richtung des Schlackelochs strömt und diesen enorm abkühlt.
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Es wird vielfach versucht, die Brüden mit sogenannten Wrasenabzügen abzusaugen, die dort für so hohe Temperaturen sorgen, dass der erforderliche sehr niedrige Viskositätswert der flüssigen Aschen am Austrag der Schlacke eingehalten/unterschritten wird. Zusätzlich sind auch sehr oft Anordnungen mit Stützbrennern in der Nähe des Schlackeloches bekannt.
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Derartige Lösungen zeigen beispielsweise die
US 3 218 998 , die
US 4 095 777 oder die
US 5 630 853 , um nur einige Beispiele zu nennen. Diese Lösungen mit Stützbrennern sind sehr aufwändig, da sie sehr viele zusätzliche Elemente benötigen, wobei ein weiterer Nachteil darin besteht, dass die Stützbrenner im Abtropfbereich auf die Oberfläche der fließenden Schlacke gerichtet werden müssen, um die Fließtemperatur aufrechtzuerhalten.
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Es ist bekannt, dass bei Biomassen und auch teilweise bei Müllbrennstoffen der Gehalt an Alkalien, hauptsächlich K2O, besonders hoch sein kann und, da der Fließpunkt einer Schlacke stark von der Alkali-Konzentration in der Schlacke abhängig ist, bewirkt die auf die Oberfläche gerichtete Brennerflamme, dass die alkalischen Stoffe bevorzugt aus der Schlacke verdampfen, was dazu führt, dass sich die Fließtemperatur der Schlacke wesentlich erhöht, sodass dann die Brennerleistung in der Regel gesteigert wird, was wiederum zur beschleunigten Ausgasung der Alkalien und zu einer verstärkten Verfestigung der Schlacke führt. Durch die Notwendigkeit der stetigen Anhebung der Brennerleistung kann es dabei zu mantelseitiger Wandüberhitzung kommen, was im schlechtesten Falle zur Abschaltung der Anlage führt.
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Aus der Durchführung der Nassgranulation von Schlacken resultieren systembedingt eine ganze Reihe von unvermeidbaren Störquellen und Nachteilen, die nachfolgend schwerpunktmäßig genannt werden:
- • hoher Wasserverbrauch mit aufwändiger Regelung der Versorgung und Entsorgung, (Pumpen, Ventile, Kühleinrichtungen und Rohrleitungen) mit stark erosiven Charakter des Schlackengranulat,
- • starke Dampfentwicklung durch hohe Wärmestrahlung aus dem Schlackelochbereich und durch die heißen flüssigen Schlacken,
- • Wrasen darf nicht vom Wasserbad nach oben in den Abtropfbereich der Schlacke gelangen, d.h. leistungsstarke Wrasenabsaugung erforderlich (Absauggebläse, Rohrleitungen, Regelung, Entsorgung), weil es ansonsten zur Abkühlung im Bereich des Schlackeloches und unmittelbar zur enormen Zunahme der Schlackeviskosität mit nachfolgender Erstarrung kommen kann,
- • zur Gewährleistung konstanter hoher Temperaturen sind Stützbrenner im Bereich der Schlackeabführung erforderlich (Versorgung, Entsorgung, Regelung usw.) als Folge sind erhöhte CO2 -Emissionen durch benötigte Verbrennung zu verzeichnen.
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Zur Erweiterung der systembedingten Nachteile einer „Schlacken-Nassgranulation“ in obiger Aufzählung muss auf jeden Fall der Hinweis erfolgen, dass bei dieser Vorgehensweise keine Energierückgewinnung aus der heißen schmelzflüssigen Schlacke erfolgt. D.h. bei der aktuellen praktizierten Verwertungsmethode gehen hohe Energiegehalte von > 1 GJ/Tonne Schlacke verloren, weil die Schlacken nur stofflich, beispielsweise in der Zement- und Baustoffindustrie verwertet werden.
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Hier setzt die Erfindung an, die zur Aufgabe hat, die vorgenannten Nachteile und Mängel zu beseitigen und eine Vorrichtung zur Trockenkühlung von flüssigen Schlacken zur Verfügung zu stellen, welcher den komplexen Aufbau einer Nassgranulierung der Schlacke, entsprechend dem Stand der Technik, nicht benötigt, sondern vielmehr sowohl einen geringen Bauaufwand und vorteilhafterweise die stoffliche Verwertung und die Energierückgewinnung ermöglicht.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird die heiße flüssige Schlacke unterhalb des Schlackeloches eines Flüssigascheabscheiders oder Flugstromvergasers zunächst auf eine geneigte Ablaufrinne geleitet und fließt die schiefe Ebene dieser Rinne hinab in Richtung eines Schwingförderer. Am Abtropfpunkt der Ablaufrinne wird die Schlacke mit kaltem Sand oder ein anderes kostengünstiges Granulat wie z.B. Abfallbeton usw. aus einer externen Quelle beaufschlagt und gelangt gemeinsam mit diesem auf einem nach unten geneigten Schwingförderer, der optional gemeinsam mit dem seitlichen Strahlungsblechen gekühlt werden kann. Der innerhalb der Schwingeinrichtung integrierte Wärmetauscher kann zur Energierückgewinnung vorzugsweise an einen geschlossenen Arbeitsfluid-Kreislauf angeschlossen werden. Als Kühlmedium kann insbesondere ein Luft-, Wasser- oder ÖlKreislauf verwendet werden.
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Es ist bekannt, dass flüssige Schlacke beim Auftreffen auf gekühlten Oberflächen festbrennt und im Kontaktbereich erstarrt. Durch Zugabe von kaltem Sand und eventuellen ungleichmäßigen Schwingbewegung der gekühlten Fördereinrichtung wird diese nachteilige Erscheinung a priori ausgeschlossen, weil die Schlacke keine ausreichende Verweilzeit an einem Ort hat, sondern kontinuierlich mit kaltem Sand und gekühlter Oberfläche des Schwingförderer in Kontakt kommt, d.h. durch die Rüttelbewegung des Schwingförderer wird ein Anbacken der Schlacke verhindert.
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Ein wesentlicher, wenn auch optionaler, Punkt der hier beanspruchten Vorrichtung ist, dass der Schwingförderer oder andersartige Vibrationsvorrichtungen als Wärmetauscher ausgebildet ist und somit, dass die flüssige Schlacke aus dem Vergasungsprozess gemeinsam mit dem Kühl-Sand unmittelbar mit dem Wärmetauscher in Kontakt kommt und während des Transportes der Schlacke im Verbund mit Sand auf dem Wärmetauscher der Kühlprozess einsetzt. Hierdurch kann das Abwärmepotential der Hochtemperatur Schlacke besonders effektiv und mit einem hohen Wirkungsgrad ausgenutzt werden, darüber hinaus kann der im Schwingförderer integrierte Wärmetauscher einfach und kostengünstig ausgebildet werden. Zusätzlich ist vorgesehen, dass die seitlichen Wände (Strahlungsbleche) des Schwingförderer ebenfalls gekühlt werden können und somit einen zusätzlichen Beitrag zur Energierückgewinnung leisten.
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Beispielsweise kann man innerhalb der Schwingfördereinrichtung und den seitlichen Strahlungsblechen Wasser unter hohem Druck eingeben und Sattdampf mit bis zu 360 °C und bis ca. 200 bar produzieren und anschließend in einer Dampfturbine entspannen, um elektrische Energie zu produzieren.
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Während die Schlacke gemeinsam mit dem Sand auf dem Wärmetauscher in Form einer Förderrutsche transportiert wird, erstarrt die Schlacke durch das in dem Wärmetauscher und Strahlungsbleche zirkulierende Kühlwasser und kann am Ende der Fördereinrichtung über einen Austragssystem zu weiteren Verarbeitungsschritten, insbesondere einer Trenneinrichtung für die erstarrte Schlacke und Kühlsand transportiert werden.
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Am Austritt der Schwingeinrichtung kann die Temperatur gemessen und auf Zielwerte gehalten werden, indem man die Fördergeschwindigkeit der Schlacke und des Sandes durch die Frequenz und Neigungswinkel des Schwingförderer- oder Vibrationeinrichtung reguliert. Zudem kann auch die Menge des Kühlsandes über ein Zellenrad am Eintragssystem zur Schwingeinrichtung als weitere Regelgröße dienen.
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Über ein Austragssystem gelangt die Mischung aus erstarrter Schlacke und Sand in eine Trenneinrichtung, in der Regel Rüttelsieb, hier erfolgt die Separation der gröberen Schlacke vom feineren Sand. Während die Schlacke nach entsprechender Aufbereitung, wie z. B. Mahlung, für den Straßenbau, Zement- und Betonindustrie zur Verfügung steht, kann der Sand im Kreislauf erneut zur Unterstützung der Schlackeführung verwendet werden.
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Weiter Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aufgrund der nachfolgenden Beschreibung sowie anhand der Zeichnungen 1 und 2. Diese zeigen in:
- 1 eine vereinfachte Darstellung der kompletten Trockengranulierung von heißer flüssiger Schlacke mit Schlacken-Ablaufrinne, Schwingfördereinrichtung, Eintragssystem für Sand, Austragssystem für Sand und erstarrter Schlacke sowie Trenneinrichtung für Schlacke und Sand. Hier am Beispiel der Trockengranulierung von flüssigen Aschen hinter einem Flüssigascheabscheider eines Wirbelschichtvergasers.
- 2 Eine vereinfachte Darstellung der zentralen Einrichtung zur Behandlung von Schlacken mit Sand und Weitertransport auf einem kühlbaren und regelbaren Schwingförderer.
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In 1 ist mit (1) eine Vorrichtung zur Trockengranulierung von flüssigen Schlacken dargestellt. In diesem Fall handelt es sich um die Granulierung von Schlacken, die bei der Wirbelschichtvergasung mit integrierter Hochtemperaturbehandlung von C-haltigem Staub im Rohgas anfällt. Die Hochtemperaturbehandlung erfolgt in einem Flüssigascheabscheider, der zyklonartig oder als Schüttschicht ausgebildet werden kann. Diese Vorrichtung der Trockengranulierung kann aber in allen Technologien eingesetzt werden, bei denen heiße flüssige Schlacken anfallen und man nicht auf die komplexe Wasser-Nassgranulation mit allen bekannten Störeinflüssen zurückgreifen möchte, also auch zur Kühlung von Schlacken aus der Stahlindustrie und bei den Schmelzkammerfeuerungen aus dem Kraftwerksbereich. Bei den letzten beiden genannten ist die Verwendung der Erfindung besonders interessant, weil man unter Atmosphärendruck arbeitet und man keine zusätzlichen Schleus-Behälter mit Regeleinrichtung für den Druckbereich benötigt. Bei den bekannten Flugstromvergasern kann die Trockengranulierung der flüssigen Schlacken analog wie in 1 und 2 vorgestellt erfolgen.
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In 1 wird in die Vorrichtung zur Trockengranulierung (1) über Leitung (2) das mit C-haltigem Staub beladene Rohgas zunächst in einem keramischen Schüttschichtabscheider (4) geleitet und über die Leitungen (3) in einem davor liegenden Reaktionsraum mit Sauerstoff beaufschlagt. Ziel dieser Prozedur ist es, den restlichen C-Gehalt im Staub zu Nutzgas umzuwandeln (zu vergasen) und weiter, die dann freigelegten mineralischen Bestandteile des Staubes bis über den Aschefließpunkt zu erhitzen.
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Aufgrund der erhöhten Temperatur schmelzen diese und scheiden sich als Tröpfchen auf den keramischen Körpern ab, agglomerieren und fließen mithilfe der Schwerkraft aus der keramischen Schüttung (5) in eine geneigte Ablaufrinne (6) ab. Mit dieser Maßnahme kann das Rohgas im Schüttschichtabscheider von den Partikeln befreit werden. Die abgeschiedenen flüssigen Aschetropfen strömen als kleine Rinnsale die Ablaufrinne (6) hinab und werden am Endpunkt (15) der Ablaufrinne, zur Kühlung, mit Sand (14) durchmischt und fließen dann als Mischung auf einem gekühlten Schwingförderer (8) in Richtung der Austragsbehälter (16). Auf dem gekühlten Schwingförderer wird die Schlacke mithilfe des Sandes so weit gekühlt, dass es über ein Schleussystem (16) ausgetragen und in eine Trennvorrichtung, z.B. Rüttelsieb (17), eingeleitet werden kann. Hier erfolgt die Separation zwischen groben erstarrten Schlackepartikeln (18) und feinerem Sand (19). Während die Schlackepartikeln, nach einer eventuellen Aufbereitung, wie z.B. Mahlung, in unterschiedlichen Technologien (Straßenbau, Zementherstellung usw.) eingesetzt werden können, wird der separierte Sand mittels Gebläse (20) im Kreislauf gefahren und kann über Zyklon und Schleussvorrichtung (12) erneut zur Unterstützung der Trockengranulierung auf dem Schwingförderer (8) eingeleitet werden. Im Bedarfsfall steht über eine externe Quelle (11) zusätzliches Kühl-Material zur Verfügung.
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Wie in 2 gezeigt, kann die Kühlung des Schwingförderer und der zugehörigen Strahlungswände optional mit Luft, Wasser, Wärmeöle oder andere Wärmeträgerflüssigkeiten über Zulauf (22) und Ablauf (23) erfolgen. Zusätzlich kann über die Zuführrinne (21) Sand am Ende der Schlackerinne (6) zur flüssigen Schlacke zugemischt werden
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Mittels einer Zellenradschleuse (13) besteht die Möglichkeit, die Menge an Sand zur Kühlung einzustellen und somit regulativ auf das Kühlverhalten der Schlacke einzuwirken. Weitere Einflussgrößen auf den Kühlvorgang bestehen durch Regulierung des Neigungswinkels (24) und Schwingamplitude (25) des Schwingförderers.
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Insgesamt ergeben sich mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung mittels Trockengranulierung von Schlacken umfangreiche ökonomische Vorteile gegenüber der etablierten Nassgranulierung entsprechend dem Stand der Technik, weil es sehr kompakt, ohne störende Wasserdampfbildung und zusätzliche Beheizung mit Stützbrenner gestaltet werden kann. Nicht zuletzt kann die bei der indirekten Kühlung der Schlacke im Wärmetauscher des Schwingförderers anfallende Wärme als zusätzliches Energiereservoir genutzt werden.
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Natürlich sind die genannten Beispiele noch in vielfacher Hinsicht abzuändern und zu ergänzen, ohne den Grundgedanken der Erfindung zu verlassen. So betrifft die Erfindung auch das Verfahren zur Trockengranulierung von Schlacken, die in unterschiedlichsten Produktionsprozessen anfallen, mit den oben beschriebenen oder ähnlichen Maßnahmen.
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Bezugsquellenverzeichnis
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- 1
- Vorrichtung zur Trockengranulierung
- 2
- Rohgas mit C-haltigem Staub
- 3
- Sauerstoffbrenner
- 4
- Schüttschichtabscheider
- 5
- Flüssige Schlacke
- 6
- Ablaufrinne
- 7
- Partikelfreies Rohgas
- 8
- Schwingförderer
- 9
- Zyklon
- 10
- Reingas
- 11
- Zusatzversorgung Sand
- 12
- Eintragssystem
- 13
- Zellenradschleuse
- 14
- Sand zur Schlackekühlung)
- 15
- Auftreffbereich zwischen Sand & heiße flüssige Schlacke
- 16
- Austragssystem
- 17
- Rüttelsieb
- 18
- Schlackengranulat
- 19
- Recycelter Sand
- 20
- Transportgebläse
- 21
- Sandrinne
- 22
- Zulauf Kühlmedium für Schwingförderer und Strahlungsbleche
- 23
- Ablauf Kühlmedium für Schwingförderer und Strahlungsbleche
- 24
- Neigungswinkel für Schwingförderer
- 25
- Frequenzgeber für Schwingförderer
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 3218998 [0008]
- US 4095777 [0008]
- US 5630853 [0008]
