DE2715928C3 - Verfahren zur Flugstrom-Voroxidation von auf ca. 400 Grad C vorgewärmten Staub backender Kohle - Google Patents

Description

30

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Flugstrom-Voroxidation von auf unter 0,2 mm. vorzugsweise unter 0,1 mm gemahlenen, auf Oxidationstemperatur von ca. 400^ C vorgewärmten Staub backender Kohle, der bei etwa gleicher Temperatur durch freier. Sauerstoff enthaltende, erhitzte Reaktionsgase (wie Rauchgas, Luft, sauerstoffangereicherte Luft, Dampf-Sauerstoff Gemische o. ä.) kurzzeitig für den Einsatz in eine anschließende Flugstrom-Ent- und/ oder (Teil-)-Vergasung in mehreren Stufen unter verschiedenen Belastungen anoxidiert wird.

Zur Beseitigung oder Minderung der Backfähigkeit der Kohle ist bekannt, die stückige oder staubförmige Kohle Behandlungstemperaturen von 50° bis etwa 300° C während Wochen bis zu Minuten auszusetzen. Auch die Schnelloxidation von staubförmiger Kohle im Flugstrom bei Temperaturen von 350" bis 450° C und Behandlungszeitcn von weniger als 6 see ist zum gleichen Zweck bekannt (DE-PS 1 203729, »Brennstoff - Warme - Kraft« 1974, S. 459-467, »VGB Kraftwerktechnik« 1974, S. 525-531).

Bei der Schnelloxidation (vgl. »Brennstoff - Wärme - Kraft« 1974, a.a.O.) wird der Kohlenstaub im Flugstrom zunächst auf die Oxidationstemperatur, ζ. Β. 400° C, gebracht und bei dieser Temperatur eine bestimmte Zeit, beispielsweise 3 see, belassen. Dabei dringt ein Teil des Sauerstoffes des Oxidationsmittels, das in der Regel gleichzeitig das Fördermittel des Staubes ist, in die äußere Hülle des Kohlekorns ein, und in dessen äußeren, nur tausendstel Millimeter starken Schicht werden Umsetzungen mit der Kohle-Substanz hervorgerufen, die zur Beseitigung der Backfähigkeit in dieser äußeren Schichtiführen. Da-f durch wird diese äußere, eine Schale bildende Schicht so hart und stabil, daß sie in der Lage ist, einem erheblichen j im Kohleinneren beim Durchschreiten des pla"-stischcn Bereichs durch die Bildung von Gasen und

50

60

(.5 Dämpfen entstehenden Überdruck standzuhalten. Die Backfähigkeit des Kohlekorns ist also nur in der äußersten Schale beseitigt, nicht aber im Kohleinneren ; dort ist die Kohlesubstanz unverändert geblieben. Platzt das Kohlekorn beim Durchschreiten des plastischen Bereichs infolge eines zu hohen Überdrucks im Korninneren auf bevor die Substanzen, die die Backfähigkeit verursachen, verdampft oder wieder verfestigt sind, dringen also plastisch gewordene, backfähige Teile aus dem Kohleinneren nach außen, so kann dieses Kohlekorn mit anderen Körnern zusammen- oder an die Begrenzungswände des Reaktionsraumes anbacken. Platzt das Kohlekorn dagegen erst dann auf, wenn alle backfähigkeitsbildenden Teile verdampft oder bereits wieder verfestigt sind, so kann es weder mit anderen Körnern zusammenbacken noch an den Begrenzungswänden anbacken. Es kommt demnach darauf an, das Kohlekorn in ausreichendem Maße oberflächlich zu oxidieren und bei dt·- Entgasung und Vergasung möglichst schnell über den plastischen Bereich hinweg zu erhitzen.

Es ist bekannt (DE-PS 1 203 729), Kohlenstaub mit Luii ah> rörder- und Oxidationsmittel in einem Wärmetauscher durch indirekte Wärmeübertragung auf die Oxidationstemperatur aufzuheizen. Dabei strömt das vorerwärmte Luft-Kohlegemisch durch oder um Rohre, die von außen und von innen, z. B. durch Rauchgase, beheizt werden. Die Wärme wird dabei vom Rauchgas durch die Rohrwand auf das Staub-Luftgemisch übertragen. Die Nachteile dieses Verfahrens liegen in der Schwierigkeit der gleichmäßigen Aufteilung des Kohfenstaub-Luftgemisches auf die Vielzahl der Rohre bzw. über den Querschnitt eines Wärmetauschers. Daneben sind die nicht geringen Verschleißbeanspruchungen der wärmeübertragenden Heizflächen zu nennen. Im übrigen betrifft diese Druckschrift ein Verfahren zur Anoxidation und nachfolgenden Entgasung von backendem Brennstoffstaub, bei dem mehr als 1 kg Kohlenstaub pro Normal kubikmeter Trägergas während weniger als 4 see bei 320—420° C anoxidiert und während weniger als 6 see entgast wird. Dabei wird das gewonnene Gas als Träger- und/oder Teilverbrennungsgas benutzt, besonders für die Wärmezufuhr für die Entgasungsstufe. Die Anoxidation wird dabei in der aus mehreren aufeinanderfolgenden Teilen bestehenden Anoxidationsstufe unter verschiedenen Belastungen vorgenommen.

Es ist aus »Brennstoff - Wärme - Kraft«, 1974, a.a.O., auch bekannt, daß die Oxidation des Kohlenstaubes im Luftstrom um so intensiver M, je höher die Beladungsdichte des Flugstroms und dessen Sauerstoffgehalt ist. Vor allem aber ist die Oxidationsgeschwindigkeit des Kohlenstaubes exponentiell von der Temperatur des Trägergases abhängig. Aus diesem Grundsollein Verhältnis von etwa 10 kg Kohlenreinsubstanz je Kilogramm Sauerstoff im Oxidationsmittel (gleich Fördermittel) angestrebt werden, was bei Kohlen im Schnitt etwa einer Beladung von etwas mehr als 3 kg Kohle je Kubikmeter Luft entspricht.

Die Erfindung geht von d-r Aufgabe aus, ein YoroxidationS*Verfahren aufzuzeigen, bei dem durch di-< rc kten Wärmeaustausch des gleichzeitig den Förderstrom bildenden, erhitzten Oxidationsmittels der Kohlenstaub bei höhei Staub-Beladuilg des Flugstroms in einfacher Weise und unter Vermeidung von Anbackungen bei möglichst hoher OxidationstemDC^

ratur anoxidiert wird.

Diese Aufgabe wird bei dem eingangs geschilderten Verfahren dadurch gelöst, daß das sauerstoffhaltige Reaktionsgas auf Temperaturen von über 1000° C vorgewärmt in mehreren Stufen dem Kohlenstaub dergestalt zugeteilt wird, daß allenfalls die Kornfraktion unter 0,005 mm für weniger als V₁₀ see bis in den plastischen Bereich der Kohle erhitzt wird.

Da eine Vorwärmtemperatur des Förder- und Oxidationsmittels von 1000° C und mehr, vorzugsweise zwischen 1400° und 1600° C, durch die Verbrennung einer bestimmten Gasmenge im Fördermittel erreicht wird, erfolgt in diesem Fördermittel, das in der Regel gleichzeitig das Oxidationsmittel ist, eine Absenkung des Sauerstoffgehalts. Da die Oxidation nicht nur von der Temperatur und von der Zeit, sondern proportional auch von dem Sauerstoffgehalt des Oxidationsmittels abhängt, ist es notwendig, den Sauerstoffgehalt des Fördermittels zu korrigieren.

Erfindungsgemäß wird daher weiter vorgeschlagen, daß der Sauerstoffgehalt des Reaktionsgases durch zusätzliches Einführen von auf die Oxidatiorßieniperatur vorgewärmten Sauerstoff geregelt wird.

Bei der Kohlenstaub-Schwebevergasung ist es bekannt (DE-AS 1125 108), den für die Vergasung benötigten Sauerstoff in zwei Teilmengen aufzuteilen. Die erste, zum Staubtransport dienende Teilmenge ist so bemessen, daß sie im bestimmten Verhältnis zur Staubmenge steht, während die zweite Teilmenge in Abhängigkeit von der Vergasungstemperatur derart selbsttätig geregelt wird, daß sie bei steigender Temperatur verringert unr! bsi fallender Temperatur vergrößert wird.

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Beispiel näher erläutert.

Als Fördermittel dient das Rauchgas aus einer Gasverbrennung. Es können ebenso natürlich auch sauerstoffangercicherte Luft oder Wasserdampf-Sauerstoffgemische verschiedener Sauerstoffkonzentrationen sein. Die Kohle wird auf eine Oxidationstemperatur, hier gleichbedeutend mit der Mischtemperatur, von 400" C aufgeheizt. Unter diesen Voraussetzungen ergibt sich eine Beladungsdichte von etwa 2,65 kg Kohle/m' Fördergas.

Das Fördergas wird in diesem Beispiel durch Verbrennung von Kokereigas mit Luftüberschuß erzeugt, wobei dieser Luftüberschuß durch entsprechende Vorwärmung von Gas und Luft verringert werden kann. Bei kaltem Einsatz von Luft und Kokereigas verbleiben bei 1400° C im entstehenden Rauchgas n^ch etwa 8,5 VoI.% Sauerstoff.

Würde man nun 2,65 kg Kohlenstaub einem Kubikmeter dieses 1400° C heißen Rauchgases zuteilen, so würden bei dem Korngemenge, das von 0 bis 0,1 mm reicht und eine übliche Kornverteilung aufweist, beispielsweise die Kornfraktionen von 0 bis 0,005 mm Temperaturen von etwas mehr als 900" C, die Kornfraktionen von 0,05 bis 0,01 mm eine Temperatur von annähernd 600"" C und die Kornfraktionen von 0,01 bis 0,015 mm eine Temperatur von etwas mehr als 500" C ("reichen, ehe diese Fraktionen sieh rnit den restlichen Fraktionen nach Beendigung des Wärmeaustausches' auf die Mischtemperatur von 4Ö0^ö G eingestellt'hätteri. Damit Ware ein Drittel bis zur Hallte des Kohlegcwichts auf Temperaturen ge^ bracht worden, die erheblich übdf der Temperatur des plastischen Bereiches und teilweise sogar schon im Gebiet der Hochtempcraturcntgasting liegen. Wenn auch nur relativ kurze Zeit, Zeit und Temperatur reichen aber aus, die Backfähigkeit wirksam werden zu lassen.

Nach der Erfindung erfolgt die Zumischung des heißen Fördergases zur Kohle stufenweise. In einer ersten Stufe wird 1 m* des heißen Fördergases 10 kg Kohlen zugeteilt. Dabei ergibt sich eine Mischtemperarur von knapp 180-° C, die Fraktionsanteile von 0 bis 0,005 mm erreichen jedoch über eine kurze Z,.it

ίο eine Temperatur von etwa 475° C und die Kornfraktion von 0,005 bis 0,01 mm eine solche von 280° C. In einer zweiten Stufe wird ein weiterer Kubikmeter 1400" C heißes Fördergas dem Gemisch zugeführt, so daß die Beladung von 10 kg/m* auf 5 kg/m^ abgesenkt wird. Als neue Mischtemperatur ergibt sich eine \on etwas mehr als 270° C. Da der Wärmeaustausch zwischen den Gassteömen sehr viel schneller abläuft als die Wärmeübertragung zu dem festen Kohlekorn, wird dabei davon ausgegangen, daß sich zunächst das heiße, in der zweiten Stufe zugeteilte Gas mit dem mit etwa 180" C aus der ersten Stufe kommenden Gas vermischt, und der Wärmeübergang zu dem Kohlenstaub dann erst mit der Mischtemperatur dieser beiden Gase (etwas mehr als 800° C) erfolgt.

In dieser zweiten Stufe erreicht die kleinste Kornfraktion von 0 bis 0,005 mm eine Temperatur von 440' C, die nächst größere von 0,005 mm bis 0,01 mm eine solche von 330° C.

In einer dritten Stufe wird ein weiterer Kubikmeter des heißen Fördergases zugeteilt, so daß die Beladung nunmehr 3,3 kg/m^ beträgt und sich eine Mischtemperatur von knapp 350° C und Temperaturen der beiden kleinsten Fraktionen von 460° C und 385" C einstellen.

j5 In einer vierten Stufe werden 0,4 Kubikmeter des heißen Fördergases dem aus der dritten Stufe kommenden Gas zugeteilt, so daß jetzt die Beladung etwa 2,95 kg/ml beträgt, die Mischtemperatur ca. 375° C und die der kleinsten Kornfraktion 480" C bzw. 405" C.

In einer fünften Stufe werden noch einmal 0,4 m_n' zugeteilt, so daß die Beladung nunmehr etwa 2,65 kg/m^ beträgt, die Mischemperatur 400' C, die kleinste Kornfraktion von 0 bis 0,005 mm kurzzeitig50O° C erreicht und die nächst kleinere Fraktion von 0,005 bis 0,01 mm 425" C. Damit ist die Bedingung erfüllt, daß nur die kleinste Fraktion von 0 bis 0,005 mm an die 500"-Grenze herangekommen ist. Diese Temperatur liegt zwar schon im Beginn des plastischen Bereichs, jedoch haben die kleinsten Kornfraktionen den größten Anteil an Asche von allen Fraktionen, sie haben weiter den kleinsten Anteil an flüchtigen Bestandteilen und weisen damit die geringste Backfähigkeit auf. Solange dafür gesorgt ist, daß außer dieser kleinsten Fraktion keine andere in die Nähe dieser 500"-Grenze kommt, werden keine Störungen durch Backerscheinungen auftreten.

Wenn die Mischtemperatur von 400 " C erreicht ist, muß noch - von Fall zu Fall verschieden - eine Angleichung des Sauerstoffgehalts auf den geforderten Wert erfolgen. Werden für die Oxidation 21% Sauerstoff im Fordergas verlangt* werden in einer sechsten j_h Stufe zu diesen 3,8 m-f Fördergas für je 10 kg Kohle noch etwa 0,6 mf Sauerstoff mit einer Tempcraiüf voii 400° C zugeführt, so daß nunmehr endgültig die Beladung etwa 2V₄ kg/m;j Fördergas mit 21 VoI.% Sauerstoff beträgt,

Die Mischtemperatur in den einzelnen Stufen wird

27 15 92!

in zweihundertste! bis dreihundertstel Sekunden erreicht. Setzt man 0,05 see für jede Stufe fest, so entspricht dies bei einer Mindestfördergeschwindigkeit in einem staubbeladenen Strom in waagerechten Rohrleitungen von 15 m/sec einem Weg von 0,75 m pro Stufe, für die gesamten fünf Wärmeaustauschstufen also knapp vier Meter. - Sind die Mischstellen im senkrechten Strom eingebaut, können die Fördergeschwind^!'gkeiten geringer sein, beispielsweise 10 m/sec. In diesem Fall würde die Gesamtlänge der fünf Mischstrecken nicht mehr als 2,5 m betragen. Die Gestaltung der Mischstellen ist relativ einfach. Im senkrechten Strom beispielsweise könnte aus der einen Mischstufe das Kohlenstaubgemisch in die

zweite Mischstufe als Strahl zentral von oben nach unter, eingeführt werden, während in gleicher Höhe das Heizgas tangential waagerecht eingebracht wird. Bei dieser Methode wäre eine sehr schnelle Verwirbelung des Heizgases mit dem strahlförmig eingeblasenen Trägergas-Staubgemisch aus der vorgehenden Stufe erreichbar und damit auch der schnellstmögliche Wärmeübergang.

Die Vorteile der vorliegenden Erfindung sind der geringe Zeitbedarf des Wärmeaustausches, die Verwendung einfacher Apparaturen und damit Einsparung relativ teurer und komplizierter Wärmetauscher und das Verhindern von Backerscheinungen während des Aufheizvorgangs.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Flugstrom-Voroxidation von auf unter 0,2 mm, vorzugsweise unter 0,1 mm ge- ^c. mahlenen, auf Oxidationstemperatur von ca. 400° C vorgewärmten Staub von backender Kohle, der bei etwa gleicher Temperatur durch freien Sauerstoff enthaltende, erhitzte Reaktionsgase (wie Rauchgas, Luft, sauerstoffangereicherte Luft, Dampf-Sauerstoff-Gemisch o. ä.) kurzzeitig für den Einsatz in eine anschließende Flugstrom-Ent- und/oder (Teil-)-Vergasung in mehreren Stufen unter verschiedenen Belastungen anoxidiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß das is sauerstoffhaltige Reaktionsgas auf Temperaturen von über 1000° C vorgewärmt ist und in mehreren Stufen dem Kohlenstaub dergestalt zugeteilt wird, daß allenfalls die Korgfjaktion unter 0,005 mm für weniger als V₁₀ see bis in den plastischen Bereich der Kohle erhitzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoffgehalt des Reaktionsgases durch zusätzliches Einführen von auf die Oxidationstemperatur vorgewärmten Sauerstoff geregelt wird.