DE102005047583C5 - Verfahren und Vorrichtung zur geregelten Zufuhr von Brennstaub in einen Flugstromvergaser - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur geregelten Zufuhr von Brennstaub in einen Flugstromvergaser Download PDF

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Abstract

Verfahren zur geregelten Dosierung und Zuführung von Brennstäuben unter Druck in Vergasungsreaktoren oder anderen Abnehmern, wobei der Brennstaub aus einem Betriebsbunker (1) über mindestens eine Druckschleuse (2) einem Dosiergefäß (3) zugeführt wird, in dessen Unterteil durch Zuführung von Wirbelgas über einen Wirbelboden eine dichte Wirbelschicht entsteht, in die waagerecht oder vertikal mindestens ein Förderrohr (3.3) eintaucht, durch das der Brennstaub kontinuierlich über einen Brenner (4.1) einem unter Druck stehenden Vergasungsreaktor (4) zugeführt wird, und wobei eine Druckdifferenz zwischen dem Dosiergefäß (3) und dem Vergasungsreaktor (4) gegeben ist, wobei – Hilfsgas (3.9) in die Förderleitung (3.3) zugeführt wird, wobei die Zuführung von Hilfsgas (3.9) in die Förderleitung (3.3) unmittelbar am Förderleitungseinlauf im Dosiergefäß (3) erfolgt und die Zuführung von Hilfsgas (3.9) zwischen dem Vergasungsreaktor (4) und dem Dosiergefäß (3) in die Förderleitung (3.3) für den Staubstrom erfolgt, – in der Förderleitung zwischen dem Dosiergefäß und dem Vergasungsreaktor der Brennstaubstrom gemessen wird, und – an Hand des gewonnenen Wertes für den Brennstaubstrom mittels einer Armatur die notwendige Hilfsgasmenge eingestellt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur geregelten Zuführung staubförmiger Brennstoffe für die Druckvergasung im Flugstrom entsprechend dem Oberbegriff des ersten Patentanspruches und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
  • Unter staubförmigen Brennstoffen sind auf Staubfeinheit zerkleinerte Kohlen verschiedensten Inkohlungsgrades wie Braunkohlen und Steinkohlen, zerkleinerte Biomassen, durch thermische Vorbehandlung erzeugte Kokse einschließlich Petrolkoks, aber auch brennbare, zerkleinerungsfähige Rest- und Abfallstoffe aus Industrie, Haushalt und Gewerbe zu verstehen.
  • Verfahren zur Druckvergasung staubförmiger Brennstoffe sind bekannt, bei denen der Staub über einen Druckschleusenbehälter einem unter Vergasungsdruck stehenden Dosierbehälter zugeführt wird, aus dem der Brennstaub als Staub-Fördergas-Suspension mit hoher Beladungsdichte zwischen 250 und 450 kg/m3 über Förderleitungen dem Brenner des Vergasungsreaktors zugeführt wird. Als Vergasungsreaktoren sollen Flugstromvergaser, Vergaser für staubförmige Brennstoffe sowie Einblasformen für Hochöfen gelten.
  • Als Bespannungsgas für die Druckschleusen sowie als Fördergas können beliebige reduzierende und neutrale Gase eingesetzt werden, die frei von kondensierbaren Bestandteilen wie beispielsweise Wasserdampf sind und deren Gehalt an freiem Sauerstoff < 6 Vol.% ist. Genannt seien hierbei DE-OS 26 54 662 , CZ 254104 , SU 170 2183 A1 und DE 2831208 C2 . Problematisch ist bei dieser Technologie, dass die fließende Staubmenge in der Zeiteinheit konstant sein muss, um den mit einem freien Sauerstoff enthaltenen Oxidationsmittel ablaufenden Prozess der Vergasung sicher im notwendigen Temperaturbereich durchführen zu können. Besonders das diskontinuierliche Auffüllen des Dosierbehälters aus den Druckschleusen erzeugt Druckschwankungen, die die als Triebkraft der Förderung zwischen Dosierbehälter und Brenner des Vergasungsreaktors dienende Druckdifferenz unvorteilhaft beeinflusst.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung mit einer konstanten Zuführung des Brennstaubes zu dem Brenner des Vergasungsreaktors zu finden, mit denen Differenzdruckschwankungen zwischen Dosierbehälter und Brenner des Vergasungsreaktors ausgeglichen werden.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren nach den Merkmalen des ersten Patentanspruches und eine Vorrichtung nach den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst. Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung wieder.
  • Die vorgeschlagene Lösung sieht ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Dosierung und Zuführung von Brennstäuben unter Druck in einen Vergasungsreaktor oder einen anderen Verbraucher vor, wobei der Brennstaub aus einem Betriebsbunker wechselseitig über Druckschleusen einem Dosiergefäß zugeführt wird, in dessen Unterteil durch Zuführung von Wirbelgas über einen Wirbelboden eine dichte Wirbelschicht entsteht, in die waagerecht oder vertikal Förderrohre eintauchen, durch die der Brennstaub kontinuierlich über Brenner einem unter Druck stehenden Verbraucher, beispielsweise einem Vergasungsreaktor, zugeführt wird. Um Druckdifferenzen zwischen dem Dosiergefäß und dem Verbraucher, beispielsweise dem Vergasungsreaktor, zu beeinflussen, ist vorgesehen, ein Hilfsgas in die Förderleitung einzuleiten. Um festzustellen, wieviel Hilfsgas eingeleitet werden muss, wird in der Förderleitung zwischen dem Dosiergefäß und dem Vergasungsreaktor der Staubstrom gemessen und an Hand des gewonnenen Wertes mittels einer Armatur die notwendige Hilfsgasmenge eingestellt. Der Hilfsgasstrom wird Vorteilhafterweise in der Nähe des Einlaufes jeder Förderleitung zugeführt. Vorteilhaft ist es, im Dosiergefäß oberhalb der Brennstaubschüttung eine weitere Hilfsgaszu- und -abführung anzuordnen. Dazu sind entsprechende Hilfsgasleitungen und Armaturen an das Dosiergefäß anzuschließen. Vorteilhaft ist es weiterhin, die Fließgeschwindigkeit des Staubstromes in den Förderleitungen im Bereich zwischen 2 bis 8 m/s zu regeln. Es ist möglich, diese Technologie der Brennstaubzuführung auch anderen Abnehmern wie beispielsweise den Blasformen eines Hochofens zuzuführen, da dort ähnliche Reaktionen wie in einem Vergasungsreaktor ablaufen.
  • Wesentliche Vorteile der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik bestehen darin, dass durch Hilfsgaszuführungen in die Förderleitungen sowie Hilfsgaszu- und -abführungen aus dem Freiraum des Dosiergefäßes Schwankungen des als Triebkraft der Staubströmung dienenden Druckdifferenz zwischen Dosiergefäß und Brenner des Vergasungsreaktors ausgleichbar sind und ein konstanter Staubfluss gesichert werden kann. Die in das Unterteil des Dosierbehälters hineinführenden Förderleitungen können horizontal oder vertikal von oben oder unten angeordnet sein.
  • Die Zuführung der Hilfsgase eröffnet die Möglichkeit, bei Schwankungen des Füllstandes die Dosiergenauigkeit aufrecht zu erhalten. Es können eine oder mehrere Förderleitungen für den Staubstrom angeordnet werden. Der Druck in den Förderleitungen kann zwischen 1 und 60 bar liegen. Der Förderleitungsdurchmesser kann in Abhängigkeit von der Förderleistung zwischen 10 und 70 mm variiert werden. Neben einem Vergasungsreaktor kann der Brennstaub auch anderen Abnehmern, wie beispielsweise den Einblasformen eines Hochofens zugeführt werden. Die Erfindung wird nachfolgend an einem Beispiel und 3 Figuren erläutert:
  • Die Figuren zeigen:
  • 1 Schema der Technologie zur Staubdosierung unter Druck
  • 2 Schematische Darstellung des Dosiergefäßes
  • 3 Schematische Darstellung der Zuführung von Brennstaub zu einem Druckvergasungsreaktor
  • Die 1 zeigt das Schema der Technologie zur Staubförderung unter Druck wie es dem Stand der Technik entspricht.
  • Ein Flugstromvergaser (nicht gezeigt) wird unter einem Druck von 40 bar mit einer Leistung von 500 MW betrieben. Dazu wird auf eine Korngröße < 200 μm gebrachter Steinkohlenstaub in einer Menge von 90 Mg/h zugeführt. Der Brennstaub wird zunächst einem Betriebsbunker 1 über die Förderleitung 1.1 durch normale Förderung im Dünnstrom zugeführt, wobei die zugeführte Menge im Füllstandregler 1.3 geregelt wird. Das Fördergas wird im Filter 1.2 gefiltert und in die Atmosphäre aufgegeben oder rückverdichtet und erneut für die Förderung genutzt. Da der Vergasungsreaktor 4 bei 40 bar betrieben wird, muss der Brennstaub auf diesen Druck gebracht werden. Dazu werden die Druckschleusen 2 wechselseitig mit Staub befüllt und mit Inertgas über die Leitungen 2.3 bespannt. Füllstandsregelungen 2.2 verhindern eine Überfüllung. Die druckdichte Absperrung zum Betriebsbunker 1 gewährleisten die Armaturen 2.1. Ist der Füllstand im Dosiergefäß 3 auf einen Minimalwert abgesunken, erfolgt eine Nachfüllung aus den Druckschleusen 2. Dazu werden die Armaturen 2.5 geöffnet. Nach Entleerung der Druckschleusen 2 werden sie über 2.4 auf Umgebungsdruck entspannt und erneut befüllt. In Abhängigkeit von der zu fördernden Staubmenge können eine oder mehrere Druckschleusen 2 angeordnet sein. Zur Verlangsamung des Staubflusses zwischen den Druckschleusen 2 und dem Dosiergefäß 3 kann eine Druckzellenrad 2.6 angeordnet werden. Die Nachfüllung in das Dosiergefäß 3 wird über die Füllstandsregelung 3.11 geregelt. Die Nachfüllung von Brennstaub aus dem Bunker 1 in die Druckschleusen 2 geschieht 3 mal je Stunde, in das Dosiergefäß 3 wird bei 2 Druckschleusen 6 mal je Stunde nachgefüllt, wobei jeweils 15 Mg je Schleusung transportiert werden. Die Staubförderleitung 3.3 ragt senkrecht in den Unterteil des Dosiergefäßes 3 hinein, in dem über einen Wirbelboden 3.6 durch Zuführung von Wirbelgas 3.2 eine sehr dichte Wirbelschicht 3.8 mit Dichten bis 450 kg/m3 erzeugt wird. Durch Anlegen einer Druckdifferenz zwischen dem Dosiergefäß 3 und dem Vergasungsreaktor 4 fließt die Brennstaub-Gas-Suspension geregelt durch 3.5 über die Förderleitung 3.3 dem Vergasungsreaktor 4 zu. Nach 2 werden in diesem Beispiel drei Förderleitungen 3.3, jede mit einer Förderleistung von 30 Mg je Stunde betrieben. Um Druckschwankungen aus dem Betrieb des Vergasungsreaktors 4 sowie aus der sechsmaligen Nachfüllung aus den Druckschleusen 2 auszugleichen wird über die Leitungen 3.9 zusätzlich Hilfsgas in die Förderleitungen 3.3 eingespeist sowie weiteres Hilfsgas über die Leitungen 3.12 und 3.13 in den Freiraum des Dosiergefäßes 3 zu- und abgeführt. Nach 3 wird das Hilfsgas unmittelbar hinter dem Einlauf der Förderleitung 3.3 und auch an anderen Stellen oder an mehreren Stellen zugeführt. Die in den Förderleitungen 3.3 fließende Staubmenge wird gemessen und über 3.10 durch Beeinflussung der Wirbelgasmenge über die Regelarmatur 3.2 geregelt, wobei die Fördergeschwindigkeit in den Rohren 3.3 zwischen 2 und 8 m/s liegt und der Förderleitungsdurchmesser 65 mm beträgt. Die über die Förderleitung 3.3 fließende Brennstaubmenge wird über die Vergasungsbrenner 4.1 dem Vergasungsreaktor 4 zugeführt und mit Hilfe eines freien Sauerstoff enthaltenden Vergasungsmittels zu einem Rohsynthesegas umgesetzt, das durch direkte oder indirekte Kühlung in 5 über die Leitung 5.1 weiteren Behandlungsstufen zugeführt wird.
  • Bezugszeichenliste
  • 1
    Vorratsbunker für Kohlenstaub
    1.1
    Kohlenstaubleitung
    1.2
    Filter
    1.3
    Füllstandsregelung
    2
    Druckschleusen
    2.1
    Armaturen für Staubzuführung
    2.2
    Füllstandsregelung
    2.3
    Regelarmaturen für Bespannungsgaszuführung
    2.4
    Regelarmaturen für Entspannungsgasabführung
    2.5
    Armaturen für Staubzuführung
    2.6
    Druckzellenrad
    3
    Dosiergefäß
    3.1
    Füllstandsregelung
    3.2
    Regelarmatur für Wirbelgas
    3.3
    Förderleitung für Staubstrom
    3.4
    Regelarmatur für Hilfsgaszuführung
    3.5
    Mengenregelung für Staubstrom
    3.6
    Wirbelboden im Dosiergefäß
    3.7
    Brennstaubschüttung im Dosiergefäß
    3.8
    Wirbelzone im Dosiergefäß
    3.9
    Hilfsgaszuführung in die Förderleitung
    3.10
    Messung und Regelung des Staubstromes
    3.11
    Füllstandsregelung
    3.12
    Hilfsgaszuführung
    3.13
    Hilfsgasabführung
    4
    Vergasungsreaktor
    4.1
    Brenner des Vergasungsreaktors
    5
    Rohgaskühlung durch Quenchung
    5.1
    Rohgasabführung zur Gasreinigung

Claims (12)

  1. Verfahren zur geregelten Dosierung und Zuführung von Brennstäuben unter Druck in Vergasungsreaktoren oder anderen Abnehmern, wobei der Brennstaub aus einem Betriebsbunker (1) über mindestens eine Druckschleuse (2) einem Dosiergefäß (3) zugeführt wird, in dessen Unterteil durch Zuführung von Wirbelgas über einen Wirbelboden eine dichte Wirbelschicht entsteht, in die waagerecht oder vertikal mindestens ein Förderrohr (3.3) eintaucht, durch das der Brennstaub kontinuierlich über einen Brenner (4.1) einem unter Druck stehenden Vergasungsreaktor (4) zugeführt wird, und wobei eine Druckdifferenz zwischen dem Dosiergefäß (3) und dem Vergasungsreaktor (4) gegeben ist, wobei – Hilfsgas (3.9) in die Förderleitung (3.3) zugeführt wird, wobei die Zuführung von Hilfsgas (3.9) in die Förderleitung (3.3) unmittelbar am Förderleitungseinlauf im Dosiergefäß (3) erfolgt und die Zuführung von Hilfsgas (3.9) zwischen dem Vergasungsreaktor (4) und dem Dosiergefäß (3) in die Förderleitung (3.3) für den Staubstrom erfolgt, – in der Förderleitung zwischen dem Dosiergefäß und dem Vergasungsreaktor der Brennstaubstrom gemessen wird, und – an Hand des gewonnenen Wertes für den Brennstaubstrom mittels einer Armatur die notwendige Hilfsgasmenge eingestellt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zugeführte Hilfsgas die Druckdifferenz zwischen dem Dosiergefäß (3) und dem Vergasungsreaktor (4) beeinflusst und als Regelgröße für den Staubtransport genutzt wird.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Staubstrom in der Förderleitung (3.3) gemessen und über eine Regelarmatur (3.2) der Gasstrom für das Wirbelgas eingestellt wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Beeinflussung der Druckdifferenz zwischen Dosiergefäß (3) und Vergasungsreaktor (4) zusätzlich weiteres Hilfsgas in den Freiraum des Dosiergefäßes (3) zu- oder aus diesem abgeführt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Fließgeschwindigkeit des Staubstromes in den Förderleitungen (3.3) im Bereich von 2 bis 8 m/s liegt.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Staubstrom anderen Abnehmern, wie Einblasformen eines Hochofens zugeführt wird.
  7. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bestehend aus Vorratsbunker (1), Druckschleusen (2) Leitungen und Dosiergefäß (3) und einem Verbraucher wie einen Vergasungsreaktor, wobei eine Zuführung von Hilfsgas (3.9) in die Förderleitung (3.3) unmittelbar am Förderleitungseinlauf im Dosiergefäß (3) angeordnet ist, und wobei Leitungen zur Zuführung von Hilfsgas (3.9) zwischen dem Vergasungsreaktor (4) und dem Dosiergefäß (3) in die Förderleitung (3.3) für den Staubstrom münden.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass Leitungen (3.12) für weiteres Hilfsgas im Freiraum des Dosiergefäßes (3) angeordnet sind.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vergleichmäßigung des Füllvorganges zwischen der Druckschleuse (2) und dem Dosiergefäß (3) ein Druckzellenrad (2.6) angeordnet ist.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Druckschleusen (2) angeordnet sind.
  11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Dosiergefäß (3) und dem Vergasungsreaktor (4) mehrere Förderleitungen (3.3) angeordnet sind.
  12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Förderleitungen (3.3) zwischen 10 und 70 mm liegt.
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