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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren für die geregelte Nachförderung
von feinkörnigem bis staubförmigem Brennstoff
in einen unter Druck stehenden Vorlagebehälter für
ein Druckvergasungsverfahren, in dem fein zerteilte Brennstoffe,
z. B. staubförmige (< 0.5
mm) Brennstoffe, z. B. Kohle, Petrolkoks, biologische Abfälle
bzw. Brennstoffe in der Schwebe bei geringer Partikelbeladung (< 50 kg/m3; keine Wirbelschicht) mit sauerstoffhaltigen
Vergasungsmitteln unter erhöhtem Druck bei Temperaturen
oberhalb des Schlackeschmelzpunktes umgesetzt werden.
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Bei
der Durchführung von Druckvergasungen wird ein kohlenstoffhaltiger
Brennstoff mit einem sauerstoffhaltigen Gas umgesetzt, wobei das
sauerstoffhaltige Gas in unterstöchiometrischem Verhältnis
zugeführt wird, so dass man ein kohlenmonoxidhaltiges Produktgas
erhält. Enthält das Reaktionsgas Wasserdampf,
so besitzt das Produktgas Synthesegascharakter und enthält
größere Anteile an Wasserstoff. Um unter unterstöchiometrischen
Bedingungen einen möglichst vollständigen Umsatz
zu erreichen, muss der Brennstoff feinzerteilt in den Reaktor geführt
werden. Die Reaktion findet üblicherweise unter erhöhtem
Druck statt.
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Da
die Vergasungsreaktionen nur wirtschaftlich zu betreiben sind, wenn
der Betrieb über eine größere Zeitdauer
kontinuierlich durchgeführt wird, muß die zufließende,
feinzerteilte Brennstoffmenge in der Zeiteinheit möglichst
konstant sein, um einen störungsfreien Betrieb zu gewährleisten.
Die Einschleusung des Brennstoffs auf das notwendige Druckniveau
und die Zuführung des Brennstoffes unter Druck ist bei
Kohlevergasungsreaktionen beständig ein zu lösendes
Problem. Aus diesem Grund beinhalten Kohlevergasungsanlagen stets
auch Anlagenteile, deren Aufgabe es ist, eine störungsfreie Versorgung
des Reaktors mit Brennstoff zu gewährleisten. Dies sind
in der Regel spezielle Dosierungsbehälter und auf Basis
von Schwerkraftfluß betriebene Schleusvorrichtungen.
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Auch
der Einsatz von Dosierbehältern beseitigt die Druckschwankungen,
die beim Befüllen des Reaktors auftreten, nicht immer vollständig.
Dadurch kann es zu Druckschwankungen bei der Kohlevergasungsreaktion
kommen, wodurch sich das Synthesegas in seiner Zusammensetzung zeitlich ändert.
Besonders das diskontinuierliche Auffüllen des Dosierbehälters
aus den Druckschleusen erzeugt Druckschwankungen, die die als Triebkraft
der Förderung zwischen Dosierbehälter und Brenner
dienende Druckdifferenz unvorteilhaft beeinflusst.
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Auch
die Einschleusung des Brennstoffes durch Schwerkraftfluß,
die bei der Versorgung von Kohlevergasungsreaktoren mit Brennstoff
durchgeführt wird, ist eine potentielle Fehlerquelle. Da
der feinzerteilte Brennstoff je nach Beschaffenheit und Trocknungsgrad
verkleben oder verpfropfen kann, verläuft die Förderung
manchmal nur schubweise oder wird unvorhergesehen periodisch unterbrochen. Zudem
sind auf Schwerkraftfluß basierende Schleussysteme häufig
aufwendig zu konstruieren, da eine Übereinanderkonstruktion
von Behältern notwendig ist, zwischen denen eine Förderung
erfolgen soll.
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Brennstoffeinspeisesysteme
nach dem Stand der Technik sind aufwändig und nicht immer betriebssicher.
Bei Anlagen größeren Kapazität führt die
räumliche Trennung von Mahl- und Vergasungsanlage zu einem
erheblichen Zusatzaufwand für den Transport des feinzerteilten
Brennstoffes von der Mahlanlage zum Brennstoffeinspeissystem. Hierzu sind
zusätzliche Ausrüstungen (Fördergefäße
oder pneumatische Pumpen, Filter, Pufferbehälter über dem
Einspeissystemen) erforderlich. Hierzu kommen noch erhebliche Aufwendungen
für Verrohrung, Meß- und Regeltechnik, sowie für
Bauleistungen, letzteres insbesondere aufgrund der exponierten Lage
der Pufferbehälter auf dem höchsten Niveau der
Vergasungsanlage. Gleichzeitig haben sich Schleussysteme, die nach
dem Prinzip des Schwerkraftflusses arbeiten, als nicht ausreichend
betriebssicher erwiesen. Zusätzliche Ausrüstungen
bringen in jedem Fall ein zusätzliches Versagensrisiko
mit sich.
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Neben
dieser allgemein bekannten Tatsache sind mit dem Prinzip der Schwerkraftschleusung
spezielle Funktionsrisiken verbunden. Trotz vieler, unterschiedlichster
Ansätze hat es sich als außerordentlich schwierig
erwiesen, den Prozeß der Behälterbespannung so
schonend durchzuführen, dass innere Spannungen im Schüttgut
hinreichend niedrig gehalten werden. In vielen Fällen wird
das Schüttgut lokal derart kompaktiert, dass sich nachfolgend
der Schwerkraftfluß zum Vorlagebehälter nicht
oder nur in unzureichendem Maße einstellt. Hierdurch sinkt das
Feststoffinventar des Vorlagebehälters ab, was oftmals
zu einer Leistungsbeschränkung der Vergasungsanlage oder
sogar zu deren Ausfall führt.
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Das
Problem verschärft sich, wenn eine Überdimensionierung
aufgrund hoher Anlagenkapazität an Baugrenzen stößt
und wenn die Vergasungsanlage für weiter erhöhten
Druck (typisch 4 MPa) gegenüber den seit einigen Jahren
in Betrieb befindlichen Anlagen (typisch 2.5 MPa) auszulegen ist.
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Bedingt
durch die Schwerkraftschleusung aus dem Schleusbehälter
in den Vorlagebehälter ergeben sich, sofern sich der gewünschte
Schwerkraftfluß einstellt, sehr große Übergabemassenströme und
damit vergleichweise kurze Übergabezeiten. Durch die Feststoffübergabe
während der Schleusung wird der Füllstand im Vorlagebehälter
angehoben. Der Füllstand sinkt dann wieder kontinuierlich durch
die den Brennern zugeführte Brennstoffmenge ab und wird
mit der nächsten Schleusenübergabe wieder angehoben.
Dadurch ergeben sich im Vorlagebehälter zeitlich ändernde
Bedingungen, die sich sogar auf die Gleichmäßigkeit
der Förderung aus dem Vorlagebehälter heraus auswirken
können. Erheblich vorteilhafter ist es sowohl die Druckbedingungen,
den Füllstand und den Impulseintrag in die Schüttung,
z. B. durch hereinfallendes Gut, zeitlich so konstant wie möglich
zu halten.
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Die
vorliegende Erfindung löst diese Probleme durch einen Dosierbehälter,
der den feinzerteilten Brennstoff unter Druck enthält und
der erfindungsgemäß eine nahezu konstante Füllhöhe
mit Brennstoff besitzt. Diese nahezu konstante Füllhöhe
im Vorlagebehälter wird erfindungsgemäß durch
die Feststoffnachförderung aus mindestens zwei Schleusbehältern über
mindestens eine gemeinsam genutzte Dichtstromförderleitung
realisiert. Da die Dichtstromförderung schwerkraftunabhängig
arbeitet, ist es außerdem möglich, den Vorlagebehälter
und die zufördernden Schleusbehälter in unterschiedlichen
geodätischen Höhen und außerdem in größerer
räumlicher Entfernung voneinander aufzustellen. Dies kann beispielsweise
auch in einem anderen Gebäude sein.
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Dosierungseinrichtungen
für Brennstoff, die den Brennstoff über einen
Dosierbehälter mit vorgelagertem Schleussystem in den Reaktor
fördern, sind bekannt. Die
US 5143521 A beschreibt ein System zur Förderung
von Brennstoff in einen Vorlagebehälter, der unter Druck
stehenden Brennstoff lagert und der durch ein System von Schleusbehältern
kontinuierlich mit feinverteiltem Brennstoff versorgt wird. Die Schleusbehälter
sind durch eine Leitung miteinander verbunden und werden wechselseitig
mit Druck beaufschlagt. Der Druck des Entspannungsgases kann über
ein System von Expansionsturbinen, Venturirohren und Kompressoren
zum Aufpressen des jeweils anderen Schleusbehälters genutzt
werden. Auf diese Weise kann feinverteilte Kohle von atmosphärischen
Bedingungen auf einen für die Kohlevergasung geeigneten
Druck gebracht werden. Als Druckgas wird Stickstoff genutzt.
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Die
DE 10 2005 047 583
A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Dosierung
und Zuführung von Brennstäuben unter Druck in
einen Kohlevergasungsreaktor. Um die zeitlich konstante Zuführung
von Brennstoff in den Kohleverga sungsreaktor zu gewährleisten,
wird der Brennstoff in einem Dosierbehälter zwischengelagert,
in dessen Unterteil durch Zuführung von Gas über
dem Gefäßboden eine dichte Wirbelschicht entsteht,
durch die der Brennstaub kontinuierlich über Brenner einem
unter Druck stehenden Vergasungsreaktor zugeführt wird. Die
eigentliche Förderung in die Brenner erfolgt dabei durch
eine sogenannte Flugförderung, wobei die Zuführung
von Hilfsgas in die Förderleitung hinter dem Brenner dazu
genutzt wird, eine Druckdifferenz zu generieren, mit der der Brennstoff
dann in die Brenner transportiert wird. Der Dosierbehälter
wird über zwei Schleusen mit Brennstoff versorgt, die den Brennstoff
mittels Schwerkrafteinwirkung und einer Zellradschleuse in den Dosierbehälter
transportieren. Dies ist jedoch störanfällig und
benötigt räumlich hohe Konstruktionen. Eine Verwendung
von mahlenden Vorrichtungen wird nicht erwähnt.
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Die
vorliegende Erfindung beschreibt ein integriertes Verfahren zur
Zerkleinerung eines kohlenstoffhaltigen Brennstoffes, die Beaufschlagung
des Brennstoffes mit Druck durch ein geeignetes Gas, die Verteilung
und den Transport des Brennstoffes in ein Vorlagegefäß und
die Förderung in den Reaktor. Der Transport, die Verteilung
des Brennstoffes und die Förderung in den Reaktor werden
durch eine sogenannte Dichtstromförderung vorgenommen.
Dadurch kann die gesamte Versorgungskette des Reaktors mit Brennstoff
ohne Schwerkraftförderung vorgenommen werden. Die Vergaseraustrittstemperaturen des
Reaktors liegen bevorzugt oberhalb des Schlackeschmelzpunktes im
Bereich 1200–2000°C und der Druck beträgt
vorzugsweise 0.3–8 MPa.
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Als
Dichtstromförderung wird dabei eine pneumatische Förderung
bezeichnet, die die Brennstoffpartikel nicht als Einzelpartikel
transportiert, sondern in Form von dichten Füllungen oder
Pfropfen, die den gesamten Rohrquerschnitt ausfüllen. In
der Regel besitzen Dichtstromförderungen Geschwindigkeiten
von 4 bis 5 m/s, wobei die hohe Beladung des Stoffstromes zu einer
dennoch hohen Transportmenge führt. Die Dichtstromförderung
ist sehr materialschonend und ist vor allem wenig störanfällig
gegenüber verklebendem oder feuchtem Transportgut. Die vorliegende
pneumatische Dichtstromförderung erfolgt bevorzugt bei
Feststoffdichten von mindestens 100 kg/m3 und
unter einem Differenzdruck von mindestens 0.5 bar.
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Beansprucht
wird insbesondere ein Zuführungssystem für fein
zerteilte Brennstoffe zu einem gekühlten Reaktor zur Vergasung
mit sauerstoffhaltigen Vergasungsmitteln unter Druck, wobei
- • die Vergaseraustrittstemperaturen
oberhalb des Schlackeschmelzpunktes im Bereich 1200–2000°C
liegen und der Druck 0.3–8 MPa beträgt,
- • und der fein zerteilte Brennstoff über ein
Schleusensystem auf ein Druckniveau oberhalb der Vergaserdruckes
gebracht, an mindestens einen Vorlagebehälter übergeben
und von dort aus im Dichtstrom über mindestens eine Förderleitung
einem oder mehreren Vergasungsbrennern an einem oder mehreren Vergasern
dosiert zugeführt wird,
und das dadurch gekennzeichnet
ist, dass
- • die Übergabe von mindestens zwei Schleusbehältern
an mindestens einen Vorlagebehälter mittels pneumatischer
Dichtstromförderung bei Feststoffdichten von mindestens
100 kg/m3 und unter einem Differenzdruck
von mindestens 0.5 bar erfolgt.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird der
Brennstoff mit einer Mühle oder einer geeigneten Mahlvorrichtung
in eine feinzerteilte Form gebracht. Dazu kann der Brennstoff in
einer beliebigen Form zur Verfügung gestellt werden. Dieser kann
in Form von Kohlestücken, Holzscheiten oder Plastikschredder
bereitgestellt werden. Der Mahlprozess ist dabei ausdrücklicher
Bestandteil des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Es ist jedoch auch möglich, den Brennstoff bereits in feinzerteilter
Form zu liefern. In diesem Fall wird nur die Beaufschlagung des
Brennstoffes mit Druck und der Transport in den Reaktor beansprucht.
In der Regel befindet ist jedoch der Mahlprozess ein integrierter
Bestandteil des erfindungsgemäßen Verfahrens,
insbesondere dann, wenn sich die mahlende Vorrichtung in räumlicher Nähe
des Reaktors befindet.
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Der
feinzerteilte Brennstoff wird dann bevorzugt in einen Vorratsbehälter
gegeben. Auf diese Art und Weise ist es möglich, den Brennstoff
je nach Bereitstellung zu lagern und den Rohstofffluß abzupuffern.
Auf diese Weise können Engpässe ausgeglichen werden,
die durch spätere Auffüllung kompensiert werden.
Dies ist von großem Vorteil, da dann bereits die Beaufschlagung
mit Druck unter relativ konstantem Materialfluß erfolgen
kann. Dadurch können spätere Druckschwankungen
vermieden werden. Es ist möglich, auch den Vorratsbehälter
bereits unter Druck zu setzen. Dies kann mit Synthesegas vorgenommen
werden oder mit einem Inertgas. Es ist aber ausreichend, den Vorratsbehälter
unter normalen Bedingungen zu lagern, wenn die vorschriftsmäßigen Sicherheitsanweisungen
beachtet werden.
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Für
die erfindungsgemäße Ausführung des Verfahrens
kommen alle festen, kohlenstoffhaltigen Brennstoffe in Betracht,
die sich durch Zermahlen oder Zerkleinern in eine feinzerteilte
Form bringen lassen. Dies können insbesondere alle Arten
von Kohle sein, wozu Steinkohle, Braunkohle und prinzipiell Kohlen
aller Inkohlungsarten geeignet sind. Als Brennstoffe sind aber auch
biologische Brennstoffe wie Holz, Plastikabfälle oder Petrolkoks
geeignet. Um das erfindungsgemäße Verfahren ausführen
zu können, sollten sich die Brennstoffe lediglich in eine feinzerkleinerte
und durch Dichtstromförderung transportierbare Form bringen
lassen.
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Nach
dem Vorgang des Zerkleinerns und der Lagerung in dem Vorratsbehälter
wird der Feststoff in das Schleussystem gegeben, in dem der Feststoff zur
Durchführung der Vergasungsreaktion mit Druck beaufschlagt
wird. Bevorzugt wird deshalb der feinzerteilte Feststoff in einem
Vorratsbehälter zwischengelagert und dann in das Schleussystem
gegeben.
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Das
Schleussystem besteht für die Ausführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens aus mindestens zwei Schleusbehältern. Dadurch
wird es ermöglicht, die Entleerungsvorgänge aneinander
anzuschließen, so dass ein nahezu kontinuierlicher Materialfluß stattfindet.
Das Aufpressen wird vorteilhaft mit Inertgasen (z. B. Stickstoff,
Kohlendioxid) oder mittels Prozeßgasen von Inertgasqualität
vorgenommen.
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In
einer Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
werden zwei Schleusbehälter verwendet, um einen kontinuierlichen
Materialfluß zu gewährleisten. Dadurch sind die
Investitionskosten für die Anlage gering. In einer weiteren
Ausführung der Erfindung können aber auch drei
oder mehr Schleusbehälter verwendet werden. Dies ist insbesondere
bei hohen Anlagendurchsätzen sinnvoll. Dadurch lässt sich
die Belastung nachgeschalteter Entstaubungssysteme beim Entspannen
der Behälter vermindern.
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Nach
dem Aufpressen der Behälter wird der darin befindliche
Brennstoff dosiert abgegeben und der Druck in den Behältern
wird entspannt. In einer vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung wird das Entspannungsgas genutzt, um den nächsten
zyklusgemäßen Schleusbehälter mit Druck
zu beaufschlagen. Dies kann durch direkte Einleitung des Entspannungsgases
in den aufzupressenden Behälter oder aber zur Verbesserung
der Energieeffizienz unter Zwischenschaltung einer Turbine erfolgen.
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Um
die Beladung des Expansionsgases mit Staub zu verringern, wird das
entspannte Gas vorteilhaft in den Staubabscheider geleitet, der
auch zum Entstauben des Gases aus dem Vorratsbehälter oder aus
dem Mahlvorgang dient. Prinzipiell ist es auch möglich,
das Gas mit mehreren unabhängigen Staubabscheidern von
Feststoffstäuben zu reinigen. Um die Investitionskosten
gering zu halten, ist es jedoch vorteilhaft, nur einen Staubabscheider
zu verwenden. Das Entspannungsgas trägt auf diese Weise zum
Inertisieren der Mahlvorrichtung oder des Vorratsbehälters
bei.
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Der
Materialfluß aus den Schleusbehältern wird über
mindestens ein Vereinigungselement der Nachförderleitung
zugeführt. Um den Vorteil der Erfindung nutzen zu können,
erfolgt die Entleerung der Schleusbehälter so nacheinander,
dass ein nahezu kontinuierlicher Brennstofffluß zum Vorlagebehälter erreicht
wird. Dadurch lässt sich der nachfolgende Vorlagebehälter
für den Vergasungsreaktor mit einem kontinuierlichen und
unter einem für die Vergasungsreaktion geeigneten Druck
stehenden Materialfluß versorgen, wobei der Füllstand
im Vorlagebehälter nahezu konstant bleibt. Der Brennstofffüllstand
in dem Vorlagebehälter läßt sich mit
der vorteilhaften Ausführung des Verfahrens so einstellen,
dass er zeitlich um nicht mehr als ±30% schwankt. Bei einer fachmännischen
Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist es ohne weiteres möglich, die Füllhöhenschwankung
in dem Vorlagebehälter über einen langen Zeitraum
in einem Bereich von nicht mehr als ±10% zu halten.
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Für
bestimmte Anforderungszwecke kann es auch vorteilhaft sein, zwei
Schleusbehälter gleichzeitig zu entleeren. Dies kann insbesondere
dann erforderlich sein, wenn der Brennstofffluss aus dem Vorratsbehälter
zeitweilig gering ist. In diesem Fall wird der Brennstofffluss aus
zwei Behältern gleichzeitig ausgeführt. Der Gasausgleich
zwischen den Behältern kann dann vorteilhaft über
eine Gasverbindungsleitung zwischen den Behältern erfolgen.
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Zu
dem erfindungsgemäßen Verfahren können
auch Prozesse gehören, die Folgeprozesse des erfindungsgemäßen
Kohlevergasungsprozesses sind. Ebenfalls gehören zu dem
erfindungsgemäßen Verfahren Verfahrensschritte,
die für einen routinemäßigen Betrieb
des Reaktors notwendig sind. Dies können beispielsweise
Reinigungsschritte sein. Dies können aber auch unterstützende
Verfahrensschritte wie das Zuführen von Gas zur Lockerung
von Pfropfen sein. Die Erfindung beschreibt insbesondere auch eine
Vorrichtung, mit der dieses Verfahren ausgeführt werden
kann. Hierzu können sich in der erfindungsgemäßen
Vorrichtung alle Anlagenteile befinden, die zum Betrieb einer Kohlevergasungsreaktion nach
dem erfindungsgemäßen Prozess notwendig sind.
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Beansprucht
wird insbesondere eine Vorrichtung zum Zuführen fester,
feinzerteilter kohlenstoffhaltiger Brennstoffe in einen Kohlevergasungsreaktor,
wobei
- • die Übergabe von
mindestens zwei Schleusbehältern an mindestens einen Vorlagebehälter
mittels pneumatischer Dichtstromförderung bei Feststoffdichten
von mindestens 100 kg/m3 und unter einem
Differenzdruck von mindestens 0.5 bar erfolgt.
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Die
Dichtstromförderung vom Schleusensystem zum Vorlagebehälter
erlaubt es, den Vorlagebehälter auf gleicher oder unterschiedlicher
geodätischer Höhe wie das Schleusensystem aufzustellen. Im
Falle von den bisher bekannten Schwerkraftschleussystemen ist es
zwingend erforderlich, dass sich die Schleusbehälter oberhalb
des Vorlagebehälters befinden. Durch diese Maßnahme
lässt sich die Bauhöhe der gesamten Anlage erheblich
verkleinern. Auch ist möglich, das Schleusensystem und
den Vorlagebehälter und den Reaktor in verschiedenen Gebäuden
unterzubringen. Es ist auch ein Vorteil der Erfindung, niedrigere
Bauhöhen für die entsprechenden Anlagen wählen
zu können. Die Anordnung der verschiedenen Anlagenbauteile
kann beliebig erfolgen, so dass man in der räumlichen Planung
der Anlage flexibel ist.
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Je
nach Ausführung des Verfahrens ist es möglich,
drei oder mehr Schleusenbehälter zum Aufpressen des Brennstoffes
zu nutzen. Dies ist insbesondere bei Anlagen mit hohen Brennstoffdurchsätzen
sinnvoll und kann auch dann sinnvoll sein, wenn häufig
Schwankungen in der Versorgung mit Brennstoff vorkommen oder wenn
höhere Drücke auf das Schleusensystem aufgepresst
werden müssen. Die Schleusbehälter können
eingangsseitig mit einem Vorratsbehälter verbunden sein,
der sowohl mit Hilfe einer Dichtstromförderung als auch über
Schwerkraftförderung den Brennstoff in die Schleusbehälter fördert.
Hierzu kann an einer geeigneten Stelle zwischen dem Vorratsbehälter
und den Schleusbehältern eine Zellradschleuse oder eine
Materialweiche vorhanden sein. Es können sich auch Zwischenbehälter,
Sendebirnen oder Gaseinspeisevorrichtungen zwischen dem Vorratsbehälter
und den Schleusbehältern befinden.
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Zur
Versorgung der Kohlevergasungsanlage mit Brennstoff kann die Anlage
auch eine Mahlvorrichtung oder eine Mühle enthalten. Diese
kann beliebig geartet sein. Es kann sich beispielsweise um eine Kugelmühle
oder eine Trommelmühle handeln. Schliesslich kann die Mühle
auch zusätzliche Zerkleinerungsvorrichtungen enthalten
wie Häcksler für Holz oder Brechvorrichtungen
für Kohle. Die Mühle oder Brechvorrichtung kann
auch mit Gas beaufschlagbar sein oder inertisierbar sein.
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Hinter
der Mühle befindet sich bevorzugt eine Vorrichtung zum
Staubabscheiden. Dies kann ein Zyklon sein oder ein Elektrostaubabscheider. Dies
kann aber auch eine Staubfiltereinrichtung sein, die mit Tüchern
arbeitet oder es können sich Filterkerzen hinter der staubabscheidenden
Vorrichtung befinden. Diese Vorrichtungen können einzeln
verwendet werden oder in Kombination.
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Die
Schleusbehälter können beliebig geartet sein.
Diese können als Zylinder geartet sein oder als Kugel.
Bevorzugt sind sie so geformt, dass sie Brennstoffverkrustungen
entgegenwirken. Deshalb laufen sie idealerweise nach unten spitz
zu. Die Ausführung des Brennstoffes erfolgt dann abwärts
in Schwerkraftrichtung. Auch die Vorratsbehälter und der
nachfolgende Vorlagebehälter sind bevorzugt so geformt. Die
Schleusbehälter besitzen Einlassventile, die durch die
die Schleusbehälter mit Druck beaufschlagbar sind. Die
Schleusbehälter besitzen auch Ventile zum Entspannen des
Gases und zum Druckausgleich zwischen den Behältern. Daran
schließen sich dann in der Regel Gasleitungen an, über
die diese Verfahrensschritte vorgenommen werden können.
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Die
entspannten Gase können in einer vorteilhaften Ausführung
der Erfindung zurück in die Mahlvorrichtung und/oder in
den Vorratsbehälter für den Brennstoff gegeben
werden. Um das Gas vor Austritt aus dem System oder vor Rezirkulation
zur Verwendung innerhalb der Anlage von Staub zu befreien, führen
die Leitungen bevorzugt über den Staubabscheider. Dieser
trennt den Staub ab und führt diesen einer geordneten Entsorgung
zu oder führt ihn beispielsweise wieder dem Vorratsbehälter
zu. Die Leitungen können an jeder beliebigen Stelle Gaseinleitungsvorrichtungen
enthalten. Dies können beispielsweise sogenannte „Booster” sein.
Insbesondere aber können die Ausführungsvorrichtungen
für Feststoff, an denen es leicht zu einem Festbacken von
Brennstoff oder zu Verpfropfungen kommen kann, zusätzliche
Gaseinleitungsvorrichtungen enthalten, mit denen der Feststoff durch
Auflockern weitertransportiert werden kann. Auch die Schleusbehälter
können an jeder beliebigen Stelle Einleitungsvorrichtungen
für Gas enthalten.
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Am
Materialaustrag der Schleusbehälter befindet sich dann
ein Verbindungsstück, das den Materialfluß aus
den Schleusbehältern auf das Vereinigungselement führt.
Die genannten Vorrichtungen müssen für hohe Drücke
ausgelegt sein, da der Brennstoff nach Verlassen der Schleusbehälter
für die Vergasungsreaktion unter Druck steht. Um einen geregelten
Materialfluß zu ermöglichen, sind die Schleusbehälter
vorteilhaft so montiert, das sie symmetrisch zu dem Vereinigungselement
angeord net sind, so dass Verbindungsstücke zwischen den Schleusbehältern
und dem Vereinigungselement bevorzugt gleich lang sind.
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Auch
das Verbindungsstück oder das Vereinigungselement lassen
sich für die Materialverteilung vorteilhaft mit Gas beaufschlagen.
Hierzu befindet sich an dem Vereinigungselement bevorzugt ein Gaseinleitungsstutzen
oder eine gaseinlassende Vorrichtung. Auch der Vorlagebehälter
enthält in einer Ausführung der Erfindung Vorrichtungen
zum Aufpressen von Gas oder Gaseinleitungsvorrichtungen.
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Die
Rohrleitung zum Zuführen von Feststoff in den Vorlagebehälter
lässt sich gut unterhalb des Feststoffniveaus in den Vorlagebehälter
führen. Da das Feststoffniveau für die vorteilhafte
Ausführung des Verfahrens nur geringen Schwankungen unterliegt,
kann dies in einer unteren oder mittigen Höheposition des
Vorlagebehälters sein. Dadurch kann bei gutem Gashaltevermögen
des Feststoffs eine geringere Schüttungsdichte im Vorlagebehälter
realisiert werden, was den Gasbedarf für die Förderung
zu den Brennern reduziert.
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Der
Kohlevergasungsreaktor, der mit dem erfindungsgemäßen
Versorgungssystem für Brennstoff verbunden ist, kann beliebig
geartet sein. Auch die Brenner des Kohlevergasungsreaktors können beliebig
geartet sein. Diese sollten aber so konstruiert sein, dass sie über
eine Dichtstromförderung mit Brennstoff versorgt werden
können. Auch die gesamte Anlage kann Vorrichtungen enthalten,
die für Folgeprozesse erforderlich sind oder für
einen geregelten Anlagebetrieb einer Kohlevergasungsanlage benötigt
werden. Diese sind ausdrücklich Teil der Erfindung, wenn
die damit verbundene Kohlevergasungsanlage mit der erfindungsgemäßen
Vorrichtung zur Versorgung mit Brennstoff ausgerüstet ist.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung kann an jeder Stelle
Anlagenteile enthalten, die zum Betrieb einer Versorgungseinrichtung
für feste Brennstoffe erforderlich sind. Dies können
Pumpen sein, dies können aber auch Heiz- oder Kühlvorrichtungen
sein. Hierzu gehören auch Ventile oder Absperrvorrichtungen.
Diese können prinzipiell an jeder beliebigen Stelle angebracht
werden. Möglich ist es selbstverständlich auch,
an jeder beliebigen Stelle Sendebirnen oder Pufferungseinrichtungen
anzubringen. Auch die Konstruktion von sogenannten „Boostern” (Gaseindüsern)
ist möglich. Schließlich gehören zu der
erfindungsgemäßen Vorrichtung auch Thermometer
oder Durchflusssensoren für Gase und Feststoffe, Drucksensoren,
Füllstandsmeßgeräte oder sonstige Messeinrichtungen.
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Durch
die Konstruktionsweise mit der Dichtstromförderung von
den Schleusenbehältern und dem Vorlagebehälter
ist es möglich, die gesamte Konstruktion der Anlage in
einer niedrigen Bauweise zu gestalten. Die Anlagenteile können
durch die schwerkraftunabhängige Förderung in
einer beliebigen Weise aufgestellt werden. Durch dieses System lässt
sich ein erheblicher Platz für Konstruktion der gesamten
Anlage einsparen. Durch das System der mehrfachen Schleusbehälter
und des vorgelagerten Vorratsbehälters sowie dem konstant
gefüllten Vorlagebehälter lässt sich
eine störungsfreie und zeitlich sehr konstante Förderung
von Brennstoff in den Vorlagebehälter erreichen, auch über
einen längeren Zeitraum. Dies dient der Anlagensicherheit
und ermöglicht eine gleichbleibend hohe Produktqualität.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung wird anhand von zwei
Zeichnungen genauer erläutert, wobei die Ausführungsform
nicht auf diese Zeichnungen beschränkt ist.
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1 zeigt
den Prozessfluss einer Anlage zur Vergasung von Kohle, die mit einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Versorgung von
Brennstoff ausgerüstet ist. Der Brennstoff wird angeliefert
(1) und gelangt in eine Mühle oder eine geeignete
Mahlvorrichtung (2). Der feinzerteilte Brennstoff wird
dann über einen Staubabscheider (3) in einen Vorratsbehälter
(4) geleitet (3a). Dort wird der Brennstoff auf Vorrat
gelagert. Danach gelangt dieser in die Schleusbehälter.
Diese sind hier in zweifach angeordnet (5a, 5b).
Die Schleusbehälter dienen dazu, den Brennstoff durch Gaszufuhr
unter Druck zu setzen. Dazu befinden sich an den Schleusbehältern Einleitungsvorrichtungen
für Gas oberhalb der Schüttung (6a, 6b)
und in die Schüttung (6'a, 6'b). Zwischen
den Schleusbehältern befindet sich eine Ausgleichsleitung
(7), die bei Bedarf geöffnet werden kann. Aus
den Schleusbehältern führt eine Gasleitung (8)
zur Entspannung des Druckes, über die das entspannte Gas
vollständig oder auch nur teilweise zur Inertisierung in
der Mahlvorrichtung genutzt werden kann. Das entspannte Gas kann
allerdings auch zur Inertisierung des Vorratsbehälters
(4) genutzt werden. Dazu wird dieses vorteilhaft über
eine Leitung (8a) in den Staubabscheider (3) geleitet.
Um das mittels Gebläse (8c) zurückgeführte
Kreislaufgas (8d) der Mahlanlage auf geeignete Temperaturen
zu bringen, kann sich in der Leitung ein Wärmetauscher (8b)
oder eine andere geeignete Vorrichtung zum Aufheizen befinden. Hinter
den Schleusbehältern wird der feinzerteilte Brennstoff über
entsprechende Verbindungsleitungen (9a, 9b) ausgeführt
und gelangt in ein Vereinigungselement (10). Auch das Vereinigungselement
kann über eine Leitung (11) mit Gas beaufschlagt
werden. Das feinzerteilte Material gelangt dann mittels Dichtstromförderung
(12) in einen Vorlagebehälter (13).
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In
der in 1 dargestellten Variante nutzen zwei Schleusbehälter über
das Vereinigungselement eine Dichtstromleitung (12). Dies
geschieht vorteilhaft in der Weise, dass die Schleusbehälter
abwechselnd den Feststoff über das Vereinigungselement
in die Nachförderleitung einspeisen. Um die Überbrückungszeit
zum Umschalten zwischen den Schleusbehältern zu minimieren
und um eine nahezu lückenlose Feststoffförderung
zu erreichen, ist es vorteilhaft, beide Schleusbehälter
während des Umschaltvorgangs zeitlich überlappend
an das Vereinigungselement anzukoppeln. Dazu ist ein Druckausgleich zwischen
dem in Kürze leergeförderten und dem noch vollständig
befüllten Schleusbehälter über die vorgesehene
Druckausgleichleitung (7) hilfreich. Die beschriebene Vorgehensweise
ist natürlich auch mit mehr als zwei Schleusbehältern
möglich und vorteilhaft. Im Falle von mehr als zwei Schleusbehältern
ergibt sich zusätzlich die Möglichkeit, das Entspannungsgas
desjenigen Schleusbehälters, der soeben leergefördert
wurde und nun entspannt werden muß, um Feststoff aus dem
drucklosen Vorratsbehälter aufnehmen zu können,
in einen noch drucklosen Schleusbehälter zu dessen teilweise
Bespannung zu verwenden. In der Verbindungsleitung (9a, 9b)
befinden sich zwei Armaturen (nicht dargestellt), eine in der Nähe
des Behälterauslaufs, eine in der Nähe des Vereinigungselementes
(10). Nachdem ein Schleusbehälter bis zu einem
Mindestfüllstand geleert wurde und per Armatur (Nähe
Vereinigungselement) vom Vereinigungselement abgesperrt wurde, ist
ein Spülen bzw. Freiblasen (9'a, 9'b)
der Verbindungsleitung sinnvoll, bevor die zweite Armatur geschlossen
wird.
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Im
Vorlagebehälter herrscht idealerweise ein konstantes Füllstandsniveau
(13a). Das Druckniveau des Vorlagebehälters kann über
eine geeignete Abfuhrleitung (22) oder Zufuhrleitung (23)
konstant gehalten werden. Aus dem Vorlagebehälter erreicht
der Feststoff den Kohlevergasungsreaktor (16) mit einem oder
mehreren Brennern (17a, 17b). Die gesamte Vorrichtung
zur Versorgung mit Brennstoff befindet sich hier in einem separaten
Anlagenteil (18a). Der Kohlevergasungsreaktor befindet
sich zusammen mit dem Vorlagebehälter in einem anderen
Gebäudeteil (18b). Auf diese Weise lässt
sich eine niedrige Bauhöhe der gesamten Anlage erreichen.
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Die
bereits genannten Vorteile der Erfindung, die insbesondere in einer
erheblichen Verminderung der Anzahl der Ausrüstungen, der
Bauhöhe – d. h. in der Verminderung der Investkosten
sowie in einer erhöhten Betriebssicherheit bestehen, werden
durch eine moderate Zunahme des Bedarfes an Bespannungsgas erkauft.
Dies ist darauf zurückzuführen, dass der Teil
des zur Dichtstromförderung des Feststoffes in der Nachförderleitung
(12) verwendeten Gases, der zur Verdünnung unter
die im Vorlagebehälter (13) herrschende Feststoffdichte
verwendet wurde, als Überschussgas nicht für die
Einspeisung in den Kohlevergasungsreaktor (16) genutzt
werden kann, siehe 2. Sind keine zusätzlichen
Einrichtungen vorhanden, muß er ungenutzt als Überschußgas
(22) abgegeben werden. Gleichzeitig wird im als Sendegefäß aktiven
Schleusbehälter (5) eine vielfach größere
Gasmenge als Ersatz für das entnommene Feststoffvolumen
benötigt (”Replacement”). Es bietet sich
daher an, den Gasbedarf dadurch zu vermindern, dass das Überschussgas
aus dem Vorlagebehälter (13) als Rückgasstrom
(21) zum Schleusbehälter zurückgeleitet
und dort zur teilweisen Substitution des Replacement-Gasbedarfs
verwendet wird. Dies kann mittels eines Gebläses oder einer
anderen Vorrichtung zur Druckerhöhung geschehen. Aufgrund
des geringen zu überwindenden Differenzdruckes zwischen
Vorlagebehälter (13) und Schleusbehälter
(5) bei gleichzeitig hohem Systemdruck bietet sich hierzu
insbesondere eine Gasstrahlpumpe an. Zudem ist sie auch zur Förderung
von staubhaltigem Gas befähigt, eine Entstaubung ist nicht
erforderlich. Als Treibgas findet das zum Zweck des ”Replacement” zugeführte
Bespannungsgas Verwendung, das bei signifikant höherem
Druck bereitsteht. Die Druckseite der Strahlpumpe wird auf den jeweils
aktiven Schleusbehälter umgeschaltet. Unter typischen Betriebsverhältnissen
liegt der Anteil des Rückgases bei etwa 25% der Replacement-Gasmenge.
Gleichzeitig beträgt der Vordruck des Bespannungsgases (20, 24)
etwa 10 bar gegenüber dem Schleusbunker (5), während
der Druck des Rückgases (21) um nur ca. 1–2
bar unter dem Druck des Schleusbunkers liegt. Dem Fachmann machen
diese Zahlenverhältnisse deutlich, dass das System ”Strahlpumpe” unter den
genannten Bedingungen voll funktionsfähig ist.
-
Die
Gasrückführung ist folgendermaßen in die
Druckregelung des Vorlagebehälters (13) eingebunden:
Ausgehend von der Überlegung, dass bei konstanten Betriebsbedingungen Überschussgas aus
dem Vorlagebehälter abzuführen ist, ist die Gasrückführung
(21) Bestandteil der als Split-range aufgebauten Gasabfuhr.
Druckanstieg im Vorlagebehälter wird vermieden, indem zunächst
die Armatur in der Gasrückführung weiter geöffnet
wird. Die freigegebene Gasmenge wird von der Gasstrahlpumpe abgesaugt
und in den Schleusbehälter (5) eingespeist. Steigt
der Druck im Vorlagebehälter weiter an obwohl die Rückführarmatur
voll geöffnet ist, so wird der Überfluß als Überschussgas
(22) abgegeben. Auch dies Gas kann gegebenenfalls nutzbringend
verwendet werden, z. B. zur Substitution von Spülgasen,
die dem Vergasungsreaktor an verschiedenen Stellen zugeführt
werden. Sollte – insbesondere beim Anfahrvorgang – eine
Drucksteigerung des Vorlagebehälters erforderlich sein,
die nicht über das Überschussgas realisiert werden
kann (Armaturen in Leitungen 21 und 22 geschlossen),
so wird die Fehlmenge mittels frischem Bespannungsgas über
Leitung 23 bereitgestellt.
-
Das
als Treibgas für die Strahlpumpe verwendete Bespannungsgas
wird über die Druckregelung des Schleusbehälters
nachgeführt. Je nach Stellung des Drosselorgans in der
Rückgasleitung liegt die Treibgasmenge bei 70–100%
des Replacement-Gasbedarfes. Der Sollwert des Schleusbunkerdruckes
wird über eine Kaskade (nicht dargestellt) aus dem Stand
im Vorlagebehälter ermittelt (bzw. aus dessen Gewicht).
Für den Stand ist ein fester Sollwert (z. B. 50%) vorgegeben.
Bei Überschreiten des Sollwertes wird der von der Reglerkaskade
vorgegebene Wert des Differenzdruckes zwischen Schleus- und Vorlagebehälter
verringert, so dass der nachgeförderte Feststoff-Massenstrom
abnimmt, bei Unterschreitung des Stand-Sollwertes erfolgt ein entgegengesetzter
Reglereingriff.
-
- 1
- Brennstoffzufuhr
- 2
- Mühle
oder Mahlvorrichtung
- 3
- Staubabscheider
- 3a
- Brennstoffleitung
vom Staubabscheider zum Vorratsbehälter
- 4
- Vorratsbehälter
- 5,
5a, 5b
- Schleusbehälter
- 6,
6a, 6b
- Gaseinleitung
- 6'a,
6'b
- Gaseinleitung
- 7
- Ausgleichsleitung
zwischen den Schleusbehältern
- 8
- Entspannungsleitung
- 8a
- Gasleitung
für Entspannungsgas zum Staubabscheider
- 8b
- Wärmetauscher
- 8c
- Gebläse
- 8d
- Kreislaufgas
- 9a,
9b
- Verbindungsstücke
- 9'a,
9'b
- Gaseinleitung
- 10
- Vereinigungselement
- 11
- Gasleitung
- 12
- Nachförderleitung
- 13
- Vorlagebehälter
- 13a
- Füllstand
im Vorlagebehälter
- 14
- Entspannungsleitung
- 15a,
15b
- Brennstoffleitungen
zum Brenner
- 16
- Kohlevergasungsreaktor
- 17a,
17b
- Brenner
am Kohlevergasungsreaktor
- 18a
- Gebäude
der Mahlanlage
- 18b
- Gebäude
der Gaserzeugung
- 19
- Druckerhöhungsorgan
- 20
- Gas
- 21
- Rückgas
- 22
- Überschußgas
- 23
- Gas
- 24
- Treibgas
- Δp
- Druck
als Regelgröße
- PC
- Druckregelgeräte
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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Zitierte Patentliteratur
-
- - US 5143521
A [0011]
- - DE 102005047583 A1 [0012]