DE102008063505A1

DE102008063505A1 - Verfahren zur Vergleichmäßigung der Förderung von Brennstoffen in einen Vergaser zur Erzeugung von Synthesegas

Info

Publication number: DE102008063505A1
Application number: DE102008063505A
Authority: DE
Inventors: Stefan Dr. Hamel; Johannes Dr. Kowoll
Original assignee: Uhde GmbH
Current assignee: ThyssenKrupp Industrial Solutions AG
Priority date: 2008-12-17
Filing date: 2008-12-17
Publication date: 2010-07-01
Also published as: ZA201105161B; KR20110094308A; CN102257322A; CU20110125A7; AU2009335360A1; WO2010075911A4; BRPI0923040A2; EP2359060A1; UA103213C2; AP2011005727A0; US20110277673A1; CA2747298A1; TW201030138A; WO2010075911A1; RU2011129566A

Abstract

Ein Verfahren und eine Anlage zur Vergleichmäßigung und Regelung der mit Dichtstromförderung pneumatisch geförderten festen Brennstoffe in einen Vergaser zur Erzeugung von Synthesegas, soll so ausgestaltet werden, dass eine deutlich homogenisierte Zufuhr der Kohle zum Brenner ermöglicht wird, wobei die kurzzeitigen Fluktuationen minimiert und damit die Vergasungsqualität verbessert wird und die Regelung der Kohlmengen zum Brenner effektiver gestaltet wird. Dies wird dadurch erreicht, dass der feinkörnige bis staubförmige Brennstoff aus einem unterhalb der Brennerebene positionierten Vorlagebehälter zunächst auf ein Niveau oberhalb der Brennerebene gefördert und nachfolgend in einer abwärts zum Brenner gerichteten Leitung homogenisiert wird.

Description

Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren zur Vergleichmäßigung und Regelung der mit Dichtstromförderung pneumatisch geförderten festen Brennstoffe in einen Vergaser zur Erzeugung von Synthesegas.
Die geregelte Zufuhr von Brennstaub in einem Flugstromvergaser ist beispielsweise in der DE 10 2005 047 583 A beschrieben. Dabei ist es bekannt, den Brennstoff mit den in die vertikale Vergaserwand eingebauten und im Wesentlichen waagerecht ausgerichteten Brennern umzusetzen, wobei der Brennstoff aus fein zerteilten oder staubförmigen (< 0,5 mm) Brennstoffpartikeln, z. B. Kohle, Petrokoks, biologischen Abfällen und anderen Brennstoffen mit sauerstoffhaltigen Vergasungsmitteln unter erhöhtem Druck bei Temperaturen oberhalb des Schlackeschmelzpunktes umgesetzt wird.
Bei der Durchführung von Druckvergasungen wird ein kohlenstoffhaltiger Brennstoff mit einem sauerstoffhaltigen Gas umgesetzt, wobei das sauerstoffhaltige Gas dem unterstöchiometrischen Verhältnis zugeführt wird, so dass man ein wasserstoff- und kohlenmonoxidhaltiges Produktgas erhält. Um einen hohen Umsatz des Brennstoffes und einen hohen Wirkungsgrad zu erreichen, ist das Brennstoff-Sauerstoff-Verhältnis in einem engen Bereich einzustellen.
In der Druckvergasung werden üblicherweise Brenner mit koaxialen Kanälen eingesetzt, wobei eine Vermischung der zugeführten Medien nicht im Brenner, sondern erst im Vergaser erfolgt. Ein Beispiel für einen in einer Druckvergasungsanlage eingesetzten Brenner ist beispielsweise in der EP 0 437 698 A1 detailliert dargestellt. Die Versorgung der Brenner mit Brennstoff erfolgt üblicherweise aus einem geringfügig über Vergaserdruck stehenden Vorlagebehälter mittels Dichtstromförderung. Als Dichtstromförderung wird dabei eine pneumatische Förderung bezeichnet, wobei das Trägergas 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 6 m/s, wobei die hohe Feststoffbeladung des Gasstromes zu einer dennoch hohen Transportmenge führt. Die Dichtstromförderung ist sehr materialschonend und ist vor allem wenig störanfällig gegenüber verklebendem oder feuchtem Transportgut.
Die Güte der Vergasung wird maßgeblich durch die Gleichförmigkeit der Kohlezufuhr zum Brenner beeinflusst. Während Variationen über längere Zeitintervalle (z. B. durch beabsichtigte Regeleingriffe oder durch Änderung der Einsatzkohle, etc.) messtechnisch erfasst und berücksichtigt werden, können sehr kurzfristige Fluktuationen in der Förderqualität (Förderdichte und -geschwindigkeit) nicht kompensiert werden. Da es sich bei der Dichtstromförderung im weitesten Sinne um ein fluidisiertes Gas-/Feststoffgemisch handelt, sind hier auch die wirbelschichttypischen Fluktuationen in Dichte und Geschwindigkeit zu beobachten. Diese können nur durch indirekte Maßnahmen wie die Gestaltung der Zufuhr in die Förderleitung beeinflusst werden. Dazu ist weiterhin bekannt, dass es in langen horizontalen Abschnitten der Förderleitung zu Absetzerscheinungen des Feststoffes kommen kann, was üblicherweise durch zusätzliche Gaszufuhr minimiert wird. Eine weitere Homogenisierung wird dann erreicht, wenn die Leitung wieder aufwärts führt.
Aufgrund des Platzbedarfes und der anlagenspezifischen Aufstellung ist es üblicherweise so, dass der Vorlagebehälter, der die Brenner über eine Förderleitung versorgt, sich im Anlagengerüst ”unten” befindet, während die Brenner sich aufgrund der vertikalen Bauweise des Vergasers auf einem deutlich höheren Level befinden. Die Aufstellung des Vorlagebehälters ”unten” ist kostengünstig, insbesondere wenn die erforderliche Brennstoffschleusung in den Vorlagebehälter auf Schwerkraftfluss basiert und daher oberhalb des Vorlagebehälters positioniert sein muss.
Bisher erfolgte die Leitungsführung der Förderleitung zu den Brennern von ”unten” nach ”oben” auf Brennerebene und wurde dort meist waagerecht an den Anschlussstutzen des Brenners geführt, von wo die Kohle in den Brenner gelangte.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein eingangs beschriebenes Verfahren so auszugestalten, dass eine deutlich homogenisierte Zufuhr der Kohle zum Brenner ermöglicht wird, wobei die kurzzeitigen Fluktuationen minimiert und damit die Vergasungsqualität verbessert wird und die Regelung der Kohlemengen zum Brenner effektiver gestaltet wird.
Mit einem Verfahren der eingangs bezeichneten Art wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, dass der feinkörnige bis staubförmige Brennstoff aus einem unterhalb der Brennerebene positionierten Vorlagebehälter zunächst auf ein Niveau oberhalb der Brennerebene gefördert und nachfolgend in einer abwärts zum Brenner gerichteten Leitung homogenisiert wird.
Es hat sich gezeigt, dass durch die erfindungsgemäße Verfahrensweise eine Gleichförmigkeit des im Dichtstrom transportierten Brennstoff-/Gasgemisches erreicht wird, die deutlich besser ist als beispielsweise die Förderung durch horizontal verlaufende Leitungen. Durch die Homogenisierung in der Fallleitung vor dem Brenner werden die Brennstoffpartikel durch die Erdanziehung beschleunigt, wobei eventuell sich im Gemisch befindliche Gasblasen beim Fallen mit Brennstoff gefüllt werden.
Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Homogenisierung in einer abwärts gerichteten Leitung erfolgt, deren Länge wenigstens dem fünffachen Leitungsdurchmesser entspricht.
Als zweckmäßig hat sich erwiesen, wenn der Brennstoff in einer aus einem Krümmer geführten Fallleitung homogenisiert wird, wobei die Fallleitung in Winkeln < 20° vorzugsweise in 0° zur Vertikalen ausgerichtet ist.
Der Bereich, in dem die Fallleitung gegenüber der Senkrechten eingestellt sein kann, kann auch anders als hier beansprucht gewählt werden, je nachdem, welches Material zum Einsatz kommt, entscheidend ist die Homogenisierung im Fallrohr.
Eine weitere zweckmäßige Ausgestaltung nach der Erfindung besteht darin, dass zur Regelung des Brennstoffdurchsatzes dem Brennstoffstrom Gas zugeführt wird, wobei die Vermischung kurz vorher oder im Brenner vorgenommen wird.
Durch Zugabe von Hilfsgas in den mit Dichtstrom geförderten Brennstoffstrom wird eine Verdünnung verursacht, d. h. die Förderdichte wird verringert. Die Geschwindigkeit des verdünnten Brennstoffes wird zwar erhöht, gleichwohl überwiegt der Einfluss der verringerten Dichte, wobei der Durchsatz verringert wird.
Beispiel:
Mit Dichtstromförderung werden 10 kg/s Brennstoff mit Dichte 400 kg/m³ und Geschwindigkeit 5 m/s durch einen Brenner in den Vergaser gefördert. In der Rohrleitung entsteht wegen der Reibung und Aufwärtsförderung ein Druckverlut von 100 kPa. Im Brenner entsteht durch Reibung und weitere Beschleunigung der Suspension ein Druckverlust von 20 kPa. Um den Durchsatz zu verringern, wird Hilfsgas direkt vor dem Brenner in die Brennstoffleitung eingespeist, wodurch der Volumenstrom nahezu verdoppelt wird. Der Druckverlust im Brennstoffkanal des Brenners wird dadurch ebenfalls verdoppelt. Da der Brennstoffkanal nur 2 m lang ist, wird er bereits nach 0,2 s mit dem verdünnten Brennstoff gefüllt. Bereits nach dieser kurzen Zeit wird der Brennstoffdurchsatz verringert.
Das Beispiel zeigt, dass eine sehr schnelle Anpassung des Brennstoffdurchsatzes möglich ist. Der Regelungsbereich ist jedoch durch die erforderliche Gasmenge und die wegen Erosion begrenzte Brennstoffgeschwindigkeit im Brenner beschränkt. Mit dieser Methode kann der Brennstoffdurchsatz in einer typischen Anwendung um +/– 10% verändert werden.
Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert. Diese zeigt in
1 ein schematisches Lagenschaltbild sowie in
2 einen vergrößerten Ausschnitt im Bereich eines nicht näher dargestellten Brenners in einer angedeuteten Vergaserwand.
1 zeigt die Dichtstromförderung 2a und 2b aus dem Vorlagebehälter 1 in die Brenner 4a, 4b des Vergasers 3. Der Austritt des Vorlagebehälters ist tiefer als die Brenner, so dass der Brennstoff horizontal und aufwärts gefördert werden sollte. Um jedoch eine homogene Brennstoffsuspension zu er reichen, wird der Brennstoff zuerst über die Brennerebene geleitet und dann nach der Umlenkung in einer z. B. 3 m langen Fallleitung homogenisiert. Kurz vor dem Brenner werden die Leitungen umgelenkt, um den Brennstoff waagerecht in die Brenner einzuspeisen und Hilfsgas 11a, 11b wird in die Leitung eingespeist. In den Brenner werden ebenfalls ein sauerstoffhaltiges Gas 5a, 5b und ein Moderationsgas 6a, 6b eingespeist, mit dem die Vergasungsparameter beeinflusst werden.
Das Hilfsgas 11a, 11b kann alternativ direkt in den Brenner bzw. in den Brennstoffkanal des Brenners zugeleitet werden.
2 zeigt eine alternative Ausführung des Verfahrens. Dichtstromförderung 2 wird in einem Bogen in die vertikale Fallleitung geleitet. Vor dem vertikal ausgerichteten Brennerstutzen 12 wird ein Hilfsgas 11 oder ein Teil des Moderationsgases 6, z. B. CO₂, in die Gaseinleitungsvorrichtung 10 eingespeist, um die Förderdichte und den Brennstoffstrom zu verringern.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102005047583 A [0002]
- EP 0437698 A1 [0004]

Claims

Verfahren zur Vergleichmäßigung und Regelung der mit Dichtstromförderung pneumatisch geförderten festen Brennstoffe in einen Vergaser zur Erzeugung von Synthesegas, dadurch gekennzeichnet, dass der feinkörnige bis staubförmige Brennstoff aus einem unterhalb der Brennerebene positionierten Vorlagebehälter zunächst auf ein Niveau oberhalb der Brennerebene gefördert und nachfolgend in einer abwärts zum Brenner gerichteten Leitung homogenisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Homogenisierung in einer abwärts gerichteten Leitung erfolgt, deren Länge wenigstens dem fünffachen Leitungsdurchmesser entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff in einer aus einem Krümmer geführten Fallleitung homogenisiert wird, wobei die Fallleitung in Winkeln < 20° vorzugsweise in 0° zur Vertikalen ausgerichtet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Regelung des Brennstoffdurchsatzes dem Brennstoffstrom Gas zugeführt wird, wobei die Vermischung kurz vorher oder im Brenner vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass insbesondere zur Temperaturregelung im Vergaser wenigstens ein Teil des darin eingesetzten Gases (Moderationsgas) in den geförderten Brennstoff eingeleitet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich Gas, wie Stickstoff, Kohlendioxid, Dampf, andere Inertgase oder Mischungen daraus eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass über einen Rohrstutzen in unmittelbarer Brennernähe das zusätzliche Gas eingeleitet wird.
Anlage zur Vergleichmäßigung und Regelung der mit Dichtstromförderung pneumatisch geförderten festen Brennstoffe in einen Vergaser (3) zur Erzeugung von Synthesegas, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Dichtstromförderleitungen (2, 2a, 2b) aus einem Vorlagebehälter (1) zu den Brennern (4, 4a, 4b) des Vergasers (3), wobei der Endbereich der Dichtstromförderleitung (2) vor dem jeweiligen Brenner (4) senkrecht positioniert ist.
Anlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des senkrechten Dichtstromleitungsabschnittes wenigstens dem fünffachen des Dichtstromleitungsdurchmessers entspricht.