DE102010018841A1

DE102010018841A1 - Austragskonus

Info

Publication number: DE102010018841A1
Application number: DE102010018841A
Authority: DE
Inventors: Dr. Hamel Stefan; Dr. Kowoll Johannes
Original assignee: Uhde GmbH
Current assignee: ThyssenKrupp Industrial Solutions AG
Priority date: 2010-04-29
Filing date: 2010-04-29
Publication date: 2011-11-03
Also published as: BR112012027426A2; US20130202369A1; EP2563692A1; KR20130113924A; AU2011247444A1; TW201201897A; UA107828C2; ZA201208938B; CN102892689A; WO2011134594A1; EP2563692B1; CA2796528A1; RU2012146438A

Abstract

Vorrichtung zum Austrag eines feinkörnigen Feststoffs aus einem Behälter, wobei der Behälter im unteren Bereich einen Austragskonus aufweist, welcher in eine Austragsöffnung und Austragsvorrichtung mündet, Mittel zur Fluidisierung oder Auflockerung des Feststoffs vorgesehen sind, der Austragskonus mindestens einen Öffnungen aufweisenden Versatz in Form eines Spaltes aufweist, durch jede der Öffnungen der spaltförmigen Versätze ein Gas zuführbar ist, jeder der spaltförmigen Versätze zur Mittelachse des Austragskonus hin verdeckt ist, die spaltförmigen Versätze nicht auf die Mittelachse des Austragskonus ausgerichtet sind, und wobei die Spalte der spaltförmigen Versätze durch Deckbleche geschlossen sind, welche runde oder schlitzförmige Öffnungen aufweisen, und die Spalte in Abwärtsrichtung verlaufen.

Description

Die thermische Umwandlung fester Brennstoffe, wie beispielsweise unterschiedlichster Kohlen, Torf, Hydrierrückstände, Reststoffe, Abfällen, Biomassen und Flugstaub oder einer Mischung aus den genannten Stoffen, wird oft unter erhöhtem Druck und hoher Temperatur durchgeführt mit dem Ziel, ein Synthese-Rohgas mit hohem Energieinhalt und/oder mit einer für weitere chemische Synthesen günstigen Zusammensetzung zu erzeugen. Mögliche thermische Umwandlungsverfahren können beispielsweise die Druckverbrennung oder Druckvergasung nach dem Wirbelschicht- oder Flugstromverfahren sein.
Hierbei besteht die Notwendigkeit, die unter Normaldruck und Umgebungsbedingungen gelagerten Brennstoffe zu feinen Partikeln zu zerkleinern und diese auf das Druckniveau der thermischen Umwandlung zu bringen, um eine Förderung in den Druckreaktor zu ermöglichen. Dazu ist die Förderung und Zwischenspeicherung von fein aufgemahlenen Brennstoffen erforderlich. Um den Brennstoff auf das Druckniveau des Reaktors zu bringen, bedient man sich üblicherweise Schleusensystemen, in denen der Brennstoff in nacheinander geschalteten Behältern auf Druck gebracht wird. Entscheidendes Kriterium für die Betriebssicherheit ist dabei die zuverlässige Entleerbarkeit der Behälter, auch nachdem sie auf hohe Systemdrücke gebracht wurden.
Um feinst- und feinkörnige Feststoffe aus einem Behälter sicher auszutragen, sind nach dem einschlägig bekannten Stand der Technik prinzipiell verschiedene Ansätze möglich:

• In großen unter Atmosphärendruck stehenden Silos wird der Feststoff häufig mit mechanischen Vorrichtungen, wie z. B. Räumarmen etc., abgezogen.
• Grundsätzlich kann die Feststoffschüttung durch Gaszufuhr entgegen der Schwerkraft in den Wirbelschichtzustand überführt werden. Die Wirbelschicht verhält sich dann ähnlich einer Flüssigkeit und kann über Auslauföffnungen, seitliche Stutzen etc. auslaufen. Nachteilig ist, dass große Gasmengen benötigt werden. Dazu kommt erschwerend, dass sich sehr feine Partikel nur äußerst schwierig in eine homogene Wirbelschicht überführen lassen.
• Eine weitere Möglichkeit, den Feststoffaustrag aus einem Behälter zu ermöglichen, besteht darin, unter Berücksichtigung der Schüttguteigenschaften konische Auslaufgeometrien vorzusehen. Der Feststoffauslauf aus einem Konus heraus kann durch Zugabe von Gas über oder an die Konuswände unterstützt werden. Die Gasmenge ist in der Regel kleiner als die Menge, die zu einer Fluidisierung benötigt würde, aber ausreichend, um die Wandreibung des Schüttguts aufzuheben und/oder um lokale Ansätze zur Brückenbildung zu verhindern.

Die letztere Methode ist die bevorzugte Variante in den beschriebenen Vergasungsanlagen, in denen feinkörniger Brennstoff sowohl unter atmosphärischen als auch unter hohen Drücken gehandhabt werden muss. Hierbei wird die benötigte Gasmenge begrenzt und gleichzeitig auf mechanische Einbauten verzichtet.
Stand der Technik ist es, über poröse Elemente Gas in den Austragskonus zuzuführen. Die porösen Elemente bestehen vorzugsweise aus Sintermetall, können aber auch aus anderen porösen Medien bestehen. Die Verwendung von porösen Materialien bringt einige verfahrens- und betriebstechnische Nachteile mit sich:

• Die zulässige Porengröße orientiert sich am zu handhabenden Feststoff bzw. an dessen Partikelgrößenverteilung. Dabei kann die Porengröße nur auf ein sinnvolles Maß reduziert werden, welches sich aus der gewünschten zurückgehaltenen Partikelgröße und dem Durchströmungsdruckverlust ergibt. In der Praxis kann festgestellt werden, dass sich selbst bei sehr kleinen Porengrößen das poröse Medium im Laufe der Zeit zusetzt. Grund dafür ist, dass der zu handhabende feingemahlene Brennstoff stets eine Partikelgrößenverteilung aufweist, in der auch feinste Partikel vorhanden sind, die sich in die Poren setzen können. Dazu führen Abriebeffekte des Brennstoffs innerhalb des Behälters und beim Handling dazu, dass feinste Partikel entstehen, die ebenfalls die Poren zusetzen würden. Zwar wird versucht, dem Zusetzen des porösen Mediums entgegenzuwirken, indem man permanent einen Gasstrom aufgibt, allerdings zeigt die Praxis, dass dadurch nur die Lebensdauer der porösen Elemente verlängert werden kann, das grundlegende Problem jedoch bleibt.
• Poröses Material, hat zwangsläufig eine geringere Festigkeit als vergleichbares Vollmaterial und darf daher mit Gasbeaufschlagung nur so betrieben werden, dass ein maximal zulässiger Druckverlust über dem porösen Material, d. h. eine mechanisch einwirkende Kraft resultierend aus der Druckdifferenz und der überspannten Fläche, nicht überschritten wird. Unsachgemäße Handhabung oder nicht abgesicherte Druckanstiege im Betrieb können daher zu einer Zerstörung des porösen Materials führen.
• Ein weiterer verfahrenstechnischer Nachteil ist, dass poröse Materialien nur mit partikelfreiem Gas beaufschlagt werden dürfen. Es ist nicht möglich z. B. aus Behälterentspannungen anfallendes und mit Partikeln kontaminiertes Gas zu verwenden, da sich die porösen Materialien von Seiten der Gaseinspeisung aus zusetzen würden.
• Die Verarbeitung des porösen Materials in Verbindung mit den im klassischen Behälterbau verwendeten Stählen erfordert besondere fertigungstechnische Fertigkeiten und Erfahrung, insbesondere im Falle einer hochwertigen Verschweißung von beispielsweise Sintermetallen. Dies ist besonders teuer.

In der DE 41 08 048 C2 werden im konischen Teil eines Drucktopfes Gaszufuhrelemente eingebracht, um eine Fluidisierung der Feststoffschüttung zu erreichen, mit dem Ziel eine pneumatische Förderung aus dem Drucktopf heraus zu bewerkstelligen. Dazu sind Rohrelemente auf den Innenseiten des Konus angebracht, die mit Bohrungen zur Gaszufuhr ausgerüstet sind.
In der EP 348 008 B1 wird vorgeschlagen, einen konstanten Feststoffmassenstrom aus einem Behälter mit konischem Auslauf zu gewährleisten, indem durch ein vertikal von oben, zentral eingeführtes Rohr Gas in die Feststoffschüttung in der Nähe des Auslaufs und im konischen Behälterteil zugeführt wird. Zusätzlich wird über die Konuswände Gas zugeführt, wobei die Konuswände als poröses Medium ausgeführt sind.
In der WO 2004/085578 A1 wird ein Schleusbehälter vorgestellt, der innen im konischen Behälterteil Gaszufuhrelemente vorsieht, über die der Behälter auf Zieldruck gebracht wird. Die Elemente sind mit porösen Elementen versehen, durch die das Gas zugeführt wird.
In der US 5,106,240 A wird ein Konus vorgeschlagen, der eine Vielzahl von porösen Elementen vorsieht, über die Gas in die Feststoffschüttung gegeben wird, mit dem Ziel, einen gleichmäßigen Feststofffluss einzustellen.
In der WO 89/11378 A1 wird vorgeschlagen, durch Einbringung von porösen Elementen in den Konus eines Silos Gas zuzuführen, um damit einen gleichmäßigen Materialfluss zu ermöglichen. Gleiches wird mit der Gaszufuhrvorrichtung der US 4,941,779 A zu erreichen versucht. Unterschied ist, dass die beschriebene Vorrichtung in der Schüttung eintaucht, dort partiell Gas zuführt, um ebenfalls einen möglichst gleichmäßigen Materialfluss aus einem vorgesehenen Ablauf zu gewährleisten. Auch hier finden poröse Elemente Verwendung, um Gas in die Schüttung aus feinen Partikeln zu führen.
Die US 2006/013660 A1 beschreibt detailliert einen Fluidisierkonus einschließlich der benötigten Verbindungsflansche, der an einem Behälter befestigt ist. Die konischen Innenwände sind gemäß Beschreibung aus porösem Material.
Die CH 209 788 beschreibt einen Vorratsbehälter für staubförmige Güter mit in eine Fallleitung mündenden Trichter, bei dem eine dünne Luftschicht an der Trichterwand gegen die Fallleitung hin wandert, ohne sich der Trichtermitte zu nähern, während durch die Mitte des Trichters nach oben steigende Luft den Staub nach außen an die Trichterwand drängt und dadurch die Bildung von Brücken verhindert.
Es besteht deshalb die Aufgabe, einen mit Gas beaufschlagten Austragskonus zum Austrag eines feinkörnigen Feststoffs aus einem Behälter bereitzustellen, der die verfahrenstechnischen Nachteile bei Verwendung von porösen Materialien überwindet, und dabei die folgenden Anforderungen erfüllt:

• Keine Verwendung von porösen Materialien,
• Unabhängigkeit von der Partikelgrößenverteilung des Schüttgutes,
• Einsetzbarkeit von partikelbeladenen Gasen zur Gasbeaufschlagung,
• Keine Limitierung des zulässigen Druckverlustes.

Der erfindungsgemäße Austragskonus löst diese Aufgabe,

• wobei der Behälter im unteren Bereich einen Austragskonus aufweist,
• welcher in eine Austragsöffnung und Austragsvorrichtung mündet,
• Mittel zur Fluidisierung oder Auflockerung des Feststoffs vorgesehen sind,
• der Austragskonus mindestens einen Öffnungen aufweisenden Versatz in Form eines Spaltes aufweist,
• durch jede der Öffnungen der spaltförmigen Versätze ein Gas zuführbar ist,
• dadurch gekennzeichnet, dass
• jeder der spaltförmigen Versätze zur Mittelachse des Austragskonus hin verdeckt ist,
• die spaltförmigen Versätze nicht auf die Mittelachse des Austragskonus ausgerichtet sind, und wobei
• die Spalte der spaltförmigen Versätze durch Deckbleche geschlossen sind, welche runde oder schlitzförmige Öffnungen aufweisen,
• die Spalte in Abwärtsrichtung verlaufen.

In einer Ausgestaltung wird vorgesehen, dass die Spalte durch seitlich überlappende Konussektoren gebildet sind. In weiteren Ausgestaltungen wird vorgesehen, dass die Spalte in schräger Richtung verlaufen und die Gasaustrittsseite in spiraliger Weise sowohl in tangentialer als auch in Richtung der Auslauföffnung ausgerichtet ist, also auch einen radial-vertikalen Anteil hat. Hierbei kann weiter vorgesehen werden, dass die Spalte durch übereinander überlappende Abschnitte in Form von schrägen Kegelschnitten gebildet werden.
Weitere Ausgestaltungen betreffen die Spalte und deren Öffnungen, durch die Gas zugegeben wird. So können die Spalte durch Deckbleche geschlossen sein, welche runde oder schlitzförmige Öffnungen aufweisen. Die Öffnungen können auch in Düsenform ausgeprägt sein. Vorteilhafterweise sind die Öffnungen größer als der größte Partikeldurchmesser des Feststoffs im Austragskonus. Die Dicke der Deckbleche kann so gewählt werden, sie 3 mal größer als der Bohrungsdurchmesser ist, um dem Gasstrahl eine Richtung aufzuprägen. Die Öffnungen können im oberen Bereich der Spalte in kleineren Abständen vorgesehen werden als im unteren Bereich der Spalte. Auch können die Löcher im oberen Bereich größere Querschnitte aufweisen als im unteren Bereich, damit ein auf die Konusquerschnittsfläche bezogener, in der jeweiligen Höhe angepasster Gasstrom zugeführt werden kann.
Statt Löchern können in weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen auch Auslassrohre oder der Auslassdüsen zum Einsatz kommen, wobei die räumlichen Winkel, in denen der Gasstrahl in den Austragskonus eintritt, wählbar sind. Ideal sind hierbei – je nach Austragsgut – Winkel zur Horizontalen von 30 Grad aufwärts oder abwärts gerichtet, und von bis zu 45 Grad in der horizontalen Ebene gerichtet, gemessen von der Kreistangente, die am Gasaustrittspunkt anliegt, nach innen zur Mittelachse des Austragskonus hin.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird anhand von 5 Zeichnungen erläutert, wobei diese Zeichnungen nur Ausführungsbeispiele für die Konstruktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind.
1 zeigt einen Lagerbehälter 1 mit einem erfindungsgemäßen Austragskonus 5,
2 und 3 zeigen einen Austragskonus mit Spalten, die in vertikaler Richtung verlaufen,
4 zeigt eine Variante mit modifizierten Einlassöffnungen
5 zeigt einen Austragskonus mit Spalten, die einen schrägen Winkel zur Mittelachse aufweisen.
1 zeigt einen Lagerbehälter 1 mit einem erfindungsgemäßen Austragskonus 5, in den der feingemahlene Brennstoff 2 pneumatisch oder gravimetrisch gefördert wird. Das Gas 3 verlässt den Lagerbehälter 1 über den Gasfilter 4, während der feingemahlene Brennstoff in den Lagerbehälter 1 gelangt, wo er in den Austragskonus 5 absinkt. Das Gas 3 besteht im Falle einer pneumatischen Befüllung des Lagerbehälters 1 aus dem Fördergas und aus dem Gas, was durch den eingebrachten Feststoff im Behälter verdrängt wird. Im Falle einer gravimetrischen Befüllung besteht das Gas 3 im Wesentlichen aus verdrängtem Gas. Den Austragskonus 5 umschließt einen Druckmantel 6, der mit Druckgas 7 beaufschlagt wird. Der Abzug 9 des feingemahlenen Brennstoffs erfolgt durch die Schleuse 8.
2 und 3 zeigen je einen Austragskonus 5 mit Spalten 10, die in vertikaler Richtung verlaufen, und aus denen das Gas 3 in tangentialer Richtung ausströmt. 2 zeigt auch den halben Öffnungswinkel γ des Austragskonus. Die Spalten sind mit Blechen 11 verschlossen, in denen Bohrungen 12 eingelassen sind, durch die Druckgas 7 aus dem Druckmantel 6 in den Austragskonus 5 eingebracht werden kann. Während 3 Spalten 10 zeigt, die von der Mittellinie aus gesehen verdeckt sind und einen Absatz 13 aufweisen, sind die in 2 gezeigten Spalten 10 offen. Die in 3 dargestellte Variante hat den Vorteil, dass sich kein Schüttkegel vor den Bohrungen 12 aufbauen kann und ein Zurückströmen von feingemahlenem Brennstoff 2 durch die Bohrungen 12 in den Druckmantel 6 auch dann unterbleibt, wenn gerade kein Gasdruck dort angelegt wird, etwa bei intermittierender Betriebsweise. Allerdings ist die Variante in 3 etwas aufwendiger zu bauen.
4 zeigt die in 3 dargestellte Variante mit modifizierten Einlassöffnungen, um die hohe Beanspruchung der Konuswand durch die tangentiale Ausströmung des Gasstrahls aus der Öffnung im Spalt 10 zu verringern. Die Einlassöffnungen werden hierbei so modifiziert, dass sich die Strahlrichtung des austretenden Gasstrahls räumlich ausrichten lässt. Dies kann konstruktiv dadurch erreicht werden, dass man die Bleche 11 (in 4 nicht gezeichnet) in den Spalten 10 sehr massiv ausführt und entsprechend feine Bohrungen 12 vorsieht, die in definierten Winkeln in die Bleche 11 eingelassen sind, oder indem man dünne Bleche 11 vorsieht, an denen dünne Auslassrohre oder Auslassdüsen 14 angebracht sind, die z. B. durch einfaches Biegen in die richtige Richtung ausgerichtet werden können. Vorzugsweise werden solche Auslassrohre oder Auslassdüsen 14 auf der Konusinnenseite bündig angebracht und dabei auf der dem Außenraum zugewandten Seite überstehend, so dass man auf der überstehenden Seite mit einfachen Mitteln die Strahlrichtung ausrichten kann.
Für die Ausrichtung der Auslassrohre oder der Auslassdüsen 14 werden die folgenden Winkel vorteilhaft eingerichtet. Hierbei wird ein kartesisches Koordinatensystem zugrunde gelegt, welches seinen Ursprungspunkt im Durchstoßpunkt hat, dessen eine vertikale y-z-Ebene parallel zur Konusmittelachse verläuft und deren andere vertikale x-y-Ebene die Konusmittelachse schneidet, und dessen dritte x-z-Ebene die horizontale Ebene ist. Betrachtet werden in 4 die Winkel der Achse der Auslassrohre bzw. der Auslassdüsen 14 auf der Außenseite des Austragskonus, wo sie sich im montierten Zustand leicht messen lassen. Für die entsprechenden Gasaustrittswinkel in den Austragskonus hinein gilt das gleiche analog.
Hierbei liegt der Winkel α zwischen der Projektion 15 der Strahlachse, die der Achse der Auslassrohre oder der Auslassdüsen 14 entspricht, auf der horizontalen x-z-Ebene, und der Tangente 16, die auf einem horizontalen Schnitt des Konus anliegt und durch den Ursprungspunkt des Koordinatensystem läuft, zwischen 0 und 45 Grad. Weiterhin liegt der Winkel β zwischen der Strahlachse, die der Achse der Auslassrohre oder der Auslassdüsen 14 entspricht, und der horizontalen x-z-Ebene im Bereich von 30 Grad aufwärts bis 30 Grad abwärts.
5 zeigt einen weiteren Austragskonus mit abwärts gerichteten Spalten 10, die in spiraliger Richtung verlaufen. Die Spalten 10 sind ebenfalls mit Blechen 11 verschlossen, in denen Bohrungen 12 eingelassen sind, durch die Druckgas 7 aus dem Druckmantel 6 in den Austragskonus 5 eingebracht werden kann. Durch die spiralige Anordnung kann ein Ausfließverhalten des feingemahlenen Brennstoffs wie bei einem Flüssigkeitsausguss erreicht werden.
Bezugszeichenliste

1: Lagerbehälter
2: Feingemahlener Brennstoff
3: Gas
4: Gasfilter
5: Austragskonus
5a: Mittellinie des Austragskonus
6: Druckmantel
7: Druckgas
8: Schleuse
9: Abzug
10: Spalten
11: Bleche
12: Bohrungen
13: Absatz
14: Auslassrohre oder Auslassdüsen
14a: Mittellinie der Auslassrohre oder Auslassdüsen
15: Projektion
16: Tangente

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 4108048 C2 [0006]
EP 348008 B1 [0007]
WO 2004/085578 A1 [0008]
US 5106240 A [0009]
WO 89/11378 A1 [0010]
US 4941779 A [0010]
US 2006/013660 A1 [0011]
CH 209788 [0012]

Claims

Vorrichtung zum Austrag eines feinkörnigen Feststoffs aus einem Behälter, • wobei der Behälter im unteren Bereich einen Austragskonus aufweist, • welcher in eine Austragsöffnung und Austragsvorrichtung mündet, • Mittel zur Fluidisierung oder Auflockerung des Feststoffs vorgesehen sind, • der Austragskonus mindestens einen Öffnungen aufweisenden Versatz in Form eines Spaltes aufweist, • durch jede der Öffnungen der spaltförmigen Versätze ein Gas zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass • jeder der spaltförmigen Versätze zur Mittelachse des Austragskonus hin verdeckt ist, • die spaltförmigen Versätze nicht auf die Mittelachse des Austragskonus ausgerichtet sind, und wobei • die Spalte der spaltförmigen Versätze durch Deckbleche geschlossen sind, welche runde oder schlitzförmige Öffnungen aufweisen, • die Spalte in Abwärtsrichtung verlaufen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spalte durch seitlich überlappende Konussektoren gebildet werden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spalte in schräger Richtung verlaufen und die Gasaustrittsseite spiralig sowohl in tangentialer als auch in Richtung der Auslauföffnung ausgerichtet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Spalte durch übereinander überlappende Abschnitte in Form von schrägen Kegelschnitten gebildet werden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen in Düsenform ausgeprägt sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchmesser der Öffnungen größer als der größte Partikeldurchmesser des Feststoffs sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Deckbleche mindestens 3 mal größer als der Bohrungsdurchmesser gewählt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen im oberen Bereich der Spalte in kleineren Abständen vorgesehen werden oder auch größere Querschnitte aufweisen als im unteren Bereich.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittellinien der Öffnungen gegenüber einer an dem Austragskonus angelegten Tangente in der Horizontalprojektion einen Winkel zwischen 0 Grad und 45 Grad bilden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittellinien der Öffnungen gegenüber der Horizontalen in einem Winkel zwischen 0 und 30 Grad aufwärts oder abwärts geneigt sind.