DE102011083850A1 - Pneumatische Brennstoffzuführung von einem Dosiergefäß zu einem Vergasungsreaktor mit hohem Differenzdruck - Google Patents

Pneumatische Brennstoffzuführung von einem Dosiergefäß zu einem Vergasungsreaktor mit hohem Differenzdruck Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vergasung von Brennstaub unter Druck in einem Flugstromreaktor, wobei die Brennstaubzuführung zum Vergasungsreaktor pneumatisch mit hohen Beladungsdichten im Bereich der Fließ- oder Dichtstromförderung geschieht. Die Staubmengenregelung übernimmt ein Regelventil, das auf eine hohe Druckdifferenz eingestellt wird, um Rückwirkung von Druckschwankungen aus dem Vergasungsreaktor oder weiteren nachgeschalteten Anlagen auf einen kontinuierlichen Staubstrom zum Vergasungsreaktor auszuschließen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vergasung staubförmiger Brennstoffe im Flugstrom unter Druck, insbesondere vielfachem Atmosphärendruck, mit Sauerstoff oder sauerstoffhaltigen Vergasungsmitteln bei Temperaturen oberhalb des Schmelzpunktes der anorganischen Anteile des Brennstoffes. Unter Brennstoffen werden staubfein aufgemahlene Kohlen unterschiedlichen Inkohlungsgrades, heizwertreiche Anteile der Abfall- und Reststoffaufarbeitung, Produkte der Erdölaufbereitung wie Petrolkokse sowie getrocknete oder durch thermische Vorbehandlung aufbereitete Biomassen verstanden.
  • In der Technik der Gaserzeugung ist die autotherme Flugstromvergasung Stand der Technik der Gaserzeugung und langjährig bekannt. Das Verhältnis von Brennstoff zu sauerstoffhaltigen Vergasungsmitteln wird dabei so gewählt, dass alle höheren Kohlenstoffverbindungen zu den Synthesegaskomponenten wie CO und H2 umgesetzt werden und die anorganischen Bestandteile als schmelzflüssige Schlacke gemeinsam mit dem heißen Rohgas aus dem Vergasungsraum ausgetragen werden, siehe J. Carl, P. Fritz, NOELLKONVERSIONSVERFAHREN, EF-Verlag für Energie- und Umwelttechnik GmbH, 1996, S. 32 bis 38. Es ist dabei vorteilhaft, den Brennstaub pneumatisch im Dichtstrom mit einem inerten Trägergas dem Vergasungsreaktor zuzuführen. Dabei wird der Brennstaub aus einem drucklosen Betriebsbunker in eine oder mehrere Duckschleusen gefördert und durch Zuführung von Inertgas, wie Stickstoff, Kohlendioxid oder sauerstoffarmen Rauch- oder Abgas, auf einen Druck gebracht, der über dem Druck des Vergasungsreaktors liegt. Der unter Druck gestellte staubförmige Brennstoff wird einem weiteren Druckbehälter, nachfolgend als Dosierbehälter bezeichnet, zugeführt. Im Unterteil dieses Dosierbehälters wird durch Einblasen eines gleichfalls inerten Wirbelgases die Staubsschüttung soweit aufgelockert, dass der staubförmige Brennstoff gemeinsam mit dem eingeblasenen Wirbelgas als Brennstaub- Fördergas- Suspension über im Unterteil des Dosierbehälters beginnende und in das Unterteil hineinragende eine oder mehrere Förderleitungen dem Vergasungsbrenner des nachgeschalteten Vergasungsreaktor zuströmt. Das Verhältnis von freiem Querschnitt der Förderleitungen zu freiem Querschnitt des Unterteils beträgt 1:50 bis 1:300. Mit dieser Technologie wird eine Beladung des Trägergasstromes mit staubförmigem Brennstoff von beispielsweise 450 kg je m3 Trägergas im Betriebszustand bei einer Reindichte des Staubes von 1,4 g/cm3 erreicht. Die dem Vergasungsreaktor zufließende Staubmenge lässt sich durch Veränderung der dem Unterteil des Dosiergefäßes zugeführten Trägergasmenge regeln. Als Regelgröße, insbesondere Regelimpuls, kann dazu beispielsweise eine direkte Messung des Staubstromes in der Zuleitung zum Brenner verwendet werden. Weiterhin werden an einzelnen Stellen der Förderleitungen kleine Mengen Fördergas zugeführt, um die Stetigkeit der Förderung weiter zu verbessern. Diese technologische Lösung ist langjährig angewandt, wird aber durch folgende Nachteile belastet:
    • – Es hat sich herausgestellt, dass die momentanen Staubflusswerte nicht unabhängig vom Füllstand des Dosierbehälters sind. Dieser Nachteil ließ sich nur teilweise durch ein großes Querschnittsverhältnis zwischen Ober- und Unterteil des Dosierbehälters kompensieren.
    • – Die Strömungsgeschwindigkeiten in den Staubförderleitungen liegen zur Vermeidung von Verschleiß im Bereich von 2 bis 10 m/s, wodurch nur geringe Druckdifferenzen auftreten. Druckschwankungen im Vergasungsreaktor bzw. in nachgeschalteten Anlagen führen deshalb zu starken Störungen einer stetigen Förderung, die sich als Temperaturschwankungen im Vergasungsreaktor bemerkbar machen. Dies wird besonders bemerkbar, wenn bei Inbetriebnahmen nachgeschaltete Anlagen noch nicht angeschlossen sind, keinen Puffer bilden und das Vergasungsgas über eine Fackel abgeführt wird, oder wenn nachgeschaltete Anlagen zur Konditionierung oder Reinigung des Rohgases zugeschaltet werden und zu Druckänderungen führen.
    • – Bei der Anordnung mehrerer Förderleitungen bei hohen Vergasungsleistungen ist es schwierig, eine gleichmäßige Beaufschlagung aller Förderleitungen zu erreichen.
  • Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, die Konstanz der pneumatischen Zuführung von Brennstoff in einen Vergasungsreaktor weiter zu verbessern.
  • Das Problem wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
  • Erfindungsgemäß werden diese Nachteile der unsteten Brennstaubzuführung zum Vergasungsreaktor vermieden, wenn die Druckdifferenz in den Staubförderleitungen erhöht und die Regelung über ein von der Staubmengenmessung angesteuertes Regelventil vorgenommen wird, wobei die Zuführung von Wirbelgas in den Dosierbehälter konstant gehalten werden kann. Überraschend wurde gefunden, dass die dem Vergasungsreaktor zufließende Fördergas- Brennstaub- Suspension mit hohen Beladungsdichten von 300–500 kg/m3 auch bei engen Ventilquerschnitten zur Erzeugung einer höheren Druckdifferenz seine regelungstechnischen Fähigkeiten beibehält und nicht zu Verstopfungen führt, was zur Abschaltung des Vergasungsreaktors führen würde.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren arbeitet mit einer hohen Druckdifferenz, wodurch Rückwirkung von Druckschwankungen aus dem Vergasungsreaktor oder weiteren nachgeschalteten Anlagen auf einen kontinuierlichen Staubstrom zum Vergasungsreaktor erheblich reduziert werden.
  • Die erhöhte Druckdifferenz in der Staubförderleitung kann durch ein Regelventil, durch ein Regelventil gemeinsam mit einer festen Drosseleinrichtung und weiterhin durch die Zuführung von Zusatzgas in die Förderleitungen erreicht werden, als Drosseleinrichtung kann auch der Vergasungsbrenner genutzt werden. Für das als Fördergas genutzte Wirbelgas und das Zusatzgas werden in der Regel Inertgase wie Stickstoff, Kohlendioxid oder sauerstoffarme Rauch- oder Abgase eingesetzt. Es ist jedoch auch möglich, ein brennbares Gas eigener oder fremder Herkunft einzusetzen. Das hat den Vorteil, dass das brennbare Gas in vollem Umfang dem Vergasungsreaktor zufließt, so dass die zugeführte Energie im Prozess genutzt wird. Weiterhin erleichtert ein brennbares Gas die Zündung der Staubbrenner durch eine im Vergasungsreaktor vorhandene Pilotflamme.
  • Durch die Einstellung einer konstanten Wirbelgasmenge und die Anordnung eines von der Staubmengenmessung angesteuerten Regelventils ist der Prozess weitestgehend unabhängig vom ständigen Eingriff des Bedieners, auch wenn sich während des Vergasungsbetriebes Druckbedingungen durch den Vergasungsreaktor und nachgeschalteten Anlagen ändern.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Die Erfindung wird im Folgenden als Ausführungsbeispiel in einem zum Verständnis erforderlichen Umfang anhand von Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
  • 1 das vereinfachte Blockschema des Einspeise- und Dosiersystems
  • 2 das Einspeise- und Dosiersystem sowie die Brennstaubzuführung zum Vergasungsreaktor für hohe Leistungen
  • In den Figuren bezeichnen gleiche Bezeichnungen gleiche Elemente.
  • Für einen Vergasungsreaktor mit einer Bruttoleistung von 500 MW ist eine Brennstoffmenge von 72 Mg/ h erforderlich. Die zur Verfügung stehende Kohle mit der Analyse:
    C 69,7 Ma% waf
    H 3,7 Ma% waf
    N 0,7 Ma% waf
    O 13,1 Ma% waf
    S 0,2 Ma% waf
    A 8,5 Ma% wf
    W 4,7 Ma%
    wird in einer Mahltrocknungsanlage zu einem Feinstaub mit einem Restwassergehalt von 4,7 Ma% aufbereitet und über Leitung 1 in 1 mit Stickstoff als Transportgas in konventioneller Dünnstromförderung dem Betriebsbunker 2 zugeführt. Zur Bespannung des Brennstaubes wird er Druckschleusen 3 zugeführt, die füllstandsgeregelt sind, und mit Inertgas aus Leitung 4 unter Druck gesetzt werden. Bei einem Vergasungsdruck von 4 MPa werden die Druckschleusen 4 mit ca. 4,6 MPa bespannt. Als Bespannungsgas wird in der Anfahrphase Stickstoff eingesetzt, im Produktionsbetrieb danach Kohlendioxid, um den Stickstoffeintrag in den Vergaser zu vermeiden. Die Druckschleusen 3 werden im Wechsel gefüllt, bespannt und in das Dosiergefäß 5 entleert, das gleichfalls eine Füllstandsregelung 6 besitzt. Die beiden Dosiergefäße werden für je zwei Lastziele je Stunde ausgelegt. In das Unterteil des verjüngten Dosiergefäßes 5 werden unterhalb eines Wirbelbodens (7) 1980 Nm3/h Wirbelgas über Leitung 8 mengengeregelt zugeführt, wodurch oberhalb des Wirbelbodens eine Wirbelschicht mit einer Dichte von ca. 420 kg/m3 entsteht, in welche die 3 Staubförderleitungen 9 nach 2 eintauchen. Das Regelventil 11 für die Staubförderung durch die Leitungen 9 wird durch die Staubmengenmessung 12 angesteuert. Die Brennstaubmenge von 72 Mg/h erfordert 3 Staubleitungen, die alle gleich ausgelegt sind. Es besteht die Möglichkeit der Hilfsgaszuführung über 10, wobei je Leitung 430 Nm3/h der genannten Inertgase eingespeist werden, in diesem Beispiel vor dem Staubregelventil 11. Es wird angestrebt, die 3 Staubförderleitungen 9 gleichmäßig zu beaufschlagen, um einseitige Flammenausbildungen im Vergasungsreaktor 15 zu vermeiden, was durch die Staubregelventile 11 gewährleistet werden kann. Das Hilfsgas 10 kann vor oder hinter dem Staubregelventil zugeführt werden, in diesem Beispiel erfolgt die Zuführung davor, auch ist kein zusätzliches Drosselelement angeordnet. Die Staubfördergeschwindigkeit in den Förderleitungen 9 beträgt 3 m/s am Einlauf über den Wirbelboden (7) und 8 m/s an der Zuführung zum Vergasungsbrenner 14. Die Druckdifferenz zwischen dem Dosiergefäß 5 und dem Vergasungsbrenner 14 beträgt 0,62 MPa. Damit zeigte sich, dass Druckschwankungen im Vergasungsreaktor 15 oder aus den nachgeschalteten Anlagen 16 der Rohgaskonvertierung und -reinigung keine Rückwirkung auf einen kontinuierlichen Staubmassenstrom in den Staubförderleitungen 9 haben. Den drei Vergasungsbrennern 14 werden je 24 Mg/h Brennstaub zugesetzt und mit 34.200 Nm3/h Sauerstoff zu einem Syntheserohgas umgesetzt. Es entstehen 123.000 Nm3/h tr mit folgender Analyse:
    H2 23,1 Vol%
    CO 62,9 Vol%
    CO2 8,0 Vol%
    N2 und H2S ergänzen auf 100%
  • Das Rohgas wird in dem Vergasungsreaktor 15 nachgeschalteten Anlagen 16 zu einem Synthesegas mit einem H2:CO-Verhältnis von 1:2 aufbereitet und einer Methanolsynthese zugeführt.
  • Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Vergasung staubförmiger Brennstoffe im Flugstrom mit einem freien Sauerstoff enthaltenden Vergasungsmittel bei Drücken bis 80 bar und Temperaturen, die über dem Schmelzpunkt der anorganischen Brennstoffbestandteile liegen, wobei der staubförmige Brennstoff mittels Druckschleusen durch Bespannen mit einem trockenen Inertgas auf einen Druck gebracht wird, der dem Vergasungsdruck und der Druckdifferenz zwischen den Druckschleusen und dem Vergasungsreaktor entspricht, der Brennstaub anschließend einem Dosiergefäß zufließt, in dessen Unterteil zur Erzeugung einer partiellen Wirbelschicht eine feste Menge Wirbelgas zugeführt wird und eine Inertgas- Brennstaub- Wirbelschicht hoher Dichte entsteht, in die die Staubförderleitungen eintauchen, wobei die Regelung des Staubstromes durch ein Regelventil so geschieht, dass es durch eine Staubmengenmessung angesteuert wird, wobei die Druckdifferenz in der Staubförderleitung zwischen Dosiergefäß und Vergasungsbrenner dem zwei- bis dreifachen Wert der Druckdifferenz in der Förderleitung ohne Regelarmatur beträgt und im Bereich zwischen 0,4 bis 0,8 MPa liegt.
  • In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung werden als Förder- und Hilfsgas Inertgase wie Stickstoff, Kohlendioxid, sauerstoffarme Rauch- oder Abgase oder kondensatfreie brennbare Gase eigener oder fremder Herkunft eingesetzt.
  • Bezugszeichenliste
  • 1
    Brennstaubleitung
    2
    Betriebsbunker
    3
    Druckschleusen
    4
    Inertgasleitung
    5
    Dosiergefäß
    6
    Füllstandsregelung
    7
    Wirbelboden
    8
    Wirbel- bzw. Fördergas
    9
    Staubförderleitungen
    10
    Hilfsgaszuführung
    11
    Regelventil für Staubstrom
    12
    Staubmengenmessung
    13
    Festes Drosselelement
    14
    Vergasungsbrenner
    15
    Vergasungsreaktor
    16
    nachgeschaltete Anlagen
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • J. Carl, P. Fritz, NOELLKONVERSIONSVERFAHREN, EF-Verlag für Energie- und Umwelttechnik GmbH, 1996, S. 32 bis 38 [0002]

Claims (13)

  1. Verfahren zur Vergasung staubförmiger Brennstoffe im Flugstrom mit einem freien Sauerstoff enthaltenden Vergasungsmittel bei Drücken bis 8 MPa und Temperaturen, die über dem Schmelzpunkt der anorganischen Brennstoffbestandteile liegen, in einer Anordnung, bei der – ein den Brennstoff als Schüttung aufnehmendes Dosiergefäß (5) über eine Förderleitung (9), die mit ihrem Einlass in eine Inertgas- Brennstaub- Wirbelschicht (7) im Unterteil der Schüttung eintaucht, mit dem Brenner (14) eines Vergasungsreaktors (15) verbunden ist, – in der Förderleitung ein Regelventil (11) angeordnet ist, demzufolge – die Inertgas- Brennstaub- Wirbelschicht hoher Dichte im Unterteil der Schüttung mittels zugeführtem Inertgas (8) gebildet wird, – das Dosiergefäß mit Inertgas unter Druck gesetzt wird derart, dass die Druckdifferenz in der Förderleitung zwischen Dosiergefäß und Vergasungsreaktor den zwei- bis dreifachen Wert der Druckdifferenz in der Förderleitung ohne Drosselung beträgt, – die dem Brenner zugeführte Menge an Brennstoff nach Maßgabe der in der Förderleitung gemessenen Menge an Brennstoff (12) durch entsprechende Drosselung des Regelventils eingestellt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Druckdifferenz zwischen Dosiergefäß und Vergasungsreaktor im Bereich zwischen 0,4 bis 0,8 MPa liegt.
  3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselung in der Förderleitung teilweise durch ein festes Drosselelement (13) aufrechterhalten wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass die teilweise Drosselung durch das feste Drosselelement in Förderrichtung hinter dem Regelventil erfolgt.
  5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 3 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die teilweise Drosselung durch den Brenner als festes Drosselelement erfolgt.
  6. Verfahren nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass die teilweise Drosselung durch das feste Drosselelement in Förderrichtung vor dem Regelventil erfolgt.
  7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass Inertgas als Hilfsgas (10) außerhalb des Dosiergefäßes in die Förderleitung zugeführt wird.
  8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeit der Brennstaub- Inertgas- Suspension in dem Förderrohr 2–10 m/s beträgt.
  9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass Förderdichte der Brennstaub- Inertgas- Suspension in dem Förderrohr zwischen 200 und 500 kg/m3 liegt.
  10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung von Inertgas in die Wirbelschicht konstant gehalten wird.
  11. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Förderung der Brennstaub- Inertgas- Suspension zwischen dem Dosiergefäß und dem Brenner über eine Mehrzahl von Förderrohren erfolgt.
  12. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass in der Anfahrphase des Vergasungsreaktors als Inertgas Stickstoff eingesetzt wird.
  13. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass im Produktionsbetrieb des Vergasungsreaktors als Inertgas Kohlendioxid eingesetzt wird.
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