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Die Erfindung betrifft ein schleusenloses Feststoffeintragssystem für druckaufgeladene Vergasungsreaktoren, dass den kontinuierlichen Eintrag des festen Brennstoffes, insbesondere von Braunkohle und anderen brikettierbaren festen Brennstoffen und Brennstoffgemischen, in einen mit bis 65 bar druckbespannten Vergasungsreaktor gestattet.
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Als gängige Feststoffeinspeisesysteme existieren heute vor allem zwei Varianten, die in trockenen und feuchten Kohleeintrag unterschieden werden müssen. Für den trockenen Feststoffeintrag kommen aktuell ausschließlich Feststoffschleusen (komplexe Lockhopper-Systeme) zur pneumatischen Zuführung des Staubes mithilfe eines Inertgases als Transportmedium zum Einsatz.
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Die bekannten Feststoffschleusensysteme für Druckgeneratoren benötigen eine hohe Menge an Schleusungsgas, was den Druckvergasungsprozess in seiner Effizienz und nachgeschaltete Anlagen und Prozesse negativ beeinträchtigt [R. Reimert, Schleusen für Druckreaktoren-Konzepte und Ausführungen, Chem. Ing.-Tech. 53 (1981) Nr. 5, S. 335–344, Verlag Chemie GmbH, D-6940 Weinheim 1981]. Hinzu kommt, dass mit diesen Systemen nur Drücke bis max. 40 bar erzielt werden können, da dann die erforderlichen Schleusengasmengen zu groß werden mit Wirkungen auf die Prozesseffizienz und die Anlagendimensionierung.
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Alternativ findet man die Kohlezufuhr in Flüssigkeit-Feststoff-Suspensionen für den Betrieb von Kohlevergasungsprozessen bei Drücken. Dabei wird der sogenannte Kohleslurry über Pumpen bei hohen Drücken in den Reaktor geführt [E. Henrich, E. Dinjus; D. Meier, Tagungsbeitrag „Biomassenutzung durch Flugstrom-Druckvergasung von Pyrolyseprodukten”, FVS Fachtagung 2003]. Nachteil dieser Variante ist der schlechte energetische Wirkungsgrad, da mehr Kohle verbrannt werden muss, um die Flüssigkeit des Slurrys auf die Temperatur des Vergasungsprozesses zu erwärmen und dabei zu verdampfen. Aus diesen Gründen ergibt sich die Notwendigkeit nach alternativen Einspeisemethoden, die weder den Nachteil des Schleusengaseintrages noch des Wirkungsgraddefizits für Slurrys aufweisen. Dabei werden international unterschiedliche Varianten verfolgt, die bisher noch nicht großtechnisch umgesetzt wurden bzw. erst im Labor- oder Technikumsmaßstab verfügbar sind.
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So betreibt die Fa. General Electrics Energy für die Weiterentwicklung des eigenen Flugstromvergasungsverfahrens Forschung zum Ersatz der Slurrypumpen durch Feststoffpumpen, die trockene Kohle nutzen können. Dabei wird eine Pumpe ähnlich des Prinzips der Ventilatormühlen eingesetzt, mit dem Nachteil, dass der Feststoff nach Verdichtung unter Druck zerkleinert werden muss und der Energiebedarf der Pumpe sehr hoch ist.
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Alternativ dazu wird durch die Fa. Pratt & Whitney-Rocketdyne in den USA an einem Hybridfeststoffeintrag bestehend aus Schleusensystem und einem ähnlich dem Schneckenextruder gearteten Verdichteraggregat gearbeitet. Die Forschung hierzu befindet sich im Technikumsmaßstab jedoch sind kaum Informationen zum aktuellen Entwicklungsstand und den kontinuierlich erreichbaren Feststoffdrücken verfügbar [PWR Compact Gasifier Dry feed System Development; K. M. Spouse, D. R. Matthews, G. F. Weber,; Proceedings 2nd International Freiberg Conf. on IGCC an XtL-Technologies, 8.–12. Mai 2007].
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Die „Extersche Strangpresse” wird seit 1858 erfolgreich zur Herstellung von Briketts aus Trockenbraunkohle unterschiedlicher Provenienz eingesetzt. Für die Brikettstrangpresse (FKSP) ist der waagerechte, offene Pressraum (Formkanal) mit dem sich abwechselnd vor- und rückwärts bewegenden Pressstempel charakteristisch. Die zu verpressende Kohle fällt durch den Füllschacht in den Pressraum vor dem Stempel und wird vom Stempel gegen das zuletzt gepresste „Primärbrikett” gedrückt und verdichtet. Das Brikett entsteht im Pressraum, der von den Seitenwandungen der Pressform (Seitenkeile mit Verschleißeinlagen), der Schlagfläche des zuletzt gepressten Briketts und der Stempelschlagfläche gebildet wird. Für die bindemittellose Brikettierung von getrockneter Weichbraunkohle zu festen Briketts wird ein Pressdruck von p ≥ 125 bis 750 MPa benötigt. Die Qualität der Briketts richtet sich maßgebend nach der Verwendung der Briketts zur Wärmegewinnung (Verbrennung in häuslichen Herden oder Industriefeuerungen) oder für Veredlungsprozesse, wie die Vergasung, Schwelung und Verkokung. Der Widerstand des im Formkanal eingespannten Brikettstranges gegen seinen Vorschub erzwingt beim Stempelvorschub einen Pressdruck auf die Brikettierkohle, der zur Brikettbildung führt. Insofern ist der Pressdruck der messbare Ausdruck der Verspannung des Brikettpfropfens im Formkanal. Um einen gewünschten Pressdruck zu erreichen, muss ein entsprechend hoher Reibungs- und Verformungswiderstand in der Pressform (Formkanal) erzeugt werden. Das wird praktisch erreicht, indem die plastisch-elastische Eigenschaft der Kohle unter Druck durch Aufbereitung auf optimale Parameter genutzt wird und zusätzlich der Formkanal in seiner Höhe über eine bestimmte Länge geringfügig eingeengt wird. Durch Kühlung der Pressform sowie durch Zu- oder Aufspannen der Pressform über den drehbar gelagerten Oberhaken kann der Formkanalwiderstand beeinflusst werden. Beide Prozessparameter werden als Stellgrößen für den Pressdruck genutzt [H. Krug, W. Naundorf: Braunkohlenbrikettierung 1–2, VEB Deutscher Verlag der Grundstoffindustrie, Leipzig, 1984].
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Die Brikettpresse (FKSP) wird allein zur Herstellung von Briketts genutzt. Die Gütewerte der Briketts werden von den Anforderungen bei der Brikettverwertung bestimmt. Wichtige Gütewerte sind die Druckfestigkeit, die Trommelfestigkeit und die Rohdichte der Briketts sowie konstante Maße für das Brikettformat und die Brikettdicke. Die Brikettstrangpresse herkömmlicher Bauart ist nicht als direkte Feststoffschleuse zur Beschickung von druckbeladenen Reaktoren einsetzbar, weil der bewegte Brikettstrang im Presswerkzeug keine Abdichtung gegen einen anstehenden Gasdruck erreicht. Das gilt auch, wenn der Anschluss und die Abkoppelung der Presse an ein druckbeladenes System durch geeignete Ventiltechnik möglich ist. Die Gründe für die nicht vorhandene Abdichtung eines anstehenden Gasdruckes durch den Brikettpfropfen sind:
- – der bewegliche Oberhaken der Pressform, der auch bei Festspannung „atmet”,
- – die nicht gleichmäßige radiale Verspannung des Brikettpfropfen im Formkanal, da die Verengung des Formkanales nur an den Schwalbungen von Ober- und Unterhaken erfolgt und nicht auch an den Seitflächen des Pressraumes, was durch die alleinige Kühlung der Formhaken noch verstärkt wird,
- – eine Formkanalgeometrie, die primär nach den angestrebten Gütewerten der Briketts gestaltet wird und nicht die Abdichtung eines anstehenden Gasdruckes durch den Brikettpfropfen anstrebt. Das betrifft insbesondere das für eine Abdichtung ungünstig niedrige Längen-Höhenverhältnis für die Hauptverengung sowie eine allein auf Entspannung der Briketts orientierte Bemessung der Auslauferweiterung.
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Die
DD 121 647 A1 beinhaltet ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Einführen fester Brennstoffe in Vergaser, die unter Druck arbeiten. Danach wird das leckfreie Abdichten gegen einen druckbespannten Reaktor erreicht, wenn eine übliche Brikettpresse mit dem Mundstück oder über ein Zwischenrohr an den Vergaser angeschlossen wird. Mit dem Anschluss einer üblichen Brikettpresse (Exterpresse) an einem druckbeladenen Reaktor ist keine vollkommene Abdichtung möglich, weil
- – die Bauteile des Presswerkzeuges einer üblichen Brikettpresse nicht gasdicht miteinander verbunden sind und
- – der Oberhaken am beweglichen (drehbar) Druckstück anliegt und sich bei jedem Strang-Vorschub gering öffnet und wieder schließt („atmen”) und zwar auch dann, wenn das Druckstück mechanisch oder hydraulisch „festgestellt” ist.
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Die Patentschrift
DD 223 983 A1 betrifft eine Form für Brikettstrangpressen der Braunkohlenindustrie und die Patentschrift
DD 49 399 A1 eine verschleißfeste Formzeugkombination für Pressen, insbesondere für Strang-Brikettpressen. Diese speziellen Brikettformen dienen der Verbesserung der Brikettqualität. Eine druckdichte Einspeisung eines Brikettstranges in einen Druckbehälter gegen bis zu 100 bar ist mit diesen technischen Maßnahmen nicht möglich. Bisherige Untersuchungen zur Nutzung einer Kolbenpresse als Feststoffschleuse/Patent der BASF [Process and Apparatus for feeding solids into or removing solids from vessels under pressure, Johnson. J. Y.,
GB 262 901 A , Anmelder BASF-Ludwigshafen, 5.11.1925]; Diss. Horrighs [Fortschritt-Bericht der VDI-Zeitschriften, Reihe 6: Energietechnik, Wärmetechnik, Kolbenpreß-Schleuse zum Ein- und Austrag feindisperser Feststoffe in oder aus druckführenden Räumen, W. Horrighs, Essen, 1984, VDI-Verlag Düsseldorf, ISSN 0506-3116] brachten den Nachweis, dass eine solche Schleuse geeignet ist einen druckbeladenen Reaktor mit kompaktierbaren Feingut zu beschicken. Im Rahmen von Versuchen wurde eine Abdichtung gegenüber einem Gasdruck von ≤ 21 bar nachgewiesen, wenn mit der Kolbenpresse eine Verdichtungsdruck (Pressdruck) auf z. B. Braunkohlenstaub von p = 300 bar ausgeübt wird. Von maßgebender Bedeutung für den Abdichtungserfolg erwies sich die Länge der verdichteten Schüttgutsäule. Eine absolute Gasdichtheit wurde nicht erreicht, so dass geeignete Absaugvorrichtungen vorzusehen sind. Nach diesen Ergebnissen wurde die Anwendung der Kolbenschleuse generell auf den Nieder- und den unteren Mitteldruckbereich beschränkt.
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Die bisherigen Untersuchungen zur Anwendung einer Kolbenschleuse gingen insoweit davon aus, die Abdichtung gegen Gasdruck mit einem vorverdichteten Feststoffagglomerat zu erreichen. Dabei wurde zwangsläufig eine sehr hohe Gasdiffusion durch den „lockeren” Kornverbund festgestellt. Leckströmungen im Grenzflächenbereich von Agglomerat und Pressraumwand konnten faktisch vernachlässigt werden. Zwangsläufig wurde die Dichtwirkung des Agglomeratstranges über eine optimal vertretbare Länge angestrebt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Materialeintragsvorrichtung ohne aufwändige Absaugvorrichtungen zu entwickeln, die den kontinuierlichen schleusenlosen Eintrag des Brennstoffs, insbesondere von Braunkohle, in einen mit bis zu 65 bar druckbespannten Vergasungsreaktor gestattet.
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Erfindungsgemäß wird die technische Aufgabe durch ein kontinuierlich arbeitendes schleusenloses Feststoffeintragssystem gelöst, dass aus einer Strangpresse mit einem speziell ausgestalteten Presswerkzeug besteht. Das Presswerkzeug ist an den Gasdruck führenden Verbindungsstrang zum Reaktor angeschlossen, wobei keine Leckagen über die Bauteile des Presswerkzeuges auftreten. Das Presswerkzeug ist mit einem starren runden Formkanal versehen und weist Kühlkanäle um den gesamten Pressraum herum auf. Der Formkanal wird aus Verschleißhülsen gebildet, die eine allseitig angeordnete Geometrie aufweisen, und ist in einen Pressbereich, einen Bereich der Verengung und in einen Bereich der Erweiterung unterteilt. Die Länge, der Durchmesser und die exakte Position der Bereiche für Pressung, Verengung und Erweiterung werden in Abhängigkeit von der Brennstoffqualität variiert. Alle drei Bereiche (Pressung, Verengung, Erweiterung) befinden sich entweder in einer Verschleißhülse, dann besitzen die anderen Verschleißhülsen einen konstanten Durchmesser, oder werden auf mehrere Verschleißhülsen aufgeteilt, dann befindet sich beispielsweise der Pressbereich und die Verengung in einer Verschleißhülse, die Erweiterung liegt in einer zweiten Verschleißhülse. Die Bauweise aus zwei nacheinander stehenden Verschleißhülsen erlaubt die Kombination aus verschiedenen Verengungen und Erweiterungen in Abhängigkeit von der Qualität der Kohle bei vergleichsweise geringen Herstellungskosten der Verschleißhülsen. Der Kühlwassermassestrom dient als Prozessstellgröße zur Steuerung der Dichtwirkung der Briketts. Eine stärkere Kühlung führt zu einem höheren Pressdruck, zu dichteren Briketts und zu einer höheren Abdichtung. Die Geometrie der Verschleißhülsen wird so gewählt, dass unter Beachtung des Kühlwasserstromes die Briketts mit einem Pressdruck von > 800 bis maximal 1800 bar vorzugsweise mit einem Pressdruck von > 1000 bis maximal 1400 bar, gepresst werden. Die erhaltenen Briketts weisen keine offensichtlichen Fehler auf, wie Spalter, Abschieber, Überpressung und Glanzhautschäden, sind fest und haben eine Rohdichte von ρroh ≥ 1,1 g/cm3 bis 1,3 g/cm3. Der Formkanal trägt über seine gesamte Länge den Brikettpfropfen. Über die gesamte Länge des Formkanals besteht ein remanenter Querdruck pquer, der vom Ort der Brikettbildung über den Bereich der Verengung den anliegenden Gasdruck um das 1,2 bis 2-fache übersteigt und über den Bereich der Erweiterung des Formkanals hinweg bis zum austretenden Brikett auf pquer = 5 bis 0 bar abfällt. Mit dem erfindungsgemäßen Presswerkzeug wird die Bildung eines Brikettstranges im Formkanal ermöglicht, der eine Abdichtwirkung gegenüber einem Gasdruck von bis zu 65 bar erreicht.
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Die Erfindung soll an nachfolgendem Beispiel erläutert werden:
Die und zeigen das erfindungsgemäße Presswerkzeug. Das Presswerkzeug besteht aus einem Grundträger mit Kühlung 1. 2 zeigt die allseitig angeordneten Kühlkanäle 2. Der Grundträger 1 ist mit einem starren runden Formkanal 3, versehen. Der Formkanal 3 wird aus Verschleißhülsen 4, 5 gebildet, die eine allseitig angeordnete Geometrie aufweisen. Er ist in einen Pressbereich, einen Bereich der Verengung und in einen Bereich der Erweiterung unterteilt. Über den Kohleeintrag (Füllschacht) 6 wird die zu vergasende Braunkohle zugeführt und mit dem Pressen-Stempel 7 im Formkanal 3 im Pressbereich der Verschleißhülse 4 zu Briketts verpresst. Die Geometrie der Verschleißhülsen 4, 5 wird so gewählt, dass unter Beachtung des Kühlwasserstromes die Briketts mit einem Pressdruck von ca. 1000 bar gepresst werden. Der Kühlwasserstrom wird während der Verpressung als Stellgröße für den Pressdruck genutzt. Beim Einsatz von Lausitzer Weichbraunkohle weisen die am Brikettaustrag 8 erhaltenen Briketts keine offensichtlichen Fehler auf. Die Briketts haben eine Rohdichte von ρroh ca. 1,2 g/cm3. Die Gestaltung des Presswerkzeuges ermöglicht die Bildung eines Brikettstranges (Brikettpfropfen) im Formkanal 3, der eine Abdichtwirkung gegenüber einem Gasdruck von bis zu 65 bar erreicht. Das Presswerkzeug ermöglicht die Herstellung einen Brikettpfropfens von hoher Abdichtwirkung dadurch, dass der Brikettpfropfen im Moment seines Stillstandes und der Bewegung eine Querverspannung aufweist, die 1,5 bis 2-fach größer ist als der anstehende Gasdruck. Der Brikettkörper von hoher Festigkeit verfügt gegenüber der Gasdiffusion durch den Brikettstrang über eine abdichtende Rohdichte.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Grundträger mit Kühlung
- 2
- Kühlkanäle
- 3
- Formkanal
- 4
- Verschleißhülse
- 5
- Verschleißhülse
- 6
- Kohleeintrag (Füllschacht)
- 7
- Pressen-Stempel
- 8
- Brikettaustrag
