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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Festbettvergasung, bei dem feinkörnige oder staubförmige kohlenstoffhaltige Brennstoffe neben grobkörnigen kohlenstoffhaltigen Brennstoffen vergast und zur Erzeugung von Synthesegas genutzt werden.
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Grobkörnige, feste, kohlenstoffhaltige Brennstoffe mit Korngrößen zwischen ca. 5 mm und ca. 100 mm, z. B. grobkörnige Kohlen, können in Wanderbettvergasern, die als Festbettvergaser bezeichnet werden, in heizwertreiche Synthesegase umgesetzt werden. Festbettvergaser können unter nahe atmosphärischen oder unter erhöhten Drücken betrieben werden, wobei eine Ausbildung charakteristischer Zonen über der Höhe des Festbettes erfolgt. Die am Kopf mittels Druckschleusen aufgegebenen grobkörnigen, festen Brennstoffe durchlaufen nacheinander und in genannter Reihenfolge die Trocknungszone, Pyrolysezone, Vergasungszone, Oxidationszone und Aschezone bzw. Schlackebadzone. Das erzeugte Rohgas strömt im Gegenstrom zum Feststoff nach oben und tritt am Kopf über den Rohgas-Abzug aus. Wird der Festbettvergaser mit sauerstoffhaltigen Vergasungsmitteln mit erhöhten Wasserdampfkonzentrationen betrieben, erfolgt ein trockener Ascheaustrag. Dabei dient ein Drehrost um die Vergasungsmittel einzutragen und die anfallende Bodenprodukte (Aschen) auszutragen. Wird der Festbettvergaser mit einem schmelzflüssigen Schlackeaustrag betrieben, so schließt sich unterhalb der Oxidationszone eine weitere Zone an, das sog. Schlackebad. Durch die Zugabe von sauerstoffhaltigen Vergasungsmitteln mit erhöhten Sauerstoffkonzentrationen wird die Asche aufgeschmolzen, um sie anschließend als flüssiges Bodenprodukt aus dem Festbettvergaser auszutragen. Die geringen Temperaturen im oberen Teil des Festbettvergasers verursachen eine Beladung des erzeugten Rohgases mit Pyrolyseprodukten, die abhängig vom Brennstoff beispielsweise aus höheren Kohlenwasserstoffen wie Phenolen und Teerölen bestehen. Die Weiterbehandlung und Entsorgung dieses Nebenproduktes erfordert einen erheblichen apparativen und ökonomischen Aufwand und stellt damit einen generellen Nachteil der Festbettvergaser dar.
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Weiterhin zeichnen sich die Festbettvergaser durch ein robustes Betriebsverhalten und ein breites Spektrum an möglichen Brennstoffen aus. Insbesondere ballastreiche Brennstoffe wie z. B. aschereiche Kohlen können nur in Festbettvergasern verarbeitet werden. Um eine reguläre, gleichmäßige Durchströmung des Festbettes zu gewährleisten, können nur Brennstoffe mit Korngrößen zwischen ca. 5 und ca. 100 mm eingesetzt werden. Die feinkörnigen Brennstoffanteile (< 5 mm) werden daher von den grobkörnigen Fraktionen abgetrennt und verworfen, da sie nur mit sehr hohem apparatetechnischen Aufwand in Festbettvergasern eingesetzt werden können. Bisher wird nur ein Teil des Feinkornanteils anderweitig verwertet, z. B. verbrannt. Der größere Teil des Feinkomanteils wird auf Halden gelagert. Diese nicht-verwertbaren Feinkomanteile stellen einen erheblichen Verlust der Wertschöpfungskette und somit einen generellen Nachteil bei Einsatz der Festbettvergaser dar.
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Gemäß
EP 0 010 792 A1 soll eine Agglomeration der Feinkornfraktion zu 5 bis 50 mm großen Pellets außerhalb der Vergasungsanlage erfolgen. Dabei soll eine nichtbackende Hüllschicht die Agglomerate umgeben, die z. B. aus Asche oder Kalk bestehen soll. Die Agglomerate sollen dann wie auch die grobkörnigen Brennstofffraktionen in die Festbettvergaser eingeschleust werden. Problem dabei ist der außerhalb der Vergasungsanlage stattfindende komplexe, kostenintensive Prozess sowie die mangelnde Stabilität der Agglomerate, welche beim Schleusvorgang hinein in den Festbettvergaser zerfallen, wobei die freigesetzten Feinkörner mit dem Rohgas ausgetragen werden und nicht ins Festbett gelangen.
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Weiterhin sollen nach der Lehre von
GB 1 435 089 A Extruder eingesetzt werden, die die Feinkohle (< 3,5 mm) in Mischung mit Asche und Pech verdichten sollen und seitlich von oben auf das Festbett aufwerfen sollen. Der dabei entstehende Strang soll von oben durch einen Schneider in Stücke abgeschert werden. Das Verfahren konnte sich jedoch nicht durchsetzen, da es nur für atmosphärische Festbettvergaser angewendet werden kann und eine bestimmte Pechmenge und -qualität, die für das Extrudieren geeignet ist, vorhanden sein muss.
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Nach
WO 80/00 974 A1 sollen mehrere Vergasungsverfahren parallel eingesetzt werden. Die grobkörnige Brennstofffraktion wird in einem Festbettvergaser vergast und der Feinkornanteil sollen mithilfe des anfallenden Teeröls zu einem Slurry angemaischt werden und in einem entsprechenden Flugstromvergasungsverfahren umgesetzt werden. Diese Variante zeigt sehr hohe spezifische Investitionskosten und ist daher unwirtschaftlich, da zwei parallele Vergasungsverfahren erforderlich sind. Weiterhin existieren für die Slurryanmischung obere Grenzen hinsichtlich des möglichen Feststoffanteils. Auch die Art und Menge der erzeugten Teeröle hängt stark von der Brennstoffqualität ab, so dass es schwierig ist, Feststoff und Flüssigkeit aufeinander abzustimmen.
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DE 34 20 515 A1 offenbart ein Verfahren zum Vergasen fester Brennstoffe. Dabei wird in den unteren Bereich des Festbettes staubförmiger und feinkörniger Brennstoff mit einem brennbaren Trägergas in den Reaktionsraum in das Festbett eingedüst. Das Trägergas soll hierbei für eine feine Verteilung des staubförmigen und feinkörnigen Brennstoffes sorgen, wobei es selbst mit den Vergasungsmitteln reagiert.
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DE 101 03 602 A1 beschreibt ein Verfahren zur Verwertung kohlenstoffhaltiger pastöser, staubförmiger und feinkörniger Abfälle in Festbettdruckvergasungsreaktoren. Mit einer Feststoffpumpe werden die Abfallstoffe mit Prozeßdruck von 25 bar in Höhe der Vergasungszone, die Temperaturen zwischen 1000 und 1300°C aufweist, in den Reaktor gedrückt. Die Feststoffpumpe dient hier nur als Feststoffförderaggregat und nicht zur gleichzeitigen Druckabdichtung. Daher sind zahlreiche Ventile erforderlich und es ist mit einem Gasverlust aus dem Reaktionsraum zu rechnen.
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Die Feststoffpumpe nach
DE 101 03 602 A1 stellt keine formstabilen Teile her. Der so geförderte Feststoff würde bei Eintritt in den Reaktionsraum zu unkontrollierbaren Partikelgrößen zerfallen mit der Folge unkontrollierbarer Strömungsbedingungen am Eintragspunkt mit verschiedenen ungünstigen Folgen (Kanalbildung in Bett, lokale Verschlackung, Eruption von Staubsträhnen, im ungünstigsten Fall Abheben des Betts).
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DE 24 36 531 A1 offenbart ein Verfahren zum Einbringen von Kohle in Druckgaserzeuger und in Druckfeuerungen mittels einer Kniehebel-Stempelpresse als ausschließliches Eintragssystem. Die Kohle gelangt brikettiert in den Druckraum. Wird Feinkohle benötigt, muss am Pressenmaul ein Zerkleinerungsaggregat angeordnet werden.
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DD 1 21 647 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Einführen fester Brennstoffe in einen Druckvergaser mittels einer Brikett-Strangpresse. Dabei steht der Pressenmund mit dem Innenraum des Vergasers direkt oder über eine gasdichte Rohrleitung in Verbindung. Dabei wird der feste Brennstoff am Kopfbereich des Vergasers zugeführt. Brikettzerfall und Abrieb führen dabei zu einer Staubbelastung im Kopfteil des Vergasers.
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Bei allen vorgeschlagenen Verfahrensvarianten konnte bisher keine wirtschaftliche Umsetzung realisiert werden, da die notwendigen Apparaturen zu komplex und daher unwirtschaftlich oder für das entsprechende Druckniveau nicht geeignet sind. Demnach gibt es keine tragfähige Lösung den bei der Brennstoff-Aufbereitung abgetrennten Feinkornanteil von in Festbettvergasern eingesetzten Brennstoffen in eben jenen Festbettvergasern einzubringen und mitzuverwerten.
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Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung ein Verfahren und eine Einrichtung zur Festbettvergasung fester Brennstoffe zu schaffen, das auch die Vergasung feinkörniger oder staubförmiger Brennstoffanteile erlaubt.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren und ein Einrichtung zur Vergasung fester Brennstoffe mit Sauerstoff- und Wasserdampf-haltigen Vergasungsmitteln mit den Merkmalen nach Anspruch 1 bzw. Anspruch 4 gelöst. Weitere Ausgestaltungen beinhalten die Merkmale der Ansprüche 2 und 3 sowie 5 und 6.
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Mittels eines atmosphärischen oder druckaufgeladenen Festbettvergasers mit einer kopfseitigen Zuführung grobkörniger, fester Brennstoffe, mit einem Rohgasabzug, mit einem bodenseitig angeordneten Ascheabzug oder Schlackebadabzug, und mit mindestens einer Zuführung für Vergasungsmittel, mit einer Schüttung des Festbettes, werden zusätzlich mechanisch verdichtete feinkörnige oder staubförmige Brennstoffe ohne Zwischenlagerung in den atmosphärischen oder druckaufgeladenen Festbettvergaser in die Festbettschüttung unterhalb deren Oberfläche eingepresst und vergast.
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Die Brennstofffraktion an Feinkorn (< 5 mm) und Staub (< 1 mm) wird mittels einer Presse mechanisch verdichtet und in das Festbett unterhalb dessen Oberfläche in den Festbettvergaser eingebracht.
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Erfindungsgemäß werden feinkörnige oder staubförmige Brennstoffe mittels einer Strangpresse mit Formkanal, mechanisch verdichtet und direkt aus der Presse in den Festbettvergaser, in die Festbettschüttung unterhalb deren Oberfläche gedrückt bzw. gepresst. Hierbei wird der erzeugte mechanisch verdichtete Brennstoffstrang, z. B. Brikettstrang, ohne Zwischenlagerung kontinuierlich über einen oder mehrere Sekundärbrennstoffeinträge in die Festbettschüttung unterhalb deren Oberfläche eingepresst.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, feinkörnige Brennstoffe mit einer Korngröße < 5 mm und staubförmige Brennstoffe mit einer Korngröße < 1 mm zusätzlich zu grobkörnigen Brennstoffen mit einer Korngröße > 5 mm zu vergasen. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt damit eine wesentlich bessere wirtschaftliche Verwertung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe.
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Die Einpressung der feinkörnigen und/oder staubförmigen Brennstoffe (nachfolgend auch als Sekundärbrennstoff bezeichnet) erfolgt über einen Sekundäreintrag in die Festbettschüttung unter deren Oberfläche, vorzugsweise in Höhe der Trocknungszone der durch den grobkörnigen Primärbrennstoff ausgebildeten Festbettschüttung.
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Durch die Zuführung des Sekundärbrennstoffes in die Festbettschüttung unter deren Oberfläche wird gesichert, dass der eingepresste Sekundärbrennstoff mit grobkörnigem Primärbrennstoff der Festbettschüttung abgedeckt ist. Der Austrag von Staub aus möglichem Bruch oder Abrieb mit dem Rohgas wird durch diese Maßnahme minimiert.
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Da die Sekundärbrennstoffe direkt in die Festbettschüttung gepresst und nicht mit den Primärbrennstoffen vom Vergaserkopf her auf das Festbett geschüttet werden, ist deren mechanische Beanspruchung so, dass die mit der Presse erzielte mechanische Verdichtung ausreicht, um Bruch und Abrieb und das damit verbundene Ausblasen von Staub zu vermeiden.
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Die mechanische Verdichtung des Sekundärbrennstoffes erfolgt mit einer Formkanalstrangpresse. Eine Formkanalstrangpresse umfasst einen waagerechten, pressenseitig offenen Formkanal, in dem sich abwechselnd vor- und rückwärts ein Pressstempel bewegt. Der Formkanal selbst umfasst pressenseitig einen Führungsraum, einen Verdichtungsraum und einen Auslauf. Die mechanisch zu verdichtenden feinkörnigen oder staubförmigen Brennstoffe gelangen durch einen Füllschacht in den Führungsraum. Von hier werden sie vom Stempel in den Verdichtungsraum gedrückt und verdichtet. Die mechanische Verdichtung des Brennstoffes erfolgt in einem Verdichtungsraum, der von den Seitenwandungen des Formkanals, der Schlagfläche des zuletzt mechanisch verdichteten Brennstoffpfropfens und von der Pressstempelschlagfläche gebildet wird. Die dabei erzielten Pressdrücke liegen bei 750 bis 1200 bar. Der notwendige Widerstand, der den Druckanstieg bis zum gewünschten Pressdruck erzwingt, wird vorwiegend durch die Reibung und Verformung des Brennstoffpfropfens im Verdichtungsraum erzeugt. Um einen hohen Reibungs- und Verformungswiderstand im Verdichtungsraum zu erzeugen, ist der Formkanal über eine bestimmte Länge geringfügig eingeengt. Im Auslauf erweitert sich der Querschnitt des Formkanals wieder. Der zyklischen Bewegung des Pressstempels folgend, wird der mechanisch verdichtete Brennstoff ruckweise aus dem Auslauf des Formkanals als Strang ausgestoßen und in den Vergaser geführt.
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Der Aufbau des Formkanals mit einer Einengung des Querschnitts, in dem sich zu jedem Zeitpunkt ein verdichteter Brennstoffpfropfen befindet, bewirkt eine gasdichte, druckfeste Sperre zwischen Formkanalauslauf und Füllschacht. Da der Pressdruck deutlich über typischen Vergaserdrücken (1 bis 100 bar) liegt, erfolgt die Einpressung der Sekundärbrennstoffe in den unter Druck stehenden Festbettvergaser ohne Schleusensystem. Zusätzliche Vorkehrungen zur Brennstoffeinschleusung und Herstellung der Gasdichtheit sind nicht erforderlich.
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Vorteilhaft werden zur mechanischen Verdichtung der Sekundärbrennstoffe kondensierbare Dämpfe, z. B. Wasserdampf oder geeignete Kohlenwasserstoffe, wie z. B. Butan genutzt, die gasförmig in den Füllschacht der Stempelpresse zugeführt werden und einen Großteil des Lückenvolumens der Sekundärbrennstoffe ausfüllen. Aufgabe der kondensierbaren Dämpfe ist es, die nichtkondensierbaren Gase, z. B. in Sauerstoff und Stickstoff in Luft, zu verdrängen, um bei der mechanischen Verdichtung eine Kondensation der im Lückenvolumen befindlichen Dämpfe herbeizuführen. Die Kondensate wirken dabei einerseits als Bindemittel und andererseits wird die Rückexpansion des Brennstoffpfropfens, welche aufgrund der nichtkondensierbaren Gase erfolgen würde, sobald der Pressdruck nachlässt, minimiert. Vorteilhaft ist dabei, dass der Brennstoffpfropfen eine höhere Dichte und Festigkeit aufweist und damit die Bildung von Staub durch Bruch und Abrieb im Festbett minimiert wird.
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Nach einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden zur mechanischen Verdichtung der Sekundärbrennstoffe kondensierbare Dämpfe, z. B. Wasserdampf oder geeignete Kohlenwasserstoffe, wie z. B. Butan und Teeröl genutzt, die der Presse zugeführt werden. Teeröle, z. T. mit Feststoffgehalten, fallen bei der Rohgasreinigung an und können nach diesem Verfahren wirtschaftlich verwertet werden.
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Die Teeröle werden dem Sekundärbrennstoff als Bindemittel zugegeben und als Gemisch im Formkanal verdichtet. Da besonders höher inkohlte Brennstoffe, z. B. Steinkohlen, durch Pressverdichtung nur unzureichend feste Brennstoffpfropfen erzeugen, ist die Zugabe von Teeröl als Bindemittel vorteilhaft, um die Festigkeit des Brennstoffpfropfens zu erhöhen. Ein weiterer Vorteil ist, dass Teile des sonst nicht wirtschaftlich verwertbaren Teeröls mit dem Sekundärbrennstoff zurückgeführt werden und damit die Effizienz der Vergasung steigt und der Aufbereitungsaufwand für das Teeröl durch die geringere Menge reduziert wird.
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Die mechanische Verdichtung der Sekundärbrennstoffe in der Presse, vorzugsweise in einem Formkanal, erfüllt hierbei drei Aufgaben:
- (1) Kompaktierung des Feinkorn- und Staubanteils durch Pressagglomeration mit deutlicher Vergröberung der mittleren Korngröße. Hierbei wird eine geeignete Bruchfestigkeit des Presserzeugnisses erreicht, Korngrößen der mechanisch verdichteten Sekundärbrennstoffe < 5 mm vermieden und deren Abrieb minimiert.
- (2) Der erzeugte Sekundärbrennstoffstrang wird direkt seitlich in den Festbettvergaser gepresst. Das seitliche Einpressen bewirkt,
a) dass durch den mechanisch verdichteten Sekundärbrennstoffeintrag kein Abrieb und Staub am Vergaserkopf mit aufgegeben und wieder ausgeblasen wird,
b) dass eventuell seitlich eingetragener Abrieb und Staub in der Festbettschüttung verbleibt und mitvergast wird,
c) dass keine besondere Stabilität der mechanisch verdichteten Sekundärbrennstoffe für Lagerung, Transport und Schleusenvorgang verlangt wird und d) dass eine Schlagbeanspruchung der mechanisch verdichteten Sekundärbrennstoffe gegenüber einer Zuführung vom Vergaserkopf auf die Festbettschüttung vermieden wird.
- (3) Die mechanisch verdichteten Sekundärbrennstoffe werden durch die Presse auf den erforderlichen Einspeisedruck gebracht, wobei im Formkanal der Presse die Druckdichtigkeit hergestellt wird. Daher muss für den Sekundärbrennstoffeintrag kein zusätzliches Schleusensystem errichtet werden.
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Der Eintrag der mechanisch verdichteten Sekundärbrennstoffe kann über einen oder mehrere Sekundärbrennstoffeinträge erfolgen, wobei mehrere Sekundärbrennstoffeinträge vorzugsweise auf einer Sekundäreintragsebene über den äußeren Umfang des Vergasers verteilt sind. Bei gegenüberliegenden Eintrittsöffnungen ist der Winkel der Zuführung der mechanisch verdichteten Sekundärbrennstoffe in den Festbettvergaser zwischen Tangente am äußeren Umfang und eintretendem Strang zw. 45° und 90°, vorzugsweise 80°.
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Der Eintrag des Sekundärbrennstoffstranges erfolgt –20° (nach unten gerichtet in Wanderrichtung des Festbettes) bis +20° (nach oben gerichtet) gegen die Horizontale geneigt, vorzugsweise +10° nach oben gerichtet, um eine Verdichtung des Sekundärbrennstoffstranges in Richtung des Vergaserfreiraums zu erreichen. Das Höhenniveau von Sekundärbrennstoffeintrag und Ort der mechanischen Verdichtung kann gleich oder unterschiedlich sein. Sind die Höhenniveaus nicht gleich, kann eine Verbindung mittels Steig- oder Fallrohren erfolgen, in denen die mechanisch verdichteten Sekundärbrennstoffe zum Sekundärbrennstoffeintragspunkt gedrückt werden.
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Die mechanische Verdichtung der Sekundärbrennstoffe kann für deren Außerbetriebnahme vom Festbettvergaser durch eine Druckabsperreinrichtung, z. B. Schieber oder Kugelhahn, entkoppelt werden. Das Pressensystem kann aus einer oder mehreren Pressen bestehen. Erfolgt die mechanische Verdichtung in einem Formkanal, z. B. Formkanalstrangpresse, so hat der Formkanal zusätzlich zu den herkömmlichen Aufgaben die Aufgabe, die Druckniveauabdichtung zwischen Festbettvergaser und Brennstoffeintrag des Pressensystems sicherzustellen.
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Um die Druckniveauabdichtung zu gewährleisten werden folgende Maßnahmen einzeln oder kombiniert eingesetzt:
- i) Zugabe von Hilfsmitteln, vorzugsweise Teeröle die als unerwünschte Nebenprodukte in der Festbettvergasung anfallen. Da das Teeröl originär mit der Brennstoffstruktur übereinstimmt, ist die Haftneigung zwischen beiden besonders hoch und die Festigkeit des Brennstoffpfropfens wird stark verbessert. Durch die Verwertung des Teeröls wird die Gesamtprozesseffizienz deutlich verbessert.
- ii) Die Atmosphäre von permanenten Gasen im Lückenvolumen der feinkörnigen oder staubförmigen Brennstoffe kann durch kondensierbare Dämpfe, z. B. Wasserdampf oder geeignete Kohlenwasserstoffe wie Butan oder andere Substanzen des Teeröls, verdrängt werden. Die kondensierbaren Dämpfe verflüssigen sich bei der Kompression. Dies führt dazu, dass es zu einer deutlich reduzierten Rückexpansion des Feststoffes in Folge der periodischen Entspannung des Brennstoffpfropfens kommt. Folglich ist die Dichtigkeit vor allem während der Perioden vom Leerhub des Pressstempels bis zur erneuten Kompression gesteigert. Außerdem erhöht sich die Stabilität des mechanisch verdichteten Sekundärbrennstoffes.
- iii) Gezieltes Mischen von feinkörnigen und staubförmigen Brennstoffen, um gut agglomerierbare Korngrößenverteilungen einzustellen, so z. B. die Vermeidung eines zu hohen Feinkornanteils, in dem das Lückenvolumen zwischen dem feinkörnigen Brennstoff mit staubförmigen Fraktionen aufgefüllt wird. Dadurch wird ein dichterer und stabilerer Brennstoffpfropfen erzeugt.
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Die Einrichtung zur Vergasung fester Brennstoffe mit Sauerstoff- und Wasserdampf-haltigen Vergasungsmitteln umfasst
- a) einen Festbettvergaser mit einem kopfseitigen Primärbrennstoffeintrag für grobkörnige Brennstoffe, mit einem Rohgasabzug, mit einem bodenseitig angeordneten Ascheabzug oder Schlackebadabzug, mit mindestens einer Zuführung für Vergasungsmittel, mit einer Schüttung des Festbettes, und mit mindestens einem Sekundärbrennstoffeintrag für mechanisch verdichtete, feinkörnige und/oder staubförmiger Brennstoffe (Sekundärbrennstoffe), und
- b) mindestens eine Stempelpresse mit Zuführung für feinkörnigen und/oder staubförmigen Brennstoff,
wobei der mindestens eine Sekundärbrennstoffeintrag am Umfang des Festbettvergasers in einer Höhe unterhalb der Oberfläche der Schüttung des Festbettes angeordnet, über ein absperrbares druckdichtes Verbindungsstück mit der Stempelpresse verbunden und so ausgestaltet ist, dass in die Schüttung des Festbettes unter deren Oberfläche mechanisch verdichteter feinkörniger und/oder staubförmiger Brennstoff hineingepresst werden kann.
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Der Festbettvergaser kann atmosphärisch oder druckaufgeladen betrieben werden und entsprechend aufgebaut sein. Die Verbindungsstücke weisen einen gleichen oder einen in Richtung Festbettvergaser geringfügig erweiterten Durchmesser auf.
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Die Stempelpresse ist eine Formkanalstrangpresse. Eine Formkanalstrangpresse umfasst einen waagerechten, pressenseitig offenen Formkanal, in dem sich abwechselnd vor- und rückwärts ein Pressstempel bewegt. Der Formkanal selbst umfasst pressenseitig einen Führungsraum, einen Verdichtungsraum und einen Auslauf. Die mechanisch zu verdichtenden feinkörnigen oder staubförmigen Brennstoffe gelangen durch einen Füllschacht in den Führungsraum. Von hier werden sie vom Stempel in den Verdichtungsraum gedrückt und verdichtet. Die mechanische Verdichtung des Brennstoffes erfolgt in einem Verdichtungsraum, der von den Seitenwandungen des Formkanals, der Schlagfläche des zuletzt mechanisch verdichteten Brennstoffpfropfens und von der Pressstempelschlagfläche gebildet wird. Die dabei erzielten Pressdrücke liegen bei 750 bis 1200 bar. Der notwendige Widerstand, der den Druckanstieg bis zum gewünschten Pressdruck erzwingt, wird vorwiegend durch die Reibung und Verformung des Brennstoffpfropfens im Verdichtungsraum erzeugt.
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Um einen hohen Reibungs- und Verformungswiderstand im Verdichtungsraum zu erzeugen, ist der Formkanal über eine bestimmte Länge geringfügig eingeengt. Im Auslauf erweitert sich der Querschnitt des Formkanals wieder. Der zyklischen Bewegung des Pressstempels folgend, wird der mechanisch verdichtete Brennstoff ruckweise aus dem Auslauf des Formkanals als Strang ausgestoßen und in den Vergaser geführt.
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Vorteilhaft sind mehrere Sekundärbrennstoffeinträge vorzugsweise auf einer Sekundäreintragsebene über den äußeren Umfang des Festbettvergasers verteilt. sind. Bei gegenüberliegenden Eintrittsöffnungen ist der Winkel der Zuführung der mechanisch verdichteten Sekundärbrennstoffe in den Festbettvergaser zwischen Tangente am äußeren Umfang und eintretendem Strang zw. 45° und 90°, vorzugsweise 80°.
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Der Eintrag des Sekundärbrennstoffstranges erfolgt –20° (nach unten gerichtet in Wanderrichtung des Festbettes) bis +20° (nach oben gerichtet) gegen die Horizontale geneigt, vorzugsweise +10° nach oben gerichtet, um eine Verdichtung des Sekundärbrennstoffstranges in Richtung des Vergaserfreiraums zu erreichen. Der gegen die Horizontale geneigte Eintrag wird dadurch realisiert, dass die Verbindungsstücke, in welchen der Sekundärbrennstoffstrang geführt wird, unter dem genannten Winkel in den Vergaser münden.
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Das Höhenniveau von Sekundärbrennstoffeintrag und Ort der mechanischen Verdichtung kann gleich oder unterschiedlich sein. Sind die Höhenniveaus nicht gleich, kann eine Verbindung mittels Steig- oder Fallrohren erfolgen, in denen die mechanisch verdichteten Sekundärbrennstoffe zum Sekundärbrennstoffeintragspunkt gedrückt werden. Die Steig- bzw. Fallrohre stellen druckdichte Verbindungsstücke zwischen dem Flansch am Sekundärbrennstoffeintragspunkt und dem Auslauf des Formkanals dar und besitzen einen größeren inneren lichten Durchmesser als der Auslauf des Formkanals, um ein Hindurchschieben des Stranges ohne Verklemmungen, z. B. in Biegungen, zu ermöglichen.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Einrichtung weist die Stempelpresse eine Wasserdampfzuführung auf. Der Wasserdampf wird durch Düsen im Füllschacht zugegeben, wobei die im Füllschacht befindliche vorzugsweise vorgewärmte Luft dadurch gesättigt werden sollte.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Einrichtung ist der Stempelpresse ein Mischer mit Teerölzuführung vorgeschalten. Teeröl, vorzugsweise aus der Rohgasreinigung wird in einem Mischer dem Sekundärbrennstoff zugegeben, bevor dieser in den Formkanal der Presse gelangt
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Die Verbindungstücke sind druckdichte Rohrverbindungen zwischen dem Flansch am Sekundärbrennstoffeintragspunkt und dem Auslauf des Formkanals, welche nur durch eine Absperrvorrichtung, z. B. Schieber oder Kugelhahn, unterbrochen sind.
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Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Einrichtung werden mechanisch verdichtete, feinkörnige und/oder staubförmige kohlenstoffhaltige Brennstoffe mittels einer Presse in einen mit nahe atmosphärischen oder erhöhten Drücken betriebenen Festbettvergaser in das Festbett unterhalb deren Oberfläche eingebracht. Die Nutzbarmachung des abgesiebten Feinkornes eines Brennstoffes im Festbettvergaser trägt zur signifikanten Erhöhung der Gesamtprozesseffizienz im Vergleich zur bloßen Vergasung des Grobkornes des Brennstoffes bei, da erstens ein größerer Teil des vorhandenen Brennstoffes genutzt werden kann und zweitens eine anderweitige Behandlung, Deponierung und Entsorgung des abgesiebten Feinkornanteils des Brennstoffes entfällt.
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Vorteilhaft ist auch, dass unerwünschte Nebenprodukte der Festbettvergaser (Teeröle) zusammen mit dem Feinkorn über die Presse in den Festbettvergaser zurückgeführt und vergast werden, was einerseits den Umsatzgrad erhöht und andererseits die Menge an nachzubehandelnden Teerölen reduziert. Durch das Einbringen der gepressten, agglomerierten Feinkörner unterhalb der Festbettoberfläche kommt es zu keinem Ausblasen von Abrieb und Staub am Kopf des Festbettvergasers.
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Durch die Verwendung einer Presse kann der Feinkorneintrag als Strang in einen Festbettvergaser, der unter erhöhten Drücken betrieben wird, erfolgen, da die Presse ein druckdichtes System gegen den Festbettvergaser aufbaut. Die Druckbespannung des Feinkornes erfolgt dadurch in der Presse, so dass ein kostenintensives und technisch anspruchsvolles Schleusensystem zur Bespannung nicht erforderlich ist.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Einrichtung gelingt es, die Vergasung des Feinkornanteils in atmosphärischen bis druckgeladenen Festbettvergaser zu ermöglichen und so einfach zu gestalten, dass sie als wirtschaftliche Lösung sowohl bei der Neuplanung von Festbettvergasern als auch beim Nachrüsten bestehender Festbettvergaser Anwendung finden kann und die Möglichkeit bietet, eventuell anfallende Teeröle mit zu verwerten.
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Ausführungsbeispiel
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Anhand beigefügter Darstellungen wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.
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Dabei zeigen:
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1 Verfahrensschema
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2 Schnitt A-A
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1 zeigt in vereinfachter, schematischer Darstellung einen Festbettvergaser (24) mit kopfseitig angeordnetem Brennstoffeintrag als primärer Brennstoffeintrag (7), mit einem Rohgasabgang (10), mit einem bodenseitig angeordneten Ascheabzug (9) und einer bodenseitigen Vergasungsmittelzuführung (8). Dem Rohgasabgang (10) ist ein Teerölabscheider (26) nachgeschalten
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Im Festbettvergaser (24) bildet sich idealtypisch ein Festbett mit Trocknungszone (1), Pyrolysezone (2), Vergasungszone (3), Oxidationszone (4) und Aschezone (5) aus.
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Unterhalb des Höhenniveaus des Festbettes (22), in Höhe der Trocknungszone (1) weist der Festbettvergaser (24) zwei über Absperrschieber (25) bzw. (28) absperrbare Einträge (20) bzw. (21) als sekundäre Einträge für komprimierten Feinbrennstoff auf. Die Einträge (20) bzw. (21) sind über Verbindungsstücke (18) bzw. (19) mit jeweils einer Formkanalstrangpresse (16) bzw. (17) verbunden. Jedes Verbindungsstück (18, 19) ist mit einem Absperrschieber (25, 28) als Druckabsperreinrichtung versehen.
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Die Formkanalstrangpressen (16, 17) sind auf einer Ebene installiert, deren Höhenniveau ca. 0,5 m unterhalb des Höhenniveaus der Eintragspunkte (20, 21) ist. Demnach sind die Verbindungsstücke (18, 19) als gerade Steigrohre ausgeführt. Der Anstellwinkel der Verbindungsstücke (18, 19) gegen die Horizontale ist auf Höhe der Eintragspunkte (20, 21) mit +10° nach oben gerichtet. Der Winkel (29) zwischen der Tangente am äußeren Umfang im Eintragspunkt (20, 21) und den Verbindungsstücken (18, 19) beträgt 80°.
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Dem Brennstoffeintrag (7) ist eine Siebmaschine (27) zur Fraktionierung des Brennstoffes (23) vorgeschalten. Das Grobkorn (6) wird über den Brennstoffeintrag (7) dem Festbettvergaser, das Feinkorn (14) wird in einem Mischer (31) mit einem Teil des abgetrennten Teeröls (11) gemischt. Das Teeröl-Feinkorn-Gemisch (32) wird den Formstrangpressen (16) bzw. (17) zugeführt.
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Die Formstrangpressen (16) bzw. (17) weisen Zuführungen für Dampf (13) auf.
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Die Einrichtung nach 1 wird wie folgt betrieben:
Der Brennstoff (23) wird in einer Siebmaschine (27) fraktioniert. Der grobkörnige Primärbrennstoff (> 5 mm) (6) wird am Kopf des Vergasers über den primären Eintrag (7) aufgegeben. Die Vergasungsmittel (8) werden auf einer Ebene unterhalb der Aschezone (5) in den Festbettvergaser (24) eingetragen. Am Kopf des Festbettvergasers (24) wird das produzierte Rohgas (10) seitlich abgezogen. Das enthaltene Teeröl (11) wird in einem Teerölabscheider (26) abgetrennt. Das vorgereinigte Rohgas (12) wird zu nachgelagerten Prozessschritten geführt.
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Die Asche (9) wird am Boden des Festbettvergasers (24) abgezogen. Der feinkörnige Sekundärbrennstoff (< 5 mm) (14) wird in zwei Formkanalstrangpressen (16, 17) mechanisch verdichtet. Das abgetrennte Teeröl (11) wird mit dem feinkörnigen Sekundärbrennstoff (14) gemischt, wobei ein Restteeröl (15) zurückbleibt. Der nicht mit genutzte Anteil an Teeröl (11) wird als Restteeröl (15) einer konventionellen Nachbehandlung zugeführt. In den Formkanalstrangpressen (16, 17) wird dem Teeröl-Feinkorn-Gemisch (32) Wasserdampf (13) zugesetzt. Der in den Formkanalstrangpressen (16, 17) geformte Brennstoffpfropfen (30) wird über ein Verbindungsstück (18, 19) zu den zwei sekundären Eintragspunkten (20, 21) geführt.
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Der Festbettvergaser (24) wird mit einem stündlichen Brennstoff (23) -durchsatz von 50 t bei 30 bar Betriebsdruck gefahren. Als Brennstoff (23) wird eine Steinkohle mit einem Feinkornanteil (14) (< 5 mm) von 14 Ma.-%, einem wasserfreien Aschegehalt von 25 Ma.-% und einem Feuchtegehalt von 6 Ma.-% angenommen. Der Heizwert auf einsatzfeuchter Basis beträgt 21 MJ/kg. Demnach hat der Festbettvergaser (24) eine thermische Leistung von 292 MW. Es werden stündlich 60.000 m3 (i. N.) Rohgas (11) erzeugt. Dabei fallen stündlich 1,5 t Teeröl (11) an. Die abgesiebte und einzutragende Menge an feinkörnigem Sekundärbrennstoff (14) ergibt sich zu 7 t/h. Diese werden gleichverteilt über die zwei sekundären Eintragspunkte (20, 21) mit je 3,5 t/h in den Festbettvergaser (24) eingebracht. Hinzu kommen 0,56 t/h einzutragendes Teeröl (11). Diese zugemischte Menge ergibt sich aus der für Formkanalstrangpressen (16, 17) üblichen Beimengung von Bindemitteln je Tonne Feinkorn. Hinzu kommen weiterhin stündlich 1,6 kg Wasserdampf (13), welcher zur Verdrängung der permanenten Gase aus dem Lückenvolumen des feinkörnigen Sekundärbrennstoffs (14) eingesetzt wird. Die Menge wird auf beide Formkanalstrangpressen (16, 17) gleichmäßig verteilt. Insgesamt werden stündlich 3,8 t Agglomerate durch jeden der zwei Eintragspunkte (20, 21) in den Festbettvergaser (24) gepresst. Da je eine Formkanalstrangpresse (16, 17) einen Eintragspunkt (20, 21) über das jeweilige Verbindungsstück (18, 19) versorgt ist jede Formkanalstrangpresse (16, 17) so dimensioniert, dass stündlich je 3,8 t durchgesetzt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Trocknungszone
- 2
- Pyrolysezone
- 3
- Vergasungszone
- 4
- Oxidationszone
- 5
- Aschezone
- 6
- Grobkorn
- 7
- Primärer Eintragspunkt
- 8
- Vergasungsmittel
- 9
- Asche
- 10
- Rohgas
- 11
- Teeröl
- 12
- Vorgereinigtes Rohgas
- 13
- Dampf
- 14
- Feinkorn
- 15
- Restteeröl
- 16
- Erste Formkanalstrangpresse
- 17
- Zweite Formkanalstrangpresse
- 18
- Erstes Verbindungsstück
- 19
- Zweites Verbindungsstück
- 20
- Erster sekundärer Eintragspunkt
- 21
- Zweiter sekundärer Eintragspunkt
- 22
- Festbettoberfläche
- 23
- Brennstoff
- 24
- Festbettvergaser
- 25
- Erster Absperrschieber
- 26
- Teerölabscheider
- 27
- Siebmaschine
- 28
- Zweiter Absperrschieber
- 29
- Winkel
- 30
- Brennstoffpfropfen
- 31
- Mischer
- 32
- Teeröl-Feinkom-Gemisch
