DE102012216084A1

DE102012216084A1 - Modifizierter Wirbelboden für den Einsatz in Vergasungsanlagen mit trockener Brennstoffeinspeisung

Info

Publication number: DE102012216084A1
Application number: DE201210216084
Authority: DE
Inventors: Frank Kirsch; Jürgen Noak; Ronny Ehrlich; Stefanie Henker
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2012-09-11
Filing date: 2012-09-11
Publication date: 2014-03-13
Also published as: US20140069069A1; CN103666579B; CN103666579A; US9138672B2

Abstract

Bei einem Wirbelboden zur Zuführung von Wirbelgas (1) in ein staubförmiges Schüttgut mit einem bezüglich der Dicke des Wirbelbodens hohen zulässigen Differenzdruck und hohem Betriebstemperaturbereich ist eine das Filtermaterial (2) tragende Stützplatte (3) mit Durchbrüchen (Aussparungen) angeordnet. Besondere Ausgestaltungen des Filtermaterials sind durch metallisches Filtrationsgewebe mit bzw. ohne Stützgewebe, Sintermetall und Sinterkunststoff jeweils mit einer Filterfeinheit von 5 µm bis 1000 µm gegeben. Besondere Ausgestaltungen des Wirbelbodens sind durch die Anordnung eines zentralen Durchbruchs für die Welle eines Rührwerks und durch eine Öffnung für die Entleerung des Fluidisierungsbehälters gegegben. Die durch die konstruktive Ausführung zu erwartende höhere Standzeit des Wirbelbodens, trägt entscheidend zur Erhöhung der Verfügbarkeit des gesamten Einspeisesystems bei.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wirbelboden für die Erzeugung einer Fluidisierungsschicht in einem ein staubförmiges Schüttgut aufnehmenden Fluidisierungsbehälter mit einem bezüglich der Dicke des Wirbelbodens hohen zulässigen Differenzdruck und hoher Betriebstemperaturbereich.
In der Flugstromvergasung wird im sogenannten Einspeisesystem der zu vergasende Einsatzstoff vorgehalten. Aus einem Vorlagebehälter, der auch als Einspeiser oder Fluidisierungsbehälter bezeichnet wird und mit einem Druck von beispielsweise 4 MPa beaufschlagt ist, wird der staubförmige Brennstoff (z.B. Kohlenstaub) über Förderleitungen dem Brenner zugeführt. Die Förderleitungen binden dabei senkrecht von oben in den unteren Bereich des Vorlagebehälters ein. Die Förderung des Brennstoffes erfolgt somit von unten nach oben. Eine stabile, pulsationsfreie Brennstoffstaubförderung über die Förderleitung ist entscheidend für den optimalen Betrieb der Vergasungsanlage. Eine stabile Förderung setzt voraus, dass die Brennstoffschüttung vor Eintritt in die Förderleitungen eine optimale Dichte, die sogenannte Fluidisierungsdichte, aufweist. Ist diese Forderung nicht erfüllt, kann es zu starken Förderstörungen kommen.
Wie bereits oben erläutert, ist das Erreichen einer optimalen Fluidisierungsdichte Grundvoraussetzung für eine optimale, störungsfreie Brennstoffförderung. Das Einstellen der Fluidisierungsdichte wird über die gleichmäßige Zugabe von sogenanntem Wirbelgas, das durch ein inertes Gas wie zum Beispiel Stickstoff oder Kohlendioxid gegeben sein kann, von unten dem Vorlagebehälter zugegeben. Die Zugabe dieses Gases führt zu einer Verringerung der Brennstoffschüttdichte. D.h. je nach erforderlicher Fluidisierungsdichte wird mehr bzw. weniger Wirbelgas zugeführt. Eine gleichmäßige Fluidisierung des Brennstoffes über die gesamte Fläche des Behälterbodens ist entscheidend für eine störungsfreie Förderung des aus dieser Wirbelschicht abgezogenen Brennstoffes. Mit Hilfe eines aus kunstharzgebundenen Kiesfilter gefertigten Bodens wurde bisher die gleichmäßig verteilte Zuführung des Wirbelgases sichergestellt.
Dieses Material stellt auf Grund seiner Porosität einen sehr geringen Strömungswiderstand dar. Gleichzeitig ist die Porosität entsprechend gering, aber auch klein gewählt, um ein Eindringen von Brennstoffpartikeln in den Filter bzw. in die Gaszuführungsleitung zu vermeiden. Auf Grund der Materialeigenschaften des Kiesfilters, ist der maximale Differenzdruck über dieses Element bzw. die maximale Bespannungsgastemperatur auf entsprechend zulässige Werte begrenzt. Diese Begrenzung des Differenzdrucks bzw. der Temperatur stellt im Anlagenbetrieb normalerweise keine Probleme dar. Bei Überschreitung dieser Parameter auf Grund von Fehlbedienungen, z.B. Abschaltung des Wirbelgases, was zu einer Überschreitung des max. zulässigen Differenzdruck führen kann, oder Überschreitung der max. zulässigen Wirbelgastemperatur, erfolgt eine Schädigung des kunstharzgebundenen Kiesfilters. Eine Schädigung dieses sogenannten Wirbelbodens, kann eine schlechte Wirbelgasverteilung zur Folge haben. Das führt wiederum dazu, dass an Stellen geringerer Wirbelgaszuführung die für eine stabile Förderung erforderliche Fluidisierungsdichte nicht erreicht werden kann.
Eine Überschreitung der Auslegungsparameter (Differenzdruck, Temperatur) kann zu einer Schädigung des Kiesfilters führen. Eine Verringerung der Filtermaterialstärke führt zu einer Verringerung des maximal zulässigen Differenzdruckes. Der maximal zulässige Differenzdruck stellt jedoch ebenfalls ein wichtiges Auslegungskriterium für das Element dar.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen Wirbelboden zur Zuführung von Wirbelgas in das staubförmige Schüttgut eines Vorlagebehälters anzugeben, bei dem die Parameter Dicke des Wirbelbodens und speziell des Filtermaterials, hoher zulässiger Differenzdruck und Höhe der zulässigen Betriebstemperatur ein neues Optimum erzielen.
Das Problem wird einen Gegenstand mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Die Erfindung geht davon aus, dass zur Vermeidung von Schädigungen des Filterelementes eine robustere Ausführung gegenüber dem herkömmlichen Kiesfilter erforderlich ist. Wie bereits erwähnt, stellen die Materialeigenschaften des Kiesfilters einen begrenzenden Faktor dar. Aus diesem Grund ist eine Ausführung des Elementes mit temperaturbeständigeren Werkstoffen vorgesehen.
Die Erfindung bringt die Konstruktion eines Wirbelbodens mit hoher Temperaturfestigkeit, erhöhtem zulässigen Differenzdruck bei gleichzeitig guter Verteilung des Gases über die Fläche des Wirbelbodens als Vorteile mit sich. Für den Aufbau des Elementes kann weitgehend auf Standardmaterialien zurück gegriffen werden, was zu einer Verringerung der Herstellungskosten führt. Die durch die konstruktive Ausführung zu erwartende höhere Standzeit des Wirbelbodens, trägt entscheidend zur Erhöhung der Verfügbarkeit des gesamten Einspeisesystems bei.
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 eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Wirbelbodens oben ohne Rührwerk und unten mit Rührwerk sowie
2 eine Frontalansicht des erfindungsgemäßen Wirbelbodens oben ohne Rührwerk und unten mit Rührwerk.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezeichnungen gleiche Elemente.
Der in 1 gezeigte Wirbelboden, der den Raum zur Bevorratung eines Schüttguts in einem Vorlagebehälter nach unten begrenzt, weist einen Aufnahmering 1 auf. Der Aufnahmering trägt eine Durchbrüche / Aussparungen aufweisende Stützplatte 3, auf die ein Filtermaterial aufgebracht ist. Die Auswahl des Filtermaterials richtet sich nach der erforderlichen Filterfeinheit, die Vorraussetzung für einen möglichst geringen Strömungswiderstand bzw. Schutz vor rückströmendem Brennstoffstaub darstellt. Dieses Filtermaterial, mit der entsprechenden Filterfeinheit ausgeführt, ist unempfindlich gegen die maximal möglichen Bespannungsgastemperaturen auszulegen. Um den Strömungsdruckverlust gering zu halten, ist eine so niedrig wie mögliche Filtermaterialstärke zu wählen. Zur Erreichung eines hohen zulässigen Differenzdruckes wird eine einseitige Verstärkung des Filtermaterials durch Einsatz einer unter dem Filtermaterial angeordneten Stützplatte 3 vorgenommen. Durch die gleichmäßige Verteilung der Materialaussparungen über die einseitig montierte Stützplatte, kann – analog der Kiesfilterausführung – eine gleichmäßig verteilte Gaszuführung in den Vorlagebehälter gewährleistet werden.
Für die vorgesehenen Einsatzbedingungen des Wirbelbodens sind folgende Ausführungen des Filtermaterials 2 möglich:

• Metallisches Filtrationsgewebe mit bzw. ohne Stützgewebe [Filterfeinheit: 5 µm bis 1000 µm]
• Sintermetall [Filterfeinheit: 5 µm bis 1000 µm]
• Sinterkunststoff [Filterfeinheit: 5 µm bis 1000 µm]

Die das Filtermaterial einseitig von unten stützende Platte, in der vorangegangenen Beschreibung als Stützplatte 3 bezeichnet, weist vorzugsweise die folgenden konstruktiven Merkmale auf:
Flächenverhältnis Aussparung/Plattenmaterial: 0,15 bis 0,70 [Ein kleineres bzw. größeres Flächenverhältnis würde auf Grund der Forderung nach einer Mindestauflockerungsfläche, bei gleichzeitiger Gewährleistung der erforderlichen Festigkeit zu konstruktiven Problemen bei dem Element führen.]
Form der in der Platte vorhandenen Aussparungen:
Die in die Platte einzubringenden Aussparungen sind vorzugsweise symmetrisch über die Fläche des Elementes verteilt. Dabei kann die Form der Aussparungen flexibel, aber auch beliebig gestaltet werden. Entscheidend ist die Einhaltung des angeführten Flächenverhältnisses. So sind z.B. kreisrunde oder geschlitzte Aussparungen möglich.
Voraussetzung für eine Gleichverteilung des Wirbelgases über die gesamte Fläche des Wirbelbodens ist ein Mindestdruckverlust, der durch den Wirbelboden verursacht / aufgebracht werden muss. D.h. unterhalb (= anströmseitig) des Wirbelbodens muss der Druck ca. 10 mbar über dem abströmseitigen Druck liegen.
In den Wirbelboden kann eine Öffnung 4 für die Entleerung des Vorlagebehälters angeordnet sein, die sowohl das Filtermaterial als auch die Stützplatte durchdringt und die verschließbar ist.
In den Wirbelboden kann eine zentrale Durchführung 7 für die Welle eines Rührwerks 6 angeordnet sein, die sowohl das Filtermaterial als auch die Stützplatte durchdringt.
Bezugszeichenliste

1: Aufnahmering
2: Filtermaterial
3: Stützplatte
4: Verschließbare Öffnung für Entleerung des Behälters
5: Gaszuführung
6: Rührwerk
7: Durchführung für Rührwerk

Claims

Wirbelboden für die Erzeugung einer Fluidisierungsschicht in einem ein staubförmiges Schüttgut aufnehmenden Fluidisierungsbehälter mit einem bezüglich der Dicke des Wirbelbodens hohen zulässigen Differenzdruck und hoher Betriebstemperaturbereich, wobei der Wirbelboden ein von Fluidisierungsgas (5) durchströmtes Filtermaterial (2) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass auf der unteren, dem Schüttgut abgewandten Seite des Filtermaterials eine Stützplatte (3) mit Durchbrüchen angeordnet ist.
Wirbelboden nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Filtermaterial durch ein metallisches Filtrationsgewebe gegeben ist.
Wirbelboden nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Filtrationsgewebe ein Stützgewebe aufweist.
Wirbelboden nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Filtermaterial durch ein Sintermetall gegeben ist.
Wirbelboden nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Filtermaterial durch Sinterkunststoff gegeben ist.
Wirbelboden nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Filtermaterial eine Filterfeinheit von 5 µm bis 1000 µm aufweist.
Wirbelboden nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Flächenverhältnis von Durchbrüchen zu Material der Stützplatte 0,15 bis 0,70 beträgt.
Wirbelboden nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Durchbrüche gleichmäßig verteilt sind.
Wirbelboden nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchbrüche eine kreisrunde Form aufweisen.
Wirbelboden nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparungen schlitzförmig sind.
Wirbelboden nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen runden Querschnitt in der Draufsicht.
Wirbelboden nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine zentrale Durchführung (7) für ein Rührwerk (6).
Wirbelboden nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine verschließbare, den Wirbelboden traversierende Öffnung (4) für die Entleerung des Fluidisierungsbehälters.
Wirbelboden nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Halterung der Stützplatte in einem Aufnahmering (1), der mit dem Fluidisierungsbehälter verbindbar ist.