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Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Kohle-Pyrolyse mittels Widerstandserwärmung.
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Die Steigerung der Wirkungsgrade bei der Nutzung fossiler Brennstoffe ist hinsichtlich Ressourcenknappheit und Klimawandel ein notwendiges Ziel. Insbesondere für Braunkohle spielt die Reduktion des Wassergehalts und die Energieverdichtung mittels Pyrolyse eine entscheidende Rolle für die Nutzbarmachung der chemischen Energie. Dabei ermöglicht die Trocknung eine Erhöhung der Heizgrade der Verbrennung und die Pyrolyse die Erzeugung von Basischemikalien, wie bspw. Terephtalsäure und Phenol.
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Unter Nutzung geeigneter kationischer Katalysatoren und Verfahren, bspw. Hydro-Cracken, vorausgesetzt, ist zudem eine Kohleraffinerie analog zur Erdölraffinerie möglich. Dabei werden aus dem Kohlenrohstoff zunächst Gase, Naphtha, Treibstoffe und Öle mittels Destillation extrahiert, bevor in der katalytischen Spaltung sauerstoffhaltige Produkte abgespalten und die Kohle für die Pyrolyse vorbereitet wird. Dem Austrag der Pyrolyseprodukte folgend, kann sich schließlich die Vergasung des Koks anschließen, wobei Synthesegas gewonnen wird. Auch in dieser idealen vollständigen Nutzbarmachung von Kohle, insbesondere Braunkohle, spielt die Trocknung und die Pyrolyse der Kohle eine wesentliche Rolle.
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In einem Projekt-Cluster „Braunkohletrocknung“ des BMWi werden von Wissenschaft und Industrie aktuell die Wirbelschichttrocknung mit integrierter Abwärmenutzung (DWT), die druckaufgeladene Dampf-Wirbelschicht-Trocknung (DDWT) und die Mechanisch/Thermische Entwässerung (MTE) untersucht, die eine Reduktion des absoluten Wassergehalts um bis zu 50 % ermöglichen sollen. Bei einer sinnvollen Einbindung der Trocknung in den Wärmekreislauf von Kraftwerksblöcken, sollen so Wirkungsgraderhöhungen von bis zu 5 % realisierbar sein [Martin, J. S.; Löffler, S., Krautz, H. J.: Druckaufgeladene Dampfwirbelschichttrocknung grubenfeuchter Braunkohle – Innovatives Verfahren zur Erhöhung des Kraftwerkswirkungsgrades und Reduzierung der Stromgestehungskosten. 21. Deutscher Flammentag, VDI-Berichte 1750, VDI-Verlag, Düsseldorf, September 2003, ISBN: 3-18-091750-4 und Leidich, F. U.; Breitenfelder, R., Mandel, H.; Krautz, H. J.; Gniazdowski, M.: Development of a lignitefired power plant concept with integrated pressurised fluidised-bed drying and fuel cells. Int. J. Energy Technology and Policy, Vol. 3, Nos. 1/2, Februar 2005, ISSN (Online): 1741-508X – ISSN (Print): 1472-8923].
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Aus dem Stand der Technik sind weitere Verfahren zur Pyrolyse von kohlenstoffhaltigen Ausgangsstoffen, insbesondere von Kohle, bekannt. Die
WO 92/05393 A1 und die
WO 92/14803 A1 beschreiben die Trocknung von Feststoffmaterialien in einem Wirbelschichttrockner, wobei eine Wirbelschicht aus den zu trocknenden Stoffen über einem Heizkörper ausgebildet und Wasserdampf als Heizmedium verwendet wird. Ähnliche Verfahren, bei denen in einer Wirbelschicht bzw. in einem Wanderbett verschiedene Zonen für die Durchführung von Trocknung, Pyrolyse und Verbrennung kohlenstoffhaltiger Stoffe vorgesehen sind, werden in der
EP 0 302 849 A1 bzw. der
WO 2012/110236 A1 offenbart.
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Es sind weiterhin Verfahrenskonzepte zur kontinuierlichen Pyrolyse von Feststoffen bei gleichzeitigem Stofftransport bekannt. In der
DE 10 2008 007 354 A1 wird ein elektrisch beheizter Hochtemperatur Drehrohrofen zur Pyrolyse beschrieben. Aus der
WO 2012/0043194 A1 ist ein Auger-Reaktor bekannt, in dem zu trocknende Biomasse über eine elektrisch geheizte Transportschnecke gefördert wird. Beide Vorrichtungen sollen eine gute Wärmeverteilung im zu trocknenden Material und eine gleichmäßige Pyrolyse ermöglichen. Ein Mehrschrittverfahren zur Vergasung und Verglasung von organischem Material ist in der
WO 2007/133228 A2 beschrieben. Der Massetransport durch Walzen und die elektrische Beheizung mittels einer beheizten Kammer erfolgen dabei getrennt voneinander.
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Es sind zudem Verfahren zur volumenbasierten Pyrolyse bekannt. Ein solches Verfahren, bei dem in einem Fluidleiter stehende Mikrowellen sowie ein Mikrowellenplasma erzeugt werden, ist in der
EP 1 291 076 B1 offenbart. Ein Verfahren zum Aktivieren, insbesondere zum Vergasen kohlenstoffhaltiger Substanzen, in einem mit gepulstem Gleichstrom angeregten Plasma beschreibt auch die
EP 1 558 709 B1 .
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Weiterhin bekannt sind Mischungen dieser Reaktoren-Typen, beispielsweise der in der
US 2007/01962549 A1 offenbarte Vortex-Reaktor, bei dem eine um die Mittelachse des Reaktors kreisende Strömung induziert wird, in der optional mittels Lichtbogen ein Plasma gezündet wird. Ähnliche Reaktortypen, zum Teil mit Wirbelbett, Festbett, Gegenstrom oder Mischungen hiervon, sind in der
US 8,199,790 B2 , der
WO 2004/041974 A1 , der
US 7,622,693 B2 und der
US 2012/0210645 A1 offenbart.
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Die
US 3,924,680 B offenbart ein Verfahren zur in situ Pyrolyse von Kohle, wobei aus einer elektrisch erhitzten Zone einer unterirdischen Kohlenlagerstätte Gas und Flüssigkeiten über eine gasdichte Verbindung an die Oberfläche gefördert werden.
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Beim Wärmeeintrag durch die Oberflächen der zu trocknenden Stoffe hängt die Trocknung maßgeblich von der Wärmeleitfähigkeit des Stoffs ab. Da diese mit zunehmendem Trocknungsgrad abnimmt, sind derartige Verfahren nachteilig zeitaufwendig und hinterlassen häufig eine Restfeuchte.
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Die Erzeugung von Plasmen und Mikrowellenfeldern ist sehr energieintensiv und erfordert zudem spezielle Apparaturen und Kenntnisse. Weiterhin ist der Verschleiß der zur Plasmaerzeugung genutzten Elektroden, insbesondere in Wirbelbett- oder Gegenstromverfahren, und die Notwendigkeit mechanischer Durchmischung zur Vermeidung von nicht angeregten Toträumen nachteilig.
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Der spezifische Widerstand vieler Materialien nimmt mit abnehmender Feuchte zu, was zu einer ungleichmäßigen Trocknung und zur Ausbildung isolierender, den Stromfluss behindernder Oberflächen führt. Daher ist üblicherweise die energetisch nachteilige, konstante Durchmischung des Materials erforderlich.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Pyrolyse von Kohle mit minimalem Verbrauch an elektrischer und mechanischer Energie vorzuschlagen. Zudem soll eine Vorrichtung zur Pyrolyse von Kohle mit geringem Konstruktionsaufwand und hoher Lebensdauer vorgeschlagen werden.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Hauptanspruchs sowie durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 8. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweils rückbezogenen Unteransprüche.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Kohle-Pyrolyse, aufweisend die folgenden Verfahrensschritte:
- a) Beschicken einer Kolonne mit Kohle durch eine Feststoffschleuse,
- b) Absinken der Kohle durch einen Erhitzer mit Elektrodenanordnung,
- c) Erhitzen und Pyrolyse der Kohle durch Widerstanderhitzung im Erhitzer,
- d) Abzug gasförmiger Pyrolyseprodukte unterhalb des Erhitzers,
- e) Austrag der pyrolsierten Kohle unterhalb der Feststoffschleuse,
wobei - i. der Durchsatz der Kohleschüttung durch die Kolonne über die Austragsrate reguliert und
- ii. die Kohleschüttung im Erhitzer auf eine Porosität von maximal 0.42 verdichtet wird.
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Im erfindungsgemäßen Verfahren dient bereits getrocknete oder noch feuchte Rohkohle als Ausgangsstoff. Diese liegt in grob zerkleinerter Form vor und weist insbesondere eine Größe kleiner 20 cm, bevorzugt kleiner 15 cm, besonderes bevorzugt kleiner 10 cm auf. Diese Größe bezieht sich auf den Äquivalentdurchmesser der in Form unregelmäßiger n-Ecke vorliegenden Kohle, insbesondere auf deren volumenäquivalenten Kugeldurchmesser. Sie kann auf gängige Weise durch Sieben und Fraktionieren ermittelt werden. Bei der zugeführten Kohle handelt es sich um Braun- oder Steinkohle.
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Die Kohle wird erfindungsgemäß dem oberen Bereich einer Kolonne durch eine Feststoffschleuse zugeführt. Die Schleuse ist dabei an der Oberseite der Kolonne oder im oberen Bereich einer Seitenwand angeordnet. Die Zufuhr der Kohle erfolgt mit regelbarem Massestrom bzw. mit regelbarer Zuführrate. Die zugeführte Kohle füllt die Kolonne, abgesehen von Hohlräumen, vollständig aus. Die Kolonne weist bevorzugt eine gerade Form mit vertikalen Seitenwänden und besonders bevorzugt eine kreisförmige Grundfläche auf.
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Erfindungsgemäß sinkt die Kohle aufgrund der Schwerkraft in der Kolonne ab. Dabei passiert sie einen Bereich der Kolonne, der als Erhitzer ausgeführt ist und eine Elektrodenanordnung aufweist, wobei die Elektroden an oder in der Wand der Kolonne angeordnet sind. Die Elektroden sind erfindungsgemäß elektrisch gespeist, zwischen Anoden und Kathoden liegt elektrische Spannung an. Ein elektrisches Feld durchdringt somit die durch den Erhitzer sinkende Kohle.
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Aufgrund der Leitfähigkeit der passierenden Kohle, insbesondere des in dieser enthaltenen Graphits und des eventuell enthaltenen Wassers, fließt in der Kohle ein elektrischer Strom. Gemäß dem Jouleschen Gesetz kommt es zu einer Erwärmung der Kohle, die proportional zu der in der Kohle umgesetzten elektrischen Leistung sowie zur Dauer des Stromflusses ist. Die elektrische Leistung hängt von der an den Elektroden angelegten Spannung sowie dem Widerstand der Kohle ab.
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Durch die Erhitzung der Kohle mittels Widerstanderwärmung erfolgt die Trocknung und Pyrolyse der Kohle. Dabei laufen je nach Zusammensetzung der Kohle und der in der Kolonne vorliegenden Atmosphäre verschiedene Pyrolysereaktionen ab. Erfindungsgemäß wird eine Vergasung der Kohle bzw. eine vollständige Umsetzung des organischen Gehalts der Kohle in Gas zumindest weitgehend vermieden. Es entstehen gasförmige Pyrolyseprodukte sowie ein festes Pyrolyseprodukt in Form getrockneter, pyrolisierter Kohle. Bevorzugt erfolgt durch die Pyrolyse eine Verkokung der Kohle, wobei als festes Pyrolyseprodukt Koks und als gasförmiges Pyrolyseprodukt Rohgas gewonnen wird. Aus dem Rohgas lassen sich Teer, Schwefelsäure, Ammoniak, Naphthalin, Benzol und Kokereigas gewinnen.
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Die gasförmigen Pyrolyseprodukte werden unterhalb, bevorzugt direkt unterhalb des Erhitzers aus der Kolonne abgezogen. Bevorzugt wird das Pyrolysegas durch mindestens einen, unterhalb des Erhitzers in der Wandung der Kolonne angeordneten Gasabzug abgezogen. Die pyrolisierte Kohle wird unterhalb der zum Eintrag der Kohle genutzten Feststoffschleuse, vorzugsweise durch eine, an der Unterseite oder im unteren Bereich einer Seitenwand der Kolonne angeordneten Feststoffschleuse aus der Kolonne ausgetragen. Der Kohle-Austrag erfolgt mit regelbarem Massestrom bzw. mit regelbarer Austragsrate.
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Erfindungsgemäß wird der Durchsatz der Kohle durch die Kolonne über die Regelung der Austragsrate der Kohle aus der Kolonne, insbesondere über die Regelung von Zuführ- und Austragsrate, eingestellt. In Abhängigkeit der Querschnittsfläche der Kolonne wird so die Absinkgeschwindigkeit der Kohle, insbesondere im Erhitzer, eingestellt. So wird die Zeitspanne, in der die Kohle dem elektrischen Feld ausgesetzt ist, und, gemäß Jouleschen Gesetz, der Wärmeeintrag in die Kohle bestimmt. Die Erhitzung und Pyrolyse der Kohle wird über die Regelung der Austragsrate, bevorzugt der Zuführ- und Austragsrate, gesteuert.
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Entspricht die Zuführrate, als die pro Zeiteinheit zugeführte Masse an Kohle, identisch oder annähernd der Austragsrate, als der pro Zeiteinheit ausgetragenen Masse an Kohle, dann entspricht sie auch dem Massestrom der Kohle in der Kolonne. Aufgrund des Eigengewichts der Kohle findet lediglich im unteren Bereich der Kolonne und nicht zwangsläufig im Bereich des Erhitzers eine Verdichtung der Kohleschüttung statt. Bevorzugt erfolgt durch Einstellung einer Austragsrate, die geringfügig kleiner ist als die Eintragsrate, eine Verdichtung der Kohleschüttung in der Kolonne, insbesondere im Bereich des Erhitzers.
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Erfindungsgemäß wird in der Kohleschüttung über die Austragsrate eine Porosität von maximal 0.42, bevorzugt maximal 0.35 und besonderes bevorzugt maximal 0.3 eingestellt, wobei in monodispersen Schüttungen eine höhere Porosität eingestellt wird als in polydispersen Schüttungen. Die Porosität (void fraction) ergibt sich dabei als Verhältnis von Hohlraumvolumen und Gesamtvolumen der Kohleschüttung. Eine auf diese Porosität verdichtete Kohleschüttung weist vorteilhaft eine hohe Leitfähigkeit sowie Reaktivität auf und kann Druckanstiege bei der Pyrolyse und Trocknung kompensieren. Die Begrenzung des Anteils gasgefüllter Hohlräume an der Schüttung vermeidet zudem die Entstehung eines Plasmas im Erhitzer, da der Strom stets über die, einen durchgängigen Leiter zwischen Anoden und Kathoden bildende, Kohle abfließt.
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In einer bevorzugten Durchführungsform wird Rohkohle mit einer Korngröße von mindestens 5 mm als Ausgangsstoff verwendet. Die Korngröße bezieht sich auf den Äquivalentdurchmesser, insbesondere den volumenäquivalenten Kugeldurchmesser, und kann auf gängige Weise mittels Sieben und Fraktionieren ermittelt werden. Durch den Ausschluss kleinerer Kohlestücke wird im oberen Bereich der Kolonne vorteilhaft die Entstehung von Stäuben in der Kolonne und damit die Gefahr einer Plasmazündung und/oder Detonation vermieden. Zudem werden im unteren Bereich der Kolonne ein zu starkes Kompaktieren der Kohle und ein ungewolltes Aufstauen der Kohleschüttung vermieden.
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Die Atmosphäre in der Kolonne enthält vorzugsweise mindestens 30 Vol.-%, bevorzugt mindestens 40 Vol.-% und besonders bevorzugt mindestens 50 Vol.-% Kohlendioxid. Mit der Zuleitung von Kohlendioxid nimmt gleichermaßen der Anteil an Sauerstoff in der Kolonne ab. Besonders bevorzugt beträgt der Gesamtsauerstoffgehalt in der Kolonne maximal 20 Vol.-%, bevorzugt maximal 15 Vol.-% und besonders bevorzugt maximal 10 Vol.-%. Der Sauerstoffmangel ist dabei Vorrausetzung für viele Pyrolysereaktionen, begrenzt die Oxidation von Kohlenstoff und mindert die Detonationsgefahr in der Kolonne. Besonders bevorzugt besteht die Atmosphäre in der Kolonne ausschließlich aus Kohlendioxid und Wasserdampf. In dieser Atmosphäre kann die Oxidation der Kohle annähernd vollständig vermieden werden, was vorteilhaft die Temperatur niedrig und die Umsatzraten der konkurrierenden Pyrolysereaktionen hoch hält.
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Das zugeleitete Kohlendioxid reagiert weiterhin vorteilhaft mit dem glühenden Kohlestaub in der stark endothermen Boudouard-Reaktion. Vorteilhaft ist somit die Temperatur in der Kolonne über die Menge des zugeführten Kohlendioxids regelbar. Besonders bevorzugt wird die Temperatur in der Kolonne auf unter 1400 K, bevorzugt zwischen 400 K und 1400 K, besonders bevorzugt zwischen 900 K und 1400 K eingestellt. Dieser Temperaturbereich ist für die Verkokung der Kohle besonders vorteilhaft. Besonders bevorzugt wird im Bereich der Elektroden verstärkt Kohlendioxid zugeführt, um durch Absenken von Temperatur und lokaler Sauerstoffkonzentration die Gefahr eines Elektrodenbrands zu minimieren.
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Die Elektroden sind im Erhitzer vorzugsweise so angeordnet, dass die Summe der senkrechten Verbindungen zwischen Anoden und Kathoden annähernd den gesamten Querschnitt der Kolonne überstreicht. In vertikaler Richtung erstrecken sich die Elektroden bevorzugt über die gesamte Höhe des Erhitzers. Eine Erwärmung der absinkenden Kohle findet somit vorteilhaft annähernd im gesamten Volumen des Erhitzers statt. Bei segmentierten Elektroden können zwischen einzelnen Anoden und Kathoden einzeln regelbare Spannungen angelegt werden, wodurch vorteilhaft Temperaturgradienten und verschiedene Reaktionszonen erzeugbar sind.
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Zwischen den Elektroden wird Gleich- oder Wechselspannung angelegt, wobei vorzugsweise Gleichspannung angelegt wird. Zur Widerstandserwärmung tragen stark überwiegend die ohmschen Komponenten eines ggf. komplexen Widerstandes bei, wohingegen die induktiven und kapazitiven Anteile nahezu keinerlei Erwärmung bewirken. Demnach wird mit Gleichstrom vorteilhaft eine höhere Wärmeausbeute aus der elektrischen Leistung erzielt.
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Bevorzugt ist die zwischen den Elektroden anliegende elektrische Spannung neben der Austragsrate eine weitere wesentliche Regelgröße. Besonders bevorzugt ist das gesamte Verfahren ausschließlich über die Einstellung von Zuführ- und Austragsrate und der angelegten Spannungen regelbar. Anhand der Raten wird die Absinkgeschwindigkeit und somit die Verweilzeit der Kohle im Erhitzer und anhand der Spannung die über der Kohle abfallende elektrische Leistung eingestellt. Die Aufheizraten und Endtemperaturen der Kohle im Erhitzer hängen somit von der Austragsrate der Kohle aus der Kolonne sowie von der an den Elektroden anliegenden Spannungen ab. Gemäß dem Jouleschen Gesetz sind Endtemperatur und Aufheizraten der zugeführten Kohle somit vorteilhaft vollständig über die Regelgrößen Spannung und Austragsrate regelbar. Ablauf und Reaktionsprodukte der Pyrolyse hängen maßgeblich von Aufheizraten und Endtemperaturen ab, somit sind diese ebenfalls anhand weniger Regelgrößen einstellbar. Durch die Inhomogenität der Kohle verursachte Temperaturschwankungen werden vorteilhaft durch Zuleitung von Kohlendioxid kurzfristig ausgeglichen.
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Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist eine Kolonne zur Kohle-Pyrolyse mittels Widerstandserhitzung, aufweisend:
- a) eine obenseitig angeordnete Feststoffschleuse zum Kohleeintrag,
- b) ein unterhalb der Feststoffschleuse angeordnetes Mittel zum Kohleaustrag,
- c) einen in der Kolonne angeordneten oder als Teil der Kolonne ausgebildeten Erhitzer,
i. angeordnet zwischen der Feststoffschleuse und dem Mittel zum Kohleaustrag,
ii. aufweisend mindestens einen seitlich zumindest teilweise von Elektroden begrenzten Bereich und
iii. mindestens eine mit mindestens zwei Elektroden verbundene Spannungsquelle,
- d) einen zwischen Erhitzer und dem Mittel zum Kohleaustrag angeordneten Gasabzug.
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Bei der erfindungsgemäßen Kolonne handelt es sich gattungsgemäß um einen industriellen Reaktor mit länglicher Gestalt, insbesondere mit einer, im Vergleich zu den anderen Abmessungen, großen Höhe. Die Kolonne ist gattungsgemäß hohl und bevorzugt zylinder- oder hohlzylinderförmig ausgebildet.
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An der Oberseite oder im oberen Bereich einer Seitenwand der Kolonne ist eine Feststoffschleuse zum Kohleeintrag, vorzugsweise mit regelbarem Massestrom, angeordnet. An der Unterseite oder im unteren Bereich einer Seitenwand der Kolonne ist ein Mittel zum Kohleaustrag angeordnet.
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Zwischen der Feststoffschleuse und dem Mittel zum Kohleaustrag weist die Kolonne erfindungsgemäß einen Erhitzer auf, der als Einbau in der Kolonne angeordnet oder als Teil der Kolonne ausgestaltet ist. Der Erhitzer weist mindestens einen, seitlich zumindest teilweise von Elektroden begrenzten Bereich auf, wobei die Elektroden an oder in der Kolonnenwand angeordnet sind. Somit stellen die Elektroden im Erhitzer bevorzugt einen Teil der seitlichen Begrenzung der Kolonne dar. Die Elektroden werden mindestens paarweise über eine Spannungsquelle elektrisch gespeist, so dass ein elektrisches Feld zwischen mindestens einer Anode und einer Kathode besteht.
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Die erfindungsgemäße Kolonne weist weiterhin einen zwischen dem Erhitzer und dem Mittel zum Kohleaustrag angeordneten Gasabzug auf. Bei dem Abzug handelt es sich vorzugsweise um ein regelbares Ventil.
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Die erfindungsgemäße Kolonne ermöglicht vorteilhaft die Trocknung und Pyrolyse von Kohle durch Widerstandserhitzung. Besonders vorteilhaft ist das gesamte Verfahren dabei über die Einstellung von wenigen Prozessgrößen, insbesondere von Zuführ- und Austragsrate und der elektrischen Spannung zwischen den Elektroden, regelbar. Die erfindungsgemäße Kolonne stellt somit eine konstruktiv einfache und ökonomisch sinnvolle Anordnung zur Kohletrocknung und -pyrolyse mittels Widerstandserhitzung dar. Besonders bevorzugt handelt es sich bei der Kolonne um zumindest annähernd vertikal orientierte Rohrleitungen für eine Kohleschüttung mit regelbarem Massestrom, in die ein Erhitzer mit Elektrodenanordnung und ein Gasabzug intergiert sind.
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Das Mittel zum Kohleaustrag ist vorzugsweise als Förderschnecke mit am Förderende angeschlossenem Auslasstrichter ausgebildet. Die Förderschnecke ist dabei am Boden der Kolonne angeordnet und transportiert pyrolisierte Kohle in annähernd horizontaler Richtung zu einem Auslasstrichter, der sich ggf. außerhalb der Kolonnen befindet. Alternativ kann ein Förderband anstelle der Förderschnecke angeordnet sein, ebenfalls bevorzugt handelt es sich bei dem Mittel zum Kohleaustrag um eine zweite Feststoffschleuse. Die Verwendung einer Förderschnecke ermöglicht vorteilhaft eine elektro-thermische Nachpyrolyse. Dazu ist die Förderschnecke elektrisch geheizt oder als Elektrode ausgebildet, wobei ein die Schnecke außerhalb der Kolonnen umgebendes Gehäuse als Masse wirkt.
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Die Elektrodenanordnung im Erhitzer ist bevorzugt derart ausgestaltet, dass die Summe der senkrechten Verbindungen zwischen Anoden und Kathoden zumindest annähernd den gesamten Querschnitt der Kolonne überstreicht. Dies kann mit verschiedenen Elektrodenanordnungen erzielt werden. Besonders bevorzugt sind die Elektroden segmentiert, um vorteilhaft einzeln ansteuerbar zu sein. So können verschiedene Spannungen zwischen verschiedenen, vorzugsweise wechselnden, Elektrodenpaaren angelegt und somit Temperaturgradienten und verschiedene Pyrolysezonen realisiert werden. Weiterhin bevorzugt weisen die Elektroden eine strukturierte und vergrößerte Oberfläche auf, um den Kontakt mit der in der Kolonne absinkenden Kohle zu intensivieren. Durch die vergrößerte Kontaktfläche werden vorteilhaft die Kontakttemperaturen sowie der Elektrodenverschleiß minimiert.
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Besonders bevorzugt sind die Elektroden des Erhitzers als konzentrische, in vertikaler Richtung erstreckte Kreisringe ausgebildet. Dies setzt voraus, dass die Kolonne, zumindest im Bereich des Erhitzers, als Hohlzylinder ausgestaltet ist. Vorteilhaft ist mit konzentrischen Anoden- und Kathodenringen der gesamte Querschnitt der hohlzylinderförmigen Kolonne von einem elektrischen Feld durchsetzt. Somit ist auf konstruktiv einfache Art eine besonders gleichmäßige Erhitzung der Kohleschüttung realisierbar.
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Um den thermischen Verschleiß an der Kolonnenwand, an Einbauten und insbesondere den Elektroden zu minimieren, sind bevorzugt an oder in der Wandung der Kolonne, insbesondere im Bereich des Erhitzers, Kühlvorrichtungen vorgesehen. Diese Kühlvorrichtungen sind vorzugsweise als in der Kolonnendoppelwand angeordnete Kühlmittelleitungen ausgebildet. Weiterhin bevorzugt ist die Kolonne, zumindest im Bereich des Erhitzers, mit einer hochtemperaturbeständigen Ausstattung, bspw. Beschichtung, versehen. Gesonderte Kühlvorrichtungen sind für die Elektroden vorgesehen, die vorzugsweise selbst Kühlmittel durchflossen ausgebildet sind und/oder mittels geeigneter Gaszuleitungen mit Kohlendioxid beaufschlagt werden können. Das Kohlendioxid sorgt aufgrund der endothermen Boudouard-Reaktion für eine lokale Abkühlung an der Elektrodenoberfläche.
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In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltung sind die Elektroden von leitenden Komponenten der Kolonne elektrisch isoliert, um Leckströme und ungewollte Spannungsüberschläge zu vermeiden. Somit kann das, der Erhitzung der Kohle dienende elektrische Feld, vorteilhaft ortsgenau eingestellt werden. Dies ist insbesondere für die Einstellung von Temperaturgradienten und verschiedenen Reaktionszonen vorteilhaft.
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Die Spannungsquelle oder die Spannungsquellen sind bevorzugt als Gleichstromquellen ausgebildet, da Gleichstrom, bezogen auf die elektrische Leistung, vorteilhaft eine bessere Wärmeausbeute ermöglicht als Wechselstrom.
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Weiterhin Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung einer erfindungsgemäßen Kolonne zur Kohletrocknung und zur Kohlepyrolyse. Besonders bevorzugt ist die Verwendung der erfindungsgemäßen Kolonne zur Kohletrocknung und zur Kohlepyrolyse im erfindungsgemäßen Verfahren.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und von Abbildungen näher erläutert, ohne darauf beschränkt zu sein. Dabei zeigen:
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1: eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Kohletrocknung und Pyrolyse in einer Seitenansicht,
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2: eine schematische Darstellung des Widerstandserhitzers in einer Längs- und einem Querschnitt,
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3: eine schematische Darstellung der Elektrodenoberfläche in einer Draufsicht und einem Querschnitt.
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In der in 1 gezeigten erfindungsgemäßen Vorrichtung wird feuchte Rohkohle 1 über eine trichterförmige druckbespannte Feststoffschleuse 2 einer Kolonne 3 zugeführt. In einem durch elektrische Widerstände 7 abgetrennten Erhitzer 4 wird die Kohle anschließend mittels durch Gleichstrom induzierter ohmscher Wärme getrocknet und pyrolisiert. Die entstehenden Pyrolyseprodukte werden unmittelbar unterhalb des Erhitzers 4 durch einen Gasabzug 6 abgezogen. Die Geschwindigkeit, mit der sich die Kohle dabei durch den Erhitzer 4 und den unteren Teil der Kolonne 5 bewegt, wird durch eine Transportschnecke 9 bestimmt. Diese befördert die pyrolisierte Kohle über einen Auslasstrichter 11 in einen Koksauffangbehälter 10. Der Druckverlust in diesem Teil der Anlage macht eine weitere Druckschleuse am Auslasstrichter 11 unnötig.
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Das in 2 dargestellte detaillierte Schema des Erhitzers 4 zeigt dessen unteren Teil, wobei sich oberhalb, wie durch Spiegelachse 40 definiert, ein identischer oberer Teil anschließt. Eine Gleichstromquelle 8 versorgt die Kathoden 32 und die Anoden 31 mit Energie. Die Elektroden 31, 32 haben eine Ringform und sind konzentrisch um die Drehachse 39 und in vertikaler Richtung segmentiert und übereinander angeordnet. Die Trocknung und Pyrolyse der Rohkohle findet im Reaktionsraum 36 zwischen den Elektroden 31, 32 bei einer Betriebstemperatur von T = 600 °C statt. Die Elektroden 31, 32 bestehen aus Metall und besitzen eine spezielle Oberflächenstruktur, die einen größeren Kontakt mit den Kohlepartikeln herstellt und somit die entstehende Wärme an den Kontaktstellen gleichmäßiger verteilt. Zur Kühlung der Kathoden 32 ist an der Außenwand eine Kühlung 38 angebracht und zur Kühlung der Anoden 31 existiert ein, um die Drehachse 39 angeordneter Anodenkühlraum 37. Weiterhin können zum Zweck der Materialschonung und Regulierung die Elektroden 31, 32 über eine Steuerung zu- und abgeschaltet werden.
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Ein elektrischer Isolator 33 umgibt die Elektroden 31, 32 und grenzt diese zu elektrisch leitenden Bauteilen des Erhitzers 4 ab. Umgeben wird der Erhitzer 4 von seiner Außenwand 34 sowie von Querverbindern 35 unterhalb und oberhalb, die die innere Konstruktion um die Anoden 31 fixieren. Beim Auftreten zu hoher Drücke innerhalb des Erhitzers 4 kann Gas über ein Überdruckventil 41 abgeleitet werden.
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Ein detailliertes Schema der Kathoden 32 und Anoden 31 ist in 3 gezeigt. Lokale Vertiefungen 42 in den Elektroden 41 sorgen für eine größere mögliche Kontaktfläche zwischen den Elektroden 41 und der Kohle. Der Stromfluss von der Elektrodenoberfläche zum Kohlepartikel wird gleichmäßiger verteilt, was die Kontakttemperaturen reduziert und mithin den Elektrodenverschleiß reduziert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- feuchte Rohkohle
- 2
- Feststoffschleuse
- 3
- Kolonne
- 4
- Erhitzer
- 5
- unterer Teil der Kolonne
- 6
- Abzug für Pyrolyseprodukte
- 7
- elektrische Widerstände, (regelbar)
- 8
- Gleichstromquelle
- 9
- Transportschnecke
- 10
- Koksauffangbehälter
- 11
- Auslasstrichter
- 31
- Anoden
- 32
- Kathoden
- 33
- elektrischer Isolator
- 34
- Außenwand
- 35
- Querverbinder
- 36
- Reaktionsraum
- 37
- Anodenkühlraum
- 38
- Kathodenkühlung
- 39
- Drehachse
- 40
- Spiegelachse
- 41
- Überdruckventil
- 51
- Elektrode
- 52
- lokale Vertiefung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 92/05393 A1 [0005]
- WO 92/14803 A1 [0005]
- EP 0302849 A1 [0005]
- WO 2012/110236 A1 [0005]
- DE 102008007354 A1 [0006]
- WO 2012/0043194 A1 [0006]
- WO 2007/133228 A2 [0006]
- EP 1291076 B1 [0007]
- EP 1558709 B1 [0007]
- US 2007/01962549 A1 [0008]
- US 8199790 B2 [0008]
- WO 2004/041974 A1 [0008]
- US 7622693 B2 [0008]
- US 2012/0210645 A1 [0008]
- US 3924680 B [0009]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Martin, J. S.; Löffler, S., Krautz, H. J.: Druckaufgeladene Dampfwirbelschichttrocknung grubenfeuchter Braunkohle – Innovatives Verfahren zur Erhöhung des Kraftwerkswirkungsgrades und Reduzierung der Stromgestehungskosten. 21. Deutscher Flammentag, VDI-Berichte 1750, VDI-Verlag, Düsseldorf, September 2003, ISBN: 3-18-091750-4 [0004]
- Leidich, F. U.; Breitenfelder, R., Mandel, H.; Krautz, H. J.; Gniazdowski, M.: Development of a lignitefired power plant concept with integrated pressurised fluidised-bed drying and fuel cells. Int. J. Energy Technology and Policy, Vol. 3, Nos. 1/2, Februar 2005, ISSN (Online): 1741-508X – ISSN (Print): 1472-8923 [0004]
