DE102014014154A1

DE102014014154A1 - Verfahren und Vorrichtung für die Festbettdruckvergasung

Info

Publication number: DE102014014154A1
Application number: DE102014014154.3A
Authority: DE
Inventors: Bernd Meyer; Dieter Eidner; Michaela Nguyen
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-07-29
Filing date: 2014-07-29
Publication date: 2016-02-04

Abstract

Die spezifische Leistung von Festbettvergasern wird durch die Bildung von Feinkorn und den Austrag von Staub begrenzt. Die bisher bekannten technischen Lösungen führen gemeinhin zu einer einseitigen Ausbildung der Strömung in Richtung des Gasabganges. Dadurch erwärmt sich der Vergasungsstoff über den Vergaserquerschnitt nicht gleichförmig, womit die Feinkornbildung begünstigt und der Staubaustrag erhöht wird. Das dargestellte Verfahren und die zugehörige Vorrichtung tragen zur Egalisierung des Strömungsprofils bei. Um innerhalb eines Vergasers eine gleichmäßige Durchströmung zu ermöglichen, wird die Schüttungsoberfläche an der Grenze zum Gassammelraum mit Erhöhungen und Vertiefungen in Form von Kämmen und Tälern versehen, die gleichmäßig über die Oberfläche der Schüttung verteilt sind. Diese strukturierte Formung der Schüttungsoberfläche wird durch die Ausführung des unteren Rand des statischen Kohleverteilers erzeugt. Die Erfindung betrifft ein Verfahren und die zugehörige Vorrichtung für die Festbettdruckvergasung zur Erhöhung der spezifischen Vergaserleistung und der Teerausbeute.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und die zugehörige Vorrichtung für die Festbettdruckvergasung zur Erhöhung der spezifischen Vergaserleistung und der Teerausbeute.
Vergaser für die Festbettdruckvergasung werden aus ökonomischen Gründen mit hoher Leistung betrieben. Entscheidend für die erreichbare Leistung des Vergasers ist dabei der Austrag von Staub mit dem Rohgas. Ein hoher Staubaustrag stellt einen Verlust an Vergasungsstoff dar und erschwert die Aufbereitung des Rohgases und der bei der Entgasung gebildeten Kohlenwasserstoffe.
Die anfallende Staubmenge wird im Wesentlichen durch mit dem Vergasungsstoff eingetragenes primäres Feinkorn und die Bildung von sekundärem Feinkorn bei der Erwärmung, Trocknung, Entgasung und Vergasung des Vergasungsstoffes bestimmt.
Bedingt durch hohe Temperaturgradienten sind die Partikel des Vergasungsstoffes vor allem in den Teilprozessen Erwärmung, Trocknung und Entgasung hohen thermischen Beanspruchungen ausgesetzt, die zum Zerfall der Partikel und somit zur sekundären Bildung von Feinkorn führen. Weiterhin entsteht Feinkorn durch die mechanische Beanspruchung der Partikel bei der Abwärtsbewegung der Schüttung.
Durch den Zerfall der Partikel und die Bildung von Feinkorn verschlechtert sich die Durchströmbarkeit der Schüttung in einem hohen Maße. Im Extremfall wird die Wirbelpunktsgeschwindigkeit erreicht und die Schüttung wird instabil. Eine solche Instabilität führt zu einem stoßweise auftretenden hohen Staubaustrag und zur Ausbildung bevorzugt durchströmter Bereiche in der Schüttung, wodurch sich auch die Teerausbeute verringert.
Die thermische und mechanische Stabilität der Vergasungsstoffe ist dabei für die Bildung von Feinkorn und den Staubaustrag und somit für erreichbare spezifische Vergaserleistungen von entscheidender Bedeutung. Die Festigkeit gegenüber thermischen und mechanischen Beanspruchungen nimmt in der Reihenfolge Steinkohle – Hartbraunkohle – Weichbraunkohle ab. Somit sind in der Regel beim Einsatz von nicht- oder schwachbackenden Steinkohlen die höchsten und beim Einsatz von Weichbraunkohlen die niedrigsten spezifischen Vergaserleistungen erzielbar.
Weichbraunkohlen werden meist als Braunkohlenbriketts eingesetzt. Diese zerfallen im Oberteil des Vergasers besonders stark und produzieren viel Feinkorn. Die sich bildende Schüttung wird daher bereits bei niedrigen spezifischen Vergaserleistungen instabil und es kommt zum stoßweisen Austrag großer Staubmengen. Insbesondere im Zusammenhang mit dem Einsatz von Briketts aus Weichbraunkohle hat man sich deshalb sehr intensiv mit der Problematik der Feinkornbildung sowie der Durchströmbarkeit der sich bildenden Schüttung beschäftigt und eine Reihe von Vorschlägen zur Verringerung des Staubaustrags erarbeitet.
Zur Verringerung der thermischen Beanspruchung durch Senkung der Temperatur im Oberteil des Vergasers wird vorgeschlagen:

• in DD38791 und DD136505 die Abführung einer Teilmenge des erzeugten Vergasungsgases über einen gesonderten Gasabgang,
• in DD120043 und DD121796 die Erhöhung des Wassergehalts des Vergasungsstoffes,
• in DD26392 und DD138221 das Einleiten von Gaswasser bzw. Staub-Dickteer-Produkt.

Zur Einschränkung bzw. Eliminierung der Bildung von Kanälen in der Schüttung werden in DD148641 und DD148642 spezielle Kohleverteiler vorgeschlagen, die mit Gasdurchtrittsöffnungen versehen sind und somit ein Anheben der Schüttung nach Überschreiten der Stabilitätsgrenze verhindern sollen.
In DD145403 und DD152805 wird die Anordnung von Auflockerungselementen in der Schüttung vorgeschlagen, durch die eine gleichmäßige Verteilung sich bildender Strömungskanäle erreicht werden soll. In DD280776 , DD280777 , DD280778 und DD280779 werden spezielle Kohleverteiler vorgeschlagen, die einen ringförmigen Gassammelkanal oder, über den Vergaserquerschnitt verteilt, eine Reihe von Gassammelräumen zur Erzeugung einer gleichmäßigen Schüttbewegung und Gasströmung bilden.
Zur Rückhaltung von Staub wird in DD150906 ein waagerecht durchströmter Schüttschichtfilter im Kohleverteiler vorgeschlagen. In DD218774 wird vorgeschlagen, den mit Vergasungsstoff gefüllten Raum des Kohleverteilers für die Vorwärmung, Trocknung und Teilentgasung des Vergasungsstoffes durch die Thermik der Gasströmungen zu nutzen.
Trotz langjähriger, umfangreicher Bemühungen zur Senkung des Staubaustrages bei der Vergasung wurde von der Fachwelt ein entscheidender Aspekt nicht erkannt. Im Gassammelraum, der u. a. als Beruhigungsraum fungiert, setzt sich ein Teil des aus der Schüttung ausgetragenen Feinkorns ab und bildet auf der Oberfläche der Schüttung Feinkornablagerungen. Diese Ablagerungen, die die Schüttung je nach Feinkornanfall mehr oder weniger bedecken, haben im Vergleich zur normalen Schüttung einen sehr hohen Strömungswiderstand.
Die Folge davon ist, dass die Schüttung unterhalb der Ablagerungen kaum noch vom Rohgas durchströmt wird. Unter diesen Bedienungen kann das abgelagerte Feinkorn wieder in die unterhalb gelegene Schüttung gelangen und mit der Schüttung im Vergaser abwärts wandern. Dabei füllt das Feinkorn das Lückenvolumen der Schüttung weitgehend aus und macht diesen Bereich nahezu undurchströmbar.
Die Ablagerungen an der Obergrenze der Schüttung zum Gassammelraum führen somit dazu, dass der obere Bereich der Schüttung sehr unregelmäßig durchströmt wird.
Die nicht mit Feinkorn überlagerten Bereiche werden mit einer hohen Strömungsgeschwindigkeit vom Gas durchströmt, die ein Mehrfaches der auf den gesamten Querschnitt bezogenen mittleren Geschwindigkeit erreichen kann. Die Strömungsgeschwindigkeit unterhalb des von Feinkorn überlagerten Bereiches ist währenddessen sehr gering. In den Bereichen stark erhöhter Strömungsgeschwindigkeiten wird gröberes Gut aus der Schüttung ausgetragen, welches durch Gasstrahlen in die höheren Bereiche des Gassammelraumes und damit in den Gasabgang gelangen und aus dem Vergaser ausgetragen werden kann.
Die Abführung von Feinkorn als Staub mit dem Rohgas über den Gasabgang wirkt der Ablagerung von Feinkorn im Bereich unterhalb des Gasabgangs entgegen. Bei der Ausführung des Vergasers mit einem ringförmigen Gassammelraum zwischen dem Vergaserinnenmantel und einem als Kohlefüllschacht ausgebildeten statischen Kohleverteiler sowie einer einseitigen Gasabführung bleibt die Schüttung somit unterhalb des Gasabganges weitgehend frei von Ablagerungen, während die übrigen Bereiche nahezu vollständig von Feinkorn überlagert sein können.
Die Folge davon ist, dass die Hauptmenge des Rohgases über einen relativ kleinen Bereich der oberen Schüttung in den Gassammelraum strömt. Diese einseitige Strömung bedingt eine einseitige Ausbildung der Reaktionszonen. Im Bereich der hohen Strömungsgeschwindigkeiten laufen die Prozesse der Trocknung und Entgasung mit erhöhter Geschwindigkeit ab, sodass diese Zonen hier eine geringere Mächtigkeit haben als im restlichen, flächenmäßig überwiegenden Vergaserquerschnitt.
Diese durch die Ablagerung von Feinkorn bedingten Strömungsverhältnisse können sich ebenfalls ausbilden, wenn sich beim Einsatz backender Kohlen Schmelzverbünde bilden. Bereiche mit einer starken Bildung von Schmelzverbünden werden nahezu undurchströmbar und die restlichen Querschnitte werden mit stark erhöhter Geschwindigkeit durchströmt.
Da der Bereich der Schüttung unterhalb des Gasabganges bei einer einseitigen Abführung des Rohgases aus dem Vergaser stärker durchströmt wird und sich Schmelzverbünde häufig bei geringen Aufheizgeschwindigkeiten und damit geringer Durchströmung bilden, bleibt der Bereich unterhalb des Gasabganges in diesem Fall weitgehend frei von Schmelzverbünden und es kommt zur Ausbildung einer einseitigen Strömung.
Die Tendenz zur Bildung von Schmelzverbünden wird zusätzlich durch Feinkornablagerungen verstärkt, da in den Bereichen unterhalb einer Feinkornablagerung geringe Strömungsgeschwindigkeiten und somit geringe Aufheizgeschwindigkeiten vorliegen.
Der beschleunigte Prozessablauf bedingt eine höhere thermische Beanspruchung des Vergasungsstoffes und somit einen stärkeren Zerfall, eine erhöhte Feinkornbildung sowie eine Verringerung der Teerausbeute. Das Feinkorn, welches bei der hohen Strömungsgeschwindigkeit als Staub über den Gasabgang aus der Schüttung und dem Vergaser ausgetragen wird, begrenzt die Leistung des Vergasers.
Ziel der Erfindung ist die Erhöhung der spezifischen Vergaserleistung und der Teerausbeute bei der Festbettdruckvergasung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und die zugehörige Vorrichtung zu entwickeln, welche die einseitige Ablagerung von Feinkorn auf der Oberfläche der Schüttung an der Grenze zum Gassammelraum vermeiden.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass die Oberfläche der Schüttung an der Grenze zum Gassammelraum mit Erhöhungen und Vertiefungen in Form von Kämmen und Tälern versehen ist, die gleichmäßig über die Oberfläche der Schüttung verteilt sind. An den Kämmen böscht sich der Vergasungsstoff zu den Tälern ab. Die so gebildeten Hänge sind dabei näherungsweise unter dem Böschungswinkel α des Vergasungsstoffes gegen die Horizontale geneigt.
Diese aus Kämmen, Tälern und verbindenden Hängen gebildete Oberfläche der Schüttung wird erfindungsgemäß dadurch erzeugt, dass der untere Rand des statischen Kohleverteilers, an dem sich der Vergasungsstoff abböscht, zacken- oder wellenförmig ausgebildet ist. Die Zacken können als gleichschenklige Dreiecke oder Trapeze ausgeführt sein.
Beim Einsatz gleichschenkliger Dreiecke bilden sich vorrangig spitze Kämme und Täler, während bei der Verwendung gleichschenkliger Trapeze Kämme und Täler mit einer waagerechten Ober- bzw. Unterkante entstehen. Da sich die Schüttung von den Kämmen zu den Tälern abböscht, sollten die Schenkel der Dreiecke oder Trapeze näherungsweise unter dem Böschungswinkel α des Vergasungsstoffes gegen die Horizontale geneigt sein. Bei der wellenförmigen Ausbildung des unteren Randes des statischen Kohleverteilers können kuppenförmige Kämme und muldenförmige Täler erzeugt werden.
Bei einer auf diese Weise gestalteten Oberfläche der Schüttung lagert sich Feinkorn erst dann auf den Kämmen ab, wenn die Täler weitgehend mit Feinkorn ausgefüllt sind.
Die Schichthöhe der Feinkornablagerungen ist somit auf den Kämmen wesentlich geringer als in den Tälern. Je höher die Feinkornablagerungen sind, desto niedriger ist die Strömungsgeschwindigkeit in der unterhalb befindlichen Schüttung. Somit strömt das Rohgas desto stärker über die Kämme in den Gassammelraum, je größer die Ablagerungen von Feinkorn in den Tälern sind. Bei hohen Feinkornablagerungen ist es möglich, dass nahezu die gesamte Rohgasmenge über die Kämme in den Gassammelraum gelangt, wodurch sich im Bereich der Kämme Wirbelschichten in Form von Strahlschichten ausbilden können.
Durch eine regelmäßige Verteilung der Kämme und Täler ist eine gleichmäßige Verteilung der Bereiche hoher und niedriger Strömungsgeschwindigkeiten auf die Oberfläche der Schüttung zum Gassammelraum erreichbar.
Durch diese aus der Gestaltung der Oberfläche der Schüttung resultierende wechselweise Ausbildung von Bereichen mit hoher und niedriger Durchströmung wird beim Einsatz backender Kohlen die großflächige Ausbildung von Schmelzverbünden eingeschränkt. Infolge der Ablagerung von Feinkorn in den Tälern bilden sich bei höherer Feinkornbildung Schmelzverbünde vorrangig im Bereich unterhalb der Täler.
Neben der Ablagerung von Feinkorn haben die Höhe der zu durchströmenden Schüttung und Entmischungserscheinungen Einfluss auf die Ausbildung der Strömung unterhalb der Schüttgutoberfläche. Deshalb können sich bei geringerer Feinkornbildung Schmelzverbünde auch bevorzugt unterhalb der Kämme bilden.
Gegenüber einer einseitigen Ausbildung der Strömung ist eine solche Egalisierung des Strömungsprofils über den Vergaserquerschnitt in jedem Fall sehr vorteilhaft, da sich dadurch die Temperaturprofile gleichförmiger über den Vergaserquerschnitt ausbilden und somit eine wesentlich geringere Schichthöhe für die einzelnen Reaktionszonen erforderlich ist. Die thermische Beanspruchung auf den Vergasungsstoff wird herabgesetzt, wodurch sich der Partikelzerfall verringert und die Teerausbeute erhöht.
Durch die verminderte Feinkornbildung kann eine Reduktion des Staubaustrages bzw. eine Erhöhung der spezifischen Vergaserleistung erreicht werden.
Um die Höhe der Feinkornablagerungen zu begrenzen, muss abgelagertes Feinkorn, welches nicht von der unterhalb befindlichen Schüttung aufgenommen werden kann, zum Gasabgang transportiert werden. Abstand und Höhenlage der Kämme und Täler sind deshalb so zu wählen, dass ein Feinkorntransport in Richtung Gasabgang erfolgen kann. Bei seitlicher Abführung des Rohgases aus dem Vergaser sind die Kämme und Täler bezüglich des Gasabganges deshalb erfindungsgemäß so anzuordnen, dass sich unterhalb des Gasabganges ein Tal und dazu diametral ein Kamm befindet.
Im einfachsten Fall werden an der Oberfläche der Schüttung zum Gassammelraum nur ein Kamm und ein Tal gebildet, wobei wiederum bei einem einseitigen Gasabgang die Talsohle unterhalb dieses Gasabganges angeordnet ist. Eine solche Ausbildung der Schüttungsoberfläche erleichtert den Feinkorntransport in Richtung des Gasabganges, da die Oberfläche der Schüttung durchgängig zwischen dem Kamm und dem Tal in Richtung des Tales und damit auch des Gasabganges abfällt.
Eine solche Schüttgutoberfläche kann erfindungsgemäß dadurch erzeugt werden, dass der untere Rand des statischen Kohleverteilers, an dem sich der Vergasungsstoff abböscht, unter einem Winkel, der kleiner als der Böschungswinkel α des Vergasungsstoffes ist, gegen die Horizontale in Richtung des Gasabganges abwärts geneigt ist.
Auf diese Weise wird der bisher übliche, bezüglich der Vergaserachse rotationssymmetrische, statische Kohleverteiler im Bereich des unteren Randes bezüglich der Höhe asymmetrisch. Der untere Rand eines solchen asymmetrischen statischen Kohleverteilers kann nunmehr erfindungsgemäß ebenfalls zacken- und wellenförmig ausgeführt sein.
Wird bei einem seitlichen Gasabgang ein solcher im unteren Bereich asymmetrischer Kohleverteiler so angeordnet, dass sich unterhalb des Gasabganges das tiefste Tal ausbildet, nimmt die Höhe der Kämme und Täler in Richtung des Gasabganges ab.
Dies begünstigt den Feinkorntransport in Richtung Gasabgang.
Die maximale Höhe der sich bildenden Feinkornablagerungen hängt von der Höhenlage des Gasabganges am Vergaser ab. Je größer die Höhendifferenz zwischen der Obergrenze der Schüttung zum Gassammelraum und dem Gasabgang ist, desto höher kann die Feinkornschicht, und damit ihr Einfluss, werden. Bei hohen Feinkornablagerungen können sich im Bereich der Kämme Strahlschichten ausbilden, über die der Feinkorntransport zum Gasabgang erfolgen muss. Durch die Zahl und die Form der realisierten Kämme und Täler sowie die Höhenlage des Gasabgangs kann somit eine Anpassung an die Eigenschaften des Vergasungsstoffes erfolgen.
Die Aufheizgeschwindigkeit im Bereich dicht unter der Schüttgutoberfläche, die für die Bildung von Schmelzverbünden entscheidend ist, kann ebenfalls durch die Höhenlage der Schüttgutoberfläche beeinflusst werde. Wird der untere Rand des statische Kohleverteilers beim Einsatz backender Kohlen mit geringem Feinkornanfall daher erfindungsgemäß in Richtung des Gasabganges so gegen die Horizontale geneigt ausgeführt, dass die Höhenlage der Schüttgutoberfläche in Richtung des Gasabganges zunimmt, kann die Bildung von Schmelzverbünden im Bereich diametral zum Gasabgang reduziert und damit der Ausbildung einer einseitigen Strömung entgegen gewirkt werden.
Die Erfindung soll nachstehend anhand von vier Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert werden.
1 zeigt den Längsschnitt des Vergaseroberteils für einen am Vergaserinnenmantel angeordneten ringförmigen Gassammelraum.
Im Vergaser 1 mit dem Innenmantel 2 und dem seitlichen Gasabgang 3 ist zentral ein zylinderförmiger, statischer Kohleverteiler 4 angeordnet, dessen Innenraum (Füllraum 5) mit Kohle gefüllt und dessen unterer Rand 6 zackenförmig ausgeführt ist.
Der ringförmige Gassammelraum 7, aus dem das Rohgas über den Gasabgang 3 aus dem Vergaser 1 abgeführt wird, entsteht zwischen dem Kohleverteiler 4 und dem Innenmantel 2 des Vergasers 1. Nach oben ist der Gassammelraum 7 durch einen Konus, der am statischen Kohleverteiler 4 angefügt ist, begrenzt.
Der dem Füllraum 5 des statischen Kohleverteilers 4 über eine oberhalb des Vergasers 1 angeordnete Kohleschleuse (nicht dargestellt) mittels des Einfüllstutzens 8 zugeführte Vergasungsstoff böscht sich im Böschungswinkel α am unteren zackenförmigen Rand 6 des Kohleverteilers 4 zum Innenmantel 2 des Vergasers 1 ab und bildet so die Oberfläche der Schüttung zum Gassammelraum 7 mit über den Umfang gleichmäßig verteilten Kämmen 9 und Tälern 10. Zwischen den Kämmen 9 und den Tälern 10 bilden sich die Hänge 11. Unterhalb des Kohleverteilers entsteht der Prozessraum 12.
In der Darstellung des ersten Ausführungsbeispiels gemäß 1 weist der untere Rand 6 des Kohleverteilers 4 fünf Zacken auf, die als gleichschenklige Dreiecke ausgeführt sind. Bei der gewählten Anordnung der Kämme und Täler bezüglich des Gasabganges 3 wird die Schüttung unterhalb des Gasabganges 3 in einem Tal 10 und diametral zum Gasabgang 3 in einem Kamm 9 geschnitten. Ersichtlich ist somit in 1 unterhalb des Gasabganges 3 die Sohle des Tales 10 und ein sich an das Tal 10 anschließender Hang 11 und zugehöriger Kamm 9 sowie diametral zum Gasabgang 3 ein weiterer Kamm 9. Der von der Schüttung verdeckte untere Rand 6 des Kohleverteilers 4 ist in den 1, 5, 6 und 7 als Strichlinie dargestellt.
Die hier dargestellte Ausführung des unteren Randes 6 des Kohleverteilers 4 ist nur eine von mehreren möglichen Ausführungsformen. Beispiele für die zacken- oder wellenförmige Ausbildung des unteren Randes 6 des statischen Kohleverteilers 4 zur Erzeugung einer Oberfläche mit Kämmen 9 und Tälern 10 sind in den 2, 3 und 4 zusammengestellt. Dargestellt ist dabei ein Teil des unteren Randes 6 des statischen Kohleverteilers 4 als Abwicklung mit jeweils zwei Zacken bzw. zwei Wölbungen.
In 2 haben die Zacken gemäß der Darstellung in 1 die Form gleichschenkliger Dreiecke mit der Höhe h₁. Somit bilden sich an der Oberfläche der Schüttung vorrangig spitze Kämme 9 und Täler 10. Die Schenkel der Dreiecke sollten näherungsweise unter dem Böschungswinkel α des Vergasungsstoffes gegen die Horizontale geneigt sein.
In 3 sind die Zacken als gleichschenklige Trapeze mit der Höhe h₂ ausgeführt.
Somit haben die Kämme 9 eine ebene Oberkante und die Täler 10 einen ebene Sohle.
Die Schenkel der Trapeze sollten analog zu 2 näherungsweise unter dem Böschungswinkel α des Vergasungsstoffes gegen die Horizontale geneigt sein.
In 4 ist der untere Rand 6 des Kohleverteilers 4 so ausgeführt, dass sich kuppenförmige Kämme 9 und muldenförmige Täler 10 bilden. Dies wird durch eine wellenförmige Ausführung des unteren Randes 6 des statischen Kohleverteilers 4 erreicht. Diese Wellen bestehen im Bereich der Kämme 9 bzw. Täler 10 aus der Peripherie von Kreissegmenten, welche durch gemeinsame Tangenten miteinander verbunden sind. Die Neigung dieser Tangenten bezüglich der Horizontalen sollte näherungsweise dem Böschungswinkel α des Vergasungsstoffes entsprechen. Die Höhe der Wellen ist gleich dem senkrechten Abstand h₃ zwischen dem höchsten und dem niedrigsten Punkt der Wellenlinie.
Bezüglich des seitlichen Gasabganges 3 wird der statische Kohleverteiler 4 mit dem unteren zacken- bzw. wellenförmigen Rand 6 so angeordnet, dass sich unterhalb des Gasabganges 3 ein Tal 10 und diametral zu diesem Tal ein Kamm 9 bildet. Eine solche Anordnung, die bei gleicher Ausführung der Kämme und Täler nur bei einer ungeraden Anzahl der Zacken bzw. Wölbungen erreichbar ist, begünstigt den Feinkorntransport zum Gasabgang 3 über Strahlschichten. Die Neigung der Kämme 9 und der Täler 10 in Richtung Vergaserinnenmantel 2 entspricht dem Böschungswinkel α des Vergasungsstoffes. Die Hänge 11 zwischen den Kämmen 9 und Tälern 10 sind unmittelbar am statischen Kohleverteiler 4 näherungsweise unter dem Böschungswinkel α gegen die Horizontale geneigt.
Bei der vorliegenden Gestaltung der Oberfläche der Schüttung an der Grenze zum Gassammelraum 7 lagert sich aus der Schüttung ausgetragenes Feinkorn vorrangig in den Tälern 10 ab. Infolge des hohen Strömungswiderstandes einer Feinkornablagerung strömt das Rohgas mit der Höhe der Ablagerungen zunehmend über die Kämme 9 in den Gassammelraum 7 ein. Es bilden sich somit stärker und schwächer durchströmte Bereiche, die gleichmäßig über den Umfang der Schüttgutoberfläche verteilt sind.
Beim Einsatz backender Kohlen bilden sich Schmelzverbünde infolge der Feinkornablagerungen vorrangig unterhalb der Täler 10. Die gleichmäßig über die Oberfläche der Schüttung verteilten Kämme 9 bleiben somit weitgehend frei von Schmelzverbünden und bilden die stark durchströmten Bereiche. Eine solche Ausbildung der Rohgasströmung egalisiert die Bildung der Reaktionszonen und reduziert die Feinkornbildung und den Staubaustrag.
Über die Anzahl der Kämme 9 und Täler 10 kann die Zahl der stärker bzw. schwächer durchströmten Bereiche der Schüttung variiert werden. Mit steigender Zahl der Kämme 9 und Täler 10 verringert sich außerdem der Abstand zwischen den Kämmen 9.
Dies begünstigt den Transport von Feinkorn in Richtung des Gasabganges 3. Dabei ist allerdings zu beachten, dass mit zunehmender Anzahl der Kämme 9 und Täler 10 die Höhendifferenz zwischen den Kämmen 9 und Tälern 10 abnimmt und somit ihre Wirksamkeit verringert werden kann.
Einfluss auf die Höhe sich bildender Ablagerungen von Feinkorn und damit die Wirksamkeit der Kämme 9 und Täler 10 hat weiterhin die Höhenlage des Gasabganges 3 bezüglich der Oberfläche der Schüttung. Der Gasabgang 3 ist deshalb in 1 im mittleren Höhenbereich des Gassammelraumes 7 angeordnet.
Insgesamt kann die vorgeschlagene Lösung somit durch die Art der Ausführung des unteren Randes 6 des statischen Kohleverteilers 4 und die Anzahl der Kämme 9 und Täler 10 sowie die Höhenlage des Gasabganges 3 im Gassammelraum an die Eigenschaften des Vergasungsstoffes angepasst werden.
5 zeigt den Längsschnitt des Vergaseroberteils für einen zentral im Vergaser angeordneten Gassammelraum.
Im Vergaser 1 ist zentral ein Kohleverteiler 4 angeordnet, der im unteren Bereich als Zylinder ausgeführt und nach oben durch einen Konus abgeschlossen ist. Der Innenraum des statischen Kohleverteilers 4 bildet den Gassammelraum 7, aus dem das Rohgas über die Gasleitung 13 und den Gasabgang 3 aus dem Vergaser 1 abgeführt wird. Der dem Außenraum des statischen Kohleverteilers 4 (Füllraum 5), und dem Prozessraum 12 über die Kohleschleuse (nicht dargestellt) mittels des Einfüllstutzens 8 zugeführte Vergasungsstoff böscht sich am unteren, zackenförmig ausgebildeten Rand 6 des Kohleverteilers 4 ab und bildet an der Oberfläche der Schüttung zum Gassammelraum 7 Kämme 9 und Täler 10.
Der untere Rand 6 des statischen Kohleverteilers 4 ist im vorliegenden Beispiel mit vier Zacken ausgeführt, die gemäß 2 die Form gleichschenkliger Dreiecke haben. Damit werden an der Oberfläche der Schüttung vier Kämme 9 und vier Täler 10 gebildet. Die Kämme 9 und Täler 10 sind in 5 so angeordnet, dass die Oberfläche der Schüttung in zwei diametral gegenüberliegenden Tälern 10 geschnitten wird. Ersichtlich sind somit die Sohlen dieser beiden Täler 10 und die sich jeweils anschließenden Hänge 11 sowie die zugehörigen Kämme 9.
Der Höhenunterschied zwischen den Kämmen 9 und Tälern 10 ist unmittelbar an der Innenseite des zackenförmigen Randes 6 gleich der Höhe h₁ der als gleichschenklige Dreiecke ausgebildeten Zacken. Da sich der Abstand der Kämme 9 in Richtung der Vergaserachse 14 stetig verringert und in der Vergaserachse 14 gleich Null ist, werden die Täler 10 in Richtung Vergaserachse 14 zunehmend mit Vergasungsstoff aufgefüllt.
Der Höhenunterschied zwischen den Kämmen 9 und den Tälern 10 verringert sich somit in Richtung Vergaserachse 14 stetig und ist in der Vergaserachse 14 ebenfalls gleich Null. Die Neigung der Kämme 9 in Richtung Vergaserachse 14 entspricht dem Böschungswinkel α des Vergasungsstoffes. Dagegen ist die Neigung der Täler 10 in Richtung der Vergaserachse 14 aus den oben genannten Gründen geringer als der Böschungswinkel α.
Bei einer solchen Gestaltung der Oberfläche der Schüttung zum Gassammelraum 7 lagert sich Feinkorn vorrangig im Bereich der Vergaserachse 14 und der tieferen Täler 10 nahe der Innenseite des unteren Randes 6 des statischen Kohleverteilers 4 ab.
Damit stehen bei einer Ablagerung größerer Mengen an Feinkorn auf der Oberfläche der Schüttung hauptsächlich die Kämme 9 nahe der Innenseite des Randes 6 für die Strömung des Rohgases in den Gassammelraum 7 zur Verfügung. Diese Kämme 9 sind gleichmäßig über den Umfang des Kohleverteilers 4 verteilt.
Schmelzverbünde bilden sich beim Einsatz backender Kohlen vorrangig unterhalb der Täler und des Zentrums. Die gleichmäßig über den Umfang verteilten Kämme 9 bilden somit auch in diesem Fall die stärker durchströmten Bereiche. Eine solche Ausbildung der Rohgasströmung im oberen Bereich der Schüttung an der Grenze zum Gassammelraum 7 egalisiert die Bildung der Reaktionszonen und reduziert die Feinkornbildung und den Staubaustrag. Eine Anpassung an die Eigenschaften des Vergasungsstoffes kann auch hier durch Variation der Art und Anzahl der Zacken bzw. Wölbungen des unteren Randes 6 des statischen Kohleverteilers 4 sowie der Höhenlage der Gasleitung 13 erfolgen.
6 zeigt den Längsschnitt des Vergaseroberteils mit einem ringförmigen Gassammelraum, der mittig zwischen dem Vergaserinnenmantel und der Achse des Vergasers angeordnet ist.
Der statische Kohleverteiler 4 besteht hierbei aus zwei koaxial im Oberteil des Vergasers 1 angeordneten Zylindern 4a und 4b mit unterschiedlichen Durchmessern und dem Mantel eines Kegelstumpfes, der die oberen Kanten dieser Zylinder verbindet.
Durch diesen zweiteiligen statischen Kohleverteiler 4 werden der ringförmige Gassammelraum 7 und die mit Vergasungsstoff gefüllten Räume des Kohleverteilers (Füllräume 5a und 5b) gebildet. Aus dem ringförmigen Gassammelraum 7 wird das Rohgas seitlich über die Gasleitung 13 und den Gasabgang 3 des Vergasers 1 abgeführt.
Der den Füllräumen 5a und 5b über die Kohleschleuse (nicht dargestellt) und den Einfüllstutzen 8 zugeführte Vergasungsstoff böscht sich an den unteren, zackenförmig ausgebildeten Rändern 6a und 6b des statischen Kohleverteilers 4 ab und bildet an der Oberfläche der Schüttung Kämme 9 und Täler 10.
Die Ränder 6a und 6b sind in 6 mit jeweils fünf Zacken, die die Form gleichschenkliger Dreiecke haben, ausgeführt. Am Rand 6a sollte die Neigung der Schenkel der Dreiecke näherungsweise dem Böschungswinkel α des Vergasungsstoffes entsprechen. Der Rand 6b entsteht durch Projektion des Randes 6a auf den Zylinder 4b derart, dass die projizierenden Strahlen von der Achse 14 des Vergasers ausgehen und auf dieser senkrecht stehen. Auf diese Weise wird erreicht, dass sich die von den Rändern 6a und 6b ausgehende Schüttungsoberfläche so ausbildet, dass die Kämme 9 und die Täler 10 jeweils in der Mitte zwischen den Rändern 6a und 6b aufeinander treffen. Die Zacken der Ränder 6a und 6b haben die gleiche Höhe h₁ und die Neigung der Kämme 9 in Richtung der Mitte zwischen den Rändern 6a und 6b ist gleich dem Böschungswinkel α des Vergasungsstoffes.
Bei der beschriebenen Ausbildung der Oberfläche der Schüttung lagert sich Feinkorn vorrangig in den Tälern beginnend an den tiefsten Stellen in der Mitte zwischen den Rändern 6a und 6b ab. Mit zunehmender Höhe der Feinkornablagerungen strömt das Rohgas vorrangig über die Kämme 9 nahe der Ränder 6a und 6b in den Gassammelraum 7. Beim Einsatz backender Kohlen bildet sich dieser Strömungszustand ebenfalls aus, da sich Schmelzverbünde hauptsächlich unterhalb der Täler ausbilden. Da diese Kämme gleichmäßig über die Schüttgutoberfläche verteilt sind, wird eine Egalisierung der Reaktionszonen erreicht. Dies führt zur Verringerung der Feinkornbildung und somit zu einem verminderten Staubaustrag.
Bezüglich der seitlichen Abführung des Rohgases aus dem Gassammelraum 7 über die Gasleitung 13 wird der Kohleverteiler 4 mit den Rändern 6a und 6b so angeordnet, dass sich unterhalb des Gasabganges 3 ein Tal 10 und diametral dazu ein Kamm 9 ausbildet. Ersichtlich ist somit in 6 unterhalb der Gasabführung die Sohle eines Tales 10 und der sich an dieses Tal anschließende Hang 11 mit dem als obere Begrenzung zugehörigen Kamm 9 sowie diametral zum Gasabgang 3 ein weiterer Kamm 9.
Bei der Ausführung eines zweiteiligen statischen Kohleverteilers 4 mit zwei koaxial im Oberteil des Vergasers angeordneten Zylindern 4a und 4b bestehen weitere Möglichkeiten zur Erzeugung einer aus Kämmen 9 und Tälern 10 bestehenden Oberfläche. Bei einer zacken- oder wellenförmigen Ausführung beider unterer Ränder 6a und 6b des statischen Kohleverteilers 4 müssen diese dabei lediglich die gleiche Anzahl an Zacken bzw. Wölbungen aufweisen und so gegeneinander angeordnet sein, dass auf der gebildeten Oberfläche der Schüttung sowohl die Kämme 9 als auch die Täler 10 jeweils aufeinander treffen. Falls nur einer der beiden unteren Ränder 6a oder 6b des zweiteiligen statischen Kohleverteilers 4 zacken- oder wellenförmig ausgeführt wird, müssen die beiden Zylinder 4a und 4b höhenmäßig so gegeneinander versetzt sein, dass sich der Vergasungsstoff nur an demjenigen unteren Rand 6a oder 6b des statischen Kohleverteilers 4 abböscht, der mit Zacken oder Wölbungen ausgeführt ist.
Das vierte Ausführungsbeispiel ist in 7 dargestellt und beschreibt den einfachsten Fall zur vorteilhaften Strukturierung der Oberfläche der Kohleschüttung. 7 zeigt den Längsschnitt des Vergaseroberteils für einen am Vergaserinnenmantel angeordneten ringförmigen Gassammelraum analog 1.
Im Vergaser 1 mit dem Innenmantel 2 und dem seitlichen Gasabgang 3 ist zentral ein zylinderförmiger, statischer Kohleverteiler 4 angeordnet, dessen Innenraum (Füllraum 5) mit Kohle gefüllt und dessen unterer Rand 6 asymmetrisch ausgeführt ist.
Der ringförmige Gassammelraum 7 entsteht analog zu 1 zwischen dem Kohleverteiler 4 und dem Innenmantel 2 des Vergasers 1.
Der dem Füllraum 5 des statischen Kohleverteilers 4 über eine oberhalb des Vergasers 1 angeordnete Kohleschleuse (nicht dargestellt) mittels des Einfüllstutzens 8 zugeführte Vergasungsstoff böscht sich im Böschungswinkel α am abgeschrägten unteren Rand 6 des Kohleverteilers 4 zum Innenmantel 2 des Vergasers 1 ab und bildet so die Oberfläche der Schüttung zum Gassammelraum 7 mit einem Kamm 9 und einem Tal 10. Zwischen dem Kamm 9 und dem Tal 10 bilden sich die Hänge 11. Unterhalb des Kohleverteilers entsteht der Prozessraum 12.
Bezüglich des seitlichen Gasabganges 3 wird der statische Kohleverteiler 4 mit dem abgeschrägten unteren Rand 6 beim Einsatz von Kohlen mit erhöhter Feinkornbildung gemäß 7 so angeordnet, dass sich unterhalb des Gasabganges 3 ein Tal 10 und diametral zu diesem Tal 10 ein Kamm 9 bildet. Dagegen kann es beim Einsatz backender Kohlen mit geringem Feinkornanfall von Vorteil sein, wenn der Kohleverteiler 4 mit dem abgeschrägten unteren Rand so angeordnet wird, dass sich unterhalb des Gasabganges ein Kamm 9 und dazu diametral ein Tal 10 befindet.
Über den Winkel des unteren Randes 6 des Kohleverteilers 4 in Bezug auf die Horizontale kann die Wirkung der stärker bzw. schwächer durchströmten Bereiche der Schüttung variiert werden. Mit steigendem Winkel des unteren Randes 6 des statischen Kohleverteilers 4 vergrößert sich der Höhenunterschied zwischen dem Kamm 9 und dem Tal 10. Dies begünstigt den Transport von Feinkorn in Richtung des Gasabganges 3. Auf diese Weise wird die Ablagerung von Feinkorn auf der Oberfläche der Schüttung zum Gassammelraum 7 stark eingeschränkt und erreicht, dass das Rohgas annähernd gleichmäßig über die Oberfläche der Schüttung in den Gassammelraum 7 gelangt. Eine solche Ausbildung der Rohgasströmung egalisiert die Bildung der Reaktionszonen und reduziert die Feinkornbildung und den Staubaustrag.
Der abgeschrägte untere Rand 6 des asymmetrischen statischen Kohleverteilers 4 kann erfindungsgemäß außerdem gemäß der 2–4 zacken- und wellenförmig ausgeführt sein, was entsprechend der bereits beschriebenen Effekte zusätzlich zur Vergleichmäßigung der Strömung beitragen kann.
Bezugszeichenliste

1: Vergaser
2: Innenmantel des Vergasers 1
3: Gasabgang
4: Kohleverteiler
4a, 4b: Teil des Kohleverteilers 4
5, 5a, 5b: Füllraum des Kohleverteilers 4
6: Unterer Rand des Kohleverteilers 4
6a, 6b: Unterer Rand eines Teils des Kohleverteilers 4
7: Gassammelraum
8: Einfüllstutzen
9: Kamm der Kohleschüttung
10: Tal der Kohleschüttung
11: Hang zwischen Kamm 9 und Tal 10 der Kohleschüttung
12: Prozessraum
13: Gasleitung
14: Achse des Vergasers 1
α: Böschungswinkel des Vergasungsstoffes
h₁: Höhe der gleichschenkligen Dreiecke
h₂: Höhe der gleichschenkligen Trapeze
h₃: Höhe der Wellen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

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DD 136505 [0008]
DD 120043 [0008]
DD 121796 [0008]
DD 26392 [0008]
DD 138221 [0008]
DD 148641 [0009]
DD 148642 [0009]
DD 145403 [0010]
DD 152805 [0010]
DD 280776 [0010]
DD 280777 [0010]
DD 280778 [0010]
DD 280779 [0010]
DD 150906 [0011]
DD 218774 [0011]

Claims

Verfahren für die Festbettdruckvergasung zur Erhöhung der spezifischen Vergaserleistung und der Teerausbeute, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Schüttung an der Grenze zum Gassammelraum (7) mit Erhöhungen und Vertiefungen in Form von Kämmen (9) und Tälern (10) ausgeführt ist, wobei mindestens ein Kamm (9) und ein Tal (10) realisiert sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei seitlicher Ableitung des Rohgases aus dem Gassammelraum (7) über den Gasabgang (3) die Kämme (9) und Täler (10) so angeordnet werden, dass sich im Bereich unterhalb des Gasabganges (3) ein Tal (10) und dazu diametral ein Kamm (9) befindet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Höhe der Kämme (9) und Täler (10) in Richtung des tiefsten Tals (10), das sich unterhalb des Gasabganges (3) oder diametral zum Gasabgang (3) befindet, verringert.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der untere Rand (6) des statischen Kohleverteilers (4), an dem sich der Vergasungsstoff abböscht und damit die Oberfläche der Schüttung zum Gassammelraum (7) bildet, zacken- oder wellenförmig ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer zackenförmigen Ausführung des unteren Randes (6) des Kohleverteilers (4) die Zacken die Form gleichschenkliger Dreiecke oder Trapeze haben, deren Schenkel näherungsweise unter dem Böschungswinkel des Vergasungsstoffes (α) gegen die Horizontale geneigt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer wellenförmigen Ausführung des unteren Randes (6) des Kohleverteilers (4) die Wellenlinie im oberen und unteren Bereich aus der Peripherie von Kreissegmenten besteht, die durch gemeinsame Tangenten miteinander verbunden sind, welche näherungsweise unter dem Böschungswinkel des Vergasungsstoffes (α) gegen die Horizontale geneigt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem zweiteiligen statischen Kohleverteiler (4) einer der beiden unteren Ränder (6a, 6b) zacken- oder wellenförmig ausgebildet ist und die unteren Ränder (6a, 6b) höhenmäßig so versetzt ausgeführt sind, dass sich der Vergasungsstoff nur an dem unteren Rand abböscht, der zacken- oder wellenförmig ausgeführt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem zweiteiligen statischen Kohleverteiler (4) beide unteren Ränder (6a, 6b) zacken- oder wellenförmig ausgebildet und so angeordnet sind, dass auf der gebildeten Oberfläche der Schüttung sowohl die Kämme (9) als auch die Täler (10) jeweils aufeinander treffen.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass der untere Rand (6) des statischen Kohleverteilers (4) bezüglich der Richtung des Gasabganges (3) gegen die Horizontale geneigt ist.