DE102015109153A1

DE102015109153A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Druckerhöhung in einem Schüttgutbehälter

Info

Publication number: DE102015109153A1
Application number: DE102015109153.4A
Authority: DE
Inventors: Eberhard Kuske
Original assignee: Choren Industrietechnik GmbH
Current assignee: Choren Industrietechnik GmbH
Priority date: 2014-06-10
Filing date: 2015-06-10
Publication date: 2015-12-10

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren oder eine Vorrichtung zur Druckerhöhung in einem kompaktierbaren Schüttgut mittels Gaszufuhr. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Durchführung der Druckerhöhung in Brennstaubschüttungen anzugeben, bei dem die bekannten Störungen in der kontinuierlichen Brennstaubzufuhr verringert werden. Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass zunächst ein schüttgutspezifischer Maximalwert eines Strömungsparameters für die Gaszufuhr festgelegt wird, der mit einer maximalen Anströmgeschwindigkeit verbunden ist und bei einer Gaszufuhr zur Schüttung der Maximalwert des Strömungsparameters nicht überschritten wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren oder eine Vorrichtung zur Druckerhöhung in einem Schüttgutbehälter mit einem kompaktierbaren Schüttgut, wobei die Druckerhöhung durch eine Gaszufuhr in einem Volumenstrom oder in mehreren Volumenteilströmen des Gases in den Schüttgutbehälter bewirkt wird und das Schüttgut eine kompressible Schüttung bildet, die infolge der Gaszufuhr zur Schüttung kompaktieren kann.
Derartige Schüttgutbehälter weisen gattungsgemäß eine Einlauföffnung für das Schüttgut und eine Auslauföffnung in einem Konus des Schüttgutbehälters auf sowie eine oder mehrere Gaseintrittsöffnungen für die Zufuhr eines Gases zur Druckerhöhung im Schüttgutbehälter. Jeder Gaseintrittsöffnung ist ein Stellventil in Signalverbindung mit einem Gasstrom-Durchflussregler in den Schüttgutbehälter zugeordnet, wobei Ventil und Regler mit einer Gasstromregelungseinrichtung verbunden sind.
Druckerhöhungen in Schüttgütern sind beispielsweise im Verfahren der Druckvergasung von kohlenstoffhaltigen Brennstäuben zur Gewinnung von Synthesegas erforderlich. Der Brennstaub wird in Brennstaubsilos unter Umgebungsdruck zwischengelagert und beispielsweise mit einer pneumatischen Fördereinrichtung dem Vergasungsreaktor zugeführt, in dem ein verfahrensabhängiger Innendruck von etwa 40 bar bis zu 80 bar herrscht. Für die dafür erforderliche Druckerhöhung (Bespannung) auf 40 bis 80 bar ist den Brennstaubsilos zumindest ein erster Schüttgutbehälter (auch als Schleusbehälter bezeichnet) nachgeordnet, in dem nach einer Befüllung mit Brennstaub durch Zufuhr von Bespannungsgas (auch als Schleusgas bezeichnet) der Behälterinnendruck bis oberhalb des Reaktorinnendrucks erhöht wird und aus dem der Brennstaub danach – üblicherweise unter Zwischenschaltung von weiteren Schüttgutbehältern und Dosierschleusen – in eine pneumatische Fördereinrichtung ausfließt, die eine kontinuierliche Brennstaubzufuhr zum Reaktor gewährleistet. Der entleerte Schleusbehälter wird entspannt und danach erneut mit Brennstaub befüllt und mit Schleusgas bespannt. Der Bespannungs- und Druckentlastungsprozess läuft im Schleusbehälter zyklisch ab.
Beim dosierten Einschleusen des Brennstaubes in den Druckvergasungsreaktor ergeben sich jedoch häufig Betriebsstörungen dadurch, dass der Brennstaub während der Druckerhöhung von Umgebungsdruck auf ein Druckniveau oberhalb des Reaktorinnendrucks im Schüttgutbehälter kompaktiert (verdichtet und verfestigt) wird und er damit seine Fließ- oder Rieselfähigkeit verliert und in der Folge nicht oder nur stockend im Schwerkraftfluss in einer Schwerkraftschleuse in den nachgeordneten Dosierbehälter ausfließt. Dies führt zu Durchsatzbeschränkungen oder sogar zu Betriebsunterbrechungen an der Vergasungsanlage.
Schwerkraft-Schleussysteme sind erprobte Vorrichtungen, um Brennstaub auf ein für die Versorgung von Druckvergasungsanlagen ausreichendes Druckniveau zu "schleusen". Die Erfahrung an derartigen Anlagen zeigt auch, dass die Brennstaubübergabe aus einem bei nahezu Atmosphärendruck befindlichen Vorlagesilo in den zunächst ebenfalls drucklosen (entspannten) Schüttgutbehälter im allgemeinen völlig problemlos erfolgt, wenn die einschlägigen Erkenntnisse zur Gestaltung des Auslasskonus und zur Überwindung des kritischen Durchmessers von Dosierbehältern beachtet worden sind.
Dagegen werden nach einer Druckerhöhung im Schleusbehälter bei Übergabe des Brennstaubes in den nachgeordneten Schüttgutbehälter, der sich auf einem Druckniveau oberhalb des Druckvergasers befindet, häufig Störungen beobachtet. Der Brennstaubausfluss kommt möglicherweise überhaupt nicht zustande oder es treten Unterbrechungen beim Ausfließen des Brennstaubstromes auf. Dies hat wegen des deswegen am Vergasungsbrenner schwankenden Brennstaub-Sauerstoff-Verhältnisses und den dadurch verursachten Temperaturschwankungen im Vergasungsreaktor negative Konsequenzen für die Lebensdauer von Vergasungsbrennern und der Brennkammerauskleidung.
Der Vergasungsprozess muss im Druckvergaser für die Rohsynthesegaserzeugung gedrosselt und bei länger anhaltenden Störungen sogar vollständig unterbrochen werden. Die negativen Konsequenzen dieser Störungen sind offensichtlich.
Die genannten Nachteile haben dazu geführt, dass der Verbesserung des Schleusvorgangs unter Druck erhebliche Aufmerksamkeit gewidmet wird. Die Maßnahmen konzentrieren sich im Wesentlichen auf folgende konstruktiven Hilfsmittel:

• Maßnahmen zur Verbesserung der Fluidisierung des Brennstaubes im Schüttgutbehälter nach erfolgter Bespannung durch konstruktive Mittel im Konusbereich des Schüttgutbehälters (beispielsweise WO 2004/085578 A1 , DE 41 08 048 A1 , US 4,941,779 A ).
• Maßnahmen zur Verminderung der Kompaktierung des Schüttgutes durch Einbauten im wandfernen Innenraum des Behälters (beispielsweise WO2009/097969 , DE 1 130 368 ).

Nachteilig an diesen Lösungen ist, dass die bekannten konstruktiven Maßnahmen im Konusbereich nicht ausreichen, um die beschriebenen Probleme dauerhaft zu lösen. Einbauten im Behälter können bei korrekter Dimensionierung erfolgreich sein, allerdings ist ein derartiger "Fremdkörper" stets durch abrasiven Verschleiß gefährdet und stellt demnach ein zusätzliches Ausfallrisiko dar.
Beiden Ansätzen gemeinsam ist der Nachteil, dass infolge der eingebauten Fluidisierungsmittel im Bereich des Schüttgutauslaufs eine Wirbelschicht anstelle eines Festbettes vorliegt und sich aufgrund der geringeren Feststoffkonzentration in einer Wirbelschicht die je Schleusvorgang geförderte Brennstaubmenge entsprechend verringert.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren oder eine Vorrichtung für eine Druckerhöhung in einem Schüttgutbehälter mit kompaktierbarem Schüttgut, insbesondere Brennstaubschüttungen in Schleusbehältern, anzugeben, bei dem die bekannten Störungen in der kontinuierlichen Brennstaubzufuhr unter Druck verringert werden.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des ersten Anspruchs oder eine Vorrichtung mit den Merkmalen des siebenten Anspruchs gelöst.
Zweckmäßige Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung zur Druckerhöhung in einem Schüttgutbehälter mit einem kompaktierbaren Schüttgut wird vorgeschlagen, dass ein die Schüttguteigenschaften des jeweiligen Schüttguts berücksichtigender Maximalwert eines Strömungsparameters für die Gaszufuhr festgelegt wird, der mit einer maximalen Anströmgeschwindigkeit des zugeführten Gases verbunden ist und der im praktischen Anlagenbetrieb bei einer Gaszufuhr zur Schüttung nicht überschritten werden darf. Als Anströmgeschwindigkeit wird nachfolgend die Anströmgeschwindigkeit des der Schüttung zugeführten Gases vor dessen Eintritt in die Schüttung bezeichnet.
Alternativ kann die Anströmgeschwindigkeit selbst anstelle des mit dieser verbundenen Strömungsparameters überwacht werden, die in diesem Fall ebenfalls den Maximalwert der Anströmgeschwindigkeit nicht übersteigen soll. Aus der maximalen Anströmgeschwindigkeit ergibt sich für den mit der Anströmgeschwindigkeit verbundenen Strömungsparameter ein Grenzwert, der nicht überschritten werden darf, so dass im Ergebnis unabhängig von dem überwachten oder praktisch gesteuertem bzw. geregelten Strömungsparameter die maximale Anströmgeschwindigkeit der zu gewährleistende Wert ist. In vorteilhafter Weise kann ein solcher abgeleiteter Strömungsparameter ein Volumenstrom sein. Aufgrund dessen direkter Proportionalität zur Anströmgeschwindigkeit ergibt sich für den Volumenstrom ein Maximalwert, welcher nicht überschritten werden soll. Ein anderer mit der Anströmgeschwindigkeit verbundener Strömungsparameter ist beispielsweise eine Gasgeschwindigkeit der Gaszufuhr in einer Gaszuleitung.
Die Erfindung beruht darauf, dass im Unterschied zu den bisher bekannten Lösungen als Ursache der Kompaktierung des Brennstaubes die Strömungskräfte identifiziert werden konnten, welche durch die zur Druckerhöhung in die Brennstaubschüttung eintretende Gasströmung erzeugt werden. Die vorgeschlagene Lösung hat den Vorteil, dass die Schüttgut-Kompaktierung allein durch Maßnahmen der Prozessführung und nicht durch verschleißgefährdete Einbauten oder andere apparative Vorrichtungen vermieden wird.
Die Erfindung ist wegen der Berücksichtigung materialspezifischer Verdichtungseigenschaften für verschiedene, unter Druckwechselbeaufschlagung kompaktierbare Schüttgüter nutzbar, unter anderem auch für die Druckbeaufschlagung von Brennstaub in Schleusbehältern.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass das verfügbare Behältervolumen bestmöglich genutzt wird, weil die bisher unvermeidliche Wirbelschicht im Auslaufbereich nicht mehr benötigt wird oder zumindest minimiert werden kann. Entsprechend einer Ausgestaltung des Verfahrens wird die maximale Anströmgeschwindigkeit u_max aufgrund praktischer oder mathematischer Untersuchungen oder aus Erfahrungswerten bestimmt. Die maximale Anströmgeschwindigkeit kann aus entsprechenden praktischen Vorversuchen bestimmt werden, deren Messergebnisse die Grundlage liefern. Alternativ sind auch mathematische Modelle, insbesondere computergestützte Simulationen gemäß den weiter unten beschriebenen Zusammenhängen möglich. Oder es können, sofern vorhanden, Erfahrungswerte, beispielsweise von Schüttungen und Druckverhältnissen herangezogen werden.
Die Gaszufuhr für die Druckerhöhung im Schüttgutbehälter kann in einem einzigen Volumenstrom erfolgen. Zur Reduzierung der lokalen Anströmgeschwindigkeiten des Gases beim Gaseintritt in die Schüttung kann es alternativ auch über mehrere in unterschiedlichen Ebenen (Höhen) des Schüttgutbehälters angeordnete Gaseintrittsöffnungen in die Schüttung eingeleitet werden. Jeder Gaseintrittsöffnung ist dann ein definierter Anteil des Behältervolumens zugeordnet, das mit dem jeweiligen Volumenteilstroms des insgesamt zuzuführenden Volumenstroms zu „bespannen“ ist.
Erfindungsgemäß ist sowohl für den gesamten Volumenstrom sowie für jeden Volumenteilstrom die Bedingung einzuhalten, dass der mit der maximalen Anströmgeschwindigkeit u_max verbundene Maximalwert eines Strömungsparameter nicht überschritten wird. Die Bemessung der Volumenteilströme erfolgt dabei anhand einer geeigneten Unterteilung des Volumens des Schüttgutbehälters in Verbindung mit der Verteilung der Gaseintrittsöffnungen. Und zwar wird jeder Volumenteilstrom, der ein Teilvolumen des Schüttgutbehälters mit Gas versorgt, so bemessen, dass das Verhältnis der Volumenteilströme dem Verhältnis der Teilvolumen entspricht.
Die Steuerung oder Regelung der Gaszufuhr durch einen Volumenstrom oder mehrere Volumenteilströme erfolgt entsprechend verschiedener Ausgestaltungen nach einem konstanten Sollwert für den Volumenstrom bzw. konstanten Sollwerten für die Volumenteilströme oder nach anderen damit verbundenen Sollwerten. Die Sollwerte sind über geeignete Steuer- oder Regelungstechnik mit der zu begrenzenden Anströmgeschwindigkeit zu verknüpfen über die Steuerung bzw. Regelung eine zeitliche Konstanz zu erzielen.
Zur Berücksichtigung des Einflusses der Gastemperatur und des Gasdruckes auf einen realen Volumenstrom unter Betriebsbedingungen wird dieser entsprechend einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens auf Normbedingungen von Druck und Temperatur bezogen und dementsprechend der zugeführte Normvolumenstrom Q_VN oder die zugeführten Normvolumenteilströme des Gases entweder proportional zum Gasdruck im Schüttgutbehälter oder nach einer Exponentialfunktion in Abhängigkeit von einer Druckerhöhungszeit erhöht. Zu den Zusammenhängen des Volumenstromes für die Gaszufuhr mit den Betriebsbedingungen und der Druckerhöhung im Behälter über die Zeit wird auf die später folgenden Darlegungen verwiesen.
Entsprechend einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann ein zur Druckerhöhung in einen Konus des Schüttgutbehälters zugeführter Volumenteilstrom mit überschüssigen Volumenstromanteilen zugeführt werden, so dass eine resultierende Gasströmung des überschüssigen Gases im Konus in Richtung der Konuserweiterung entsteht. Ein Volumenstromanteil soll hier als überschüssig angesehen werden, wenn der Anteil des Volumenteilstroms am Gesamtvolumenstrom größer ist als der Anteil des zu versorgenden Teilvolumens am Gesamtvolumen. Damit wird einer Feststoffbrückenbildung, die im Konus und insbesondere im Bereich der Auslauföffnung durch die Geometrie der Behälterwandung befördert wird, entgegengewirkt.
Vorrichtungsseitig wird zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens ein Schüttgutbehälter angegeben, welcher eine Gasstromregelungseinrichtung umfasst, die eine Speichereinrichtung für die Speicherung von Maximalwerten des mindestens einen Strömungsparameters, der mit der schüttgutspezifischen maximalen Anströmgeschwindigkeit verbunden ist, beispielsweise Maximalwerte für Volumenströme oder Volumenteilströme oder Gasgeschwindigkeiten, aufweist. Erfindungsgemäß weist die Gasstromregelungseinrichtung weiterhin eine Recheneinrichtung auf, die zur Ermittlung von konstanten Sollwerten für die Volumenstromregelung konfiguriert ist, welche aus den gespeicherten Maximalwerten des mindestens einen Strömungsparameters, der mit der maximalen Anströmgeschwindigkeit verbunden ist oder aus der maximalen Anströmgeschwindigkeit selbst ermittelt sind.
Aufgrund der Abhängigkeit der Volumenströme von den Betriebsbedingungen, insbesondere von Druck und Temperatur im Schüttgutbehälter weist die Gasstromregelungseinrichtung eine den Gasdruck und eine die Temperatur im Schüttgutbehälter erfassende Druckmesseinrichtung bzw. Temperaturmesseinrichtung auf.
Zur Reduzierung des eine Gaseinlassöffnung passierenden Volumenstroms und damit der dort auftretenden Anströmgeschwindigkeiten können in einer weiteren Ausgestaltung der Vorrichtung mehrere Gaseinlassöffnungen für die Volumenteilströme angeordnet werden. Um diese auf die Schüttung zu verteilen, sind sie in unterschiedlichen Höhen des Schüttgutbehälters angeordnet, so dass jeder Gaseinlassöffnung ein Teilvolumen des Schüttgutbehälters zugeordnet werden kann. Dabei ist für die Ermittlung der Teilvolumina und damit auch für die Lage der Gaseinlassöffnungen die zu erwartende oder gegebenenfalls durch Simulation abzuschätzende Gasverteilung in der Schüttung bzw. im Schüttgutbehälter zugrunde zu legen.
Wie oben zum Verfahren dargelegt, ist es nicht erforderlich, dass eine Gaseintrittsöffnung oberhalb der Schüttung angeordnet sein muss. Alternativ oder ergänzend dazu kann eine Gaseintrittsöffnung auch jenem Bereich des Schüttgutbehälters angeordnet sein, in welchem sich die Schüttung abgelagert hat und insbesondere auch im Bereich der Auslauföffnung des Schüttgutbehälters. In letzterem Fall ist es möglich, mit einer aufsteigenden Gasströmung der dort bestehenden erhöhten Gefahr einer Kompaktierung durch Feststoffbrückenbildung entgegenzuwirken.
Zur Ausführung des Verfahrens mit dem erfindungsgemäßen Schüttgutbehälter hat es sich hinsichtlich dessen Geometrie und/oder hinsichtlich der Anordnung der Gaseinlassöffnungen als vorteilhaft erwiesen, wenn das Verhältnis der Höhe des Schüttgutbehälters oder der Höhe des jeweils aus einer Gaseintrittsöffnung mit dem Druckgas zu beaufschlagenden Teilvolumens zum Innendurchmesser des Schüttgutbehälters kleiner als 5 ist.
Im Folgenden soll die Erfindung beispielhaft, jedoch nicht beschränkend, an einem druckbeaufschlagbaren Schleusbehälter für einen Kohlevergasungsreaktor erläutert werden, der nach dem Flugstromprinzip arbeitet. Die dazugehörigen Zeichnungen zeigen in
1 schematische Darstellung eines Schleusbehälters mit zwei Gaszuführungen,
2 Darstellung eines Schleusbehälters mit vier Gaszuführungen und
3 Darstellung des zeitlichen Profils verschiedener Prozessgrößen während der Druckerhöhung im Schleusbehälter im Vergleich mit dem Stand der Technik
4 Prinzipdarstellung einer Testapparatur zur Ermittlung einer maximalen Anströmgeschwindigkeit
In 1 ist ein Schleusbehälter 1 mit der Höhe H und dem Innendurchmesser D dargestellt, in dem ein Schüttgut, im Ausführungsbeispiel bestehend aus Kohlestaub, für den späteren pneumatischen Dichtstromtransport zu einem Brenner oder mehreren Brennern des Kohlevergasungsreaktors lagert. Der Kohlestaub bildet eine kompressible bzw. kompaktierbare Schüttung 2 mit einer von Gas durchströmbaren äußeren Porosität zwischen den Kohlestaubteilchen aus. Der Kohlestaub für den Dichtstromtransport besitzt üblicherweise Teilchengrößen bis 200 µm. Der Kohlevergasungsreaktor (nicht dargestellt) steht unter einem Innendruck von typischerweise etwa 40 bar.
In bekannter Weise weist der Schleusbehälter 1 zumindest eine obere Einlauföffnung 3a und eine Auslauföffnung 3b in einem Konus des Schleusbehälters 1 für den Kohlestaub auf. Das Ausführungsbeispiel gemäß 1 weist eine oberhalb der Schüttung 2 und im Bereich der Einlauföffnung 3a angeordnete Gaseintrittsöffnung 4 für die Zufuhr eines zur Druckerhöhung in den Schleusbehälter 1 einzuspeisenden Gases auf. Im Allgemeinen wird dafür ein Inertgas, das im Wesentlichen Stickstoff und/oder CO₂ enthält, eingesetzt.
Neben der üblichen Gaseintrittsöffnung 4 oberhalb der Schüttung 2 ist mindestens eine weitere Gaseintrittsöffnung 4 im Konus im Bereich der Auslauföffnung 3b angeordnet.
Mit zwei Gaseintrittsöffnungen 4 ist der für die Druckerhöhung erforderliche Volumenstrom Q_V aufteilbar in zwei Volumenteilströme Q_V,t1, Q_V,b1 entsprechend den zu versorgenden Behälter-Teilvolumina V_t1, V_b1, jenem des Konus (V_b1) und jenem des darüber liegenden übrigen Teilvolumen des Schleusbehälters 1 (V_t).
In einer weiteren Ausführungsform gemäß 2 erfolgt die Gaszuführung parallel über vier Gaseintrittsöffnungen 4 in unterschiedlichen Höhen/Einspeiseebenen des Schleusbehälters 1, wobei der insgesamt zugeführte Volumenstrom Q_V entsprechend den vier zu versorgenden Teilvolumina V_t1, V_t2, V_b1, V_b2 des Schleusbehälters 1 V = V_t1 + V_t2 + V_b1 + V_b2 auf die vier Volumenteilströme aufteilbar ist. Q_V = Q_Vt1 + Q_Vt2 + Q_Vb1 + Q_Vb2
Zwei Gaseintrittsöffnungen 4 versorgen dabei die jeweils unterhalb der Gaseintrittsöffnungen 4 befindlichen Teilvolumina V_t1, V_t2 im zylindrischen bzw. prismatischen Abschnitt des Schleusbehälters 1. Zwei Gaseintrittsöffnungen 4 im Konusbereich versorgen die jeweils oberhalb der Gaseintrittsöffnungen 4 befindlichen Teilvolumina V_b1, V_b2 des Konusvolumens. Alternativ können auch andere und mehr Unterteilungen der Gaszufuhr vorgenommen werden.
Für die weitere Förderung des Kohlestaubes zum Brenner des Vergasungsreaktors (nicht dargestellt) muss der Schleusbehälter 1 mit einem Druck oberhalb des Reaktorinnendrucks, also beispielgemäß mit etwa 45 bar „bespannt“ sein. Die dafür dem Schleusbehälter 1 zugeordnete Gaszuführungseinrichtung umfasst eine den insgesamt zuzuführenden Volumenstrom Q_V nach 1 und 2 und ebenso für alternative Aufteilungen der Gaszufuhr steuernde oder regelnde Gasstromregelungseinrichtung 7 mit zugeordneten Gasstrom-Durchflussreglern 6 an jeder Gaseintrittsöffnung 4 für die Zufuhr von Volumenteilströmen Q_Vt1, Q_Vt2, Q_Vb1, Q_Vb2. ..., wobei jeder Volumenstrom-Durchflussregler 6 auch eine Volumenstrom-Messeinrichtung enthält, eine den Gasdruck p im Schleusbehälter 1 erfassende Druckmesseinrichtung 5p und eine die Temperatur im Schleusbehälter 1 erfassende Temperaturmesseinrichtung 5t.
Der Gasstromregelungseinrichtung 7 ist weiterhin eine Speichereinrichtung 7s zugeordnet für Schüttgut spezifische maximale Leerrohrgeschwindigkeiten u_max und/oder für daraus ermittelte Strömungsparameter, beispielsweise Maximalwerte der über die Gaseintrittsöffnungen 4 verteilt zuzuführenden Normvolumenteilströme Q_VNt1, Q_VNt2, Q_VNb1, Q_VNb2 .... Die Speichereinrichtung 7s ist über eine Signalverbindung mit einer Recheneinrichtung (nicht dargestellt) der Gasstromregelungseinrichtung 7 zur Ermittlung von konstanten Sollwerten für die Volumenstromregelung aus der zuvor ermittelten maximalen Anströmgeschwindigkeit u_max oder den Maximalwerten für die Volumenteilströme Q_Vt1, Q_Vt2, Q_Vb1, Q_Vb2. ... verbunden oder in diese integriert.
Die maximale Anströmgeschwindigkeit u_max wird im Ausführungsbeispiel aus Erfahrungswerten ermittelt, welche die verwendete Schüttung und deren Druckverhältnisse berücksichtigen.
Die für die Gasverteilung und Volumenstromregelung erforderlichen Stell- und Regelungseinrichtungen sind an sich allgemein bekannt und in den 1 und 2 lediglich in Gestalt von Funktionssymbolen dargestellt.
Die Recheneinheit der Gasregelungseinrichtung 7 führt die Berechnung der Verteilung der Gasströme für die in die einzelnen Volumenanteile V_t1, V_t2, V_b1, V_b2 ... des Schleusbehälters 1 einzuleitenden Volumenteilströme Q_V,t1, Q_V,t2, Q_V,b1, Q_V,b2 ... unter Norm- oder Betriebsbedingungen und deren zeitlichen Verlauf aus und ermittelt auch die Maximalwerte der Volumenteilströme Q_V,t1, Q_V,t2, Q_V,b1, Q_V,b2 ... für die Gaseintrittsöffnungen 4, die aus der maximalen Anströmgeschwindigkeit u_max, den Druck- und Temperaturmesswerten p, T und den Teilvolumina V_t1, V_t2, V_b1, V_b2 ... ermittelbar sind.
Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Einrichtung soll beispielhaft an den zuvor beschriebenen Ausführungsformen dargelegt werden, ohne damit eine Beschränkung der Wirkungsweise auf die Ausführungsformen vorzunehmen, insbesondere auch nicht auf die Anzahl der Gaseintrittsöffnungen 4.
Als physikalische Ursache für die Kompaktierung des Brennstaubes wurde die bislang übliche Art der Behälterbespannung und die damit verursachten Druckgradienten in der Schüttung 2 identifiziert.
Bislang wurden Schüttgutbehälter üblicherweise mit einem konstanten Massenstrom (beispielsweise durch Lochscheiben und mit überkritischem Druckverhältnis) bespannt, d.h. mit einem konstanten zeitlichen Druckanstieg im Schüttgutbehälter. Infolge dessen traten in der Anfangsphase erhebliche Strömungsgeschwindigkeiten in der Schüttung 2 auf, die etwa um den Faktor 45 höher waren als am Ende der Bespannung (3, Graph IV).
Die aus dem Stand der Technik bekannten hohen anfänglichen Strömungsgeschwindigkeiten u führen zu hohen örtlichen Druckgradienten ∆p/∆x der Gasströmung in der Schüttung 2. Ursachen sind beispielsweise die zahlreichen Umlenkungen des Fluidstromes, Wandreibung und Turbulenzen beim Durchströmen der inneren Kanäle bzw. beim Umströmen der Schüttgutpartikel in der Schüttung 2.
Entsprechend den allgemein anerkannten strömungsmechanischen Modellen für die Durchströmung poröser Schichten

(1) ∆p/∆x ~ u (Ergun- bzw. Darcy-Gleichung für laminare Porenströmung)
(2) ∆p/∆x ~ u² (nicht-laminare Partikelumströmung)
(3) ∆p/∆x = k_lam·η·u + k_turb·ρ·u² (Druckabfall in einer Partikelschicht infolge Zähigkeits- und Trägheitswirkung; k_lam, k_turb – Durchflusswiderstände, η – Fluidviskosität, ρ – Fluiddichte)

Gleichzeitig wirken sowohl der dynamische Druck der Gasströmung als auch die Wandreibung bzw. Reibung an den umströmten Partikeln in den inneren Kanälen der durchströmten Schüttung 2 in Form von Schubspannungen auf das Feststoffgerüst der Schüttung 2.
Es erscheint plausibel anzunehmen, dass sich die inneren Spannungen σ innerhalb des Feststoffgerüstes der Schüttung 2 proportional zur einwirkenden Kraft, d.h. proportional zum Druckgradienten in der Gasströmung erhöhen

(4) σ ~ ∆p/∆x,

2

Die Kompression der Schüttung 2 verläuft in bekannter Weise degressiv, d.h. geringe Kompressionskräfte führen zu anfänglich hohen Verdichtungen der Schüttung 2. Mit zunehmenden Kompressionskräften wird der Verdichtungseffekt geringer.
Die höchsten Durchströmungsgeschwindigkeiten in der äußeren Porosität treten in den Gaseintrittszonen der Schüttung 2 auf, also in den Schüttungsbereichen, in denen das Gas für die Druckerhöhung im Schüttgut 2 aus den Gaseintrittsöffnungen 4 in die Schüttung 2 einströmt. Hier ist die Schichtkompression und Kompaktierungsgefahr am höchsten. Auf dem weiteren Weg durch die Schüttung 2 verteilt sich das Bespannungsgas in der äußeren Porosität der Schüttung 2, wobei die lokalen Strömungsgeschwindigkeiten abnehmen. Am niedrigsten ist die Durchströmungsgeschwindigkeit in den von den Gaseintrittszonen abgelegenen Bereichen der Schüttung 2, deren Porositätsvolumen erst zum Ende des Bespannungsvorganges mit Bespannungsgas gefüllt wird.
Ist der Schüttgutbehälter 1 nicht vollständig bis zur Einlauföffnung 3a gefüllt, ist hinsichtlich der Strömungsgeschwindigkeiten zwischen den Gaseintrittsöffnungen 4 im Schüttgutbereich und den Gaseintrittsöffnungen 4 oberhalb des Schüttgutes zu unterscheiden. Der über die Gaseintrittsöffnungen 4 oberhalb der Schüttung 2 einströmende Gasvolumenstrom (gemäß Ausführungsbeispiel in 1 und 2 ist dies der Volumenteilstrom Q_V,t1) füllt oberhalb der Schüttung 2 den gesamten freien Querschnitt des Schleusbehälters 1 aus, so dass die Anströmgeschwindigkeit u des Gases unmittelbar vor dem Eintritt in die Schüttung 2 (Leerrohrgeschwindigkeit) aus dem zugeführten Volumenteilstrom Q_V,t1 und dem Querschnitt des Schleusbehälters (D²·π/4) zu berechnen ist. Der Leerrohr-Querschnitt für diesen Gasanteil entspricht somit dem offenen Querschnitt des Schleusbehälters 1. Bei den Gaszuführungen unmittelbar in die Schüttung 2 (2, Volumenteilströme Q_V,b1, Q_V,b2, Q_V,t2) sind die Anström- oder Leerrohrgeschwindigkeiten u mit den Querschnitten der Gaseintrittsöffnungen 4 zu berechnen.
Zur Überwindung der Kompaktierungsprobleme während einer Druckerhöhung auf die genannten 45 bar im Schleusbehälter 1 wird nun erfindungsgemäß vorgeschlagen, das zeitliche Bespannungsprofil so abzuändern, dass nicht – wie bisher üblich – der Massenstrom während der Zuführung des Gases konstant gehalten wird, sondern sein Volumenstrom und damit auch die Volumenteilströme über die Gaseintrittsöffnungen 4 während der Gesamtdauer t_E der Bespannung (Druckerhöhung) auf einen konstanten Sollwert, zumindest aber unterhalb der zur Schichtkompaktierung führenden maximalen Volumenströme gehalten wird.
Wenn ein Schüttgut nun unter Schwerkrafteinfluss in einem Schüttgutbehälter 1 lagert und dabei eine kompaktierbare Schüttung 2 bildet, so soll erfindungsgemäß zunächst eine schüttgutspezifische maximale Anströmgeschwindigkeit u_max für ein Schüttgut in Vorversuchen mit diesem Schüttgut und unterschiedlichen Anströmgeschwindigkeiten u bestimmt werden. U_max als schüttgutspezifische und gerade noch die Kompaktierungsfreiheit gewährleistende maximale Anströmgeschwindigkeit im Sinne der Erfindung ist der Maximalwert der Anströmgeschwindigkeit u_max bei der Anströmung der jeweils verwendeten Schüttung 2, bei der das Schüttgut aufgrund der Strömungskräfte, d.h. durch die örtlichen Druckgradienten, die von den An- nd Durchströmungskräften der Gasströmung in der Schüttung verursacht werden, gerade noch nicht kompaktiert. Bei einer Überschreitung würde die Schüttung 2 verdichtet und Feststoffbrücken würden zur Agglomeratbildung und zum Blockieren der Auslauföffnung 3b führen.
Aus der maximalen Anströmgeschwindigkeit u_max können mit Hilfe der Leerrohrquerschnitte und Gaszuleitungsquerschnitte die maximalen Strömungsgeschwindigkeiten oder maximalen Volumenteilströme für die einzelnen Gaszuführungen ermittelt werden.
Die maximale Anströmgeschwindigkeit u_max für das jeweilige Schüttgut oder ein oder mehrere daraus abgeleitete bzw. damit verbundene Strömungsparameter, beispielsweise die Maximalwerte für die Volumenteilströme Q_Vt1, Q_Vt2, Q_Vb1, Q_Vb2 ... für jede Gaseintrittsöffnung 4, werden in der Speichereinrichtung 7s gespeichert.
Die maximale Anströmgeschwindigkeit u_max kann, wie oben beschrieben, aus Vorversuchen mit einer Testapparatur (4) bestimmt werden. Beispielsweise kann eine mit dem realen Schüttgut (hier: Kohlenstaub) gefüllte Schüttgutsäule 9 in einem Leerrohr mit wenigstens 200 mm Innendurchmesser und mit einer Länge von mindestens 1000 mm als Testanordnung dienen. Die Kohlenstaubschüttung wird oben und unten von zwei Siebplatten 10 eingeschlossen. Durch diese wird die Schüttung während der Schüttguttests von oben oder unten von einem Gas, beispielsweise Stickstoff, durchströmt. Die Siebplatten 10 sind vorzugsweise aus einem porösen Sintermetall gefertigt. Zur Druckmessung dienen zwei Druckmesseinrichtungen 13, die den Gasdruck unter der oberen Sienplatte 10 und oberhalb der unteren Siebplatte 10 erfassen. Bei den Versuchen ist darauf zu achten, dass nicht zu große Verhältnisse zwischen Schüttungshöhe und Leerrohrdurchmesser gewählt werden (H < 5D), damit die Einflüsse der Wandreibung und Feststoffbrückenbildung vernachlässigbar bleiben.
In der unteren Siebplatte 10 ist ein zentrales Schüttgut-Auslaufrohr 11 mit einem Auslaufventil 12 angeordnet, die etwa die 0,25–0,50-fache Nennweite der Schüttgutsäule aufweisen.
Der Druckerhöhungsverlauf im Schüttgutsilo wird nun in der Testapparatur simuliert. Das „Bespannen“ der Schüttgutsäule 9 erfolgt mit verschiedenen Gasvolumenströmen, die durch die obere Siebplatte 10 in die Schüttung eingeleitet werden.
In einem sehr einfachen Versuchablauf wird die Höhe der Schüttgutschicht nach der Gasdurchströmung in Abhängigkeit vom Gasvolumenstrom bzw. von der Leerrohr-Gasgeschwindigkeit in der Säule bestimmt. Die experimentell bestimmte höchste Strömungsgeschwindigkeit, bei der die Schüttgutschicht noch nicht komprimiert wurde, ist als Wert für u_max verwendbar.
In einer verbesserten Versuchsvariante wird anstelle der Schüttungshöhe als Indikator für die durch die Komprimierung zu erwartenden Auslaufstörungen das Auslaufverhalten der Schüttung als Folge der durchströmungsbedingten Schüttungskompression direkt bestimmt. Nach der Druckbeaufschlagung der Testschüttung mit einer Gaseinleitung von oben wäre das Auslaufventil 12 zu öffnen und das Auslaufverhalten der Testschüttung zu beobachten. Die Durchströmungsgeschwindigkeit in der Schüttgutsäule 9, bei der das Auslaufen der Schüttung noch nicht negativ beeinflusst wird, ist dann als maximal zulässige Anströmgeschwindigkeit u_max definierbar.
In einer dem angestrebten Verfahren zur Druckerhöhung nahe kommenden Versuchsvariante wird zusätzlich die zur Auflockerung der Schüttung nach oben gerichtete Überschussströmung des Gases im Konus des Silos simuliert.
In Vorversuchen wird dazu die minimale Fluidisierungsgeschwindigkeit für das unkompaktierte Schüttgut bestimmt. Dazu wird das Bespannungsgas mit zunehmenden Volumenströmen durch die untere Siebplatte 10 nach oben in die Testschüttung eingeleitet und der erzeugte Fluidisierungseffekt beobachtet. Das Fluidisierungsgas kann dabei am oberen Auslass frei abströmmen.
Bei geringer Strömungsgeschwindigkeit bleiben die Feststoffteilchen der Schüttschicht in Ruhe, und das fluide Medium strömt durch die Schüttschichtporen. Ein derartiges System wird als Festbett bezeichnet. Durch Steigerung der Strömungsgeschwindigkeit wird schließlich ein Zustand erreicht, in dem das Festbett zu expandieren beginnt. In diesem Zustand reicht der Druck des Fluides unter der Schüttung aus, um sie anzuheben und in ihrem Gefüge zu lockern. Nach weiterer Steigerung der Strömungsgeschwindigkeit erfolgt bei Überschreitung des sog. Wirbelpunktes der Übergang von der Schüttschicht (Festbett) zur Wirbelschicht (Fließbett). Diejenige charakteristische bzw. kritische Strömungsgeschwindigkeit, bei der die Schicht gerade zu wirbeln beginnt, wird üblicherweise als Wirbel- oder auch Wirbelpunktsgeschwindigkeit bezeichnet. Im vorliegenden Fall entspricht die Wirbelpunktsgeschwindigkeit der minimalen Fluidisierungsgeschwindigkeit. Aus praktischen Erwägungen würde sich der Fachmann vornehmen, nicht mehr als das Doppelte des minimalen Fluidisierungsgasstroms für den aufwärtsgerichteten Überschuss-Gasstrom im realen Schüttgutbehälter einzusetzen.
Nach diesem Konzept wird nun die Testschüttung beaufschlagt. Nach jeder Druckerhöhung in der Testschüttung (Gaszufuhr von oben mit zunehmendem Volumenstrom bzw. zunehmender Strömungsgeschwindigkeit u) wird anschließend der minimale Fluidisierungsgastrom (von unten) in die Testschüttung eingeleitet. Erfolgt danach ein störungsfreier Abfluss des Schüttgutes nach dem Öffnen des Auslaufventils 12, ist u_max noch nicht erreicht. Sobald jedoch Auslaufstörungen nach einer Druckbeaufschlagung der Schüttung und einer anschließenden Steigerung des Fluidisierungsgastromes auf das Zweifache des minimalen Fluidisierungsgastroms zu beobachten sind, ist u_max bei der Druckbeaufschlagung überschritten und der vorhergehende Versuch mit geringerer Gasgeschwindigkeit und störungsfreiem Schüttgutauslauf zur Festlegung von u_max zu wählen.
Der zuletzt beschriebene Testablauf unterscheidet sich vom realen Ablauf immer noch durch die nacheinander ablaufende Druckerhöhung und Fluidisierung. Im realen Schüttgutbehälter wird das in der Druckbeaufschlagungsphase in das Schüttgut eingeleitete Gas gleichzeitig zu einem Teil für den aufwärts gerichteten Fluidisierungsgasstrom im Konusbereich genutzt. Dennoch ist auch mit der sequentiellen Gaszufuhr im Test eine ausreichende Abschätzung für u_max möglich.
Alternativ sind auch Modellrechnungen unter Benutzung bekannter Kompressionsmodelle für Schüttgüter und experimentell ermittelter Schüttungsdichten aus Verdichtungsversuchen mit einachsiger Belastung und unterschiedlichen Stempellasten möglich. Die Übertragbarkeit einer experimentell durch Stempeldruck erzeugten Vertikalspannung und Schüttungskompression auf den Zusammenhang zwischen Strömungskräften und Schüttungsdichten ist in Abhängigkeit vom jeweiligen Schüttgut zu prüfen.
Sollte eine Testapparatur nicht zur Verfügung stehen, können Druckbeaufschlagungsvorgänge mit unterschiedlichen Gasvolumenströmen und dabei auftretenden Kompaktierungsproblemen unter realen Bedingungen in einem Kohlenstaubsilo durchgeführt werden. Sofern die Möglichkeit der messtechnischen Erfassung der Gasverteilung auf die einzelnen Gaszuführungen am Schüttgutsilo besteht, lässt sich aus den einzelnen Gasvolumenteilströmen und den zugeordneten lokalen Schüttgutporositäten in den Gaseintrittszonen der Gaszuführungen eine maximale Anströmgeschwindigkeit u_max ermitteln.
Nachdem der obere Grenzwert für die Strömungsgeschwindigkeit u des Gases vor dem Gaseintritt in die Schüttung 2 bestimmt wurde, soll im praktischen Anlagenbetrieb das Gas für eine Druckerhöhung im Schleusbehälter 1 derart eingespeist werden, dass der Maximalwert des Strömungsparameters und damit verbunden die maximale Anströmgeschwindigkeit u_max bei der Gaszufuhr zur Schüttung 2 in einem Volumenstrom Q_V oder in mehreren Volumenteilströmen Q_Vt1, Q_Vt2, Q_Vb1, Q_Vb2 in keinem der Anströmbereiche überschritten wird. Vorzugsweise wird das Gas zur Druckerhöhung im Schüttgutbehälter mit einem konstanten Sollwert für den (Betriebs-)Volumenstrom eingespeist, so dass die an den Gaseintrittsöffnungen 4 in die Schüttung 2 eintretenden Volumenteilströme Q_Vt1, Q_Vt2, Q_Vb1, Q_Vb2 in Abhängigkeit von der Regelgüte der Gastromregelungseinrichtung 7 zeitlich annähernd konstant sind und die daraus resultierenden Anströmgeschwindigkeiten u die maximale Anströmgeschwindigkeit u_max nicht überschreiten.
Da bei der Regelung des Volumenstroms für die Bespannung des Schüttgutes der Einfluss der Gastemperatur und des Gasdruckes auf den realen Volumenstrom unter Betriebsbedingungen zu berücksichtigen ist, werden die innerhalb der Regelung ermittelten und ausgetauschten Werte zweckmäßig auf Normbedingungen bezogen. Die entsprechenden Normvolumenströme können auf Basis der Zustandsgleichung für ideale Gase auf die Volumenströme unter den aktuellen Temperatur- und Druckbedingungen (Betriebsbedingungen) umgerechnet werden.
Verhält sich das Bespannungsgas ideal und ist der Durchströmungswiderstand der Schüttung 2 gering, so wird die Zielgröße "konstante Durchströmungsgeschwindigkeit" durch Zufuhr eines konstanten Volumenstroms Q_V im Betriebszustand (p, T) im Schleusbehälter 1 realisiert. Hieraus folgt, dass der entsprechende Normvolumenstrom Q_VN proportional zum erreichten Gasdruck p im Schleusbehälter 1 zu steigern ist, so dass sich ein nichtlinearer zeitlicher Verlauf des Druckanstiegs p(t) ergibt, der gekennzeichnet ist durch

(5) ∂p/∂t / p = ∂ln(p) / ∂t = C = constant,

₀

(6) p(t)/p₀ = e^C·t mit C = 1/t_E·ln(p_E/p₀).

Aus den drei unabhängigen Größen p₀, p_E, t_E wird die Konstante C in üblicher Weise berechnet. Aus dem idealen Gasgesetz ergibt sich dann, welcher Normvolumenstrom Q_VN dem Schleusbehälter 1 zuzuführen ist, um den gewünschten Druckverlauf p(t) zu realisieren:
Der Momentanwert des Gasdruckes p im Schleusbehälter 1 ist dabei die einzige Eingangsvariable zur Berechnung des jeweils aktuell zuzuführenden Normvolumenstromes Q_VN. Der Gasdruck p im Schleusbehälter 1 wird kontinuierlich während der Druckerhöhung erfasst und aus den Gasdruckwerten werden gemäß Gleichung (7) fortlaufend Sollwerte für den zuzuführenden Normvolumenstrom Q_VN in der Gasstromregelungseinrichtung 7 ermittelt. Zur Gewährleistung der Zufuhr eines konstanten Volumenstroms Q_V ist es somit erforderlich, den Normvolumenstrom Q_VN oder die zugeführten Normvolumenteilströme Q_VNt1, Q_VNt2, Q_VNb1, Q_VNb2 ... des Gases proportional zum Gasdruck p im Schleusbehälter 1 zu erhöhen. Alternativ werden in Abhängigkeit von einer Druckerhöhungszeit t gemäß Gleichungen (6) und (7) nach einer Exponentialfunktion fortlaufend Sollwerte für den zuzuführenden Normvolumenstrom Q_VN oder die zugeführten Normvolumenteilströme Q_VNt1, Q_VNt2, Q_VNb1, Q_VNb2 ... in der Gasstromregelungseinrichtung 7 gebildet.
Die in der Gasstromregelungseinrichtung 7 ermittelten Sollwerte für den zuzuführenden Normvolumenstrom Q_VN werden durch den aus der maximalen Anströmgeschwindigkeit u_max ermittelten maximalen Normvolumenstrom Q_VN,max begrenzt.
Für nicht ideale Gase werden die vorstehenden Rechnungen unter Berücksichtigung der jeweiligen Zustandsgleichung durchgeführt. Dies führt jedoch in der Regel zu Ergebnissen, die nur geringfügig vom idealen Gasverhalten abweichen.
Sind mehrere Gaseintrittsöffnungen 4, beispielsweise vier Gaseintrittsöffnungen 4 vorzugsweise in mehreren Ebenen des Schleusbehälters 1 zur Zufuhr des Bespannungsgases vorgesehen, so werden die Sollwerte Q_VN,t1, Q_VN,t2, Q_VN,b1, Q_VN,b2 ... für die einzelnen Gaseintrittsöffnungen 4 entsprechend den Anteilen der zu bespannenden Teilvolumina V_t1, V_t2, V_b1, V_b2 ... am gesamten Volumen V des Schleusbehälters 1 für jede der Gaseintrittsöffnungen 4 gebildet, wobei Q_VN = Q_VN,t1 + Q_VN,t2 + Q_VN,b1 + Q_VN,b2 und Q_VN,t1/V_t1 = Q_VN,t2/V_t2 = Q_VN,b1/V_b1 = Q_VN,b2/V_b2 gilt.
Aus den Sollwerten Q_VN,t1, Q_VN,t2, Q_VN,b1, Q_VN,b2 für die Normvolumenteilströme aus den einzelnen Gaseintrittsöffnungen 4 wird die in jeder Gaseintrittszone unter den aktuellen Betriebsbedingungen p und T erzeugte Anströmgeschwindigkeit berechnet, wobei bei Überschreitung der maximal zulässigen Anströmgeschwindigkeit u_max an einer der Gaseintrittsöffnungen 4 die Volumenstrom-Sollwerte auch für alle anderen Normvolumenteilströme Q_VN,t1, Q_VN,t2, Q_VN,b1 oder Q_VN,b2 in gleichem Verhältnis reduziert werden, bis an allen Anströmbereichen u < u_max gewährleistet ist.
In analoger Weise können auch anstelle der maximalen Anströmgeschwindigkeit u_max die Maximalwerte für jeden Normvolumenteilstrom Q_VN,_t1, Q_VN,_t2, Q_VN,_b1, Q_VN,_b2 ermittelt werden, die aus der maximalen Leerrohrgeschwindigkeit u_max, den Betriebsbedingungen (p, T) und den Strömungsquerschnitten der Gaseintrittsöffnungen 4 bzw. Anströmquerschnitten am jeweiligen Gaseintritt in die Schüttung 2 ermittelbar sind und die Sollwerte für die Volumenteilströme Q_VN,t1, Q_VN,t2, Q_VN,b1, Q_VN,b2 ... begrenzen. Überschreitet ein Sollwert an einer der Gaseintrittsöffnungen 4 den zulässigen Grenzwert, so sind die übrigen Gasströme unter Beibehaltung der Volumenstromverhältnisse zwischen den Gaszuführungen zu drosseln.
In 3 ist der Ablauf eines nach der Lehre dieser Erfindung vorgenommenen Bespannungsvorganges (Graphen I, II, III) im Vergleich zum bekannten Stand der Technik (Graphen IV, V) skizziert. Über der dimensionslosen Zeitachse t/t_E sind folgende Zeitfunktionen aufgetragen:

(I) u/u_max: dimensionslose Leerrohr- bzw. Anströmgeschwindigkeit beim Gaseintritt in die Schüttung 2 mit konstantem Volumenstrom Q_v
(II) (p – p₀)/(p_E – p₀): dimensionsloser Druckverlauf
(III) Q_VN /Q_VN,avrg: dimensionsloser Bespannungsgasvolumenstrom
(IV) u/u_max: dimensionslose Leerrohr- bzw. Anströmgeschwindigkeit gemäß dem Stand der Technik
(V) Q_m/Q_m,avrg: dimensionsloser Bespannungsgasmassenstrom gemäß dem Stand der Technik

Der Grundgedanke der dargestellten Lösung besteht in der Druckbeaufschlagung des Schüttgutes mit einem konstanten Volumenstrom Q_V unter Betriebsbedingungen. Daraus ergibt sich eine konstante Anströmgeschwindigkeit u = u_max bzw. u/u_max = 1 (Graph I) und in der Folge ein konstanter Druckgradient ∆p/∆x in der Schüttung 2 des Brennstaubes, wenn der Normvolumenstrom Q_VN exponentiell mit der Bespannungszeit t gemäß Gleichung (7) ansteigt (Graph III). In der Folge nimmt auch der Gasdruck p im Schleusbehälter 1 exponentiell mit der Zeit zu (Graph II).
Im Gegensatz dazu erfolgt die Druckbeaufschlagung bisher nach dem bekannten Stand der Technik mit einem konstanten Massenstrom Q_m (Graph V), wodurch anfänglich sehr hohe Gasvolumenströme und Gasgeschwindigkeiten auftreten, die zur Schichtkompaktierung führen. Infolge des mit der Druckerhöhungszeit t ansteigenden Druckes p und der zunehmenden Gasdichte im Schüttgutbehälter 1 nehmen der Volumenstrom Q_v und die Anströmgeschwindigkeit u mit zunehmender Druckerhöhungszeit bzw. am Ende des Bespannungsvorganges ab (Graph IV).
Die vorstehenden Berechnungsschritte können bei Bedarf weiter präzisiert werden, um das Realgasverhalten des Bespannungsgases und weitere Sekundäreffekte zu berücksichtigen, wie beispielsweise den Strömungswiderstand der Schüttung 2 oder deren Kompressibilität. In der Folge sind allerdings nur vergleichsweise geringe Veränderungen gegenüber den hier vereinfacht dargestellten grundlegenden Beziehungen zu erwarten.
Zur weiteren Verringerung des Risikos der Schüttgutkompression sind folgende ergänzenden Maßnahmen hilfreich:

• Verlängerung der zur Behälterbespannung verfügbaren Zeitspanne t_E, z.B. durch Erhöhen der Anzahl der Schleusbehälter,
• Minimierung des H/D-Verhältnisses des/der Schleusbehälter(s) 1 zur Reduzierung der Feststoffbrückenbildung,
• Zuführung des Bespannungsgases in Teilströmen über mehrere, über die Schleusbehälterhöhe verteilte Gaseintrittsöffnungen 4 (Einspeiseebenen) zur Verkürzung des Zeitbedarfs t_E für die periodischen Druckerhöhungen und zur Verbesserung der Durchströmungsbedingungen der Schüttung 2.
• Verteilung der zugeführten Gasmengen derart, dass die Gasströmung innerhalb des Behälterkonus aus dem Konus heraus in Richtung der Konuserweiterung und damit, bei den üblichen Schüttgutbehältern, regelmäßig entgegen der Schwerkraft, in Richtung der Konuserweiterung bzw. zylindrischen Teils erfolgt, wodurch eine fluidisierende Wirkung auf das Schüttgut ausgeübt wird.

Das Verhältnis der Höhe H des Schleusbehälters 1 zu dessen Innendurchmesser D sollte zur Vermeidung von Feststoffbrückenbildungen kleiner als 5 sein. Behälter mit kleinem Verhältnis H/D sind vorteilhaft, um ein Bespannen des Schüttgutes ohne anschließende Störungen im Brennstaubfluss zu gewährleisten. Allerdings würden die Schleusbehälter 1 dadurch schwer und teuer.
Ein höheres H/D-Verhältnis ohne nachteilige Auswirkungen auf den Brennstaubfluss kann realisiert werden, wenn die Gaszufuhr über mehrere Gaseintrittsöffnungen 4 in unterschiedlichen Einspeiseebenen aufgeteilt wird mit entsprechend zu versorgenden Teilvolumina des Schleusbehälters 1. Die den einzelnen Ebenen zugeordneten Teilvolumina haben eine entsprechend geringere Höhe als der gesamte Schleusbehälter 1. Sie können daher mit geringeren Normvolumenteilströmen und Gasgeschwindigkeiten „bespannt“ werden, die anschließende Störungen im Brennstaubfluss vermeiden. Mit Hilfe der Aufteilung des zuzuführenden Normvolumenstromes Q_VN in Normvolumenteilströme Q_VNt1, Q_VNt2, Q_VNb1, Q_VNb2 können die lokalen Anströmgeschwindigkeiten u und damit die Kompaktierungsneigung des Brennstaubes in der Schüttung 2 auf die einfachste Weise reduziert werden.
Eine weitere, sehr effektive Maßnahme zur Auflockerung der Schüttung 2 besteht darin, dass der Behälterkonus vom Auslauf 3b des Schleusbehälters 1 her mit einem Gasüberschuss bespannt wird, d.h. dass der zur Druckerhöhung dem Konusbereich des Schleusbehälters 1 zugeführte Volumenstrom mit einem höheren Betrag als es dem zu versorgenden Teilvolumen entsprechen würde, zugeführt wird, so dass die Gasströmung innerhalb des Behälterkonus nach oben in Richtung der Konuserweiterung in den zylindrischen bzw. prismatischen Abschnitt des Schüttgutbehälters 1 gerichtet ist und damit das Schüttgut 2 im Konus, insbesondere im Bereich der Auslauföffnung 3b fluidisiert und damit der Feststoffbrückenbildung entgegen wirkt.
Die Bespannungsgasmenge wird beispielsweise gemäß 1 in zwei Normvolumenteilströmen Q_VN,t1, Q_VN,b1 am höchsten und am tiefsten Punkt des Schleusbehälters 1 zugeführt. Hierbei ist der am Kopf zugeführte Normvolumenstrom Q_VN,t1 so zu bemessen, dass er zur Bespannung des zugeordneten Teilvolumens V_t1 ausreicht. V_t1 umfasst das Gasvolumen im zylindrischen Teil des Schleusbehälters 1 oberhalb des Auslaufkonus. Es enthält zudem die Volumina der an diesen Behälter-Teilvolumen angeschlossenen Rohrleitungen bis zur jeweiligen ersten Absperr-Rückschlagarmatur. Der im Bereich der Auslauföffnung 3b zugeführte Normvolumenteilstrom Q_VN,b1 ist so zu bemessen, dass er mindestens zur Bespannung des zugeordneten Konusvolumens V_b1 ausreicht und darüber hinaus einen gewissen Volumenstromüberschuss aufweist. Das Konusvolumen V_b1 umfasst das Gasvolumen im Konusbereich des Schleusbehälters sowie die Volumina der angeschlossenen Rohrleitungen bis zur jeweils ersten Absperr-/Rückschlagarmatur. Der überschießende Volumenstrom für den Konus unterliegt ebenfalls der Bedingung u < u_max. Infolge des etwas höheren Volumenstromes füllt sich die Porosität der Schüttung im Teilvolumen V_b1 des Konus schneller mit dem Bespannungsgas, so dass überschüssiges Gas in die weniger gefüllten Hohlräume des benachbarten Schüttungsbereiches überströmt. Der Betrag des Volumenstromüberschusses ist unter Praxisbedingungen zu optimieren. Im Falle mehrerer Gaseintrittsöffnungen 4 im Konusbereich ist es in analoger Weise zweckmäßig, dass mehrere Normvolumenteilströme Q_VNb1, Q_VNb2 ... mit überschüssigen (zusätzlichen) Volumenstromanteilen zugeführt werden, so dass eine resultierende Gasströmung des überschüssigen Gases im Konus entsteht, die entgegen der Schwerkraft gerichtet ist, wodurch eine fluidisierende Wirkung auf das Schüttgut ausgeübt wird. Die überschüssigen Gasströme können dabei unterschiedliche Beträge haben. Beispielsweise erscheint es sinnvoll, die zusätzlichen Volumenstromanteile nach oben hin zu verringern.
Diese Aufteilung stellt sicher, dass während der Bespannung im Konusbereich eine aufwärts gerichtete Strömung in der Schüttung 2 vorherrscht, die der Feststoffbrückenbildung entgegenwirkt, wodurch eine fluidisierende Wirkung auf das Schüttgut ausgeübt wird. Wenn dagegen die resultierende Gasströmung wegen Gasüberschusses im zylindrischen Behälterabschnitt in Richtung der Auslauföffnung 3b für den Brennstaub gerichtet wäre, könnten sich die durch Brennstaubkompression verursachten Feststoffbrücken in nachteiliger Weise auf den geneigten Konuswänden abstützen und stabilisieren.
Das vorgeschlagene Verfahren trägt einerseits zur Stabilisierung der Brennstaubzufuhr zum Vergaser bei, andererseits könnten sich die Prozesszeiten für die Druckbeaufschlagung durch die strömungstechnische Limitierung u < u_max der maximal zugeführten Gasvolumenströme zur Vermeidung der Kompaktierung des Brennstaubes möglicherweise verlängern.
Eine Kompensation der Verlängerung der Bespannungszeiten ist durch zusätzliche Gaseintrittsöffnungen für das Druckgas oder auch mit einer Vergrößerung der Gaseintrittsquerschnitte erreichbar. Beispielsweise kann mit der Anordnung von gasdurchlässigen Flächenelementen (Sintermetalle) an den Gaseintrittsöffnungen 4 innerhalb des Schüttgutfüllvolumens an der Innenwand eines Schüttgutbehälters 1 der Anströmquerschnitt und damit der maximal zulässige Volumenstrom im Vergleich zu einfachen Rohreinmündungen erhöht werden, ohne dass es zur Überschreitung der maximal zulässigen Anströmgeschwindigkeit u_max und zur Schichtkompaktierung kommt.
Bezugszeichenliste

1: Schüttgutbehälter, Schleusbehälter
2: Schüttung des Brennstaubes
3a: Einlauföffnung
3b: Auslauföffnung
4: Gaseintrittsöffnung
5p: Druckmesseinrichtung
5t: Temperaturmesseinrichtung
6: Gasstrom-Durchflussregler
7: Gasstromregelungseinrichtung
7s: Speichereinrichtung
8: Stellventile
9: Schüttgutsäule
10: Siebplatten
11: Schüttgut-Auslaufrohr
12: Auslaufventil
13: Druckmesseinrichtungen
D: Innendurchmesser des Schüttgutbehälters
FIC: Volumenstromregler
H: Höhe des Schüttgutbehälters
p: mittlerer Gasdruck
p₀: Anfangsdruck (t = 0) im Schüttgutbehälter
p_E: Enddruck bei t = t_E im Schüttgutbehälter
∆p: Strömungsdruckverlust
PI: Druckmessstelle
Q_V: Volumenstrom (unter Betriebsbedingungen p, T)
Q_m: Massenstrom
Q_m,avrg: mittlerer Massenstrom
Q_VN: Normvolumenstrom
Q_VN,avrg: mittlerer Normvolumenstrom
Q_VN,max: maximaler Normvolumenstrom
Q_Vt1, Q_Vt2, Q_Vb1, Q_Vb2: Volumenteilstrom (unter Betriebsbedingungen)
Q_VNt1, Q_VNt2, Q_VNb1, Q_VNb2: Normvolumenteilstrom (unter Normbedingungen)
R: individuelle Gaskonstante
T: Temperatur
TI: Temperaturmessstelle
t: Druckerhöhungszeit
t_E: Dauer des Druckerhöhungs-(Bespannungs-)Vorganges
u: Leerrohrgeschwindigkeit, Anströmgeschwindigkeit
u_max: maximale Leerrohrgeschwindigkeit, maximale Anströmgeschwindigkeit
UY: Berechnungsblock mit mehreren Eingangsgrößen
V: Volumen des Schleusbehälters
V_t1, V_t2, V_b1, V_b2: Teilvolumen des Schüttgutbehälters
x: Höhenkoordinate auf der Behälterachse
η: Gasviskosität
σ: innere Spannung im Schüttgut
σ₀: isostatische Zugfestigkeit
ρ: Gasdichte
ρ_N: Gasdichte im Normzustand
ρ_S: Schüttungsdichte
ρ_S0: Schüttungsdichte bei Normaldruck

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2004/085578 A1 [0008]
DE 4108048 A1 [0008]
US 4941779 A [0008]
WO 2009/097969 [0008]
DE 1130368 [0008]

Claims

Verfahren zur Druckerhöhung in einem Schüttgutbehälter mit einem kompaktierbaren Schüttgut, wobei – die Druckerhöhung durch eine Gaszufuhr in den Schüttgutbehälter (1) bewirkt wird, – das Schüttgut eine kompressible Schüttung (2) bildet, die infolge der Gaszufuhr zur Schüttung (2) kompaktieren kann, dadurch gekennzeichnet, dass – mindestens ein schüttgutspezifischer Maximalwert eines Strömungsparameters für die Gaszufuhr festgelegt wird, der mit einer maximalen Anströmgeschwindigkeit (u_max) des zugeführten Gases verbunden ist, wobei – die maximale Anströmgeschwindigkeit (u_max) einer Anströmgeschwindigkeit vor dem Gaseintritt in die Schüttung (2) entspricht, bei der die Schüttung (2) gerade noch nicht kompaktiert, und – die Gaszufuhr zur Schüttung (2) derart geregelt wird, dass der Maximalwert des Strömungsparameters oder die damit verbundene maximale Anströmgeschwindigkeit (u_max) nicht überschritten wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Maximalwert des Strömungsparameters oder die maximale Anströmgeschwindigkeit u_max durch praktische Untersuchungen oder mathematische Modelle oder aus Erfahrungswerten bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – die Gaszufuhr in einem Volumenstrom (Q_V) erfolgt oder in mehrere Volumenteilströme (Q_Vt1, Q_Vt2, Q_Vb1, Q_Vb2, ...) aufgeteilt wird, – wobei der Maximalwert des Strömungsparameters oder die damit verbundene maximale Anströmgeschwindigkeit (u_max) vom Volumenstrom (Q_V) oder von den Volumenteilströmen (Q_Vt1, Q_Vt2, Q_Vb1, Q_Vb2, ...) nicht überschritten wird und – jeder Volumenteilstrom (Q_Vt1, Q_Vt2, Q_Vb1, Q_Vb2, ...) ein Teilvolumen (V_t1, V_t2, V_b1, V_b2, ...) des Schüttgutbehälters (1) mit Gas versorgt und das Verhältnis der Volumenteilströme (Q_Vt1, Q_Vt2, Q_Vb1, Q_Vb2, ...) dem Verhältnis der Teilvolumen (V_t1, V_t2, V_b1, V_b2, ...) des Schüttgutbehälters (1) entspricht.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaszufuhr nach einem konstanten Sollwert für den Volumenstrom (Q_V) oder konstanten Sollwerten für die Volumenteilströme (Q_Vt1, Q_Vt2, Q_Vb1, Q_Vb2. ...) oder nach anderen damit verbundenen Sollwerten gesteuert oder geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenstrom (Q_V) oder die Volumenteilströme (Q_Vt1, Q_Vt2, Q_Vb1, Q_Vb2, ...) auf Normbedingungen von Druck und Temperatur bezogen werden und dementsprechend der zugeführte Normvolumenstrom (Q_VN) oder die zugeführten Normvolumenteilströme (Q_VNt1, Q_VNt2, Q_VNb1, Q_VNb2 ...) des Gases – proportional zum Gasdruck (p) im Schüttgutbehälter (1) oder – nach einer Exponentialfunktion in Abhängigkeit von einer Druckerhöhungszeit (t) erhöht werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein zur Druckerhöhung in einen Konus des Schüttgutbehälters (1) zugeführter Volumenteilstrom (Q_Vb1, Q_Vb2 ...) mit überschüssigem Volumenstromanteil zugeführt wird, so dass eine resultierende Gasströmung des überschüssigen Gases im Konus in Richtung der Konuserweiterung entsteht.
Schüttgutbehälter (1) mit einem kompaktierbaren Schüttgut zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei – der Schüttgutbehälter (1) eine Einlauföffnung (3a) für das Schüttgut und eine Auslauföffnung (3b) in einem Konus des Schüttgutbehälters (1) und eine Gaseintrittsöffnung (4) für die Zufuhr eines Volumenstromes (Q_V) oder mehrere Gaseintrittsöffnungen (4) für die Zufuhr von Volumenteilströmen (Q_Vt1, Q_Vt2, Q_Vb1, Q_Vb2 ...) eines Gases zur Druckerhöhung im _. Schüttgutbehälter (1) aufweist, – jeder Gaseintrittsöffnung (4) ein Stellventil (8) in Signalverbindung mit einem Gasstrom-Durchflussregler (6) in den Schüttgutbehälter (1) zugeordnet ist und das Stellventil (8) sowie der Gasstrom-Durchflussregler (6) mit einer Gasstromregelungseinrichtung (7) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasstromregelungseinrichtung (7) – eine Speichereinrichtung (7s) für die Speicherung von Maximalwerten des mindestens einen Strömungsparameters, der mit der schüttgutspezifischen maximalen Anströmgeschwindigkeit (u_max) verbunden ist, und – eine Recheneinrichtung, die zur Ermittlung von konstanten Sollwerten für die Volumenstromregelung konfiguriert ist, welche aus den gespeicherten Maximalwerten des mindestens einen Strömungsparameters, der mit der maximalen Anströmgeschwindigkeit (u_max) verbunden ist oder aus der maximalen Anströmgeschwindigkeit (u_max) selbst ermittelt sind.
Schüttgutbehälter (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasstromregelungseinrichtung (7) eine den Gasdruck im Schüttgutbehälter (1) erfassende Druckmesseinrichtung (5p) und eine Temperaturmesseinrichtung (5t) zugeordnet sind.
Schüttgutbehälter (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Gaseintrittsöffnungen (4) für mehrere Volumenteilströme (Q_Vt1, Q_Vt2, Q_Vb1, Q_Vb2 ...) in unterschiedlichen Höhen des Schüttgutbehälters (1) angeordnet sind.
Schüttgutbehälter (1) nach einem der Ansprüche 7 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gaseintrittsöffnung (4) oberhalb der Schüttung (2) und/oder eine Gaseintrittsöffnung (4) im Bereich der Auslauföffnung (3b) angeordnet ist.
Schüttgutbehälter (1) nach einem der Ansprüche 7 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Höhe H des Schüttgutbehälters (1) oder der Höhe des jeweils aus einer Gaseintrittsöffnung (4) mit dem Druckgas zu beaufschlagenden Teilvolumens (V_t1, V_t2, V_b1, V_b2 ...) zum Innendurchmesser (D) des Schüttgutbehälters (1) kleiner als 5 ist.