DE112017002893T5

DE112017002893T5 - Verfahren und Vorrichtungen zur gleichmäßigen Verteilung von festen Brennstoffen

Info

Publication number: DE112017002893T5
Application number: DE112017002893.0T
Authority: DE
Inventors: Mark Fitzsimmons
Original assignee: Gas Technology Institute
Current assignee: GTI Energy
Priority date: 2016-06-08
Filing date: 2017-06-08
Publication date: 2019-02-14
Also published as: WO2017214358A1; CN109312918A; PL429573A1; US20170356644A1; US10443841B2; CN109312918B

Abstract

Verfahren, Vorrichtungen und Systeme zur Verarbeitung von Feststoffen, insbesondere festen Brennstoffen, wie beispielsweise kohlenstoffhaltige feste Brennstoffe, wie beispielsweise in Granulatform, um eine gleichmäßige Verteilung der Feststoffe bereitzustellen oder zur Folge zu haben. Trichter werden bereitgestellt mit einer Vielzahl von Auslassöffnungen, wobei jede der Auslassöffnungen derart ausgebildet ist, dass eine Kombination aus Gas und dem Feststoff hindurchfließt, um den Feststoff pneumatisch zu einem Verteilerrohr zu transportieren. Das Verteilerrohr umfasst eine Vielzahl von Rohren, wobei jedes Rohr eine Vielzahl von Austrittsöffnungen aufweist, wobei ein gleich großer Anteil der Kombination aus Gas und dem Feststoff die Austrittsöffnung passiert.

Description

ERFINDUNGSHINTERGRUND
Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf die Verarbeitung von Feststoffen, insbesondere von festen Brennstoffen, wie beispielsweise kohlenstoffhaltige feste Brennstoffe, wie beispielsweise in Granulatform, und insbesondere auf Verfahren und Vorrichtungen zur gleichmäßigen Verteilung dieser Feststoffe über ausgedehnte Bereiche.
Besprechung der einschlägigen Technik
In den letzten Jahren, in denen sich die berechtigten Sorgen über den weltweiten Klimawandel verändert haben, ist die Freisetzung großer CO₂-Mengen in die Atmosphäre in Verbindung mit der Energieerzeugung einer genauen Prüfung unterzogen worden, und man hat nach neuen Energiequellen gesucht, die die CO₂-Emissionen senken. Eine vielversprechende Technologie, genannt Oxy-Combustion, befindet sich in vielen Ländern seit über einem Jahrzehnt in der Entwicklung.
Bei dieser Verfahrenstechnik wird üblicherweise ein Reaktor verwendet, der aus einer Wirbelschicht besteht, die aus einem inerten Material oder Dolomit oder einer Kombination aus beidem hergestellt ist. Ein fester, kohlenstoffhaltiger, möglicherweise schwefelhaltiger Brennstoff wird dem Reaktor zugeführt und mit Sauerstoff oder Luft verbrannt. Rückgeführtes Rauchgas, das in erster Linie aus Kohlendioxid und Dampf besteht, wird zur Fluidisierung der Wirbelschicht verwendet. Das CO₂ kann 65 - 99 % des Fluidisierungsgases für die Wirbelschicht bilden und Dampf kann den Rest ausmachen. Herkömmliche Oxy-Combustion-Reaktoren mischen das gesamte rückgeführte Rauchgas mit 20 - 30 % oder 50 % Sauerstoff (Molprozent) vor. Dies ist eine übliche allgemeine Rezeptur für Oxy-Combustion-Systeme, die für optimierte Systeme der hohen Kohlenstoffbindung zur Energieerzeugung aus Kohle-, Petrolkoks- und Biomasseverbrennung vorgeschlagen wurden.
Im derzeitigen Stand der Technik der Oxy-Combustion erfolgt diese Verarbeitung unter Atmosphärendruck und bei Sauerstoffprozentsätzen über 50 % und sogar 100 % gibt es keinen Nachweis für eine Wärmetauscherverschmutzung, doch bei höheren Drücken über 3 oder 4 Atmosphären kann der Sauerstoffpartialdruck beginnen, ein Schmelzen der Aschepartikel, Partikelagglomeration und Verschmutzung hervorzurufen.
Während der Rauchgas-Wasserkondensation kann eine erhebliche Wärmemenge abgezogen werden, wenn das Verfahren bei hohem Druck durchgeführt wird, wodurch mehr elektrische Energie mit Dampf von hoher Qualität erzeugt werden kann, und das Kessel-Speisewasser kann mit dem Rauchgaskondensat vorgewärmt werden. Daher ist ein Verfahren zur Durchführung der Oxy-Combustion bei hohem Druck äußerst wünschenswert, um die Effizienz des Systems zu verbessern.
Eine Implikation bei der Durchführung der Oxy-Combustion in dem oben beschriebenen, herkömmlichen Verfahren, aber bei hohem Druck, besteht darin, dass der hohe Sauerstoffgehalt es erfordert, dass der kohlenstoffhaltige Brennstoff (wie beispielsweise Kohle, Lignit, Petrolkoks oder Biomasse) mit einem hohen Partikeldurchmesser zugeführt wird, um Überhitzung zu vermeiden, und demzufolge müssen die Feststoffe außerhalb der Wirbelschicht über Zyklone zirkulieren, um eine vollständige Verbrennung sicherzustellen ( US 2014 / 0065559 A1 ).
Das Einblasen von Kohlenstaub in diese Wirbelschicht, wie in der Patentanmeldung US 2010 / 0307389 A1 beschrieben, erlaubt die vollständige Verbrennung innerhalb einer sehr kurzen Zeit, so dass die Feststoffe nicht außerhalb der Wirbelschicht zirkulieren müssen, doch dies birgt auch die Gefahr, dass die Kohlepartikel rascher verbrennen als die Wärme abgezogen werden kann, und durch die Wirbelschicht zu Wämeübertragungsflächen diffundieren kann, und dies kann zu Verschmutzung durch Schlackenbildung führen. Durch Feuchtigkeit in dem Brennstoff kann dies nur begrenzt entschärft werden und die Verwendung von feuchtem Brennstoff hat andere nachteilige Auswirkungen auf die Betriebskosten (es muss mehr Sauerstoff produziert werden und die Feststoffe können nicht in der herkömmlichen Art und Weise verarbeitet werden, wenn sie nicht getrocknet sind).
Bei unter Druck stehender Oxy-Combustion erfordert das Problem der Zufuhr von kohlenstoffhaltigem festem Brennstoff (beispielsweise Kohle) und Sauerstoff zusammen, dass über einer sehr großen Fläche einer Wirbelschicht eine große Kohlemenge gleichmäßig verteilt werden muss.
Eines der Probleme, die allgemein mit dem Erreichen der gewünschten Brennstoffverteilung in dem Oxy-Combustion-Verfahren verbunden sind, ist die inhärente Temperatur der Devolatisierung des Brennstoffs. Jeder Brennstoff setzt Kohlenwasserstoffe bei höheren Temperaturen frei und diese neigen dazu, den Brennstoff klebrig zu machen, was die Rohre rasch verstopft. Das Verteilverfahren muss wünschenswerterweise zulassen, dass der Brennstoff bis zu 20 oder 30 Fuß über den Durchmesser einer Brennkammer transportiert wird, ohne dass die Temperatur des Brennstoffs bis zu Devolatisierungstemperaturen erhöht wird.
Außerdem gilt: während die Verteilung des festen kohlenstoffhaltigen Brennstoffs (beispielsweise Kohle) über eine sehr große Fläche einer Wirbelschicht bei vorhandenen Konstruktionen relativ leicht durchgeführt werden kann, wenn nur eine Stufe und ein Brennstoff der Wirbelschicht nur unten oder oben zugeführt wird, muss bei einer Konstruktion einer für einen kompakten, unter Druck stehenden Wirbelschichtbrenner (PFBC) mit feinem Kohlenstaub die gleichmäßige Verteilung des Brennstoffs in aufeinander folgenden Stufen erfolgen, wobei die bestehenden Konstruktionen von Verteilerrohren und Verteilern nicht funktionieren. Die Kohle muss über eine große Fläche mit nur 4,7 bis 8,3 MWth/m² (vorzugsweise etwa 6 MWth/m²) verteilt werden. Dies erfordert etwa 2 - 4 Injektoren je Quadratmeter, Kohlezuteiler von etwa 1" und Öffnungen von etwa % bis ½ Inch Durchmesser. Diese Zuteiler müssen gegen die Verbrennungsumgebung isoliert werden, um Anbackungen und Verstopfung zu verhindern.
Während andere Entwicklungen auf besondere Konstruktionen für das Einblasen von Kohle und Sauerstoff zusammen ausgerichtet sind, bleibt ein Bedarf nach Verfahren, Vorrichtungen und Systemen, die die gewünschte Verteilung von Feststoffen, insbesondere festen Brennstoffen, wie beispielsweise kohlenstoffhaltige feste Brennstoffe, wie beispielsweise in Granulatform, beispielsweise kohlenstoffhaltiger fester Brennstoff, wie Kohle, über Systemmerkmale wie Verteilerrohre und Trichter beispielsweise zu entsprechenden oder zugehörigen Injektoren erlauben und erleichtern.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Eine allgemeine Aufgabe der betreffenden Entwicklung ist es, verbesserte Verfahren, Vorrichtungen und/oder Systeme zur Verarbeitung von Feststoffen, insbesondere festen Brennstoffen wie kohlenstoffhaltige feste Brennstoffe, wie beispielsweise in Granulatform, bereitzustellen.
Eine genauere Aufgabe der Erfindung ist es, eines oder mehrere der oben beschriebenen Probleme zu überwinden.
Nach einem Aspekt der betreffenden Entwicklung wird ein System zur gleichmäßigen Verteilung eines festen Brennstoffs bereitgestellt. In einer Ausführungsart umfasst ein solches System einen Trichter, der mit einer Vielzahl von Auslassöffnungen versehen ist. Jede der Auslassöffnungen ist derart ausgebildet, dass eine Kombination aus Gas und dem festen Brennstoff hindurchfließen kann, um den festen Brennstoff pneumatisch zu einem Verteilerrohr zu transportieren. Das Verteilerrohr dient dazu, einen gleichmäßigen Strom des festen Brennstoffs über einen ausgedehnten Verteilbereich zu verteilen. Das Verteilerrohr umfasst eine Vielzahl von Rohren, wobei jedes Rohr eine Vielzahl von Austrittsöffnungen aufweist, wobei ein gleich großer Anteil der Kombination aus Gas und festem Brennstoff die Austrittsöffnung passiert.
Nach einem weiteren Aspekt der betreffenden Entwicklung wird ein Verarbeitungssystem bereitgestellt, das einen gestuften Wirbelschichtreaktor und ein zugehöriges Verteilsystem für die gleichmäßige Verteilung von kohlenstoffhaltigem Brennstoff zu dem gestuften Wirbelschichtreaktor umfasst.
Ein solches Verarbeitungssystem nach einer Ausführungsart umfasst einen gestuften Wirbelschichtreaktor, wobei ein kohlenstoffhaltiger Brennstoff und ein sauerstoffhaltiges Gas durch eine Wirbelschicht eluiert werden, die ein inertes Material, Dolomit oder eine Kombination daraus umfasst. Der gestufte Wirbelschichtreaktor umfasst wenigstens drei Reaktionszonen, wobei jede Reaktionszone bei einem unterschiedlichen ausgewählten Druck arbeitet. Das Verteilsystem umfasst wenigstens drei Trichter. Jeder der Trichter ist in Material-Transferverbindung mit einem zugehörigen ausgewählten Trichter der Reaktionszonen. Jeder der Trichter ist mit einer Vielzahl von Auslassöffnungen versehen. Jede der Auslassöffnungen ist derart ausgebildet, dass eine Kombination aus Gas und dem kohlenstoffhaltigen Brennstoff hindurchfließt, um den kohlenstoffhaltigen Brennstoff pneumatisch zu einem Verteilerrohr zu transportieren. Jeder der Trichter stellt die Kombination aus Gas und kohlenstoffhaltigem Brennstoff zu dem Verteilerrohr mit einem unterschiedlichen ausgewählten Druck bereit. Das Verteilerrohr dient der Verteilung eines gleichmäßigen Stromes des kohlenstoffhaltigen Brennstoffs über einen ausgedehnten Verteilbereich innerhalb des zugehörigen ausgewählten Bereichs der Reaktionszonen. Das Verteilerrohr umfasst eine Vielzahl von Rohren, wobei jedes Rohr eine Vielzahl von Austrittsöffnungen hat, wobei jedes Rohr einen Teil der Kombination aus Gas und dem kohlenstoffhaltigen Brennstoff in gleicher Menge führt, und wobei ein gleich großer Anteil der Kombination aus Gas und dem kohlenstoffhaltigen Brennstoff jede Austrittsöffnung passiert.
Nach einem weiteren Aspekt der betreffenden Entwicklung wird ein Verfahren zur gleichmäßigen Verteilung von granularem, kohlenstoffhaltigem Brennstoff in einem gestuften Wirbelschichtreaktor bereitgestellt. In dem Reaktor werden der granulare, kohlenstoffhaltige Brennstoff und ein sauerstoffhaltiges Gas durch eine Wirbelschicht eluiert, die ein inertes Material, Dolomit oder eine Kombination daraus enthält. Der gestufte Wirbelschichtreaktor umfasst wenigstens drei Reaktionszonen, wobei jede Reaktionszone mit einem unterschiedlichen ausgewählten Druck arbeitet. Nach einer Ausführungsart umfasst das Verfahren den pneumatischen Transport einer gleichen Menge von Gas und dem granularen, kohlenstoffhaltigen Brennstoff durch ein angegebenes Verteilerrohr. Insbesondere umfasst das Verteilerrohr wünschenswerterweise eine Vielzahl von Rohren, wobei jedes Rohr eine Vielzahl von Öffnungen umfasst, wobei eine gleiche Menge Gas und granularer, kohlenstoffhaltiger Brennstoff durch jede Öffnung fließt.
Wie sie hierin verwendet werden, sind die Verweise auf Durchgang, Verteilung und dergleichen von „gleichen“ oder „gleichmäßigen“ Mengen oder Anteilen so zu verstehen, dass sie sich auf diesen Durchgang, diese Verteilung und dergleichen von Mengen oder Anteilen beziehen, die im allgemeinen innerhalb von ± 30 % voneinander und vorzugsweise innerhalb von ± 10 % voneinander liegen.
Weitere Zielsetzungen und Vorteile ergeben sich für den Fachmann aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung, die in Verbindung mit den angehängten Patentansprüchen und Zeichnungen zu sehen ist.
Figurenliste

1 ist eine vereinfachte schematische Darstellung eines Verarbeitungssystems nach einem Aspekt der betreffenden Entwicklung.
2 ist eine vereinfachte schematische Seitenansicht einer Materialverteilungs-Trichteranordnung nach einem Aspekt der Entwicklung.
3 ist eine vereinfachte Draufsicht auf den in 2 gezeigten Materialverteilungs-Trichter.
4 ist ein vereinfachtes Schema eines Zufuhrsystems für Feststoffe, wie es nach einer Ausführungsart der betreffenden Entwicklung verwendet wird.
5 ist eine grafische Darstellung der Anzahl von Zuteilern in einem quadratischen Grundriss nach einem Aspekt der Entwicklung.
6 ist ein vereinfachtes Schema, das ein 8 × 8 Verteilsystem nach einer Ausführungsart der Entwicklung zeigt.
7 ist eine grafische Darstellung von Nenndurchflussraten gegenüber Öffnungsdurchmessern, um die Dimensionierung von Zuteilern gemäß dem Brennstoffdurchsatz nach einem Aspekt der Entwicklung zu ermöglichen.
8 ist ein vereinfachtes Schema eines Materialdurchflussverteilers nach einem Aspekt der Entwicklung.
9 ist ein vereinfachtes Schema eines Materialflussverteilers nach einem weiteren Aspekt der Entwicklung.
10 ist ein vereinfachtes Schema, das ein Verteilungssystem nach einem weiteren Aspekt der Entwicklung zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die betreffende Entwicklung stellt Verfahren und Vorrichtungen zur gleichmäßigen Verteilung von Feststoffen, insbesondere festen Brennstoffen, wie beispielsweise kohlenstoffhaltigen festen Brennstoffen (beispielsweise Kohle, Petrolkoks, Biomasse und dergleichen), beispielsweise in Granulatform, über ausgedehnte Bereiche, wie beispielsweise insbesondere in oder innerhalb eines Wirbelschichtreaktors mit unter Druck stehender Oxy-Combustion bereit.
Verfahren und Vorrichtungen zur gleichmäßigen Verteilung von Feststoffen, insbesondere festen Brennstoffen, wie beispielsweise kohlenstoffhaltigen festen Brennstoffen, wie beispielsweise in Granulatform, nach der betreffenden Entwicklung werden nachstehend mehr im Detail beschrieben, wobei insbesondere auf das Oxy-Combustion-Verfahren und Kohlekraftwerke Bezug genommen wird. Doch der durch die hierin vermittelten Lehren angeleitete Fachmann wird jedoch verstehen und erkennen, dass die umfassendere Anwendung der hierin beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen eine geeignete Anwendung in einer Vielfalt von Kontexten und in der Verarbeitung verschiedener Materialien finden kann, in denen die gleichmäßige Verteilung von Feststoffen, insbesondere festen Brennstoffen, wie beispielsweise kohlenstoffhaltigen festen Brennstoffen, wie beispielsweise in Granulatform, über ausgedehnte Bereiche angestrebt, erwünscht und/oder vorteilhaft ist.
Um den größten Nutzen aus der unter Druck stehenden Oxy-Combustion in einer Wirbelschicht zu ziehen, wird der Brennstoff wünschenswerterweise auf mehreren Ebenen innerhalb der Wirbelschicht verteilt, um eine gestufte Verbrennung zu ermöglichen. Der Druck ist in unterschiedlichen Stufen verschieden, deshalb würden bei einem dreistufigen Brennstoffeinspritzsystem drei Brennstoffinjektoren, die mit verschiedenen entsprechenden Drücken arbeiten, wünschenswerterweise verwendet.
Der ideale Abstand der Injektoren ist im allgemeinen ein Kompromiss zwischen den Kosten für mehrere Brennstoffverteilungen aus einem einzigen Trichter (was, basierend auf den Kosten für Ausrüstung und Druckgas, teuer sein kann) gegenüber den potentiellen chemischen Schäden an den nahe an dem Brennstoffinjektor liegenden Komponenten, entweder durch hohe Temperaturen, Korrosion aus unvorhersehbarer sauerstoffarmer oder schwefelreicher Umgebung oder alle diese Dinge. Die gewünschte Injektordichte kann auf empirischen Daten, wie beispielsweise jenen aus zuvor getesteten, unter Druck stehenden Wirbelschichtbrennern (PFBCs), basieren.
1 ist eine vereinfachte schematische Darstellung eines Verarbeitungssystems, das allgemein mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet ist, nach einem Aspekt der betreffenden Entwicklung. In dem Verarbeitungssystem werden Feststoffe, wie beispielsweise feste Brennstoffe, wie beispielsweise kohlenstoffhaltige feste Brennstoffe und wie beispielsweise in Granulatform, aus einem Vorratsbehälter 12 und Kalk aus einem Vorratsbehälter 14 einer Fülltrichteranordnung 16, wie beispielsweise bestehend aus drei Fülltrichtern 20, 22 und 24, zugeführt.
Wie weiter unten mehr im Detail beschrieben wird, dienen die Fülltrichter 20, 22 und 24 der Zuführung des Brennstoffmaterials in einen Oxy-Combustion-Reaktor 26 nach einem Aspekt der betreffenden Entwicklung. Sauerstoff wird auch über eine Leitung 28 in den Oxy-Combustion-Reaktor 26 eingeführt.
Der Oxy-Combustion-Reaktor 26 kann wünschenswerterweise dazu dienen, Wärme zu erzeugen, wie beispielsweise durch eine Linie 30 dargestellt ist, und er kann verwendet werden, um Strom oder Energie zu erzeugen, wie dies im Stand der Technik bekannt ist. Der Oxy-Combustion-Reaktor 26 bildet oder erzeugt auch heiße Abgase oder Rauchgase, wie beispielsweise CO₂, H₂O (z.B. Dampf) und andere, wie durch eine Linie 32 dargestellt, wie diese dann weiter behandelt oder verarbeitet werden können, wie dies gewünscht wird. In dem Verarbeitungssystem 10 wird ein Teil der Rauchgase aus dem Reaktorsystem, beispielsweise nach entsprechender Wiedergewinnungsverarbeitung, zu dem Oxy-Combustion-Reaktorsystem 26 zurückgeführt, wie dies durch die Linie 34 dargestellt ist.
Wie der Fachmann, durch die hierin bereitgestellten Lehren geleitet, verstehen wird, werden der Brennstoff und der Sauerstoff vorteilhafterweise in unmittelbarer Nähe zueinander zugeführt. Wie beispielsweise in der einschlägigen U.S. Patentanmeldung, Seriennummer 15/235,619 , eingereicht am 12. August 2016, die hierin integriert ist, offenbart wurde, erzeugt, ergibt oder führt diese ausreichende unmittelbare Nähe zu einer Devolatisierung-Verbrennung (wobei sich die Devolatisierung beispielsweise auf den Kohlenwasserstoffgehalt des Brennstoffs bezieht), die vor der Sauerstoffverminderung über das Mischen stattfindet, so dass an dieser Stelle keine reduzierenden Atmosphären erzeugt werden. Dazu zeigt 1 die Sauerstoffzufuhrleitung 28, die sich verzweigt, und die Sauerstoffzufuhrleitungen 40, 42 und 44 zur Zuführung von Sauerstoff in den Oxy-Combustion-Reaktor 26 in ausreichender Nähe zu der Brennstoffzuführung von den Fülltrichtern 20, 22 bzw. 24 bildet.
Die veranschaulichte Fülltrichteranordnung umfasst zwar drei Fülltrichter 20, 22 bzw. 24, doch der Fachmann wird verstehen und erkennen, dass die Anzahl von Fülltrichtern entsprechend ausgewählt werden kann, um die Systemverarbeitung entsprechend zu optimieren.
2 veranschaulicht nach einem Aspekt der Entwicklung eine vereinfachte schematische Seitenansicht einer Materialverteilungs-Trichteranordnung, die allgemein mit der Bezugsziffer 50 bezeichnet ist. Die Materialverteilungstrichteranordnung 50 umfasst einen Materialverteilungstrichter 52, wobei 3 eine Draufsicht auf den Trichter 52 zeigt.
Der Materialverteilungstrichter 52 steht wünschenswerterweise unter einem Druck, der ein 20 - 30 % höherer Druck ist als der der aufnehmenden Brennkammer mit einem Fördergas aus CO₂, wie es, wie dargestellt, über eine Leitung 54 dem Trichter zugeführt wird. Der Materialverteilungstrichter 52 umfasst eine Vielzahl von Austrittsöffnungen 56, der derart ausgebildet sind, dass eine Kombination aus Gas und dem festen Brennstoff hindurchfließt, um den festen Brennstoff in geeigneter Weise pneumatisch zu dem zugehörigen Oxy-Combustion-Reaktor zu transportieren.
Der einzige Zeitpunkt, an dem Gas unten am Trichter 52 zugeführt werden muss, ist während des Anfahrens, um das Material für die Einrichtung eines Anfangsstroms zu fluidisieren. Dieser Fluidisierungsstrom kann eher tangential oder radial anstatt axial zugeführt werden. Sobald ein Feststoffstrom etabliert ist, kann dieser Fluidisierungsstrom abgeschaltet werden. Ein Anschluss 60 kann wünschenswerterweise an oder in der Nähe des unteren Endes des Trichters 52 vorgesehen sein, um das Entfernen von übergroßem Material zu erleichtern oder zu erlauben. Düsen 62 können wünschenswerterweise neben jeder Öffnung 56 positioniert oder angeordnet sein, falls übergroßes Material die Öffnung verstopft.
Während in der veranschaulichten Ausführungsart vier, allgemein in gleichem Abstand beabstandete Austrittsöffnungen 56 gezeigt sind, die um den Trichter 52 herum verteilt sind, wird der von den Lehren in dieser Beschreibung geleitete Fachmann erkennen und verstehen, dass die betreffende Entwicklung in der Praxis nicht unbedingt dahingehend beschränkt ist. Somit können in bestimmten Ausführungsarten die Trichter, die in der betreffenden Entwicklung in der Praxis eingesetzt werden, 2, 3, 4, 5 oder mehr Austrittsöffnungen aufweisen, wie dies für eine bestimmte Anwendung gewünscht wird.
In 4 ist ein vereinfachtes Schema eines Zufuhrsystems für feste Brennstoffe veranschaulicht, das allgemein mit der Bezugsziffer 110 bezeichnet ist, und wie es nach einer Ausführungsart der betreffenden Entwicklung verwendet wird.
4 veranschaulicht insbesondere das Zufuhrsystem für feste Brennstoffe 110, das ein CO₂-Fördergas verwendet, welches einem Kohle- und Kalk-Mischbehälter 112 zugeführt wird, das dann über eine Förderschnecke 114 zu einem Materialverteilungstrichter 116 transportiert wird, wie er oben beschrieben wurde, und welcher eine Vielzahl von Austrittsöffnungen 120 hat. In dieser Ausführungsart des Feststoff-Zufuhrsystems 110 kann das CO₂ wünschenswerterweise dazu dienen, sowohl den Zufuhrbehälter 112 als auch den Materialverteilungstrichter 116 unter Druck zu setzen, der sich hinter der Förderschnecke befindet, wo die Kohle und das CO₂ in eine Vielzahl von Strömen aufgeteilt würden. Somit kann, wie gezeigt, eine einzige Förderschnecke wünschenswerterweise dazu dienen, eine Vielzahl von Strömen zu speisen oder zur Folge zu haben.
5 ist eine grafische Darstellung der Anzahl von Zuteilern in einem quadratischen Grundriss und ermöglicht eine Bestimmung der erforderlichen Anzahl von separaten Öffnungen nach einem Aspekt der Entwicklung.
Insbesondere basiert die in 5 gezeigte Grafik in erster Linie auf Folgendem:
Die Anzahl der Injektoren je Quadratmeter kann 1,2 bis 4,8 sein, vorzugsweise 3 bis 4. Die Anzahl an Megawatt (thermisch) je Quadratmeter kann 4,7 bis 8,3, vorzugsweise 6 bis 7, betragen. Die resultierende Mindestanzahl von Injektoren ist in der Grafik für eine quadratische Fläche gezeigt, die für eine perfekte quadratische Zahl von Injektoren (4, 9, 16, 25, 36 etc.) ausgelegt ist. Diese Bemessungsparameter können auch für die Konstruktion von hexagonalen oder oktagonalen Verteilsystemen mit ähnlichen Dichten verwendet werden, die kompakter in einen runden Druckbehälter passen. Nach einem bevorzugten Aspekt der betreffenden Entwicklung beträgt ein optimaler Brennstoffdurchsatz pro Injektor etwa 6,5/3,5 = 1,8 MWth, aber gleichmäßigere Verteilungen können mit Injektorabständen realisiert werden, die 1 MWth/ Injektor liefern oder zur Folge haben. Wie der durch die Lehren in dieser Beschreibung geleitete Fachmann erkennen wird, können der gewünschte Injektorabstand und die Injektoroptimierung zu einer wirtschaftlichen Entscheidung für die Kosten der Injektorherstellung werden.
In 6 ist ein vereinfachtes Schema eines 8 × 8 Feststoff-Zufuhr-Verteilsystems nach einem Aspekt der Entwicklung gezeigt, das allgemein mit der Bezugsziffer 150 bezeichnet ist. Das Verteilsystem 150 umfasst eine Vielzahl von Verteilungsrohren 152, wobei jedes Rohr eine Vielzahl von (hierin nicht speziell gezeigten) Austrittsöffnungen hat, wobei jedes Rohr einen Teil der Kombination aus Gas und dem kohlenstoffhaltigen Brennstoff in gleicher Menge führt, und wobei ein gleich großer Anteil der Kombination aus Gas und dem kohlenstoffhaltigen Brennstoff jede Austrittsöffnung passiert. In dieser speziellen veranschaulichten Ausführungsart sind die Verteilungsrohre 152 in einer allgemeinen parallelen, alternierenden Anordnung gezeigt, die über den Rost verläuft. Der durch die Lehren in dieser Beschreibung geleitete Fachmann wird verstehen und erkennen, dass andere geeignete Verteilsysteme angewendet werden können, und dass die betreffende Entwicklung in der Praxis nicht unbedingt auf eine spezifische oder bestimmte Verteilsystemanordnung beschränkt ist.
Sobald die Anzahl von Injektoren festgelegt ist, werden die Gesamt-MW der Stufe durch die Anzahl von Injektoren dividiert, um die Brennstoffmenge festzulegen, die je Verteilerrohr-Zuteiler bereitgestellt werden muss. Wenn dies festgelegt ist, können die Zuteiler nach dem Brennstoffdurchsatz dimensioniert werden, wie in 7 gezeigt.
Die in der Grafik von 7 gezeigte Leitung basiert auf einer Kohle-Nennmenge von 2,4 kg/Std./m² mit der Annahme von 12 Gew.% Zugabe von Dolomit zur Bindung von Schwefel. Unterschiedliche Schwefelgehalte und unterschiedliche Ca/S-Verhältnisse, die für die Schwefelabscheidung erforderlich sind, können diese Berechnung verändern, aber die Kurve liefert eine nützliche Mindestöffnungsgröße, die immer noch Spielraum für höhere Durchflussraten hat. Die gezeigte Kurve basiert auf Illinois #6-Kohle. Kohlen mit einem anderen Heizwert können zum Ausgleich eine größere oder geringere Menge benötigen, wie der durch die Lehren in dieser Beschreibung geleitete Fachmann verstehen und erkennen wird.
8 veranschaulicht nach einem Aspekt der Entwicklung einen Materialdurchflussverteiler, der allgemein mit dem Bezugszeichen 210 bezeichnet ist. Der veranschaulichte Materialdurchflussverteiler 210 kann einfach hergestellt werden, einschließlich Stufen und Partikel-Trips, unter Verwendung von additiven Herstellungsverfahren, und kann dann unter Verwendung von normalen Rohrschweißverfahren problemlos in lange Verteilerrohre geschweißt werden. Der Materialdurchflussverteiler 210 umfasst ein Zentralrohr 212, das dazu dient, den festen kohlenstoffhaltigen Brennstoff zu führen und umfasst eine Folge von Austrittsöffnungen 214. In einer bevorzugten Ausführungsart, wie gezeigt, ist jede aufeinander folgende Verteilerrohr-Austrittsöffnung 214 gefolgt von einer Reduzierung des Strömungsquerschnitts 216, so dass die Geschwindigkeit des Materials, das das Rohr passiert, wünschenswerterweise konstant gehalten wird.
Zungen können vorher an der gegenüberliegenden Wand entsprechend angebracht werden, um einige Partikel zu zwingen, das Rohr zu verlassen, und Ecken können gebildet sein, um der Korrosion standzuhalten. Die Verteilerrohr-Anordnungen dieser Durchflussverteiler können, wie zuvor gezeigt, wünschenswerterweise von gegenüberliegenden Enden aus angebracht sein, um eine mögliche Fehlverteilung entlang der Länge auszugleichen. Die gezeigte Konstruktion kann leicht von einem Ende eingeschoben werden, da sie entlang ihrer Länge den gleichen Außendurchmesser besitzt.
In einer bevorzugten Ausführungsart wird jeder Verteiler die gleiche Anzahl von Öffnungen in der Wirbelschicht speisen. Da diese Verteiler im Durchmesser typischerweise relativ klein sein können, werden die Verteiler in einer bevorzugten Ausführungsart aktiv gekühlt, um zu verhindern, dass die Kohle die Leitungen verstopft. So erfüllt beispielsweise ein doppelt ausgekleidetes Rohr mit einem Kühlmittel, beispielsweise Wasser, in dem Ringraum 220 diese Funktion. Sauerstoff kann für diesen Zweck auch verwendet werden, wenn das Rohr und der Durchfluss groß genug sind, aber Wasser und/ oder die Ergänzung einer Isolierung 222 könnten immer noch erforderlich sein. Der so bereitgestellte Sauerstoff kann mit dem Brennstoff zugeführt werden, um die gewünschte gleichmäßige Verteilung zu liefern oder zur Folge zu haben.
9 veranschaulicht einen Materialdurchflussverteiler nach einer weiteren Ausführungsart der Entwicklung, der allgemein mit dem Bezugszeichen 310 bezeichnet ist. Ähnlich dem oben beschriebenen Materialdurchflussverteiler 210 umfasst der Materialdurchflussverteiler 310 eine Leitung oder ein Rohr 312, das dazu dient, den festen kohlenstoffhaltigen Brennstoff zu führen, und er umfasst eine Folge von Austrittsöffnungen 314. In einer bevorzugten Ausführungsart, wie gezeigt, ist die Leitung oder das Rohr 312 verjüngt oder wird allgemein schmaler nach jeder aufeinander folgenden Austrittsöffnung 314, so dass die Geschwindigkeit des Materials, das die Leitung passiert, wünschenswerterweise konstant gehalten ist.
Sofern dies gewünscht ist, kann dieser Verteiler ebenfalls in ähnlicher Weise aktiv gekühlt werden, um zu verhindern, dass die Kohle die Leitungen verstopft. So wird beispielsweise ein doppelt ausgekleidetes Rohr mit einem Kühlmittel, beispielsweise Wasser, in dem Ringraum 320 diese Funktion erfüllen. Sauerstoff kann für diesen Zweck auch verwendet werden, wenn das Rohr und die der Durchfluss groß genug sind, aber Wasser und/oder die Ergänzung einer Isolierung könnten immer noch erforderlich sein.
10 ist ein vereinfachtes Schema, das ein Verteilsystem 410 nach einer weiteren Ausführungsart der Entwicklung zeigt. Insbesondere verwendet das Verteilsystem 410 vier Verteiler 412, wobei sich jeder Verteiler verzweigt und vier Kapseln (pods) 420 bildet, die jeweils vier Austritte 430 haben oder bilden, um eine gleichmäßige Aufteilung und Verteilung des Brennstoffmaterials innerhalb eines horizontalen Querschnittes der Brennkammer zu liefern oder zur Folge zu haben.
Der durch die Lehren in dieser Beschreibung geleitete Fachmann wird verstehen und erkennen, dass viele weitere andere Verteilungsanordnungen zur gleich großen und gleichmäßigen Verteilung des Brennstoffmaterials innerhalb des Systems möglich sind und dass die betreffende Entwicklung in der Praxis nicht unbedingt durch oder auf die hierin gezeigten und beschriebenen Verteilsysteme beschränkt ist.
Die Patentansprüche umfassen keine means-plus- oder step-plus-function-Beschränkungen und sollten auch nicht dahingehend ausgelegt werden, es denn, eine solche Beschränkung ist ausdrücklich in einem bestimmten Patentanspruch unter Verwendung des (der) Begriffe(s) „Mittel für“ bzw. „Schritt für“ angegeben.
Die hierin exemplarisch offenbarte Erfindung kann geeigneterweise ohne jedes Element, Teil, jeden Schritt, jede Komponente oder jeden Bestandteil umgesetzt werden, der nicht speziell hierin offenbart ist.
Während diese Erfindung in der obigen detaillierten Beschreibung in Bezug auf bestimmte bevorzugte Ausführungsarten beschrieben worden ist, und viele Details zu Veranschaulichungszwecken angegeben worden sind, wird dem Fachmann klar sein, dass auch weitere Ausführungsarten für die Erfindung denkbar sind, und dass bestimmte der hierin beschriebenen Details erheblich verändert werden können, ohne dass man sich dadurch von den Grundprinzipien der Erfindung entfernt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 20140065559 A1 [0006]
US 20100307389 A1 [0007]
US 15/235619 [0027]

Claims

System zur gleichmäßigen Verteilung eines festen Brennstoffs, wobei das System Folgendes umfasst: einen Trichter, der mit einer Vielzahl von Auslassöffnungen versehen ist, wobei jede Auslassöffnung derart ausgebildet, dass eine Kombination aus Gas und dem festem Brennstoff hindurchfließen kann, um den festen Brennstoff pneumatisch zu einem Verteilerrohr zu transportieren; und das Verteilerrohr, um einen gleichmäßigen Strom des festen Brennstoffs über einen ausgedehnten Verteilbereich zu verteilen, wobei das Verteilerrohr eine Vielzahl von Rohren umfasst, wobei jedes Rohr eine Vielzahl von Austrittsöffnungen aufweist, wobei ein gleich großer Anteil der Kombination aus Gas und dem festen Brennstoff die Austrittsöffnung passiert.
System nach Anspruch 1, wobei der Strom der Kombination aus Gas und dem festen Brennstoff durch jede der Auslassöffnungen in einer gleichen Menge erfolgt.
System nach Anspruch 1, wobei der Strom der Kombination aus Gas und dem festen Brennstoff durch jedes der Rohre in einer gleichen Menge erfolgt.
System nach Anspruch 1, umfassend eine Vielzahl von Trichtern, wobei jeder der Trichter die Kombination aus Gas und dem festen Brennstoff zu dem Verteilerrohr mit einem unterschiedlichen ausgewählten Druck bereitstellt.
System nach Anspruch 1, weiterhin umfassend eine mechanische Dosiereinrichtung für den festen Brennstoff bei einer spezifischen volumetrischen Durchflussrate.
System nach Anspruch 5, wobei die mechanische Dosiereinrichtung eine Förderschnecke umfasst, und wobei die Förderschnecke den festen Brennstoff mechanisch dosiert, um eine Vielzahl von Zufuhrströmen zu bilden.
System nach Anspruch 1, wobei das Verteilerrohr einen Verteiler umfasst, umfassend ein doppelt ausgekleidetes Rohr mit einer Vielzahl von Öffnungen, wobei das doppelt ausgekleidete Rohr einen zentralen Durchgang hat, durch den der feste Brennstoff transportiert wird, und einen Ringraum, durch den ein Oxidans einer Kühlflüssigkeit befördert wird.
System nach Anspruch 7, wobei das Sauerstoffgas durch den Ringraum geleitet wird.
System nach Anspruch 1, wobei der feste Brennstoff ein kohlenstoffhaltiger Brennstoff ist, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Kohle, Petrolkoks und Biomasse.
Verarbeitungssystem, umfassend: einen gestuften Wirbelschichtreaktor, wobei ein kohlenstoffhaltiger Brennstoff und ein sauerstoffhaltiges Gas durch eine Wirbelschicht eluiert werden, umfassend ein inertes Material, Dolomit oder eine Kombination daraus, wobei der gestufte Wirbelschichtreaktor wenigstens drei Reaktionszonen umfasst, wobei jede Reaktionszone bei einem unterschiedlichen ausgewählten Druck arbeitet; und ein Verteilsystem zur gleichmäßigen Verteilung des kohlenstoffhaltigen Brennstoffs zu dem gestuften Wirbelschichtreaktor, wobei das Verteilsystem Folgendes umfasst: wenigstens drei Trichter, wobei jeder der Trichter in Material-Transferverbindung mit einem zugehörigen ausgewählten Trichter der Reaktionszonen steht, wobei jeder der Trichter mit einer Vielzahl von Auslassöffnungen versehen ist, wobei jede der Auslassöffnungen derart ausgebildet ist, dass eine Kombination aus Gas und dem kohlenstoffhaltigen Brennstoff hindurchfließt, um den kohlenstoffhaltigen Brennstoff pneumatisch zu einem Verteilerrohr zu transportieren, wobei jeder der Trichter die Kombination aus Gas und kohlenstoffhaltigem Brennstoff zu dem Verteilerrohr mit einem unterschiedlichen ausgewählten Druck bereitstellt; und das Verteilerrohr zur Verteilung eines gleichmäßigen Stromes des kohlenstoffhaltigen Brennstoffs über einen ausgedehnten Verteilbereich innerhalb des zugehörigen ausgewählten Bereichs der Reaktionszonen, wobei das Verteilerrohr eine Vielzahl von Rohren umfasst, wobei jedes Rohr eine Vielzahl von Austrittsöffnungen hat, wobei jedes Rohr einen Teil der Kombination aus Gas und dem kohlenstoffhaltigen Brennstoff in gleicher Menge führt, und wobei ein gleich großer Anteil der Kombination aus Gas und dem kohlenstoffhaltigen Brennstoff jede Austrittsöffnung passiert.
System nach Anspruch 10, wobei der kohlenstoffhaltige Brennstoff ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Kohle, Petrolkoks und Biomasse.
System nach Anspruch 10, wobei der kohlenstoffhaltige Brennstoff in Granulatform vorhanden ist.
System nach Anspruch 10, weiterhin umfassend eine Förderschnecke zur mechanischen Dosierung des kohlenstoffhaltigen Brennstoffs, um eine Vielzahl von Zufuhrströmen zu bilden.
Verfahren zur gleichmäßigen Verteilung eines granularen, kohlenstoffhaltigen Brennstoffs in einem gestuften Wirbelschichtreaktor, wobei der granulare, kohlenstoffhaltige Brennstoff und ein sauerstoffhaltiges Gas durch eine Wirbelschicht eluiert werden, die ein inertes Material, Dolomit oder eine Kombination daraus enthält, wobei der gestufte Wirbelschichtreaktor wenigstens drei Reaktionszonen umfasst, wobei jede Reaktionszone mit einem unterschiedlichen ausgewählten Druck arbeitet, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: den pneumatischen Transport einer gleichen Menge von Gas und dem granularen, kohlenstoffhaltigen Brennstoff durch ein Verteilerrohr, umfassend eine Vielzahl von Rohren, wobei jedes Rohr eine Vielzahl von Öffnungen umfasst, wobei eine gleiche Menge Gas und granularer, kohlenstoffhaltiger Brennstoff durch jede Öffnung fließt.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei der granulare, kohlenstoffhaltige Brennstoff ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Kohle, Petrolkoks und Biomasse.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei der granulare, kohlenstoffhaltige Brennstoff an den gestuften Wirbelschichtreaktor über ein Verteilsystem verteilt wird, das wenigstens drei Trichter umfasst, wobei jeder der Trichter in Material-Transferverbindung mit einem zugehörigen ausgewählten Trichter der Reaktionszonen steht, wobei jeder der Trichter mit einer Vielzahl von Auslassöffnungen versehen ist, wobei jede der Auslassöffnungen derart ausgebildet ist, dass eine Kombination aus Gas und dem granularen, kohlenstoffhaltigen Brennstoff hindurchfließt, um den granularen, kohlenstoffhaltigen Brennstoff pneumatisch zu einem Verteilerrohr zu transportieren, wobei jeder der Trichter die Kombination aus Gas und dem granularen, kohlenstoffhaltigen Brennstoff zu dem Verteilerrohr mit einem unterschiedlichen ausgewählten Druck bereitstellt.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei jeder Trichter einen gleichmäßigen Strom des granularen, kohlenstoffhaltigen Brennstoffs über einen ausgedehnten Verteilbereich innerhalb des zugehörigen ausgewählten Bereichs der Reaktionszonen verteilt.
Verfahren nach Anspruch 14, weiterhin umfassend: das mechanische Dosieren des granularen, kohlenstoffhaltigen Brennstoffs über eine Förderschnecke, um eine Vielzahl von Zufuhrströmen zu bilden.