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Verfahren zum Verbrennen von kohlenstoffhaltigem Brennstoff Die vorliegende
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbrennen von teilchenförmigen, insbesondere
festen kohlenstoffhaltigen Brennstoffen mit Hilfe eines Verfahrens zum Fluidisieren
von Feststoffen unter Erzeugung von heißem, im wesentlichen staubfreiem Gas, das
sich zum Betrieb von Gasturbinen eignet.
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Die Verwendung von Kohle in Kraftwerken für Industriezwecke fand in
den vergangenen Jahren erhebliche wirtschaftliche Beachtung. Die meisten industriellen
Anlagen verwenden bei mechanisch betriebenen Rosten oder Schüranlagen Stückkohle,
verbrennen Kohle aber auch in Pulver- oder Staubform. Rostfeuerungen haben keinen
so hohen thermischen Wirkungsgrad und sind auch kostspieliger zu betreiben als Feuerungen,
die mit pulverisierter Kohle beschickt werden. Feuerungen für Kohle in dieser Form,
z. B. Staubkohle, sind anpassungsfähiger und können Kohlen verarbeiten, die stark
unterschiedliche Eigenschaften haben, und zwar auch leicht schmelzende oder backende
Kohlen, die beim Verfahren auf Rosten Schwierigkeiten und Nachteile verursachen
können.
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Ein ernster Nachteil beim Verfeuern gepulverter Kohle war der Gehalt
an Flugasche in den Abgasen. Die Aschenteilchen im Gas sind erodierend und verbieten
die Verwendung solcher Gase in Turbinen mit offenem Kreislauf. Außerdem läßt sich
das aschehaltige Gas schlecht zum Wärmeaustausch verwenden, weil sich die Asche
auf den inneren Oberflächen des Wärmeaustauschers ablagert und deren Wärmeübertragung
herabsetzt. Ferner wird die Leistung dieser üblichen Brenner dadurch erniedrigt,
daß Kohlenstoffteilchen von der Asche überzogen und aus der Verbrennungszone weggeführt
werden, ohne daß sie vollständig verbrennen. Überdies muß aus dem Verbrennungsgas
auch Flugasche entfernt werden, um die unerwünschte Verunreinigung der Luft zu vermindern.
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Man hat zwar auch schon Hilfsanlagen zur Reinigung von Gas, wie z.
B. sogenannte Zyklone, verwendet, doch ist ein restloses Entfernen suspendierter
Feststoffe aus dem Gas wirtschaftlich nicht tragbar. Die größte Schwierigkeit ist
dabei, daß die Teilchen der Flugasche im Verbrennungsraum äußerst klein sind und
sich nur entfernen lassen, wenn eine Mehrzahl von Gasreinigungsstufen benutzt wird.
Um einen Wettbewerb mit anderen Verbrennungsprozessen, bei denen gasförmige oder
flüssige Brennstoffe, wie z. B. natürliches Gas oder Brennöl, verfeuert werden,
zu ermöglichen, sollen Kohleverbrennungsanlagen kontinuierlich mit kleinstem Aufwand
an Arbeitskräften oder mechanischer Hilfsausrüstung betrieben werden können.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, teilchenförmige kohlenstoffhaltige
Brennstoffe so zu verbrennen, daß praktisch staubfreie Abgase entstehen. Dadurch
können die Abgase z. B. zum Betrieb von Gasturbinen oder in Wärmeaustauschern verwendet
werden, ohne daß die Turbinenschaufeln und Leitbleche erodieren und ohne daß sich
Teilchen von Asche an den mit dem Gas in Berührung kommenden Flächen absetzen.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbrennen von teilchenförmigen
kohlenstoffhaltigen Brennstoffen, insbesondere von pulverisierter Kohle, zur Erzeugung
von im wesentlichen staubfreien Verbrennungsgasen, die sich zum Betrieb von Gasturbinen
eignen, durch kontinuierliche Einführung der Brennstoffe in eine Verbrennungszone,
Verbrennen mit einem Sauerstoff enthaltenden Gas, Abziehen der Verbrennungsgase
und Abziehen der Asche. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß man in der
Verbrennungszone ein Wirbelbett aus Ascheteilchen bei einer solchen Temperatur aufrechterhält,
daß die Ascheteilchen klebrig werden und agglomerieren.
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Vorzugsweise hält man die Bett-Temperatur in der Verbrennungszone
zwischen 140 und 1150° C.
Die kohlenstoffhaltigen Teilchen können
als wäßriger Schlamm in die Verbrennungszone eingeführt werden. Man kann aber auch
Wasser gesondert in die Verbrennungszone einführen.
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Um ein besseres Agglomerieren und Verkleben der Ascheteilchen zu erreichen,
kann dem Brennstoff ein Flußmittel zugesetzt werden.
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Die heißen agglomerierten, aus der Verbrennungszone abgezogenen Ascheteilchen
können dazu benutzt werden, eine Temperaturregelung in der Verbrennungszone zu bewirken.
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Man kann auch die Wärme der Ascheteilchen für die Vergasung von kohlenstoffhaltigen
festen Teilchen in einer Vergasungszone benutzen, die mit der Verbrennungszone in
Verbindung steht. Hierbei kann man so vorgehen, daß kohlenstoffhaltige feste Teilchen
und Dampf in die Vergasungszone eingeführt und die kohlenstoffhaltigen festen Teilchen
in dieser Vergasungszone mit Hilfe des eingeführten Dampfes in aufgewirbeltem Zustand
gehalten werden; gleichzeitig wird erhitzte agglomerierte Asche aus der Verbrennungszone
in die Vergasungszone gefördert, wobei die Wärme der agglomerierten Ascheteilchen
auf die aufgewirbelten kohlenstoffhaltigen Teilchen und auf den Dampf in der Vergasungszone
übertragen wird; die in der Vergasungszone erzeugten Gase und agglomerierten Ascheteilchen
werden schließlich aus der Vergasungszone abgezogen. Gegebenenfalls können die entgasten
kohlenstoffhaltigen Teilchen aus der Vergasungszone zur Verbrennungszone gefördert
werden.
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Die Temperatur in der Vergasungszone wird vorteilhaft zwischen 800
und 950° C gehalten.
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Bei dem beschriebenen Verfahren entsteht ein heißes, praktisch völlig
staubfreies Gas, gegebenenfalls unter überdruck. Dieses Gas enthält insbesondere
fast keine festen Teilchen mit einem Durchmesser von weniger als 10 Mikron, die
mit den üblichen Mitteln, z. B. Zyklonen, nur äußerst schwierig zu entfernen sind.
Etwa vorhandene gröbere Teilchen mit einem Durchmesser von mehr als 10 Mikron können
in üblichen Gasreinigungsanlagen ohne weiteres entfernt werden.
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Da die kohlenstoffhaltigen Teilchen, wie bereits erwänht, rasch und
augenblicklich verbrennen, wenn sie in die Verbrennungszone eintreten, ist die agglomerierte
Asche, die aus der Verbrennungszone abgezogen wird, praktisch kohlenstofffrei. Dieses
bedeutet einen Leistungsgrad von fast 100°/o. Beispielsweise zeigte die Untersuchung
von agglomerierten Ascheteilchen, die sich bei der Verbrennung einer bituminösen
Kohle bei etwa 1080° C ergaben, einen Kohlenstoffgehalt von 0,7019/o, bei 1160°
C einen Kohlenstoffgehalt von nur 0,55 %. Gleiche Ergebnisse zeigten sich bei Verbrennung
von unterbituminöser Kohle. Die schnelle Verbrennung der kohlenstoffhaltigen Teilchen
setzt erhebliche Wärmemengen frei, die sich, solange sie in der Asche enthalten
sind, wiedergewinnen und nutzen lassen, wie weiter unten noch beschrieben werden
wird. Die Verbrennungsgase sind im wesentlichen frei von Flugasche und feinen suspendierten
Feststoffen.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der neuen Erfindung
ergeben sich aus den Darstellungen von Ausführungsbeispielen sowie aus der folgenden
Beschreibung. Es zeigt F i g. 1 ein schematisches Fließschema eines Verfahrens zum
Verbrennen von kohlenstoffhaltigen festen Teilchen in einer fluidisierten Verbrennungszone,
F i g. 2 eine grafische Darstellung des Verbrennungsleistungsgrades als Funktion
der Temperatur des Wirbelbettes in der Verbrennungszone für Kraftwerkkohle, F i
g. 3 eine grafische Darstellung der Gasgeschwindigkeit über der Temperatur des Wirbelbettes
der Verbrennungszone beim Verfeuern von Kraftwerkkohle, F i g. 4 eine Kurvendarstellung,
welche die Beziehung zwischen dem Anteil der Asche, die aus dem Wirbelbett entfernt
wird, und G zeigt, wobei W das Gewicht des Wirbelbettes in Kilogramm pro Quadratmeter
Querschnittsfläche des Bettes und G die Gasgeschwindigkeit in Kubikmeter pro Minute
pro Quadratmeter Bettfläche bedeutet, bei Verfeuerung von Kraftwerkkohle, F i g.
5 ein schematisches Fließschaubild eines Verfahrens zum Verbrennen von kohlenstoffhaltigen
Feststoffen in einer Verbrennungszone, wobei zugleich kohlenstoffhaltige Feststoffe
in einer Vergasungszone vergast werden.
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Wie F i g. 1 erkennen läßt, werden Kohleteilchen 1
aus einem
Vorratsbehälter 3 durch ein Meßventil 5 und ein Förderrohr 7 zugeführt. Luft wird
durch das Förderrohr 7 eingespeist, um die Kohleteilchen 1 in die Verbrennungszone
9 zu fördern, sie dort aufzuwirbeln und zu verbrennen. Die Verbrennungszone 9 ist
mit einer überkopfleitung 11 ausgestattet, um die Verbrennungsgase zu entfernen,
ferner mit einem Austragsrohr 13 und einem Meßventil 15 zum Abziehen und Abmessen
der Aschenteilchen aus der Zone 9. Zusätzliche Kohle kann, falls erforderlich, durch
eine Leitung 17 in die Verbrennungszone eingeführt werden. Diese Kohleteilchen werden
vorzugsweise an einer Stelle unterhalb der Oberfläche des Wirbelbettes eingeführt,
um eine Abtrennung zu verhüten. Die Einrichtung kann zur Durchführung des Verfahrens
noch mit weiterer, in der Zeichnung nicht veranschaulichter Hilfsausrüstung versehen
sein. Beispielsweise können die Verbrennungsgase, falls erforderlich, durch einen
Zyklon von Staubteilchen befreit werden.
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Oben ist die Arbeitsweise nach der Erfindung zum Verfeuern von pulverisierter
Kohle geschildert. Indessen lassen sich mit zufriedenstellenden Ergebnissen auch
andere kohlenstoffhaltige feste oder zähflüssige Stoffe, wie z. B. Koks, Steinkohle,
Anthrazit, Asphalt, Teer od. dgl., oder aschehaltige, flüssige kohlenstoffhaltige,
versprühte Brennstoffe, wie z. B. flüssiger Asphalt, flüssige Erdölrückstände, Brennöle,
Gasöle u. dgl., verwenden.
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Bei der Ingangsetzung des Verfahrens wird die Verbrennungszone teilweise
mit einer abgewogenen Menge von gesiebtem Bettmaterial, wie z. B. Sand, gefüllt.
Hierauf wird vorgewärmte Luft hindurchgeleitet, um die Charge aufzuwirbeln und die
Temperatur des Bettes auf die Zündtemperatur der Kohle zu steigern. Ist die Zündtemperatur
erreicht, so beginnt man mit der Zufuhr von Kohleteilchen, die mit der Luft fast
augenblicklich nach Eintritt in die Verbrennungszone verbrennen. Nach mehreren Stunden
erreicht die Bett-Temperatur in der Verbrennungszone die beginnende Schmelztemperatur
der Asche, wobei die Ascheteilchen klebrig werden und beim Zusammentreffen agglomerieren.
Die
Temperatur in der Verbrennungszone läßt sich durch äußere Kühlschlangen oder einen
Kühlmantel regeln oder durch Einstellung der Kohlezufuhrgeschwindigkeit oder der
Sauerstoff- bzw. Luftzufuhr. Eine besondere vorteilhafte Regelung der Bett-Temperatur
in der Verbrennungszone läßt sich dadurch verwirklichen, daß ein wäßriger Kohleschlamm
eingespeist wird oder daß Wasser gesondert in die Verbrennungszone eingeführt wird.
Die große Verdampfungs- und Überhitzungswärme des Wassers in der Verbrennungszone
regelt die Temperatur. Die Zufuhr von Kohleschlamm ist besonders dann wirtschaftlich,
wenn die Kohle in Schlammform verfügbar ist und sich deshalb unmittelbar ohne Trocknung
und Lagerung in die Verbrennungszone einpumpen läßt.
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Obwohl die Umsetzung nicht notwendigerweise so verlaufen muß, läßt
sich die Agglomeration von Flugasche in folgender Weise erklären: Wenn die Kohleteilchen
in das Wirbelbett in der Verbrennungszone eintreten, erreichen sie rasch ihre Verbrennungstemperatur
und beginnen zu verbrennen. Die Verbrennung ist rasch, weil die dispergierten Kohleteilchen
im aufgewirbelten Zustand eine große Oberfläche für die Berührung mit der Verbrennungsluft
darbieten. Außerdem erleichtert die hohe Geschwindigkeit der Teilchen innerhalb
des Bettes die Wärmeübertragung durch Konvektion und ermöglicht rasche Zündung und
Verbrennung.
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Wenn die Kohleteilchen verbrennen, wird örtlich die Ascheerweichungstemperatur
überschritten, und die in den Kohleteilchen enthaltene Asche wird klebrig. Die verbrennenden
Kohleteilchen haften an der erweichten Asche und brennen weiter aus. Auf diese Weise
schreitet die Verbrennung voran; gleichzeitig werden die Flugascheteilchen durch
Agglomeration mit den verbrennenden Bett-Teilchen entfernt. Die Bett-Teilchen in
der Verbrennungszone agglomeriren außerdem noch durch einen weiteren ähnlichen oder
gleichartigen Vorgang. An den Oberflächen von vielen dieser Teilchen haften, wie
gerade beschrieben, die verbrennenden Kohleteilchen. Diese Teilchen haben klebrige
Oberflächen, an welchen die Flugasche sich sammelt. Auf diese Weise läßt sich Flugasche
aus den Verbrennungsgasen sogar dann entfernen, wenn die Asche ihre Schmelztemperatur
nicht erreicht hat. Ein dritter Mechanismus, mit Hilfe dessen Flugascheteilchen
aus den Verbrennungsgasen in der Verbrennungszone entfernt werden, ist folgender:
Viele der Bett-Teilchen werden teilweise mit den erweichten und klebrigen Ascheteilchen
überzogen und agglomerieren beim Zusammentreffen miteinander.
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Bei beträchtlich unter der beginnenden Schmelztemperatur der Asche
liegender Temperatur erfolgen die Agglomeration und Entfernung von Flugasche vornehmlich
mittels des ersten der gerade geschilderten Vorgänge. Demzufolge wird etwas Flugasche
sogar bei Temperatur des Wirbelbettes weit unterhalb der beginnenden Schmelztemperatur
der Asche entfernt, doch ist die Menge von auf diese Weise entfernter Flugasche
für gewöhnlich sehr klein. Wird die Bett-Temperatur gesteigert, wird die Flugasche
durch eine Kombination der zwei ersten Vorgänge agglomeriert und aus den Verbrennungsgasen
entfernt. Die Menge der gesammelten Asche nimmt mit gesteigerten Bett-Temperaturen
zu, wie weiter unten dargelegt werden wird. Wenn die Bett-Temperatur weiter gesteigert
wird, derart, daß sie etwas unter der beginnenden Schmelztemperatur der Aschematerialien
liegt, setzt eine Agglomeration des dritten Mechanismus ein.
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Es sei hervorgehoben, daß die Kohleteilchen rasch ihre Zündtemperatur
erreichen und fast augenblicklich verbrennen, wenn sie in die Verbrennungszone eingeführt
werden. Auf diese Weise ist die Verweilzeit der Kohleteilchen in der Verbrennungszone
nur eine äußerst kurze, und sie werden ohne Ausspülung verbrannt. Das augenblickliche
und praktisch vollständige Verbrennen der Kohleteilchen gestattet deshalb einen
Betrieb mit einem Wirkungsgrad von nahezu 100%, da sich die ganze Kohle rasch verbrennen
läßt, und zwar praktisch ohne Verluste.
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Der Wirkungsgrad der Verbrennung hängt von der Bett-Temperatur und
der Teilchengröße der Kohle ab. Da die Kohleteilchen, worauf schon früher hingewiesen
worden war, fast augenblicklich verbrennen, wenn sie in die Verbrennungszone eingeführt
werden, lassen sich äußerst kleine Kohleteilchen der Größenordnung von weniger als
1 Mikron in die Verbrennungszone einführen, ohne daß hierbei die Gefahr einer Ausspülung
aus dieser besteht. Je kleiner die Teilchen, desto größer die für Berührung mit
Luft verfügbare Fläche, und demzufolge desto schneller und wirksamer die Verbrennung.
Die Beziehung zwischen Verbrennungswirkungsgrad und Bett-Temperatur ist der Darstellung
der F i g. 2 für Kraftwerkkohle zu entnehmen. Wirkungsgrade bis hinauf zu 90% oder
mehr wurden für Bett-Temperaturen von etwa 840° C und mehr erzielt, und ein Wirkungsgrad
von nahezu 1001/o wurde bei einer Bett-Temperatur von etwa 1060° C erreicht. Gleiche
Schaubilder lassen sich erstellen, um graphisch die Bett-Temperatur entsprechend
verschiedenen Verbrennungswirkungsgraden darzustellen, oder umgekehrt für andere
kohlenstoffhaltige Brennstoffe die günstigste Bett-Temperatur zu bestimmen.
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Bemerkt sei ferner auch, daß praktisch eine obere Temperaturgrenze
besteht, oberhalb deren das Bett nicht in fluidisiertem Zustand gehalten werden
kann. Diese Temperatur ist die beginnende Schmelztemperatur der aus der Verbrennung
stammenden Asche. Bei Temperaturen oberhalb der beginnenden Schmelztemperatur neigen
die Teilchen dazu, miteinander zu verschmelzen, wodurch das Wirbelbett zusammenfällt.
Die beginnende Schmelztemperatur der Asche hängt natürlich von deren Zusammensetzung
ab und ist für verschiedene Brennstoffe verschieden.
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Das Bestreben des Bettes, zusammenzufallen, hängt, wie gefunden wurde,
unmittelbar mit dem Adhäsionsvermögen der Oberfläche der Bett-Teilchen und der für
Teilchenberührung verfügbaren Oberflächengröße zusammen. Die Adhäsion von Teilchen
ist außerdem umgekehrt proportional ihrer Bewegungsenergie. Wird die Temperatur
gesteigert, wird die Adhäsionsfähigkeit der Teilchen erhöht, und sie werden stärker
agglomeriert. Die verstärkte Adhäsion läßt indessen das Bett leichter zusammenfallen.
Dieses Phänomen läßt sich dadurch ausgleichen, daß die Geschwindigkeit des wirbelnden
Gases gesteigert und damit die Bewegungsenergie der Teilchen erhöht wird, wodurch
wiederum die Gefahr des Zusammenfallens verringert wird.
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Die Beziehung zwischen der Gasgeschwindigkeit in der Verbrennungszone
zur Bett-Temperatur wird bei konstanten anderen Bedingungen durch die
Kurve
in F i g. 3 für einen speziellen Kohletyp, nämlich Kraftwerkkohle, veranschaulicht.
Die lichte Fläche oberhalb der Kurve zeigt den Bereich stabiler Wirbelschichten,
die Fläche unterhalb der Kurve den Bereich instabiler Wirbelschichten. Demgemäß
wird bei einer Temperatur von z. B. etwa 1100° C die für stabile Aufwirbelung erforderliche
Gasgeschwindigkeit bestimmt, indem eine vertikale Linie von der Abzisse entsprechend
1100°C in F i g. 3 gezogen und der Schnittpunkt dieser Linie mit der Kurve ermittelt
wird, was hier einer Ordinate von 0,53 m/s entspricht. Die Geschwindigkeit des Gases
wird dann etwas oberhalb des so bestimmten Wertes gewählt, um im Betrieb ein stabiles
Wirbelbett zu gewährleisten.
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Die Menge der aus den Verbrennungsgasen entfernten Flugasche hängt
ebenfalls von den Betriebsbedingungen in der Verbrennungszone ab. Obwohl etwas Flugasche
an den Teilchen bei allen Temperaturen oberhalb der Zündtemperatur der Kohleteilchen
gesammelt wird, ist die Wirkung die beste, wenn die Temperatur in der Wirbelschicht
an die beginnende Schmelztemperatur der Asche herankommt, und hängt von solchen
Veränderlichen wie Tiefe und Dichte des Wirbelbettes, der Geschwindigkeit des Gases
und der Bett-Temperatur ab. F i g. 4 veranschaulicht die Beziehung zwischen Ascheentfernung
und G , wie weiter oben bereits dargelegt. F i g. 4 wurde für einen speziellen Kohletyp,
nämlich Kraftwerkkohleteilchen bei drei verschiedenen Temperaturen erstellt. Bei
dieser Figur ist zu bemerken, daß die Sammelleistung bei einer Bett-Temperatur von
z. B. 1120° C erhöht wird, wenn W erhöht oder G erniedrigt wird. Auf diese Weise
nimmt die Sammelleistung bei einer gegebenen Bett-Temperatur und für eine Kohle
gewissen Typs und Größe mit der Zunahme der Bett-Tiefe und der Bettdichte zu und
wird durch hohe Gasgeschwindigkeiten erniedrigt. Die Wirkung der Gasgeschwindigkeit
auf die Sammelleistung ist indessen weniger ausgeprägt als die Wirkung der Bett-Tiefe
und Bettdichte. Außerdem sei hervorgehoben, daß die Sammelleistung durch Änderungen
der Kohlezufuhrgeschwindigkeiten zur Verbrennungszone nicht besonders beeinflußt
wird. Bei einigen Untersuchungen wurde beispielsweise die Kohlezufuhrgeschwindigkeit
um etwa 20 % erhöht, ohne daß sich hierbei eine bemerkenswerte Änderung der Sammelleistung
bei konstanter Bett-Tiefe und Bett-Temperatur ergab.
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Ein beliebiges sauerstoffhaltiges Gas, vorzugsweise Luft, kann dazu
benutzt werden, das Bett in der Verbrennungszone aufzuwirbeln und die kohlestoffhaltigen
festen Teilchen zu verbrennen. Da das Bett in der Verbrennungszone zur Hauptsache
aus agglomerierten Ascheteilchen besteht, lassen sich verhältnismäßig hohe Luftgeschwindigkeiten
durch die ganze Verbrennungszone hindurch anwenden, falls dies erwünscht ist.
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Der Druck in der Verbrennungszone kann atmosphärisch oder überatmosphärisch
sein. Die Verbrennungsgase sind zum Antrieb von Gasturbinen sehr brauchbar, vom
Standpunkt der Energieausnutzung in der Turbine ist es erwünscht, ein Gas unter
Druck zu verwenden. Die Verbrennungszone wird deshalb vorteilhaft bei überatmosphärischen
Drücken, vorzugsweise bei 1,4 bis 11 atm gehalten. Demgemäß soll das Gas (Luft)
komprimiert sein, bevor es in die Verbrennungszone eingeführt wird. Die Abgase beim
Verfahren nach der vorliegenden Erfindung enthalten sehr wenig Staub, in der Größenordnung
von etwa 1,8 Körnchen oder weniger pro Kubikmeter Verbrennungsgase. Der äußerst
niedrige Staubgehalt des Gases hängt von den Arbeitsbedingungen in der Verbrennungszone
ab.
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Die agglomerierten Ascheteilchen, die aus der Verbrennungszone abgezogen
werden, sind als Wärmeaustauschmedien wertvoll, beispielsweise bei endothermen Umsetzungen.
Besonders vorteilhaft können diese heißen agglomerierten Ascheteilchen als Wärmeträger
für die Vergasung kohlenstoffhaltiger Feststoffe verwendet werden, wie in F i g.
5 im einzelnen veranschaulicht und erläutert wird.
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Diese Figur zeigt zwei miteinander verbundene Wirbelbettzonen, und
zwar eine Verbrennungszone 9
und eine Vergasungszone 19. Gleiche Bezugsziffern
in den F i g. 1 und 5 bezeichnen gleiche Teile. Der Betrieb und die Arbeitsweise
der Verbrennungszone sind im wesentlichen wie bei F i g. 1 bereits geschildert worden.
Kohleteilchen aus einem Vorratsbehälter 21 werden durch eine Förderleitung 23 und
ein Meßventi125 hindurch in eine Vergasungszone 19 gefördert. Die Kohleteilchen
können in diese Vergasungszone 19 entweder durch Schwerkraft hineinfallen oder werden
in sie mit Hilfe irgendwelcher inerten Gase oder auch durch das fluidisierende Gas
in der Vergasungzone 19 selbst hineingetragen, in der für gewöhnlich Dampf ist,
das außerdem das vergasende Mittel für die Vergasungsreaktion ist. Dampf wird durch
eine Leitung 27 hindurch in die Vergasungzone 19 eingeleitet. Die heiße agglomerierte
Asche aus der Verbrennungszone 9 tritt durch eine Austragsleitung 13 hindurch in
die Vergasungszone 19 ein. Es sei hier darauf hingewiesen, daß die Temperatur
in der Verbrennungszone üblicherweise beträchtlich höher als die Temperatur in der
Vergasungszone ist. Außerdem sind die agglomerierten Ascheteilchen aus der Verbrennungszone
vorzugsweise erheblich größer als die Kohleteilchen in der Vergasungszone. Demzufolge
bewegen sich die agglomerierten Ascheteilchen abwärts in der Vergasungszone und
werden, nachdem sie ihre Wärme an die in Reaktion tretenden Stoffe in der Vergasungszone
übertragen haben, durch eine Leitung 29 hindurch und, falls erwünscht, durch das
Meßventil 31 hindurch abgezogen.
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Die Vergasungszone 19 kann außerdem mit einer weiteren Austragsleitung
33 ausgestattet sein, um entgastes kohlenstoffhaltiges Material und Asche aus dieser
Leitung heraus abzuziehen und ein Gleichgewicht von unverbrennbaren Stoffen innerhalb
des Systems aufrechtzuerhalten. Ein Teil der agglomerierten Asche wird durch eine
Leitung 35 hindurch abgezogen, durch ein Meßventi137 hindurch abgemessen und mit
Hilfe eines Trägergases, wie z. B. Luft, durch eine Leitung 39 hindurch zur Verbrennungszone
9 im Kreislauf zurückgeführt. Abgase aus der Vergasungszone 19 werden durch eine
Leitung 41 hindurch entfernt und können in einen (nicht abgebildeten) Zyklon oder
eine andere (ebenfalls nicht abgebildete) Gasreinigungseinrichtung eingeführt werden,
falls dies notwendig ist.
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Es sei weiter darauf hingewiesen, daß die Geschwindigkeit des Wirbelgases
in der Vergasungszone beträchtlich niedriger als die Geschwindigkeit ist, die erforderlich
ist, um die agglomerierten Ascheteilchen in aufgewirbeltem Zustand zu halten. Infolgedessen
ist
es möglich, die Kohleteilchen in der Vergasungszone im Wirbelbett 'zu vergasen und
zur selben Zeit die Wärme der agglomerierten Ascheteilchen zu nutzen, die aus der
Verbrennungszone herunterkommen.
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Die im Verfahren verwendete Einrichtung kann aus Werkstoffen bestehen,
wie sie üblicherweise für Arbeitsvorgänge bei Wirbelbetten hoher Temperatur verwendet
werden. Beispielsweise kann die Verbrennungszone mit gewöhnlichen hitzebeständigen
Werkstoffen ausgekleidet sein, die die hohen Temperaturen sowie die Erosionswirkung
der Teilchen aushalten.
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Viele Abwandlungen und Umgestaltungen lassen sich sowohl an der im
Verfahren benutzten Einrichtung als auch in den Einzelheiten des Betriebes vornehmen,
ohne daß hierdurch der Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung verlassen wird.
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Die Erfindung wurde unter anderem in Versuchen erprobt, bei denen
eine bituminöse Kohle und eine unterbituminöse Kohle verwendet wurden. Die bituminöse
Kohle hat einen hohen Heizwert, schmilzt aber rasch und bedingt Schwierigkeiten
bei der Verbrennung auf Rosten. Die unterbituminöse Kohle backt nicht, enthält beträchtliche
Mengen von Feuchtigkeit und flüchtigen Stoffen und hat einen niedrigen Heizwert.
Die Untersuchungen wurden an einem Wirbelbett mit 15 cm Durchmesser in der weiter
oben an Hand der F i g. 1 und der ins einzelne gehende Schilderung des Arbeitsganges
des Verfahrens beschriebenen Weise durchgeführt. Die Ergebnisse sind der nachfolgenden
Tabelle zu entnehmen:
| Kohletyp |
| Bituminös subbituminös |
| Temperatur des Wirbel- |
| bettes, ° C . . . . . . . . . . . 1120 1120 |
| Bettgewicht, kg . . . . . . . . . . 20,4 20,4 |
| Zufuhrgeschwindigkeit |
| der Kohle, kg/h ....... 3,17 3,79 |
| Zufuhrgeschwindigkeit |
| der Luft, kg/h . . . .. . . . 47,4 ! 38,7 |
| Asche gesamt, kg/h .. . ... 0,48 0,36 |
| Asche gesammelt, kg/h . . 0,40 0,32 |
| Asche im Abgas, kg/h . . . 0,082 0,036 |
| Aschesammlungs- |
| leistung, 0/0 . . . . . . . . . . . 82,7 90,0 |
| Aschesammlungsleistung |
| des Bettes und der |
| Zyklone, 0/0 .......... 97,7 99,0 |
Es wurde außerdem gefunden, daß sich gewisse Zusätze mit der Kohlecharge mischen
lassen, um die Aschesammlung in der Verbrennungszone zu begünstigen. Beispielsweise
hat, wie festgestellt wurde, der Zusatz von Sodaasche das Ergebnis, daß die Kohleasche
schnell flüssig wird und eine Mischung mit niedriger Schmelztemperatur bildet. Eine
gleichförmige Mischung aus 0,2% Sodaasche in der Kohlecharge wurde erstellt, indem
die Mischung 24 Stunden lang durcheinanderbewegt wurde. Die Aschesammelleistung
des Bettes stieg, wie gefunden wurde, erheblich bei einer Steigerung der Bett-Temperatur
von 930 auf etwa 1040° C und höher.
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Nichtschmelzende Stoffe oder inerte Verdünnungsmittel, wie z. B. Kieselerde,
lassen sich dazu benutzen, den Betrieb bei höheren Temperaturen durchzuführen, wenn
dies erwünscht wird, indem die Agglomeriergeschwindigkeit verlangsamt wird.