DE19936971C1

DE19936971C1 - Mehrstufiges Beschickungsverfahren für stückiges Einsatzgut und Stoffgemische in Druckräume

Info

Publication number: DE19936971C1
Application number: DE1999136971
Authority: DE
Inventors: Johannes Klein; Marco Deutsch; Christoph Luetge; Ralf Abraham
Original assignee: Krupp Uhde GmbH
Current assignee: ThyssenKrupp Industrial Solutions AG
Priority date: 1999-08-05
Filing date: 1999-08-05
Publication date: 2001-03-01
Anticipated expiration: 2019-08-06
Also published as: WO2001010981A1; AU6987700A

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein mehrstufiges Verfahren zur Einbringung von kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffen in einem Behandlungsraum, vorzugsweise einem Druckvergasungsreaktor nach dem Prinzip des Hochtemperatur-Winkler-Verfahrens. Hierbei wird das Einsatzgut in der ersten Stufe zunächst förderbar gemacht. In der zweiten Stufe findet eine Kompaktierung statt, wodurch das Einsatzgut agglutiniert und sich sein Hohlraummantel so deutlich verringert, daß ein fließfähiges Medium mit selbstdichtenden Eigenschaften erzeugt wird. In der dritten Stufe wird dieses Medium homogenisiert und in geregelter Weise in den Behandlungsraum eingebracht. In den drei Verfahrensstufen kommen Konusmischer, Ballenpresse, Stopfer, Dickstoff-Kolbenpumpe und Schnecken zum Einsatz.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein mehrstufiges Verfahren zur Einbringung von kohlenstoffhaltigem Einsatzgut, das in ei nem Behandlungsraum, vorzugsweise einem Druckvergasungsre aktor nach dem Prinzip des Hochtemperatur-Winkler-Verfah rens zum Einsatz kommt.

Im Betrieb von Druckvergasungsreaktoren ist die Aufgabe fester Einsatzstoffe in den Vergasungsreaktor ein zentrales Problem: Zum einen herrschen am Reaktoreintritt in der Regel hoher Druck und hohe Temperatur, was hohe An forderungen an die Dichtungskonstruktion und die dabei zum Einsatz kommenden Materialien an der Aufgabestelle des Ein satzgutes stellt, zum anderen bedingt die Betriebsweise ei nes Vergasungsreaktors unter Sauerstoffabschluß, daß die Zugabe des Einsatzgutes gleichförmig bei gleichzeitig hohem Durchsatz erfolgen muß und Gasdichtheit erfordert. Bei ei nem in sich inhomogenem Einsatzgut mit wechselndem Kohlen stoff-, Sauerstoff- und Feuchtegehalt kommt erschwerend hinzu, daß die Zugabe in geregelter Weise entsprechend der Messungen der Reaktorzustandsgrößen erfolgen muß. Ein sol ches, überwiegend kohlenstoffhaltiges Einsatzgut, welches mit Stückgrößen von bis zu 100 mm zweidimensional, eine Di mension kann größer sein, vorgelegt wird, einen Feuchtig keitsgehalt von 0% bis höchstens 50% bezogen auf die Troc kenmasse besitzt und als Schüttgut einen gasförmigen Hohl raumanteil von mindestens 30% aufweist, ergibt sich zum Beispiel als Reststoff aus Shredder-Leichtgut der Altauto verwertung, aus Kunststoffabfällen, zerkleinerten Altrei fen, entwässerten Klärschlämmen, Braun- und Steinkohle mit hohem Teergehalt, zerkleinertem Haushaltsmüll, zerkleiner ten Holzabfällen und Stroh.

Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, die vorstehend genannten Probleme zu überwinden.

Die vorliegende Erfindung löst die beschriebenen Probleme durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale, näm lich durch ein mehrstufiges Verfahren für die Beschickung eines gas- und/oder druckdichten Behandlungsraumes, insbe sondere für die Beschickung eines Reaktors für einen Druck vergasungsprozess nach dem Hochtemperatur-Winkler Verfahren (HTW-Verfahren) mit einem überwiegend stückigen, kohlen stoffhaltigen Einsatzgut oder Stoffgemisch, wobei:

- in einer ersten Verfahrensstufe das Einsatzgut als Schüttgut und portioniert in einer Weise aufgegeben wird, daß es förderfähig wird,
- in einer zweiten Verfahrensstufe das Einsatzgut in einen gas- und/oder druck dichten, mit dem Behandlungsraum kommunizierenden Füllraum hineingepresst wird, dabei unter weiterer Komprimierung einen Vorgang des Verklebens, Zusam menballens und Verklumpens, im folgenden als agglutinieren bezeichnet, erfährt, um allein oder zusammen mit den zuvor in den Füllraum eingepressten Kompri matportionen einen form- und/oder kraftschlüssigen, fluidartigen Pfropfen zum gas- und/oder druckdichten Abschluss des Füllraums hinsichtlich der mit atmosphäri scher Umgebung kommunizierenden ersten Verfahrensstufe zu bilden,
- in einer dritten Verfahrensstufe das Komprimat als Prop fenströmung entweder stückweise oder portioniert in den Behandlungsraum übergeleitet wird, wobei das Einsatzgut trocken und durch mechanisch wirkende Mittel pumpfähig gemacht wird, es die Fließeigenschaften eines sehr zäh flüssigen Bingham-Fluids annimmt, und dabei sein Hohl raumanteil auf Werte zwischen 0 bis 15% reduziert wird und es so aus dem Füllraum in den Behandlungsraum, also beispielsweise in den Vergasungsreaktor des HTW-Verfah rens übergeleitet werden kann.

Üblicherweise werden zum Eintrag von den oben be schriebenen Brennstoffen in unter Überdruck betriebene Be handlungsräume entweder Schrägrohre oder Eintragsschnecken oder pneumatisch betriebene Eintragsorgane verwendet, wie die DE 195 48 324 lehrt. Dies begründet sich darin, daß hi storisch vorwiegend Kohle als Einsatzstoff für Druckverga sungen eingesetzt wurde, für die die in atmosphärisch be triebenen Feuerungsanlagen bewährten Eintragssysteme in leicht modifizierter Form übernommen wurden. Diese Kohle wurde entweder auf ein Maximalkorn von 2 bis 6 mm gebracht, dann in einen Schleusenbehälter geschüttet, der Behälter wurde druckdicht verschlossen, mit Inertgas unter Druck ge setzt, und die Schüttung wurde mit Eintragsschnecken und/oder Zellenradschleusen in den Behandlungsraum einge bracht. Aufgrund des Chargierbetriebs des einzelnen Systems bei der Druckbeaufschlagung waren für eine kontinuierliche Betriebsweise mehrere sich abwechselnde schleusenartige Sy steme erforderlich. Oder die Kohle wurde analog zur tradi tionellen Staubfeuerung feingemahlen und pneumatisch unter Druck in den Reaktionsraum eingebracht. Da aufgrund des im Behandlungsraum vorherrschenden hohen Drucks das für die Vergasung benötigte Gasvolumen klein gegenüber einer Ver brennung gleicher Leistung ist, bauen Druckvergaser relativ schmal und erlauben daher nur klein bauende Eintragssy steme, inbesonders hinsichtlich ihrer Eintrittsöffnung in den Reaktionsraum, was zur Folge hat, daß sehr hohe spezi fische Durchsatzraten von den Eintragssystemen erreicht werden müssen. Hierdurch ergibt sich zur Zeit ein die Durchsatzleistung beschränkendes Kriterium für den Betrieb von Druckvergasungen, die feste Einsatzstoffe verwenden, auch hinsichtlich des erreichbaren Drucks, unter dem die Druckvergasung noch wirtschaftlich betrieben werden kann.

Dieses Problem wird bei der Verwendung der in die ser Erfindung vorgesehenen Einsatzstoffe noch erheblich verschärft: Üblicherweise liegen die Kohlenstoffgehalte und Heizwerte von Reststoffen aus Shredder-Leichtgut der Altau toverwertung, aus Kunststoffabfällen, zerkleinerten Altrei fen, entwässerten Klärschlämmen, zerkleinertem Haushalts müll, zerkleinerten Holzabfällen und Stroh deutlich unter den Kohlenstoffgehalten und Heizwerten von Kohle; es müssen also vergleichsweise größere Massen in den Vergasungsreak tor gefördert werden als dies bei Kohle der Fall wäre, um die gleiche Gasausbeute zu erreichen. Des weiteren läßt sich ein Maximalkorn von 2 bis 6 mm aufgrund betrieblicher Probleme bei der Zerkleinerung nur schwer erreichen und er fordern einen größeren Aufwand an Energie und Investitio nen, weswegen üblicherweise entweder eine Korngröße von 40 mm gewählt wird oder eine Pyrolysestufe der eigentlichen Druckvergasung vorangeschaltet werden muß, wie z. B. die DE 41 23 406 A1 lehrt. Letzteres gilt insbesonders für den Fall, daß eine Feinmahlung erfolgen soll. Schüttungen mit größe ren Korngrößen besitzen aber die unangenehme Eigenschaft, daß sie in der Regel ein größeres Lückenvolumen aufweisen, was bei der Förderung den Volumenstrom bei gleichem Massen durchsatz vergrößert und somit tendenziell auch die Ein trittsöffnung am Behandlungsraum. Wenn außerdem bei der Zerkleinerung Formen erzeugt werden, die von der Idealform der starren Kugel deutlich abweichen, also z. B. Splitter, Fadengewirre, Flocken, Schnipsel, Schaumstoff und derglei chen, verschlechtern sich die Transport- und Fördereigen schaften der Schüttung erheblich, was noch dadurch ver stärkt werden kann, daß einzelne Komponenten, wie z. B. die Eingangs erwähnten teerhaltigen Stein- und Braunkohlen, klebrige Eigenschaften besitzen können.

Überraschenderweise zeigte sich aber in Versuchen, daß die unangenehmen Transport- und Fördereigenschaften des Einsatzgutes in ihr Gegenteil verkehrt werden können, wenn das Einsatzgut zunächst in geeigneter Weise vorgelegt, för derbar und damit als Vorlage für eine Pumpe geeignet ge macht wird. Hierbei bewirkt die Art der Vorbehandlung, daß sich aus der lockeren Schüttung ein selbsttragendes und sich selbst zusammenhaltendes Gefüge herausbildet, welches zusammenbindet beziehungsweise agglutiniert. Hierbei kann sich schon bei der Vorbehandlung das Hohlraumvolumen deut lich verkleineren.

Welche Arten der Vorbehandlung sich im einzelnen als am besten geeignet erweisen, ist abhängig vom jeweili gen Einsatzstoff:

a) Organische, faserige Stoffe werden vorzugsweise in einer Ballenpresse vorkompaktiert, wie sie in der Landwirt schaft üblicherweise zum Einsatz kommt, wobei möglichst kleine Ballen erzeugt werden. Je nach den geplanten La gerzeiten für die erhaltenen Ballen und der Konsistenz des Einsatzmaterials werben die Ballen dabei durch ein sie umfassendes Netz oder eine Folie zusammengehalten bzw. gegen Umgebungseinflüsse geschützt. Die Ballen kön nen auf einem Förderband in einfacher Weise gefördert oder auch direkt in den Einfülltrichter der Dickstoff- Kolbenpumpe abgeworfen werden. Deshalb sieht eine Ausge staltung der Erfindung vor, daß in der ersten Verfahrens stufe die Vorkompaktierung durch eine Ballenpresse er folgt, die das stückige Einsatzgut zu runden, zylindri schen Baller kompaktiert, und die Ballen mit amen einem sie umhüllenden Netz oder einer sie umhüllenden Plastikfolie zusammengehalten werden. Geeignete Ballenpressen für Ab fallstoffe werden von verschiedenen Firmen angeboten.
b) Splitter, Fadengewirre, Flocken, Schnipsel und derglei chen werden vorzugsweise in einem konischen Behälter mit einer mechnischen Auflockerungsvorrichtung, die als ro tierende, im Behälter umlaufende Schnecke ausgeführt ist, vorbehandelt, im folgenden als Konusmischer bezeichnet. Hierbei wirkt die im Konus mitrotierende Schnecke wie ein Knethaken und bewirkt auf diese Weise eine gute Vermen gung und somit ein geeignetes Gefüge für den nachfolgen den Pumpvorgang. Es zeigte sich in Versuchen als günstig, die mitrotierende Schnecke rückwärts laufen zu lassen, so daß sich eine Aufwärtsbewegung in der Nähe der Schnecke einstellt, was die Vermengung und die Gefügebildung un terstützt. Zweckmäßigerweise wird der Transport aus dem Konusmischer direkt in den Pumpentrichter von einer För derschnecke vorgenommen. Deshalb sieht eine Ausgestaltung der Erfindung vor, daß in der ersten Verfahrensstufe die Vorbehandlung durch einen Konusmischer erfolgt und die Einsatzstoffe durch die untere enge Konusmischer-Öffnung dem Auslaß dieser ersten Verfahrensstufe zugeführt wer den.
c) Klebrige Stoffe, sehr leichte und besonders elastische Stoffe, zum Beispiel Schaumstoffreste, werden vorzugs weise mit Stopfern vorkomprimiert. Zweckmäßigerweise wird der Transport aus dem Konusmischer direkt in den Pumpen trichter von einer Förderschnecke vorgenommen. Deshalb sieht eine Ausgestaltung der Erfindung vor, daß die Vor behandlung in der ersten Verfahrensstufe durch Stopfer erfolgt, die in einem trichterförmigen Gefäß zur engeren Trichteröffnung hin fördernd angeordnet sind und die enge Trichteröffnung ein Auslaß der ersten Verfahrensstufe ist.

Überraschenderweise zeigte es sich in Versuchen, daß das Einsatzgut mittels einer Dickstoff-Kolbenpumpe, wie sie üblicherweise bei der Förderung von pastösen Stoffen wie entwässertem Klärschlamm oder Flüssig-Beton verwendet wird, ohne betriebliche Probleme gefördert werden kann und gleichzeitig Dichtungsfunktionen übernimmt. Da diese Pump barkeit einer der Hauptvorzüge der Erfindung darstellt, können die Vorzüge einer Kolbenpumpe voll zur Geltung kom men: Sie kann über eine Zuführleitung in den Reaktor unter günstigen räumlichen Aufstellungsbedingungen betrieben wer den. Weiterhin bewirkt der Gegendruck des Behandlungsraumes während der Endkompaktierung im Verdichtungsraum der Kol benpumpe eine elastische Kompression der nach der Vorkom paktierung verbliebenen gasförmigen Hohlraumanteile, die jedoch aufgrund der Vorkompaktierung keine kontinuierliche Phase mehr ausbilden können. Diese Elastizität wirkt wie eine Dichtung; da keine Gaskanäle bestehen, kann keine Gas rückströmung aus dem Behandlungsraum im Inneren der Zuführ leitung mehr auftreten, außerdem wird das Einsatzgut ela stisch an die Wandung der Zuführleitung gedrückt, was Rand strömungen unterbindet. Aufgrund des Druckverlustes bei der Förderung durch die Zuführleitung ist gewährleistet, daß diese elastische Wirkung immer den Gegendruck des Behand lungsraums übersteigt. Daher sieht die Erfindung vor, diese Art der Endkompaktierung anzuwenden.

Die wechselnder Eigenschaften des Einsatzgutes hinsichtlich der Vergasungseigenschaften sowie des erzeug ten Gases und der erzeugten Aschen verlangen Homogenisie rung und Dosierbarkeit. Hierzu wird ein weiterer Konusmi scher vorgesehen, der mit einer gekühlten, Eintragsschnecke herkömmlicher Bauart verbunden ist. Dieser weitere Konusmi scher dient als Zwischenlager und Homogenisator des Ein satzgutes und wird wie die Eintragsschnecke auf der glei chen Druckstufe wie der Behandlungsraum betrieben, so daß keine Gasströmung entgegen der Förderrichtung auftritt. Er wird mit der vorgenannten Dickstoff-Kolbenpumpe einlaßsei tig verbunden und vermischt das Einsatzgut. Daher sieht die Erfindung vor, daß die Dickstoff-Kolbenpumpe in einen wei teren, druckdicht ausgeführten Konusmischer fördert, der die Pulsation der Förderung der Dickstoff-Kolbenpumpe ver gleichmäßigt, einen Zwischenspeicher bildet, Ballen und Zu sammenballungen auflöst ohne den Kompaktierungsgrad zu ver ändern, und das Einsatzgut einer Eintragsschnecke zuführt, die es direkt in den Behandlungsraum fördert.

Die Erfindung wird am folgenden Ausführungsbei spiel in der Figur näher erläutert:

Das wechselnde Einsatzgut 1 wird mittels eines Gurtförde rers oder eines Becherwerks je nach Eigenschaften entweder in die Ballenpresse 2 oder oder in die Ballenpresse 5 oder in den Konusmischer 6 oder in den Konusstopfer 8 abge worfen. Von der Ballenpresse 2 gelangt das vorkompaktierte Einsatzgut in das Ballenlager 3, wo es langfristig gelagert werden kann. Aus dem Ballenlager 3 kann das Einsatzgut be darfsweise mittels des Transportbandes 4 zum Einfülltrich ter 10 der Dickstoff-Kolbenpumpe 11 gefördert werden. Wenn keine Zwischenlagerung erwünscht ist, kann das Einsatzgut auch in der Ballenpresse 5 vorkompaktiert werden, die di rekt mit dem Einfülltrichter 10 der Dickstoff-Kolben pumpe 11 verbunden ist. Alternativ kann das Einsatzgut aus dem Konusmischer 6 mittels der Austragsschnecke 7 oder aus dem Konusstopfer 8 mittels der Austragsschnecke 9 in den Einfülltrichters 10 der Dickstoff-Kolbenpumpe 11 ausgetra gen werden. In der Dickstoff-Kolbenpumpe 11 wird das Ein satzgut komprimiert und agglutiniert und von dort aus durch die Förderrohrleitung 12 direkt in den Konusmischer 13 ge pumpt. Das Einsatzgut aus dem Konusmischer 13 wird über die Austragsschnecke 14 von der gekühlten Eintragsschnecke 15 durch die Behälterwandung 16 in den Behandlungsraum 17 in dosierter und geregelter Weise eingebracht.

Im vorgenannten Ausführungsbeispiel stellen die Bezugsnummern 1 bis 10 die erste Verfahrensstufe, die Num mern 11 und 12 die zweite Verfahrensstufe, und die Nummern 13 bis 15 die dritte Verfahrensstufe dar.

Bezugszeichenlegende

1

Einsatzgut

2

Ballenpresse

3

Ballenlager

4

Transportband

5

Ballenpresse

6

Konusmischer

7

Austragsschnecke

8

Konusstopfer

9

Austragsschnecke

10

Einfülltrichter der Dickstoff-Kolbenpumpe

11

Dickstoff-Kolbenpumpe

12

Förderrohrleitung

13

Konusmischer

14

Austragsschnecke

15

Eintragsschnecke

16

Wandung des Behandlungsraums

17

Behandlungsraum (angedeutet)

Claims

1. Mehrstufiges Verfahren für die Beschickung eines gas- und/oder druckdichten Behandlungsraumes, insbesondere für die Beschickung eines Reaktors für einen Druckverga sungsprozess nach dem Hochtemperatur-Winkler Verfahren (HTW Verfahren) mit einem nicht fließfähigen, überwie gend stückigen, kohlenstoffhaltigen Einsatzgut oder wahlweise einem Stoffgemisch, welches:

a) mit Stückgrößen von bis zu 100 mm zweidimensional, eine Dimension kann größer sein, vorgelegt wird;
b) einen Feuchtigkeitsgehalt von 0% bis höchstens 50% bezogen auf die Trockenmasse besitzt und
c) als Schüttgut einen gasförmigen Hohlraumanteil von mindestens 30 aufweist, wobei,

- in einer ersten Verfahrensstufe das Einsatzgut als Schüttgut und portioniert in einer Weise aufgegeben wird, daß es förderfähig wird,
- in einer zweiten Verfahrensstufe das Einsatzgut in ei nen gas- und/oder druckdichten, mit dem Behandlungsraum kommunizierenden Füllraum hineingepresst wird, das Ein satzgut bzw. Stoffgemisch dabei unter Komprimierung ag glutiniert, um allein oder zusammen mit den zuvor in den Füllraum eingepressten Komprimatportionen einen form- und/oder kraftschlüssigen, fluidartigen Propfen zum gas- und/oder druckdichten Abschluß des Füllraums hinsicht lich der mit atmosphärischer Umgebung kommunizierenden ersten Verfahrensstufe zu bilden,
- in einer dritten Verfahrensstufe das Komprimat homoge nisiert und in den Behandlungsraum eindosiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Einsatzgut trocken und durch mechanisch wirkende Mittel pumpfähig gemacht wird, es die Fließeigenschaften eines sehr zähflüssigen Bing ham-Fluids annimmt, und dabei sein Hohlraumanteil auf Werte zwischen 0 und 15% reduziert wird und es so aus dem Füllraum in den Behandlungsraum übergeleitet werden kann.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der ersten Verfahrensstufe die Förderbarkeit durch eine Ballenpresse erreicht wird, die das Einsatzgut zu runden, zylindrischen Ballen kompaktiert, und die Ballen mit einem sie umhüllenden Netz oder einer sie umhüllen den Plastikfolie zusammengehalten werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die umhüllten Ballen einem Ballenlager zugeführt werden, aus dem sie mittels einer Fördereinrichtung entnommen und so dem Auslaß dieser ersten Verfahrensstufe zuge führt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der ersten Verfahrensstufe die Förderbarkeit durch einen Konusmischer erreicht wird und das Einsatzgut durch die untere enge Konusmischer-Öffnung mittels eines Austragsorgans dem Auslaß dieser ersten Verfahrensstufe zugeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die interne Förderschnecke des Konusmischers derart be trieben wird, daß sich in der unmittelbaren Umgebung der Förderschnecke eine Aufwärtsströmung des zu fördernden Gutes einstellt.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Förderbarkeit in der ersten Verfahrensstufe durch Stopfer erreicht wird, die in einem trichterförmigen Ge fäß zur engeren Trichteröffnung hin fördernd angeordnet sind und das Einsatzgut durch die enge Trichteröffnung mittels eines Autragsorgans dem Auslaß der ersten Ver fahrensstufe zugeführt wird.

7. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in der zweiten Verfahrens stufe die weitere und agglutinierende Komprimierung des Einsatzgutes mittels einer Dickstoff-Kolbenpumpe er folgt, deren Einlaß entweder mit einem einzigen Auslaß aus der ersten Verfahrensstufe verbunden ist oder aber wahlweise umschaltbar mit je einem von mehreren Ausläs sen der ersten Verfahrensstufe verbunden oder aber gleichzeitig mit mehreren Auslässen der der ersten Ver fahrensstufe verbunden ist.

8. Verfahren nach den Ansprüchen 2, 3 oder 7, dadurch ge kennzeichnet, daß die vorkompaktierten, zylindrischen ballen im Durchmesser höchstens 10% von dem Innendurch messer der verwendeten Dickstoff-Kolbenpumpe abweichen und in fluchtender Weise gefördert werden.

9. Verfahren nach den Ansprüchen 2, 3, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß entweder auf der Innenwandung des Zylinders der Dickstoff-Kolbenpumpe oder auf den vorkom paktierten, zylindrischen Ballen ein Gleitmittelzusatz aufgebracht wird, der den Reibungswiderstand der Kompri mat-Portionen während des Kompaktierungs- und Förde rungsvorganges verringert.

10. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in einer dritten Verfahrens stufe die Dickstoff-Kolbenpumpe in einen druckdicht aus geführten, weiteren Konusmischer fördert, der der die Pulsation der Förderung der Dickstoff-Kolbenpumpe ver gleichmäßigt, einen Zwischenspeicher bildet, Ballen und Zusammenballungen auflöst ohne den Kompaktierungsgrad zu verändern, und das Einsatzgut einer Eintragsschnecke zu führt, die es direkt in den Behandlungsraum fördert.