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a) Titel der Erfindting
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Verfahren zur Pestbettdruokvergasung von Braunkohle b) Anwendungsgebiet
der Erfindung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Festbettdruckvergasung von
weitgehend stückiger Brauikohle, vorsugsweise Rohbraunkohle mit einem hohen Wassergehalt,
ggf.>40 %, ureter erhöhtem Druck mit Sauerstor! im Gemisch mit gesättigtem oder
überhitztem Wasserdampf und ggf. anderen Gasen als Vorgasuagemittel.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders geeignet fur Kohlen,
die bei der Vergasung unterhalb des &scheschmelzpunktes eine Asche mit sehr
feinkörniger und pulverförmiger Struktur liefern.
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Es gestattet unter vorstehenden Bedingungen hohe spezifische Leistungen
und eine Verringerung des Vergasungemittelbedarfes.
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c) Charakteristik der bekannten technischen Lösungen Die Ökonomie
des Verfahrens der Festbettdruckvergasung wird vor allem durch zwei typische Kennzeichen
des einzusetzenden Brennstoffes bestimmt. Es ist erstens das Verhalten der Mineralbestandteile
der Kohle und zweitens der Wassergehalt der Kohle, wie er unmittelbar bei der Gewinnung
vorliegt.
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Beim Verfahren der Festbettdruckvergasung bestimmt das Sinter- und
Schmelzverhalten der Asche die dem Vergasungseauerstoff mindestens zuzumischende
Dampfmenge, ggf.
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Menge an inerten Gasen. Hieraus ergibt sich das einzu-
stellende
Dampf-Sauerstoff-Verhältnis fUr einen stabilen Betrieb des Vergasungsverfahrens
im festen Bett. Ein notwendig hoher Dampfzusatz zur Vermeiduag von Verschlackungs
erscheinungen senkt die Reaktionstemperatur in der Osydations- und Vergasungszone
und führt zu hohen CO2-Gehalten und niedrigen Dampfzersetzungsgraden. Die wirtschaftlichste
Betriebsweise ist daher die mit dem geringsten zulässigen Dampf-Sauerstoff-Verhältnis.
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Ptr einen störungsfreien Betrieb der Festbettdruckvergasungsgeneratoren
ist ein gleichmäßiger Betrieb des Ascheaustrages und die Vermeidung von Verschlackungeerscheinungen
im Generator von Bedeutung. Besondere Schwierigkeiten bereiten diesbezüglich Braunkohlen,
deren mineralische Bestandteile bei der Vergasung eine feinkörnige bis pulverförmige
Asche liefern. Eine solche Asche gestattet bei hoher spezifischer Leistung keine
gleichmäßige Durchströmung des Vergasungsmittels, und es kommt zur Überschreitung
der Wirbelpunktgeschwindigkeit und in der Folge zur kanalförmigen Durcbströmung.
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Dadurch wird die Oxydationszone in den stärker durchströmten Bereichen
infolge des verstärkten Angebotes von Vergasuagsmittel intensiviert. Das fahrt zur
Uberschreitung der zulässigen Verbrennungstemperatur und zur Schlackenbildung, ohne
daß eich das Schmelz- und Sinterverhalten der mineralischen Bestandteile der Kohle
verändert. Bei Brennstoffen, die bei der Vergasung eine feinkörnige und pulverförmige
Asche liefern, wählt man deshalb fttr einen störungsfreien Betrieb ein ralativ hohes
Dampf-Sauerstoffverhältnis.
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In der DE-PS 26 07 964 wurde zur Verbesserung der Vergasungsmittelverteilung
und damit der Kornbildung in der Asche vorgeschlagen, daß das Vergasungsmittel zwangsläufig
analog zur radial im Schacht sibh vergrößernden Brennstoffmasse verteilt wird, um
eine weitgehende gleichmäßige Berhhrungszeit zwischen Gas und Festbett ueber den
Schachtquerschnitt zu erreichen.
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Das Ziel der DD-PS C 10 J/221 ist, die Kornstruktur im Festbett als
Phhrungsgröße fur die Prozeßführung zu nutzen, und als Kriterium fUr die Stabilität
des Fest-
bettes und damit deren gleichmäßige Durchströmung die
Wirbelptlmktgeschwindigkeit an Jeden Höhenelement des Reaktors zu wählen, wobei
die zulässige Strömungsgeschwindigkeit des Fluids stets unterhalb der Wirbelpunktgeschwindigkeit
einzuregulieren ist.
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Die bei beiden Vorschlägen angestrebte gleichmäßige Durchströmung
des Festbettes läßt sich im praktischen Betrieb bei hoher Leistung und bei feinkörniger
und pulverförmiger Asche besonders dann schwer Uberwachen und erreichen, wenn durch
zu hohen Wassergehalt des Brennstoffes > 40 - 45 %, zu großen Korndurchmesser,
zu hohe Leistung bzw. zu geringe Schiltthöhe, der Wärmehaushalt gestört ist und
die Trocknung des Brennstoffes nicht mehr gelingt, bevor die Brennstoffkörner in
die Vergaeungszone gelangen, 8o daß eine weitgehende Annäherung an die theoretisch
zulässige Verbrennungstemperatur durch Senkung des Dampf-Sauerstoff-Verhältnisees
nicht gelingt.
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Insbesondere treten auch dann Störungen auf, wenn die Mineralbestandteile
in der eingesetzten Braunkohle Schwankungen unterliegen, wie es im praktischen Betrieb
oft der Fall ist.
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In DD-PS C 10 J/221 530 wird weiterhin vorgeschlagen, zur Einflußnahme
auf die Kornstruktur der Asche bei Einsatz von Briketts fUr die Vergasung, diesen
Mineralsubstanzen zuzumischen, die den Ascheschmelzpunkt erhöhen bzw.
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größere Aschekörner liefern. Dieser Weg ist jedoch pur mit einem erheblichen
Aufwand beschreitbar.
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Pur die Druckvergasung von Braunkohle im festen Bett kann der Brennstoff
in verschiedener Körnung und unterschiedlichem Wassergehalt eingesetzt werden. In
der Literatur werden Körnungen im Bereich von 2 - 30 mm genannt. Im Falle des Einsatzes
von Briketts betragen die massmalen Korndurchmesser bis 100 mm.
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Der Wassergehalt der eingesetzten Brennstoffe liegen zwischen 15 und
30 %. DD-PS 38791 schlägt den Einsatz von klassierter Weichbraunkohle mit 45 % Wassergehalt
vor und DD-PS 145 180 gibt auch den Einsatz von ungetrockneter klassierter Rohbraunkohle
an.
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In DD-PS 145 180 wird der Einsatz eines Gemisches von Briketts und
klassierter Braunkohle mit einem Gemischwassergehalt von 30 - 37 % als erfinderische
Lösung genennt, Die DD-PS 38791 schlägt vor, daß von dem im Untertitel des Generators
erzeugten heißen Vergasungsgas nur die für die Entgasung, Schwellung und Trocknung
des Brennstoffes benötigte Menge durch die Brennstoffsäule im Generatoroberteil
strömt und der Rest am Ende der Vergasungszone gesondert abgeführt wird.
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In jedem der vorstehend genannten Fälle geht man davon aus, daß der
Vergasungsprozeß so geführt wird, daß der Brennstoff im Oberteil des Reaktors vom
Rohgas vollständig getrocknet wird, bevor er in den folgenden Schwel-und Entgaaungszonen
von flüchtigen Bestandteilen befreit wird und anschließend in die Vergasungszone
gelangt.
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Bei dieser Form der Prozeßführung hat die Körnung und der Wassergehalt
des Brennstoffes keinen Einfluß auf das Sinter- und Schmelzverhalten der mineralischen
Bestandteile.
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Sobald jedoch Kohle mit höherem Wassergehalt (> 40 - 45 %), zu
großer Körnung, bei zu hoher Leistung bzw. zu geritger Schütthöhe im Reaktor eingesetzt
wird, wird infolge der Störung des Wänaabaushaltes die erforderliche Maximaltemperatur
in der Reaktionszone nicht mehr erreicht und es kommt zur Leistungaminderung und
zu Effektivitätsverlusten des gesamten Verfahrens.
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Ein weiterer bisher nicht erkannter negativer Aspekt beim Einsatz
von Kohle mit 30 - 45 % Wassergehalt ist folgender: Durch die Absenkung der Gasaustrittstemperatur
im Oberteil der Schüttung und in der Generatorkuppel kommt es verstärkt zur Teerkondensation.
Kondensierende Teerbestandteile bilden zusammen mit Staub feste Verkrustungen in
der Generatorkuppel und am Gasabgan& Im Oberteil der Schüttung kann es örtlich
zu einer sogenannten Sumpfbildung kommen, wodurch der Betriebsablauf gestört und
zum Erliegen kommen kann. Ebenfalls führen Verkrustungen im Gasabgang zu hohem Strömungswiderstand,
der gleichfalls zur Außerbetriebnahme der Anlage zwingt. Aus diesem Grunde
war
es bisher nicht möglich, Kohle mit einem Wassergehalt 35 - 40 % bzw. grubenfeuchte
Rohbraunkohle mit sogar 55 - 60 % Wassergehalt wirtschaftlich zur Festbettdruckvergasung
einzusetzen.
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d) Ziel ier Erfindung Ziel der Erfindung ist ein Verfahren zur Festbettdruckvergasung
von Braunkohle vorzugsweise von Rohbraunkohle mit einem hohen Wassergehalt sowie
von Kohlen, die bei der Vergasung unterhalb des Ascheschmelzpunktes eine Asche mit
sehr feinkörniger und pulverförmiger Struktur liefern.
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Ziel der Erfindung ist somit, die &nwendungsmöglichkeiten des
Pestbettdruckvergaaungsverfahren erheblich zu erweitern.
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e) Darlegung des Wesens der Erfindung Wird Kohle mit einem Wassergehalt
von ca. großer 40 % zur Druckvergasung eingesetzt, dann reicht die Wärme des die
Vergasungszone verlassenden Gases nicht aus, um den Brennstoff zu entgasen, zu schwelen
und zu trocknen. In diesem Fall entzieht der Brennstoff für das Austreiben des Plüchtigen
und des Restwassers der Vergasungszone Wärmeenergie verbunden mit den vorstehend
genannten Nachteilen.
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Weiterhin wurde festge£tellt, daß auch bei Einsatz von Kohle mit Wassergehalten
kleiner 40 % verbunden mit hoher Schachtbelastung, niedriger Schachthöhe und hohen
Korndurchmessern die Kohlekörner infolge zu geringer Verweilzeit in der Trocknungs-,
Schwel- und Entgasungezone beim Eintritt in die Vergasungszone noch Restflüchtige
und Restfeuchtigkeit enthalten. Auch hier treten die genannten Nachteile auf.
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Der Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, die negativen Auswirkungen
einer niedrigen Feststoff temperatur in der Vergasungszone infolge hohem Wassergehalt
der Kohle bei hoher Reaktorleistung, niedriger Schachthöhe und großem Durchmesser
des Einzelkornes der eingesetzten
Kohle zu eliminieren und somit
weitere Einsatzgrenzen von Seiten des Rohstoffes und der Reaktorbelastung eines
Festbettdruckvergasers zu erschließen, womit gleichzeitig sehr teure Anlagen zur
Trocknung der Kohle, die bisher in der Verfahrenskette eingebunden waren, in Wegfall
kommen.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe damit gelöst, daß zur Vergasung generell
Kohle mit 45 % Wassergehalt eingesetzt wird und die mit der Verschiebung des Wärmehaushalt
es verbundene Absenkung der Reaktionstemperatur in der Vergasungszone und damit
die Stoffumsatzgeschwindigkeit durch eine Erhöhung des Sauerstoffanteiles im Vergasungsmittel
bewußt so gesteuert wird, daß für einen Teil der Asche die Verschlackungagrenze
überfahren wirdf und damit die Stoffumsatzgesohwindigkeit bewußt eo gesteuert wird,
daß durch eine Erhöhung des Sauerstoffanteiles im Vergasungsmittel für einen Teil
der Asche die Verschlackungsgrenze Uberfahren wird. Gleiches ist möglich, indem
die Temperatur des Vergasungsmittels entsprechend angehoben wird. Durch die erfindungsgemäßen
Verfahrensprinzipien treten generelle Veränderungen im Prozeßablauf des Festbettvergasungsverfahrens
auf. Sie sollen nachfolgend mit ihren Wirkungen beschrieben werden.
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Reicht z. B. beim Einsatz feuchter Rohbraunkohle die aus der Vergasungszone
austretende Wärmemenge nicht aua, um das Wasser und die flüchtigen Bestandteile
im Kohlekorn auszutreiben, so wird der Prozeß so geführt, daß je nach Korngröße
und Kornzusammensetzung ur an den Oberflächen der Körner trockene bzw. entgaste
Kohlensubstanz in die Vergasungszone eintreten. Kurz vor Eintritt in die Oxydationszone
und teilweise in der Oxydationszone werden durch die heftig und schnell verlaufende
Vergasungund Verbrennung der Kohle die noch im Korn der BrennstoffßtUcke vorhandenen
flüchtigen Bestandteile entbunden und das restliche Kohlewasser verdampft. Sowohl
BreDnstoffanteile mit niedriger Temperatur infolge des Austreibens von Flüchtigen
und Wasser
vor Eintritt in die Oxydationszone als auch solche mit
Restflüchtigen und Restwasser entziehen dem heftig verlauf enden Verbrennungsvorgang
Wärme und verhindern so ein Verschlacken dieser Brennstoffanteile trotz des hohen
Anteiles an Sauerstoff im Vergasungemittel. Nur die mineralischen Anteile der vollständig
aufgeheizten und damit entgasten Brennstoffanteilö können anschmelzen.
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Der hier einsetzende Schmelzvorgang der Mineralbestandteile ist damit
begrenzt und kann nicht zum Verschlacken des Generators führen, sondern es wird
zielgerichtet nur ein Teil der Mineralsubstanz in die Schmelzphase mit der gewUnschten
Kornvergrößerung überführt.
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Erfindungsgemäß läuft der Prozeß dann optimal ab, wenn insgesamt mindestens
10 % des Mineralstoffes granulierter Form, d. h. zu gesinterten bzw. zu größeren
Partikeln (3 - 5 mm) geschmolzenen Agglomeraten anfällt.
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Die Anwendung dieses Grundgedankens ist sinngemäß auch dann möglich,
wenn durch Abzug eines Teiles des Vergasungsgases oder Entgasungsgases durch einen
gesonderten Gasabgang lediglich eine Temperaturabsenkung am Eintritt der Vergasungszone
infolge der eingangs erwähnten Faktoren eintritt. In diesem Falle erfolgt die Anpassung
der Vergasungsmittelzusammensetzung bzw. dessen Temperatur an die Jeweiligen Bedingungen
in gleicher Form. Zur Regulierung des Wärmehaushaltes in der Vergasungszone genügen
hier kleinere Schritte der Anpasung. Zweckmäßigerweise erfolgt hier die exakte Einstellung
des Prozesses gleichfalls auf Grundlage des geschmolzenen bzw. gesinterten Ascheanteiles
der Kohle.
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Es wird desweiteren erfindungsgemäß vorgeschlagen, den Effekt des
Auftretens von Teilschmelzu« in der Oydationszone dadurch zu beeinflussen, daß klassierte
Kohle mit bewußt unterschiedlicher Korngröße zur Vergasung eingesetzt wird. Auf
Grund der größeren Kornoberfläche der kleineren Praktionen ist der Wärzusaustausch
zwischen fester und gasförmiger Phase im Prozeß vollkommener, d. h. die Fraktionen
mit dem kleinsten Korndurchmesser nehmen am schnellsten hohe Temperaturen an und
werden
demzufolge bei den höheren Temperaturen umgesetzt, wobei
ihre Mineralsubstanz fast vollständig in die Schmelzphase überführt wird. Sinngemäß
kann auch verfahren werden, wenn ein Mischbrennstoff mit unterschiedlichen Wassergehalten,
wie er z. B. bei der Vortrocknung oft anfällt, eingesetzt wird.
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Mit diesen Vorgängen wird einerseits verhindert, daß zu große Schlackeagglomerate
entstehen, die zu Störungen im Ascheaustrag des Generators führen können und andererseits
wird das Bestreben nach einer möglichst grobkörnigen Asche unterstützt, welche als
Voraussetzung für eine gute Durchströmbarkeit von ausschlaggebender Bedeutung für
die Leistungsfähigkeit des Gesamtreaktors ist.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, als Puhrungsgröße zur optimalen
Regulierung der maximalen Reaktionstemperatur den Anteil geschmolzener Schlanke
mit einem Koradurchmesser größer 100 mm zu wählen.
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Mit dem Einsatz von Kohle mit einem Wassergehalt, 45 % bzw. mit einer
Anpassung von Leistung, Korngröße und Schütthöhe in der Weise, daß Wasser und Flüchtige
in die Vergasungezone gelangen, ist ein weiterer Vorteil vor handen. Bis zur Austreibung
des Restwassers aus einem Kohlestück verharrt die Temperatur des Feststoffes in
der Nähe der Sättigungstemperatur des Wasserdampfes entsprechend dem Jeteilis;herrschenden
Partialdruck unabhängig davon, wie hoch die Temperatur des gasförmigen Mediums ist.
Mit Erreichen des Endzustandes der Trocknung tritt ein schroffer Temperaturanstieg
im Feststoff ein, der in Verbindung mit der hohen Umgebuqgstemperatur zur Umwandlung
der feerbestandteile, d. h. zu ihrer Spaltung führt. Im Extremfall nehmen die Teerbestandteile
unmittelbar an der Vergasung teil. Dieser Effekt führt in Verbindung mit dem ohnehin
höheren Partialdruck des Wasserdampfes zu einer noch weiteren Absenkung des Partialdruckes
der noch verbleibenden Teerbestandteile im Rohgas-Wasserdampfgemisch im Oberteil
des Reaktors. Damit
wird das Auskondensieren von Teerbestandteilen
und die damit verbundene Verkrustungsgefahr und die Sumpfbildung eingeschränkt bzw.
beseitigt. Ein weiterer Effekt tritt mit der Anwendung der erfindungsgemäßen Lösung
dahingehend ein, daß auf Grund des Vorhandenseins der Sättigungstemperatur des Wasserdampfes
in einem größeren Bereich des Schüttungsoberteils und an den Kornoberflächen auch
im mittleren Bereich der Schüttung evtl.
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vorhandene Staubteilchen in bekannter Porm als Kondensationskerne
wirken und somit ein idealer Entstaubungseffekt vonstatten geht. Das den Generator
verlassende Rohgas ist dann sehr wenig verunreinigt, so daß der Aufwand zur Reinigung
des Rohgases gering bleibt und gleichfalls seperate Anlagen zur Aufbereitung und
Verarbeitung von Teer-S taub-Gemischen verhältnismäßig klein bemessen sein können.
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Die Anwendung der vorgeschlagenen Verfahrensprinzipien erschließt
eine Reihe von Vorteilen, die neben der Sicherung ökonomischer Vorteile bestehender
Technologien zu einer bedeutenden Erweiterung der Anwendungemöglichkeiten des Pestbettdruckvergasungsverfahrens
führt. So wird es s.P. möglich, grubenfeuchte Rohbraunkohle mit 55 - 60% Wassergehalt
wirtschaftlich einzusetzen, was bisher als unlösbar galt.
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Bei der erfindungsgenaßen Prozeßfuhrung nimmt der in die Vergasungezone
wandernde Wasser- und Plüchtigenanteil unmittelbar am Vergasungaprozeß teil und
hilft somit, die Gesamtbilanz des Stoffumsatzes decken. Durch den relativ höheren
Anteil von Sauerstoff im Vergasuggsmittel und der Nutzung des Kohlewassere zur Vergasung
kann der spezifische Einsatz von Vergasungsdampf gesenkt werden. Insgesamt muß Je
Mengeneinheit Kohlenstoff mehr Sauerstoff umgesetzt werden als bleibender Nachteil
dieses Verfahrensweges. Der Mehraufwand an Sauerstoff ist Jedoch vertretbar gegenüber
der Senkung des Dampfbedarfes und den Aufwendungen, die zur Vorbehandlung der Kohle
z.B. der Trocknung und Brikettierung aufgebracht
werden SEssen.
Gleiches gilt für den geringfUgig höheren CO2 - Anteil im Rohgas.
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Ausführungsbeispiel Rohkohle aus dem Tagebau von ca. 55 - 60% Wassergehalt
und der Kornfraktion 10 - 60 mm wird unmittelbar als Brennstoff für den Druckvergaser
eingesetzt. Die Para-Peter maximale Reaktionstemperatur und Durchsatzleistung werden
am zweckmäßigsten durch die Zusammensetzung und Menge des Vergasungsmittels gesteuert.
Die Startleistung des Generators, d.h. die Minimallast wird zunächst mit einem relativ
hohen Dampf-Sauerstoff-Verhältnis (DSV) und damit niedriger Reaktionstemperatur
einreguliert. Der konkrete Wert des Dampf-Sauerstoff-VerhKltnisses hängt vom Eohletyp,
d.h. von dessen Ascheschmelzverhalten ab.
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Bach dem ersten Ascheaustrag erfolgt eine Beurteilung der Asche bezüglich
der Körnung, d.h. des Sinter- und Schmelzanteiles von der Gesamtasche. Ist die Asche
feinkörnig und wenig gesintert, wird durch Absenkung des DSV und damit Erhöhung
der max. Reaktionstemperatur bei gleichzeitiger oder vorheriger Erhöhung des Durchsatzes
an Vergasungamittel bis zu einer der Schachthöhe angepaßten Leistung eine schrittweise
Annäherung an die Sinter- und Schmelzgrenze der Mineralbestandteile der Kohle angestrebt.
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Dabei wird das DSV ueber das z.B. bei der Vergasung von getrockneter
Kohle uebliche Maß reduziert. Als praktikable Wdglichkeit der Optimierung der Prozeßparameter
DSV, Leistung und Rohetoffart sowie dessen Verweilzeit ist die stetige Begutachtung
der aus dem Generator ausgetragenen Asche und des Temperaturregimes in der Asche-
und Oxydationezone. Der Prozeß wird dann optimal betrieben, wenn die Mineralbestandteile
der Kohle zu etwa 5 - 20% in Form geschmolsener Agglomerate mit einer Korngroße
von 100 - 150 mm anfällt. Damit wird gesichert, daß ein hoher Anteil des Kohlewassers,
was die Oxydations- und Reaktionszone erreicht zur Vergasung genutzt werden kann
und
ein maximaler spezifischer Stop umsatz Je Volumeneinheit des
Reaktors gesichert wird.