DE3333870A1 - Verfahren zum betreiben eines reaktors zum vergasen fester brennstoffe - Google Patents

Verfahren zum betreiben eines reaktors zum vergasen fester brennstoffe

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Description

METALLGESELLSCHAFT AG Frankfurt, 19.O9*WÄ3^ 07η
-WGN/HSZ- 00000 /U
Nr. 9022 Lö 3
Verfahren zum Betreiben eines Reaktors zum Vergasen fester Brennstoffe
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Reaktors zum Vergasen fester Brennstoffe unter einem Druck von 10 bis 150 bar mit Sauerstoff sowie Wasserdampf und/oder Kohlendioxid als Vergasungsmittel, wobei der Brennstoff im Reaktor ein Festbett bildet, das sich langsam nach unten bewegt, in das man die Vergasungsmittel von unten durch einen in seiner Drehzahl regelbaren Drehrost hindurch einleitet, und daß man die unverbrennlichen mineralischen Bestandteile unter der Wirkung des Drehrostes als feste Asche abführt und in einen Schleusenbehälter leitet, der periodisch verschlossen, entspannt und entleert wird.
Die Vergasung körniger Kohle im Festbett ist bekannt und z.B. in Ullmanns Enzyklopädie der technischen Chemie, 4. Auflage (1977), Band 14, Seiten 383 bis 386, dargestellt. Einzelheiten der Ausgestaltung des Reaktors und des zugehörigen Drehrostes sind den deutschen Patenten 23 51 963, 23 46 833, 25 24 445 und der DE-OS 26 07 964 sowie den dazu korrespondierenden US-Patenten 3 930 811, 3 937 620, 4 014 664 und 4 088 455 zu entnehmen.
Dem Vergasungsreaktor gibt man im.allgemeinen körnige Kohle mit Korngrößen von etwa 3 bis 70 mm auf, wobei ein gewisser Anteil an feinkörniger Kohle zugelassen werden kann. Neben Kohle läßt sich auch Braunkohle sowie Torf im Festbett vergasen.
Beim Betreiben bekannter Vergasungsreaktoren regelte man bisher vor allem die Zugabe der Vergasungsmittel, und dies
bevorzugt von Hand durch Bedienungspersonen.' Hierbei wurde bevorzugt die Austrittstemperatur des Produktgases beachtet. Wenn im Vergasungsbetrieb gelegentlich Kanalbildung auftrat, wobei die Vergasungsmittel durch im Festbett zufällig entstandene Kanäle ohne große Wirksamkeit nach oben strömten, führte dies zur Erhöhung der Austrittstemperatur des Produktgases. Dieser Störung wirkte man durch Verändern der Drehzahl des Drehrostes entgegen. Inzwischen wurde gefunden, daß die Rostdrehzahl ein sehr wichtiger Faktor für den Betrieb des Vergasungsreaktors ist und daß die Einstellung dieser Drehzahl feinfühlig erfolgen muß. Verstellt man die Drehgeschwindigkeit des Rostes in kurzer Zeit mehrfach, so kann der Vergasungsbetrieb aus dem Gleichgewicht kommen und dabei vor allem die Höhe der Ascheschicht über dem Drehrost stark schwanken. Bei einem zu niedrigen Aschebett und folglich hoher Aschetemperatur ist das Material des Drehrostes gefährdet und es kann zu Rissen in den Rostteilen führen.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, für einen gleichmäßigen Vergasungsbetrieb zu sorgen und die Umdrehungsgeschwindigkeit des Drehrostes dosiert und in optimaler Weise zu regeln. Erfindungsgemäß geschieht dies dadurch, daß die Temperatur im Schleusenbehälter gemessen und bei Abweichen von einem Sollwert die Drehzahl des Drehrostes in der Weise verändert wird, daß bei zu hoher Temperatur die Drehzahl gesenkt und bei zu niedriger Temperatur die Drehzahl erhöht wird.
überraschend hat sich nämlich gezeigt, daß die Temperatur der Asche und damit die Temperatur im Schleusenbehälter den besten Hinweis zum Betrieb des Vergasungsreaktors gibt. Die Drehzahlregelung aufgrund dieser Temperatur kann einerseits von Hand durch eine Bedienungsperson erfolgen und läßt sich auch automatisch durchführen.
Es ist zweckmäßig, die zur Steuerung verwendete Temperatur im Schleusenbehälter oberhalb des höchsten Füllstandes der Asche
zu messen, wo keine Ascheteilchen mit dem Temperatur-Meßgerät direkt in Berührung kommen.
Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, die Drehzahlregelung automatisch mit Hilfe eines Rechners durchzuführen. Diesem Rechner kann man die aus Erfahrungswerten gewonnene Solltemperatur im Schleusenbehälter als zeitlich sich verändernder Temperaturbereich einspeichern. Ohne einen solchen Rechner steht der Bedienungsperson zweckmäßigerweise eine Tabelle der Solltemperatur zur Verfügung.
Für die Drehzahlregelung des Rostes kommen neben der Temperatur in der Aschenschleuse an sich weitere Daten in Frage, so z.B. die Austrittstemperatur des Produktgases, die Temperatur und die Menge der Vergasungsmittel und z.B. auch der Kohlenstoffgehalt der Asche. Es hat sich aber gezeigt, daß bereits mit der Temperatur in der Aschenschleuse zusammen mit der Sauerstoffmenge, die dem Reaktor als Vergasungsmittel zugeführt wird, auch bei schwankender Brennstoffzufuhr in den Reaktor eine einwandfreie Steuerung der Rostdrehzahl möglich ist.
Weitere Einzelheiten des Verfahrens werden mit Hilfe der Zeichnung erläutert. Es zeigt:
Fig„ 1 in schematischer Darstellung die Vergasungsapparatur mit zugehöriger Steuerung des Drehrostes und
Fig. 2 ein Beispiel des Temperaturverlaufs in der Aschenschleuse.
Der Vergasungsreaktor 1 von an sich bekannter Bauart vergast körnige Kohle unter erhöhtem Druck von z.B. 10 bis 150 bar, wobei die Kohle innerhalb des Reaktors ein Festbett bildet. Die Kohle kommt aus einer Aufgabeschleuse 2 mit beweglichem Ventil 3. Produktgas tritt durch die Leitung 4 aus.
Als Vergasungsmittel werden dem Reaktor im allgemeinen Wasserdampf durch die Leitung 5 und Sauerstoff oder auch Luft durch die Leitung 6 zugeführt. Die Vergasungsmittel werden zunächst in den Innenbereich des Drehrostes 7 geleitet und durch öffnungen im Rost in das Festbett hinein verteilt. Der Drehrost
besteht aus einem drehbaren Teil 7a und einem ortsfesten Stützteil 7b. Der Antrieb des Teils 7a um eine vertikale Achse erfolgt mit Hilfe des Motors 8 und der Welle 9, die über ein nicht dargestelltes Ritzel mit dem drehbaren Rostteil 7a zusammenwirkt. Der Rostteil 7b wird von Stützelementen 7c und 7d getragen, an denen vorbei die Asche nach unten rutscht.·
Durch die im Festbett des Reaktors 1 aufwärts steigenden Vergasungsmittel entstehen im Bett hohe Temperaturen, die nach oben abnehmen, wobei sich unmittelbar über dem Drehrost eine Ascheschicht ausbildet. Diese Asche fällt durch den Aschekanal 10 nach unten und durch das geöffnete Ventil 11 in den Behälter der Aschenschleuse 12. Wenn die Schleuse mit Asche gefüllt ist, wird das Ventil 11 geschlossen und die Aschenschleuse 12 durch die Leitung 13 mit Ventil 14 entspannt, so daß die Asche durch das geöffnete untere Schleusenventil abfließen kann. Danach wird das Ventil 15 wieder geschlossen und die geleerte Schleuse durch die Leitung 13 mit Inertgas (z.B. Wasserdampf) auf den Druck im Reaktor 1 bespannt. Nun kann das Ventil 11 wieder geöffnet werden und Asche, die sich im Kanal 10 ansammelte, in die Schleuse 12 fließen.
Wenn die Asche in den Schleusenbehälter 12 fällt, hat sie Temperaturen im Bereich von etwa 300 bis 350 C. Die Temperatur-Meßeinrichtung 17 mißt die Temperatur im oberen Bereich der Schleuse 12, wobei sich zeitabhängig der in Fig. 2 als Beispiel dargestellte sägezahnartige Verlauf A ergibt. Die Temperatur ist am höchsten, wenn das Ventil 11 geschlossen wird, was zu dem durch die strichpunktierte Linie B markierten Zeitpunkt geschieht. Während der anschließenden Entspannung und Entleerung der Schleuse 12 fällt die Temperatur ziemlich steil ab und beginnt wieder zu steigen, wenn zu dem Zeitpunkt, der durch die strichpunktierte Linie C markiert ist, im entleerten und wieder bespannten Schleusenbehälter 12 das Ventil 11 wieder geöffnet wird, so daß erneut Asche in den Behälter 12 fließen kann. In der daran anschließenden Zeitspanne zwischen den
Linien C und B füllt sich der Behälter 12 mit Asche, wobei die Temperatur kontinuierlich ansteigt.
Für die Steuerung der Drehzahl des Drehrostes 7 mit Hilfe des Temperaturverlaufs A der Fig. 2 hat es sich als zweckmäßig erwiesen, während der Entspannung, Entleerung und erneuten Bespannung des Schleusenbehälters 12 mit der Regelung auszusetzen. In Fig. 2 erfolgt dieses Aussetzen in der Zeitspanne zwischen den Linien B und C. Außerhalb dieser Zeitspanne ist der Temperaturverlauf gleichmäßiger und ungestörter, so daß er sich für die Roststeuerung besser eignet. Da durch die erfindungsgemäße Steuerung eine beträchtliche Vergleichmäßigung des Vergasungsbetriebs erreicht wird, fällt es nicht ins Gewicht, daß periodisch mit der Steuerung für eine relativ kurze Zeitspanne ausgesetzt wird. Wie Fig. 2 zu entnehmen ist, entleert man die Aschenschleuse 12 etwa alle Stunde, wobei der Entleerungsvorgang,· während dem die Drehzahl des Drehrostes nicht verändert wird, gegeben durch den Abstand der Markierungen B und C, üblicherweise 5 bis 10 Minuten dauert. Bei höherer Belastung kann es notwendig werden, die Aschenschleuse in kürzeren Abständen zu entleeren.
In Fig. 2 sind parallel zum Temperaturverlauf A innerhalb der Markierungen C und B die Grenzlinien D und E eingezeichnet, die im gleichen Temperaturabstand X oberhalb bzw. unterhalb A verlaufen. Temperaturen, gemessen durch die Meßeinrichtung 17, die auf den Grenzlinien D und E oder im Bereich dazwischen liegen, haben keine Veränderungen der Rostdrehzahl zur Folge. Erst wenn die gemessene Temperatur außerhalb des durch die Linien D und E markierten Temperaturbereiches liegt, z.B. beim Punkt F, ist eine unzulässige Temperaturabweichungt 4 T eingetreten, die im Beispiel zur Verringerung der Rostdrehzahl führt, wodurch die anschließend gemessenen Temperaturen bald wieder innerhalb des durch D und E begrenzten zulässigen Temperaturbereichs zu liegen kommen.
Die Steuerung der Drehzahl des Drehrostes 7 erfolgt mit Hilfe eines Rechners 18 (Fig. 1) in folgender Weise: Der Rechner erhält regelmäßig Meßwerte durch die gestrichelte Leitung 20 von der Temperaturmeßeinrichtung 17 sowie durch die Leitung von der Sauerstoffzuführleitung 6. Durch die Leitung 21 wird die Sauerstoffmenge des Vergasungsmittels dem Rechner mitgeteilt. Ferner ist durch die gestrichelte Leitung 22 angedeutet, daß der Rechner darüber informiert wird, ob sich die Schleuse 12 in der Befüllungsphase befindet, die in der Darstellung der Fig. 2 zwischen den Markierungslinien C und B liegt, oder ob die Schleuse geschlossen, entspannt, entleert oder wieder bespannt wird, was in Fig. 2 der Zeitspanne zwischen den Markierungslinien B und C entspricht. Der zeitabhängige Verlauf der Temperatur-Grenzlinien D und E ist im Rechner 18 gespeichert. Die vom Rechner ermittelte optimale Drehzahl des Rostes wird durch die Signalleitung 23 zum Antriebsmotor 8 gegeben.
Folgende Berechnungsformel für die Drehzahl n« mit der Dimension Umdrehungen pro Stunde (U/h) hat sich als praktikabel erwiesen:
-4 S , A T
—χ) +
(1 +
Dabei bedeutet
n.. = die vor der Änderung zuletzt eingestellte Drehzahl des Drehrostes (in U/h),
S = die zuletzt berücksichtigte Sauerstoffmenge im Vergasungsmittel (m3/h) ,
A, S = die Differenz der Sauerstoffmenge gegenüber dem zuletzt berücksichtigten Wert,
^\T = die Temperaturdifferenz (0C) aus Soll-Wert und Ist-Wert (vgl. Fig. 2), wobei T bei zu hoher Temperatur negativ ist und sich dadurch drehzahlsenkend auswirkt, und C = ein korrigierender Erfahrungswert (Dimension 0C h/U), der etwa im Bereich von 5 bis 30 C ' h/U liegt.
Üblicherweise reicht es aus, wenn etwa alle 2 bis 10 min Meßwerte im Rechner 18 verarbeitet werden und dieser feststellt, ob sich daraus eine neue Drehzahl n» des Rostes ergibt. Dadurch daß eine Temperaturabweichung von +. X gegenüber dem idealen Temperaturverlauf zugelassen wird, ohne daß dies zu einer Drehzahländerung führt, wird ein häufiges geringfügiges Verändern der Rostdrehzahl vermieden. Die zulässige Schwankung X der Temperatur liegt im praktischen Betrieb etwa bei 5 bis 15°C und im Beispiel der Fig. 2 bei 100C.
Beispiele:
Mit Hilfe der zuvor genannten Formel werden zwei Beispiele gerechnet, wobei folgende Daten berücksichtigt werden:
Beispiel 1 Beispiel 2
n1 (U/h)
Δ T (0C)
C (°C h/ü)
Δ S (Hi3Zh-)
S (m3/h)
daraus errechnet sich die Drehzahl n2 (U/h) zu
3,5 3,5
+2 -5
10 10
6 0
60 60
4,05
3,0
- Leerseite -

Claims (6)

Patentansprüche
1) Verfahren zum Betreiben eines Reaktors zum Vergasen fester Brennstoffe unter einem Druck von 10 bis 150 bar mit Sauerstoff sowie Wasserdampf und/oder Kohlendioxid als Vergasungsmittel, wobei der Brennstoff im Reaktor ein Festbett bildet, das sich langsam nach unten bewegt, in das man die Vergasungsmittel von unten durch einen in seiner Drehzahl regelbaren Drehrost hindurch einleitet, und daß man die unverbrennlichen mineralischen Bestandteile unter der Wirkung des Drehrostes als feste Asche abführt und in einen Schleusenbehälter leitet, der periodisch verschlossen, entspannt und entleert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur im Schleusenbehälter gemessen und bei Abweichen von einem Soll-Wert die Drehzahl des Drehrostes in der Weise verändert wird, daß bei zu hoher Temperatur die Drehzahl gesenkt und bei zu niedriger Temperatur die Drehzahl erhöht wird.
2) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur oberhalb des höchsten Füllstandes der Asche gemessen wird.
3) Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahlregelung automatisch mit Hilfe eines Rechners erfolgt.
4) Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Soll-Temperatur im Schleusenbehälter als zeitlich sich verändernder Bereich berücksichtigt wird.
5) Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß man bei der Drehzahlregelung die Sauerstoffmenge des Vergasungsmittels mit berücksichtigt und bei erhöhter Sauerstoffzufuhr die Drehzahl erhöht.
6) Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl des Drehrostes während der Entleerung der Aschenschleuse nicht verändert wird.
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