DE4113447A1 - Verfahren zur steuerung des betriebsablaufes eines vergasungsreaktors - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung des Be­ triebsablaufes eines nach dem Flugstromverfahren arbeiten­ den Vergasungsreaktors zur Vergasung von feinzerteilten kohlenstoffhaltigen Brennstoffen, insbesondere feinkörni­ ger bis staubförmiger Kohle, bei dem Brennstoff und Verga­ sungsmittel in einem in Abhängigkeit von der Temperatur im Vergasungsreaktor eingestellten Mengenverhältnis dem Ver­ gasungsreaktor zugeführt werden.

Bei dem Vergasungsverfahren der vorstehend genannten Art werden die Betriebsbedingungen normalerweise so einge­ stellt, daß die Schlacke im flüssigen Zustand aus dem Un­ terteil des Vergasungsreaktors ablaufen kann, während das erzeugte, hauptsächlich aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff bestehende Produktgas nach oben aus dem Vergasungsreaktor abgezogen wird. Die Betriebstemperatur im Vergasungsreak­ tor muß deshalb stets um etwa 100-400°C über der Schlac­ keschmelztemperatur liegen, wobei die Vergasung sowohl unter erhöhtem Druck als auch unter Normaldruck betrieben werden kann. Wegen der kurzen Verweilzeiten der Reaktions­ partner im Vergasungsreaktor wird dabei angestrebt, Brenn­ stoff und Vergasungsmittel, wie beispielsweise Luft, Sau­ erstoff, Wasserdampf und Kohlendioxid, dem Vergasungsreak­ tor während des gesamten Verfahrensablaufes in einem kon­ stanten Mengenverhältnis zuzuführen. Um einen störungs­ freien Betriebsablauf zu gewährleisten, muß das Mengenver­ hältnis hierbei so eingestellt werden, daß weder ein Brennstoffmangel noch ein Brennstoffüberschuß auftritt. Nur wenn diese Bedingung erfüllt ist, kann die Betriebs­ temperatur im Vergasungsreaktor innerhalb des weiter oben angegebenen Bereiches gehalten werden. Brennstoffmangel führt dagegen bei steigender Betriebstemperatur zur uner­ wünschten Bildung von Kohlendioxid und damit zur Ver­ schlechterung des als Kaltgaswirkungsgrad bezeichneten Verhältnisses von Brennwert des erzeugten Produktgases zum Brennwert des eingesetzten Brennstoffes. Brennstoffüber­ schuß vermindert demgegenüber den Vergasungsgrad des Koh­ lenstoffes durch Vorliegen von unvergastem Kohlenstoff. Dabei sinkt die Temperatur im Vergasungsreaktor und kann so tiefe Werte erreichen, daß die flüssige Schlacke teigig bis fest wird, der Schlackeabzug gefährdet ist und es schließlich zur Unterbrechung des Betriebsablaufes durch Verstopfung des Schlackeabzuges kommt.

Um den vorstehend geschilderten Bedingungen zu genügen, ist es deshalb beim Vergasungsverfahren der eingangs ge­ nannten Art bereits bekannt, den in den Vergasungsreaktor eingeleiteten Brennstoffstrom, der neben der brennbaren Substanz auch noch Asche und Wasser enthält, sowie den Vergasungsmittelstrom zu messen, wobei beide Stoffströme in einem solchen Mengenverhältnis in den Vergasungsreaktor eingeleitet werden, daß die Betriebstemperatur innerhalb des weiter oben genannten Temperaturbereiches gehalten werden kann. Das hierfür ausschlaggebende Verhältnis zwi­ schen Brennstoff und Vergasungsmittel ist jedoch aus der brennbaren Substanz des Brennstoffes, das heißt ohne des­ sen Asche- und Wassergehalt, zu bilden. Zusätzlich muß da­ her der Asche- und Wassergehalt des jeweils eingesetzten Brennstoffes bekannt sein. Bisher war es deshalb üblich, daß der Asche- und Wassergehalt des Brennstoffes in unre­ gelmäßigen Abständen durch Laboranalysen an Einzelproben ermittelt wurde. Diese Analysenergebnisse sind jedoch nur mit erheblicher Zeitverzögerung zur Steuerung des Be­ triebsablaufes des Vergasungsreaktors verfügbar. Mit die­ ser Arbeitsweise läßt sich daher der Verfahrens- und Be­ triebsablauf des Vergasungsreaktors nur solange ausrei­ chend sicher beherrschen, wie sich die Zusammensetzung des Brennstoffes nicht oder nur unwesentlich verändert und somit nur sehr geringe Schwankungen des Asche- und/oder Wassergehaltes des Brennstoffes auftreten.

Die Erfahrungen in der Praxis haben jedoch gezeigt, daß während des Betriebes eines Vergasungsreaktors tatsächlich aus den unterschiedlichsten Gründen zum Teil erhebliche und plötzliche Änderungen des Asche- und/oder Wassergehal­ tes des Brennstoffes auftreten können. Hierfür können bei­ spielsweise folgende Gründe vorliegen:

• - Der Wassergehalt ändert sich durch Störungen im Be­ triebsablauf der Mahltrocknung der Kohle;
• - der Aschegehalt verändert sich durch den Übergang von einer Kohlensorte auf eine andere Kohlensorte;
• - der Aschegehalt schwankt infolge schlechter Homoge­ nisierung der Kohle, z. B. auf dem Mischbett.

Diese plötzlichen Änderungen des Asche- und/oder Wasserge­ haltes des Brennstoffes können aber mit der bisher übli­ chen Art der Regelung des Mengenverhältnisses von Brenn­ stoff zu Vergasungsmittel nicht ausgeglichen werden, da die diskontinuierlich im Labor ermittelten Werte für den Asche- und Wassergehalt viel zu spät vorliegen. Ein erhöh­ ter Asche- und/oder Wassergehalt kann jedoch im Verga­ sungsreaktor zu Brennstoffmangel und ein erniedrigter Asche- und/oder Wassergehalt zu Brennstoffüberschuß mit den bereits weiter oben beschriebenen negativen Folgen führen. Beide Betriebsabläufe sind deshalb äußerst uner­ wünscht, wobei in dem einen Falle infolge zu hoher Be­ triebstemperatur ein vorzeitiger Verschleiß der Wand des Vergasungsreaktors und im anderen Falle infolge zu nie­ driger Betriebstemperatur eine Unterbrechung des Betriebs­ ablaufes durch Verstopfung des Schlackenabzuges auftreten kann.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das Ver­ fahren der eingangs genannten Art dahingehend zu verbes­ sern, daß auch bei plötzlichen Änderungen des Asche- und/ oder Wassergehaltes des eingesetzten Brennstoffes die Tem­ peratur- und Betriebsbedingungen im Vergasungsreaktor so stabilisiert werden können, daß die vorstehend beschrie­ benen negativen Folgen vermieden werden.

Das der Lösung dieser Aufgabe dienende Verfahren der ein­ gangs genannten Art ist erfindungsgemäß dadurch gekenn­ zeichnet, daß gleichzeitig und kontinuierlich der Asche- und Wassergehalt des Brennstoffes vor dessen Eintritt in den Vergasungsreaktor bestimmt wird und daß durch die Ver­ arbeitung beider Meßwerte in einem Prozeßrechner das Ver­ hältnis von Brennstoff zu Vergasungsmittel jeweils an die tatsächlich im Brennstoff vorhandene Menge an brennbarer Substanz angepaßt wird.

Der Aschegehalt kann hierbei durch radiometrische Bestim­ mung ermittelt werden. Diese Meßmethode wird bereits bei der Kohleaufbereitung angewandt und ist beispielsweise in der Zeitschrift "Aufbereitungs-Technik", Nr. 11/1985, Seiten 648-653, beschrieben. Das Meßprinzip besteht darin, daß der zu untersuchende Brennstoff gleichzeitig oder aber in kurzem Abstand von zwei radioaktiven Quellen durchstrahlt wird, die Strahlung auf unterschiedlichen Energieniveaus aus senden. Es handelt sich vorzugsweise um Cs 137- und Am 241-Strahler. Die energiereichere Strahlung des Caesiums hat dabei die Eigenschaft, von allen im Brennstoff vorhandenen Atomsorten in erster Näherung gleich stark absorbiert zu werden. Dagegen wird die Ameri­ cium-Strahlung von den für die Aschesubstanz charakteri­ stischen Atomen (Si, Al, Fe, Ca) deutlich stärker ge­ schwächt als von den Atomen der brennbaren Substanz (C, H, O, H). Auf diese Weise erhält man zwei Signale, die je­ weils der Dichte des Kohlenstaubes am Meßort proportional sind. Die Differenz der Signale des Cs 137- und des Am 241-Strahlers ist darüber hinaus ein Maß dafür, wie stark der Aschegehalt am Meßort von dem im Kalibrierzustand ab­ weicht. Das Differenzsignal kann daher als Aschegehalt des Brennstoffes definiert und zur Korrektur des Verhältnisses Brennstoffstrom zu Vergasungsmittelstrom herangezogen werden.

Für die Bestimmung des Wassergehaltes eignet sich insbe­ sondere das kapazitive Meßverfahren, das die im Vergleich zur Trockensubstanz hohe Dielektrizitätskonstante des Was­ sers ausnutzt. Diese liegt für Kohle und Asche bei etwa 2 bis 5 und für Wasser dagegen bei etwa 80. Die Dielektrizi­ tätskonstante wird dabei mittels einer kapazitiven Sonde für den im Meßquerschnitt befindlichen Brennstoffstrom er­ mittelt. Da jedoch die Rohrleitung in der Meßstrecke nur teilweise mit Brennstoff gefüllt ist, gelingt die Messung nur, wenn zusätzlich die Dichte des Brennstoffstromes in der Meßstrecke durch radiometrische Dichtemessung, bei­ spielsweise mittels eines Caesiumstrahlers, bestimmt wird. Durch Kombination beider Meßwerte kann der Wassergehalt des Brennstoffes ermittelt werden.

Die vorstehend beschriebene Meßmethode versagt allerdings dann, wenn der eingesetzte Brennstoff einen hohen Elektro­ lytgehalt aufweist. In diesem Falle wird die Ermittlung des Wassergehaltes zweckmäßigerweise unter Anwendung von Mikrowellen ausgeführt. Bezüglich weiterer Einzelheiten dieser Meßmethode wird auf den Aufsatz in der Zeitschrift "Aufbereitungstechnik - Mineral Processing", Heft 1 (1987), Seiten 10-16, verwiesen.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorteilhaft, wenn die Meßsonden zur Bestimmung des Asche- und des Wassergehaltes in der Einspeiseleitung des Brenn­ stoffes nahe am Vergasungsreaktor in unmittelbarer Nähe zueinander angeordnet sind. Eine andere Ausgestaltungsmög­ lichkeit besteht darin, die beiden Meßsonden ebenfalls in unmittelbarer Nähe zueinander in die Einspeiseleitung nahe am Auslauf des Zuteilbehälters einzubauen. Gegebenenfalls kann der Einbau der Meßsonden schließlich auch im Zuteil­ behälter selbst erfolgen.

Die Abbildung zeigt das Fließschema einer Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei der die Meßsonden zur Ermittlung des Asche- und des Wassergehaltes des Brennstoffes in unmittelbarer Nähe zueinander in der Einspeiseleitung nahe am Auslauf des Zuteilbehälters für den Brennstoff angeordnet sind.

Der Vergasungsreaktor 1 weist in diesem Falle zwei Verga­ sungsbrenner 2 auf. In der Praxis kann die Zahl der Verga­ sungsbrenner 2 natürlich beliebig sein. Über die Leitungen 3 werden die Vergasungsbrenner 2 mit Brennstoff und über die Leitungen 4 mit Vergasungsmittel versorgt. Die Leitun­ gen 3 zweigen dabei vom Verteiler 5 ab, der seinerseits über die Einspeiseleitung 6 mit dem Zuteilbehälter 7 für den Brennstoff in Verbindung steht. In die Einspeiselei­ tung 6 sind die Meßsonden 8, 9 und 10 in unmittelbarer Nähe zueinander eingebaut. Durch die Meßsonde 8, die einen Cs 137-Strahler enthält, wird dabei die Förderdichte des Brennstoffstromes in der Einspeiseleitung 6 radiometrisch ermittelt. Die Meßsonde 9, die einen Am 241-Strahler ent­ hält, ermöglicht unter Verwendung des Referenzsignals der Meßsonde 8 die Bestimmung des Aschegehaltes im Brennstoff­ strom, die in der weiter oben beschriebenen Art und Weise durchgeführt wird. Die Meßsonde 10 dient schließlich der Ermittlung des Wassergehaltes durch die kapazitive Methode oder Mikrowellenverfahren in Verbindung mit der Dichtemes­ sung durch die Meßsonde 8. Die gefundenen Meßergebnisse werden von den Meßsonden 8 bis 10 auf den Prozeßrechner 11 übertragen, wo mit Hilfe bekannter Berechnungsmethoden der Asche- und Wassergehalt des Brennstoffes ermittelt wird. Gleichzeitig wird der Brennstoffmassenstrom durch das in der Leitung 3 installierte Meßgerät 12 ermittelt. Es sind somit alle Daten bekannt, die für die Ermittlung der tat­ sächlich vorhandenen brennbaren Substanz (asche- und was­ serfrei) erforderlich sind. Das ermittelte Ergebnis wird hierbei vom Prozeßrechner 11 auf den Regelkreis 13 über­ tragen, durch den die Vergasungsmittelzufuhr in der Lei­ tung 4 an den Sollwert von brennbarer Substanz und Verga­ sungsmittel angepaßt wird. Das Meßgerät 14 dient der Men­ genmessung der Vergasungsmittelzufuhr in der Leitung 4, wobei diese Menge durch das Regelventil 15 gesteuert wer­ den kann. Ein Regelventil 16 ist auch in der Leitung 3 installiert und bildet mit dem Meßgerät 12 den Regelkreis 17 für die Brennstoffzufuhr, so daß die erforderliche An­ passung an den Sollwert von brennbarer Substanz und Verga­ sungsmittel gegebenenfalls auch über eine Veränderung der Brennstoffzufuhr erfolgen kann. Selbstverständlich muß die vorstehend nur für einen Vergasungsbrenner 2 beschriebene Regelung auch für den zweiten und jeden weiteren Verga­ sungsbrenner des Vergasungsreaktors 1 gelten.

Die eindeutigen Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens liegen zum einen in einem minimierten Risiko einer Be­ triebsunterbrechung des Vergasungsreaktors durch ein un­ ausgeglichenes Verhältnis von Brennstoffstrom zu Verga­ sungsmittelstrom und zum anderen in den geringeren Be­ triebskosten, die durch die Optimierung dieses Verhältnis­ ses in jedem Augenblick des Betriebsablaufes bedingt sind.

Claims (5)

1. Verfahren zur Steuerung des Betriebsablaufes eines nach dem Flugstromverfahren arbeitenden Vergasungs­ reaktors zur Vergasung von feinzerteilten kohlen­ stoffhaltigen Brennstoffen, insbesondere feinkörniger bis staubförmiger Kohle, bei dem Brennstoff und Ver­ gasungsmittel in einem in Abhängigkeit von der Tempe­ ratur im Vergasungsreaktor eingestellten Mengenver­ hältnis dem Vergasungsreaktor zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig und kontinu­ ierlich der Asche- und Wassergehalt des Brennstoffes vor dessen Eintritt in den Vergasungsreaktor bestimmt wird und daß durch die Verarbeitung beider Meßwerte in einem Prozeßrechner das Verhältnis von Brennstoff zu Vergasungsmittel jeweils an die tatsächlich im Brennstoff vorhandene Menge an brennbarer Substanz angepaßt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Aschegehalt des Brennstoffes durch radiome­ trische Bestimmung ermittelt wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Wassergehalt des Brennstoffes durch das kapazitive Meßverfahren oder durch Mikro­ wellenverfahren ermittelt wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Asche- und Wassergehalt des Brennstoffes durch in unmittelbarer Nähe zueinander angeordnete Meßsonden bestimmt wird.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Bestimmung des Asche- und Wassergehaltes des Brennstoffes entweder in unmit­ telbarer Nähe des Vergasungsreaktors oder am Auslauf des Zuteilbehälters erfolgt.