DE4115781C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Trocknung mit Abdampfnutzung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Trock­ nung von Produkten mit einem Wassergehalt von 5 bis 98 Masse-% wie Kohle, insbesondere Braunkohlen und Schlämme, mit einem indirekt be­ heizten Wirbelschichtbett, aus dem durch Wärmezufuhr entstandener Dampf und Wirbelmedium als Abdampf austreten und das mit einem Teil des Abdampfes nach dessen Reinigung, insbesondere Entstaubung, durch Rezirkulation fluidisiert wird und Abdampfnutzung, das ge­ eignet ist zur Anwendung in der Industrie, dem Bauwesen, der Land­ wirtschaft sowie der kommunalen Entsorgung.

Der Stand der Technik solcher Trocknungsverfahren und -vorrichtungen wurden von Weiss auf der Internationalen VGB-Konferenz "Wirbel­ schichtsysteme 1990" vom 14.-15. November 1990 in Essen vorge­ tragen. Ein Verfahren ist auch in der DE 39 43 366 A1 beschrieben.

Charakteristisch für diese Verfahren und Vorrichtungen ist, daß sie einen Abdampf erzeugen, der nach Reinigung stofflich und/oder ener­ getisch genutzt werden kann. Für die energetische Nutzung sind be­ kannt

• - die Kondensation des Abdampfes unter Abgabe von Nutzwärme an Dritte,
• - die Expansion des Abdampfes in einer Abdampfturbinenanlage zur Elektroenergieerzeugung mit nachgeschalteter Abdampfkondensations­ anlage, die den Abdampfturbinengegendruck auf dem erforder­ lichen bzw. möglichen Niveau hält und die nicht kondensierbaren Bestandteile des Abdampfes an die Umgebung oder eine spezielle Entsorgung abführt,
• - die Kompression des Abdampfes auf ein Druckniveau, das die Verwen­ dung des Abdampfes zur indirekten Beheizung des Wirbelschichtbettes des Trocknungsverfahrens selbst ermöglicht.

Das von Weiss u. a. beschriebene WTA-Verfahren sieht eine Variante mit Kompression von Abdampf zu Dampf für die Beheizung des Wirbel­ schichtbettes im Trocknungsverfahren vor, bei der das Heizdampf­ kondensat vor seiner eventuellen stofflichen Nutzung gekühlt wird, indem es unter Abgabe von Flash-Dampf an den Kompressor entspannt und danach zur indirekten Vorwärmung des zu trocknenden Gutes ein­ gesetzt wird.

Diese letztere Variante des Standes der Technik setzt einen konti­ nuierlichen und stabilen Betrieb der Trocknungsanlage voraus, da ihre vorteilhafte Nutzung weitgehend stabile Stoff- und Energie­ ströme voraussetzt, die nach vorliegenden praktischen Erfahrungen mit industriellen Anlagen dieser Art nicht gesichert werden können. Die thermische Nutzung des Abdampfes ist zwar technisch sicher, je­ doch zeigt die praktische Anwendung, daß in den wenigsten Fällen ausreichender Wärmebedarf vorhanden ist.

Die Komplettierung von Trocknungsanlagen mit Abdampfturbinenanlagen zur Elektroenergieerzeugung wird von den meisten Investoren im Ver­ gleich zum Ergebnis als zu aufwendig eingeschätzt, so daß auf eine energetische Abdampfnutzung meist verzichtet wird.

Das Ziel der Erfindung besteht in einer Abdampfnutzung im Trock­ nungsverfahren mit indirekt beheiztem Wirbelschichtbett selbst, die weitgehend unabhängig von stoffbedingten und technischen Störungen im Trocknungsprozeß wirksam verwendet werden kann und damit Umwelt­ belastungen vermeidet sowie die Betriebswirtschaft des Trocknungs­ prozesses deutlich verbessert.

Die technische Aufgabe der Erfindung besteht darin, das technische Arbeitsvermögen des Abdampfes sinnvoll zu nutzen für die Bereit­ stellung von technischer Arbeit, die zur Realisierung des Trocknungs­ prozesses selbst benötigt wird.

Die vorliegende Erfindung unterscheidet sich demgegenüber dadurch, daß die für die Rezirkulation erforderliche technische Arbeit für die Druckerhöhung um 5 bis 50 kPa ganz oder teilweise durch Expansion des Abdampfteilstromes der im Wirbelschichtbett durch indirekte Übertragung von Wärme, aus dem Wasseranteil des pastösen Produkts erzeugt wurde, und eine Arbeit von 95 bis 150 kPa enthält, unter Abgabe von technischer Arbeit auf weniger als 10 kPa mit Hilfe eines in diesem Druckbereich arbeitenden Kondensators bereit gestellt wird, und die Differenz zwischen der technischen Arbeit für die Druckerhöhung und der aus der Expansion des Abdampfes gewonnenen Arbeit durch Zu- und Abführung von technischer Arbeit ausgeglichen wird.

Schwankende Produktqualität, Betriebsstabilität und wechselnde Anforderungen an das aus dem Wirbelschichtbett ausgetragene Trockengut verschieben im praktischen Betrieb die Bilanz zwischen für die Rezirkulation notwendiger und aus der Abdampfexpansion gewinnbarer technischer Arbeit, die daher vorliegend durch Zu- oder Abführung von technischer Arbeit ausgeglichen wird.

Es wird weiterhin vorgeschlagen, die gekoppelte Abdampfexpansion und -kompression außerdem mit einem elektromagnetischen Generator zur Erzeugung von Elektroenergie zu koppeln, der erforderlichenfalls auch als elektromagnetischer Antrieb arbeiten kann, so daß dieser Prozeßstufe des Trocknungsverfahrens in notwendigem Maße über Elektroenergie technischer Arbeit zu- sowie technische Arbeit in Elektroenergie umgewandelt und abgeführt werden kann. Erfindungsgemäß kann das Verfahren auch mit motorgetriebener Verdichtung oder Abdampfexpansion ausgerüstet werden, die als Hilfsanlagen im Bypaß zum Abdampfhauptstrom und damit zur erfindungsgemäß gekoppelten Abdampfexpansion/Abdampfverdichtung angeordnet werden. Durch Zu- und Abschalten solcher Hilfsanlagen wird es möglich Lastschwankungen im Abdampfstrom, die nicht von der Turboanlage bewältigt werden, abzufangen.

Hat das Trocknungsverfahren Aufgaben zu erfüllen, für die in jedem Falle genügend technische Arbeit für die Abdampfrezirkulation durch Abdampfexpansion bereitgestellt werden kann, denn ist es erfindungs­ gemäß ausreichend die Bilanz zwischen Aufkommen und Bedarf an tech­ nischer Arbeit in dieser Prozeßstufe durch Anpassung des Abdampftur­ binengegendruckes mit Hilfe üblicher Kondensationstemperaturregu­ lierung zu sichern. Damit kann die technische Arbeit bei vollstän­ diger Kondensation des expandierten Abdampfes begrenzt und dem Bedarf an technischer Arbeit angepaßt werden. Die bekannten luftgekühlten Dampfkondensatoren können nicht in jedem Falle die notwendige Ab­ dampfkondensationstemperatur sichern. Erfindungsgemäß ist es deshalb, daß das aus Abdampfkondensation gewonnene Abdampfkondensat zur Ver­ dunstungskühlung im Abdampfkondensator selbst eingesetzt wird. Reicht eine Luftkühlung für die Abdampfkondensation, dann kann das Abdampf­ kondensat auch einer anderweitigen Nutzung zugeführt werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Realisierung des erfindungsge­ mäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß der gesamte aus dem indirekt beheizten Wirbelbett austretende Abdampf mit einem Massen­ strom von 50 bis 200 000 kg/h nach einer Reinigung, insbesondere Ent­ staubung, über eine wärmeisolierte Leitung, die auch als Kanal aus­ geführt sein kann, einer Turboanlage zugeführt wird, die wie bei Gasturbinenanlagen nach dem Turboladerprinzip arbeiten, bei denen auf einer Welle ein Abdampfkompressor und eine Niederdruckabdampf­ turbine angeordnet sind, wobei die Abdampfturbine dampfseitig mit einem Abdampfkondensator verbunden ist, der das notwendige Tem­ peraturniveau zur Sicherung des Abdampfturbinengegendruckes durch Luft- oder Verdunstungskühlung gewährleistet. In der erfindungsge­ mäßen Vorrichtung wird der zu rezirkulierende Abdampfmassenstrom verfahrensbedingt um 5 bis 50 kPa erhöht und der durch indirekte Wärmezufuhr im Wirbelschichtbett erzeugte Abdampfteilstrom vom Druckniveau des Trocknungsprozesses im Wirbelschichtbett, das üb­ licherweise zwischen 95 und 150 kPa liegt, auf unter 10 kPa ent­ spannt.

Es ist weiterhin erfindungsgemäß, die nach dem Turboladersystem arbeitende Turboanlage direkt oder mit Hilfe eines Getriebes mit einem elektromagnetischen Generator zur Umwandlung von technischer Arbeit in Elektroenergie zu koppeln, der alternativ auch Elektro­ energie in technische Arbeit umwandeln und an die Turboanlage ab­ geben kann, so wie sie vom Prinzip her als Dynamo-Start-Anlagen bekannt sind oder in Pumpspeicherwerken verwendet werden.

Ausführungsbeispiel

Das erfindungsgemäße Verfahren soll nachfolgend am Beispiel der Schlamm- und Rohbraunkohletrocknung beschrieben werden. Zur Sicherstellung quantitativer Aussagen werden folgende Kenn­ ziffern festgelegt:

Die aus dem Wirbelschichtbett pro Stunde austretenden 3100 bis 4325 kg Abdampf werden auf technisch bekannte Art gereinigt und danach erfindungsgemäß einer Abdampfturboanlage, bestehend aus Ab­ dampfturboverdichter, Abdampfexpansionsturbine mit Abdampfkonden­ sator und gegebenenfalls elektromagnetischem Generator, der wahl­ weise als Elektromotor oder Stromerzeuger arbeiten kann, zugeführt. Der Teilstrom des Abdampfes, der der erforderlichen Wirbeldampfmenge entspricht, in diesem Beispiel 3200 oder 1600 kg/h, wird von der Ab­ dampfturboanlage im Druck von 105 auf 125 kPa erhöht. Die dafür er­ forderliche technische Arbeit beträgt 0,015 KWh/kg Abdampf. Durch die Kompression steigt die Abdampftemperatur von 105 auf annähernd 130°C, so daß der Wirbeldampf mit einem Druck von 125 kPa und einer Temperatur von 130°C als Fluidisierungsmedium vor dem indirekt be­ heizten Wirbelschichtbett zur Verfügung steht.

Der Leistungsbedarf der Abdampfturboanlage beträgt somit beim Ein­ satz von Schlamm 93 und bei Rohbraunkohle 46,5 KW. Die Differenz zwischen Abdampf- und Wirbeldampfmenge entspricht der im Wirbel­ schichtbett durch indirekte Wärmeübertragung verdampften Einsatz­ gutfeuchte mit einem Massenstrom von 1125 kg/h bei Schlamm und 1500 kg/h bei Rohbraunkohle. Dieser Teil der Abdampfmenge wird er­ findungsgemäß in der Abdampfturboanlage auf einen Gegendruck von 6 kPa, der von einem Kondensator des Standes der Technik gesichert wird, unter Abgabe von technischer Arbeit entspannt. Das spezifi­ sche technische Arbeitsvermögen des Abdampfes beträgt unter diesen Bedingungen 0,075 kWh/kg, so daß die Abdampfturboanlage bei Schlamm­ trocknung eine technische Leistung von 84 KW und bei Kohletrocknung von 112,5 KW erreicht, d. h. die Abdampfturboanlage hat im Fall der Schlammtrocknung ein Leistungsdefizit von 9 KW und im Falle der Rohbraunkohletrocknung einen Leistungsüberschuß von 66 KW. Die Leistungsdifferenzen werden zum Beispiel ausgeglichen durch eine mit dem Abdampfturbolader direkt gekoppelte elektromagnetische Vor­ richtung, die wahlweise als elektrischer Antrieb oder Motor arbeiten kann, so wie sie z. B. als Dynamo-Start-Anlagen bekannt sind. In der zur Abdampfexpansion gehörenden Abdampfkondensation fallen entsprechend vorgegebener Spezifikation theoretisch maximal 1125 und 1500 kg Abdampfkondensat an. Bedingt durch die notwendige Kon­ densatorentgasung wird im technischen Betrieb mit einem Abdampf­ kondensatanfall von 1050 bis 1425 kg/h gerechnet. Dieses Abdampf­ kondensat kann für die Abdampfkondensation in einer Verdunstungs­ kühlung als Kühlmedium verwendet werden.

Mit Hilfe der Fig. 1 wird nachfolgend die erfindungsgemäße Vor­ richtung, zu der der Trockner (1) mit indirekt beheiztem Wirbel­ schichtbett (2), Produkteintrag (3), Trockengutaustrag (4) und Wirbeldampfkammer (5) mit Wirbelschichtboden (6) sowie der Abdampf­ reiniger (7), Abdampfturboanlage (8) mit Turboverdichter (9), Ab­ dampfturbine (10) und elektromagnetischer Generator (11) aber auch der Abdampfkondensator (12), mit Kondensatorkühler (13) und Konden­ satorentlüftung (14) und die diese Anlagenteile verbindenden Rohr­ leitungen und Armaturen gehören, beschrieben.

Während des Betriebes der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird über den Produkteintrag (3) das zu trocknende Produkt dosiert in den Trockner (1) eingetragen. Die Verdampfung der Produktfeuchte erfolgt durch Wärmezufuhr zum indirekt beheizten Wirbelschichtbett (2). Das getrocknete Gut wird über den Trockengutaustrag (4) aus dem Wirbel­ schichtbett (2) geregelt ausgetragen. Das im Wirbelschichtbett (2) befindliche Gut wird durch einen Teilstrom des Abdampfes, der re­ zirkuliert wird, fluidisiert. Die für die Rezirkulation erforder­ liche Druckerhöhung erfolgt mit Hilfe des Turbokompressors (9), der von der Abdampfturbine (10) angetrieben wird. Kompressor (9) und Turbine (10) erhalten den für ihren Betrieb erforderlichen Abdampf über die Abdampfentstaubungsanlage (7) aus dem Wirbelschichtbett (2). Die mögliche Leistungsdifferenz zwischen dem Kompressor (9) und der Turbine (10) wird durch den angekoppelten elektromagne­ tischen Generator ausgeglichen indem dieser Elektroenergie abgibt oder zugeführte Elektroenergie in technische Arbeit umwandelt und der Turboanlage (8) zuführt.

Nach Verrichtung technischer Arbeit wird der Abdampf aus Turbine (10) zum Kondensator (12) gefahren und dort kondensiert. Die da­ durch anfallende Kondensationswärme wird über den Kühler (13) und die nicht kondensierbaren Bestandteile über die Entlüftung (14) an dia Umgebung abgeführt.

Claims (7)

1. Verfahren zur Trocknung von rieselfähigen und pastösen Produkten mit einem Wasseranteil von 5 bis 98 Masse-%, wie Kohlen, insbesondere Braunkohlen und Schlämme, mit einem indirekt beheizten Wirbelschichtbett, aus dem durch Wärmezufuhr entstandener Dampf und Wirbelmedium als Abdampf austreten und das mit einem Teil des Abdampfes, nach dessen Reinigung, insbesondere Entstaubung, durch Rezirkulation fluidisiert wird und Abdampfnutzung, dadurch gekennzeichnet, daß die für die Rezirkulation erforderliche technische Arbeit für die Druckerhöhung um 5 bis 50 kPa ganz oder teilweise durch Expansion des Abdampfteilstromes der im Wirbelschichtbett durch indirekte Übertragung von Wärme, aus dem Wasseranteil des pastösen Produkts erzeugt wurde, und eine Arbeit von 95 bis 150 kPa enthält, unter Abgabe von technischer Arbeit auf weniger als 10 kPa mit Hilfe eines in diesem Druckbereich arbeitenden Kondensators bereitgestellt wird, und die Differenz zwischen der technischen Arbeit für die Druckerhöhung und der aus der Expansion des Abdampfes gewonnenen Arbeit durch Zu- und Abführung von technischer Arbeit ausgeglichen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die technische Arbeit aus der Expansion begrenzt wird auf den Bedarf an technischer Arbeit für die Druckerhöhung durch Anhebung des Gegendruckes in der Abdampfkondensation.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nur soviel Abdampf unter Abgabe von technischer Arbeit auf einen Druck kleiner 10 kPa expandiert wird wie für die Rezirkulation des Wirbelmediums erforderlich ist, während für die Expansion nicht benötigter Abdampf einer anderen Verwendung zugeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das nach der Expansion durch Kondensation anfallende Abdampfkondensat durch Verdunstung zur Abführung der Abdampfkondensationswärme genutzt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensationswärme durch Luftkühlung abgeführt und das Abdampfkondensat einer anderweitigen Nutzung zugeführt wird.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte aus dem indirekt beheizten Wirbelschichtbett austretende Abdampfmenge nach Durchlaufen einer Anlage zur Abdampfreinigung, insbesondere Entstaubung, über eine wärmeisolierte Leitung einer Turboanlage zugeführt wird, die nach dem Prinzip bekannter Turbolader arbeiten, bei denen auf einer Welle ein Abdampfturbokompressor und eine Niederdruckabdampfturbine angeordnet sind, wobei die Niederdruckabdampfturbine dampfseitig mit einem Abdampfkondensator verbunden ist, der das notwendige Temperaturniveau zur Sicherung des Abdampfturbinengegendruckes durch Luft- oder Verdunstungskühlung sichert.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Turboanlage direkt oder über ein Getriebe mit einem elektromagnetischen Generator gekoppelt ist, der überschüssige technische Arbeit der Turboanlage in Elektroenergie umwandelt oder zugeführte Elektroenergie in technische Arbeit umwandelt und diese an die Turboanlage überträgt.