DE4427860A1 - Generator zur Kohleverbrennung/Kohlevergasung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Generator zur Verbrennung oder Vergasung von Kohle, insbesondere Steinkohle nach dem Schwebeverfahren, bei dem die Kohle über die zugeführte Ver­ brennungsluft zugleich auch über oder auf einem Bett schwebend gehalten wird, mit einem schachtofenartigen, innen­ seitig mit einer feuerfestmaterial-Wandung versehenen Gehäu­ se, das ein Kohlebett, mit dem Kohlebunker verbundene Kohle­ verteiler, eine Ascheschleuse und einen Verbrennungsluftan­ schluß und Gasauslaß aufweist.

Derartige Generatoren werden seit längerer Zeit benutzt, um aus festen Brennstoffen Gas zu erzeugen oder auch um Kohle zu verbrennen. Bei Zufuhr von Luft oder Sauerstoff entsteht Generatorgas, bei Zumischung von Wasserdampf sogenanntes Was­ sergas. Diese Gase werden als Heizgas oder Synthesegas ver­ wendet und dem gewünschten Zweck durch Änderung der Mischungsverhältnisse dampf-, luft-, sauerstoffentsprechend eingestellt. Bei diesen bekannten Generatoren ist von Nach­ teil, daß sie eine weitgehende Aufbereitung insbesondere Zer­ kleinerung der Kohle erfordern, um unter Zufuhr von Verbren­ nungsluft oder Sauerstoff die notwendige Umwandlung bewerk­ stelligen zu können. Nachteilig ist außerdem, daß neben Staub auch Teer und andere ggf. sogar Schadstoffe enthaltende Ne­ benprodukte zusammen mit dem Rauchgas bzw. Gas ausgetragen werden. Eine aufwendige Aufbereitung dieses Gases ist damit erforderlich.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Koh­ leverbrennung/Kohlevergasung mit wenig vorab und auch nach­ geschaltetem Aufbereitungsaufwand zu schaffen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Verbrennungsluftanschluß bzw. Sauerstoffanschluß unterhalb des Kohlebettes angeordnet ist und in eine Lavaldüse über­ geht, wobei das Kohlebett ausgangsseitig der Lavaldüse und dieser entsprechend geformt positioniert und zwischen dieser und dem Kohlebett ein eine Vielzahl von Düsen bildender Rost ausgebildet ist.

Die nach dem Entwickler der einstufigen Gleichdruck­ dampfturbine mit axialer Einströmung benannte Lavaldüse zeichnet sich dadurch aus, daß die Verbrennungsluft bzw. der Sauerstoff auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt wird und damit einen besonders hohen Effektivitätsgrad erreicht. Durch die in der Brennzone des Kohlebettes herrschenden sehr hohen Temperaturen minimiert sich der Gasinhalt an Teer und phenolartigen sowie anderen Nebenprodukten erheblich, so daß eine nachfolgende Aufbereitung des Gases in aller Regel nicht mehr erforderlich ist. Die Wirkung der Lavaldüse wird durch die vom Rost gebildeten weiteren Düsen, vorzugsweise eben­ falls in Form einer Lavaldüse, so erhöht, daß auch die erfor­ derlichen hohen Temperaturen über die Laufzeit des Generators erhalten bleiben. Damit ist sichergestellt, daß die für die Reinheit des Gases erforderliche hohe Temperatur durchgängig vorhanden ist, sobald die volle Gasproduktion angelaufen ist. Es versteht sich, daß die Gasproduktion eine Anlaufzeit er­ fordert, in der der Generator schrittweise belastet wird. Die vorliegende Lösung zeichnet sich darüber hinaus dadurch aus, daß auf eine weitgehende Aufteilung bzw. Zerkleinerung der Kohle und hier wiederum insbesondere der Steinkohle verzich­ tet werden kann, weil über die hohen Temperaturen im Kohle­ bett eine Verbrennung bzw. Vergasung immer sichergestellt ist. Auf diese Weise wird nicht nur der Aufbereitungsaufwand für das entstandene Gas, sondern auch der für die Vorberei­ tung des Vergasungsprozesses bzw. Verbrennungsprozesses not­ wendige Aufbereitungsaufwand erheblich reduziert.

Nach einer zweckmäßigen Ausbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß das Gehäuse ausgangsseitig kegelstumpfartig geformt und in den trompetenförmigen Gasauslaß übergehend ausgebildet ist. Da der Steinkohlenstaub aufgrund des hohen Druckes am Gasauslaß nicht mit dem Gas mitgerissen werden kann, entfällt jeglicher Aufwand an Gasentstaubung. Der Staub fällt auf das Kohlebett zurück und wird über die Ascheschleu­ se mit ausgetragen, wobei allenfalls während der Anlaufzeit eine Gasentstaubung zwischengeschaltet werden muß.

Weiter vorne ist bereits darauf hingewiesen worden, daß eine Aufbereitung, d. h. insbesondere Zerkleinerung der Kohle nicht erforderlich ist, weil über die hohen Temperaturen im Kohlebett eine Reaktion in Richtung Gas auf jeden Fall sichergestellt ist. Damit ist für die Korngröße einzige Be­ schränkung der Durchmesser des Kohleverteilers bzw. die Lei­ stung des Kohleverteilers. Um hier einen möglichst großen Korndurchmesser verwenden zu können, sieht die Erfindung vor, daß der Kohleverteiler aus zwei oder mehreren Verteilerrohren besteht, die mittig auf das Kohlebett zuführend angeordnet sind. Die Kohle rutscht somit quasi so wie sie angeliefert wird, über die Verteilerrohre auf das Kohlebett, wo durch die von unten zuströmende Verbrennungsluft bzw. den Sauerstoff nicht nur eine den Verbrennungs- bzw. Vergasungsprozeß begün­ stigende hohe Temperatur erreicht wird, sondern auch der Schwebezustand des gesamten Kohlebettes. Dadurch daß die Ver­ teilerrohre mittig auf das Kohlebett zuführend angeordnet sind, bildet sich mittig eine Art Kegel und somit eine gleichmäßige Belastung, wobei die Asche nach unten durchfällt und über die Ascheschleuse ausgetragen wird.

Eine zweckmäßige Ausbildung bezüglich des Kohlebunkers und des Kohleverteilers sieht vor, daß der Kohlebunker unter Schutzgasdruck steht. Damit erübrigen sich Schleusen bzw. Schieber im Bereich der Verteilerrohre und die Kohle kann gleichmäßig und je nach Bedarf über die Verteilerrohre ausge­ tragen werden. Dabei wird innerhalb des Kohlebunkers bzw. des Kohleverteilers ein Druckausgleich gewährleistet, da der Koh­ lebunker bzw. der Kohleverteiler über ein Druckausgleichsrohr mit dem Generatorinnenraum verbunden ist.

Um die gewünschte Form der Lavaldüsen auch im Bereich des Rostes noch einmal zu erreichen, sieht die Erfindung vor, daß der zusätzliche Düsen bildende Rost von kreisrunden Roh­ ren oder Kugeln gebildet ist. Diese Rohre bzw. Kugeln sind im Abstand zu einander angeordnet, so daß zwischen ihnen die gewünschte düsenförmige Ausbildung gesichert ist. Die Ver­ brennungsluft bzw. der Sauerstoff wird somit auch im feinsten Bereich noch einmal beschleunigt und vor allem erfolgt auch noch eine Verteilung der Ströme, so daß über die gesamte Breite bzw. den gesamten Durchmessers des Kohlebettes eine gleichmäßige Beschickung mit beschleunigter Verbrennungsluft bzw. Verbrennungsgas gesichert ist.

Um eine möglichst günstig geformte Lavaldüse verwenden zu können, sind der Verbrennungsluftanschluß und damit der Eintritt der Lavaldüse im Bodenbereich und das Kohlebett und damit die Brennzone etwa mittig des Gehäuses angeordnet. Es ergibt sich somit eine relativ große Lavaldüse, die große Mengen an Verbrennungsluft bzw. Sauerstoff aufnehmen und so beschleunigen kann, daß der weiter vorne beschriebene optima­ le Vergasungs- bzw. Verbrennungsprozeß auch sicher und auf Dauer erreicht wird.

Die Leistung des Generators kann auf einfache und zweck­ mäßige Art geregelt werden, wobei hierzu die Steinkohlezufuhr über den Kohleverteiler und die Verbrennungsluftzufuhr über den Verbrennungsluftanschluß regelbar sind. Dadurch ist eine Dimensionierung des Generators für schwefelfreie Vergasung möglich, was den Vorteil hat, daß auch entsprechend belastete Steinkohlen zum Einsatz kommen können. So ist es beispiels­ weise möglich, durch Ausnutzung der Klassifizierungseigen­ schaft der Vergasungsmittelströmung die Temperatur des Kerns der Brennzone (der schwebenden glühenden Steinkohle) bei Niedrigtemperaturbetrieb (NT) kontrollieren und beispielswei­ se senken.

Aufgrund der Lavaldüse herrscht wie beschrieben inner­ halb des Kohlebettes eine hohe Temperatur und damit auch im gesamten Generatorinnenraum. Diesen Sachverhalt macht sich die Erfindung dadurch zunutze, daß im Generatorinnenraum oberhalb der Brennzone im Kohlebett ein oder mehrere Wärme­ tauscher angeordnet sind. Durch die Variation der Vergasungs­ mittelströmungsgeschwindigkeit kann der Abstand zwischen Brennzone und Wärmetauscher optimiert werden, bzw. kann die Brennzeit der einzelnen Steinkohlepartikel, daß ein optimaler Wärmeaustausch im Bereich des Wärmetauschers erreicht wird.

Aufgrund der hohen Temperatur ist ein optimaler Wärme­ austausch im Bereich der Decke des Generators gewährleistet, wobei das abströmende Rauchgas bzw. Gas möglichst wenig be­ einflußt wird, indem der Wärmetauscher in Strömungsrichtung des Rauchgases verlaufende Strömungskanäle aufweisend ausge­ bildet ist.

Die Erfindung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, daß ein Generator geschaffen ist, der eine optimale Kohlever­ brennung bzw. Kohlevergasung ermöglicht, indem im Kohlebett hohe Temperaturen vorgegeben und eingehalten werden. Aufgrund dieser hohen Temperaturen ist der Austrag an problematischen Nebenprodukten ausgesprochen gering bzw. er tritt überhaupt nicht auf. Darüber hinaus kann praktisch unvorbehandelte, d. h. nicht zerkleinerte Steinkohle eingesetzt werden und schließlich ist durch die Form des Generators sichergestellt, daß auch der beim Verbrennungsprozeß entstehende Staub nicht mit dem Gas zusammen ausgetragen wird. Damit ist ein insge­ samt entlasteter Vergasungs- bzw. Verbrennungsprozeß gewähr­ leistet und damit auch ein Prozeß mit höherer Effektivität und Leistung. Die komplexe Lavaldüse führt nicht nur zu einer Optimierung der Temperatur und der Verhältnisse im Kohlebett, sondern sie führt auch zu einer Verbesserung der Ascheabfuhr bei. Außerdem bewirkt sie eine Erhöhung der Vergasungsmittel­ strömungsgeschwindigkeit, was zur Einsparung von zugeführter Energie führt. Erreicht die Asche die Erweichungstemperatu­ ren, so wird ein Teil der Asche durch stufenweise Abfuhr durch die Ascheschleuse abgeleitet und dabei zur Vorwärmung des Vergasungsmittels bzw. der Verbrennungsluft ausgenutzt. Vorteilhaft ist weiter, daß ein derartiger Generator praktisch wartungsfrei betrieben werden kann.

Weitere Einzelheiten und Vorteile des Erfindungsgegen­ standes ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der zugehörigen Zeichnung, in der ein bevorzugtes Ausführungsbei­ spiel mit den dazu notwendigen Einzelheiten und Einzelteilen dargestellt ist. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Gene­ rators mit zugeordnetem Kohlebunker und Lavaldüse,

Fig. 2 eine Lavaldüse mit düsenförmigem Rost und

Fig. 3 eine Ansicht des Generators mit zusätzli­ chem Wärmetauscher.

Der Generator 1 ist in Fig. 1 nur schematisch wiederge­ geben, wobei deutlich wird, daß das Gehäuse 2 mit der Aus­ kleidung 3 die Form eines Schachtofens aufweist, wobei hier ein kreisrunder Querschnitt vorgesehen ist.

Oberhalb des Generators 1 ist ein Kohlebunker 5 vorgese­ hen, der bodenseitig in einen Kohleverteiler 6 mit hier zwei Verteilerrohren 7, 8 übergeht. Über diese Verteilerrohre 7, 8 des Kohleverteilers 6 rutscht die Kohle aus dem Kohlebunker 5 in den Generator 1 hinein und zwar wie weiter hinten noch erläutert wird genau mittig auf das Kohlebett 13.

Der Kohlebunker 5 ist mit einer Schutzgaszuleitung 9 versehen und bodenseitig außerdem über ein Druckausgleichs­ rohr 10 mit dem Generatorinnenraum 12 verbunden.

Weiter oben ist bereits erwähnt, daß die Verteilerrohre 7, 8 so angeordnet sind, daß sie die Kohle mittig des Kohle­ bettes 13 austragen. In Fig. 1 ist angedeutet, daß die Stein­ kohle 14 ein Kohlebett 13 bildet, das durch den Schwebezu­ stand aufgelockert ist und ungefähr die Form eines Kegels vorgibt.

Unterhalb des Kohlebettes 13 befindet sich eine großvo­ lumige Lavaldüse 15, die vom Verbrennungsluftanschluß 16 bis in Höhe des Rostes 17 reicht. Der Rost 17 seinerseits ist wieder so ausgebildet, daß zusätzliche lavalförmige Düsen 18, 19, 20 zwischen den einzelnen Elementen des Rostes 17 entste­ hen. Dadurch ergibt sich eine hohe Geschwindigkeit der Ver­ brennungsluft bzw. des Sauerstoffes im Bereich des Kohlebet­ tes 13 und damit hohe Temperaturen mit einem minimierten Gas­ inhalt an Teer und phenolhaltigen sowie sonstigen Nebenpro­ dukten.

Das entsprechend reine Gas wird über den kegelstumpfför­ migen Deckenbereich des Generators 1 dem Gasauslaß 22 zuge­ führt, wobei der Gasauslaß 22 genau im Mittelpunkt der Decke 23 angeordnet ist. Diese Form der Decke 23 führt zu einem erhöhten Druck im Bereich des Gasauslasses 22, so daß der bis hierhin mitgeführte Staub nicht ausgetragen wird, sondern vielmehr in den Generatorinnenraum 12 zurückfällt.

Der zurückfallende Staub, vor allem aber auch die mehr oder weniger flüssige Asche wird über die Ascheschleuse 24 im Bodenbereich 28 des Generators 1 ausgetragen.

Im Bodenbereich 28 des Generators 1 befindet sich wie schon erwähnt auch der Eintritt 27 der Lavaldüse 15, so daß sich die Möglichkeit ergibt eine entsprechend große Lavaldüse 15 zu verwirklichen, die bis zum etwa in der Mitte des Gene­ rators 1 angeordnete Kohlebett 13 bzw. den Rost 17 reicht.

Auf die besondere Ausbildung des Rostes 17 ist bereits weiter oben hingewiesen worden. Fig. 2 erläutert hierzu, daß der Rost 17 durch hier angeordnete Kugeln 25, 26 gleichen Durchmessers weitere lavaldüsenförmige Düsen entstehen, die zu einer gleichmäßigen Verteilung des Luftstromes durch das Kohlebett 13 beitragen. Dies ist durch die verschiedenen Pfeile oberhalb des Rostes 17 angedeutet.

Fig. 3 schließlich gibt eine Ausbildung des Generators 1 wieder, bei dem zusätzlich im kegelstumpfförmig ausgebildeten Deckenbereich oder mehrere Wärmetauscher 30 angeordnet sind. Diese Wärmetauscher weisen in Strömungsrichtung des Gases ausgebildete Strömungskanäle 31, 32 auf, um die ausströmenden Gase möglichst wenig zu behindern und um auch das Ansetzen von Staub u. ä. weitmöglichst zu reduzieren. Aufgrund der hohen Temperaturen, die im Inneren der Brennzone herrschen, gelangen Rauchgase bzw. Gase hoher Temperatur auch in den Bereich des Wärmetauschers 30 und führen damit zu einem opti­ malen Wirkungsgrad dieser Geräte bzw. des gesamten Generators 1.

Alle genannten Merkmale, auch die den Zeichnungen allein zu entnehmenden, werden allein und in Kombination als erfin­ dungswesentlich angesehen.

Claims (10)

1. Generator zur Verbrennung oder Vergasung von Kohle, insbesondere Steinkohle nach dem Schwebeverfahren, bei dem die Kohle über die zugeführte Verbrennungsluft zugleich auch über oder auf einem Bett schwebend gehalten wird, mit einem schachtofenartigen, innenseitig mit einer feuerfestma­ terial-Wandung versehenen Gehäuse, das ein Kohlebett, mit dem Kohlebunker verbundene Kohleverteiler, eine Ascheschleuse und einen Verbrennungsluftanschluß und Gasauslaß aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbrennungsluftanschluß (16) unterhalb des Kohlebet­ tes (13) angeordnet ist und in eine Lavaldüse (15) übergeht, wobei das Kohlebett ausgangsseitig der Lavaldüse und dieser entsprechend geformt positioniert und zwischen dieser und dem Kohlebett ein eine Vielzahl von Düsen (18, 19, 20) bildender Rost (17) ausgebildet ist.

2. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (2) ausgangsseitig kegelstumpfartig geformt und in den trompetenförmigen Gasauslaß (22) übergehend ausge­ bildet ist.

3. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohleverteiler (6) aus zwei oder mehreren Verteiler­ rohren (7, 8) besteht, die mittig auf das Kohlebett (13) zu­ führend angeordnet sind.

4. Generator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlebunker (5) unter Schutzgasdruck steht.

5. Generator nach Anspruch 3 und Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlebunker (5) über ein Druckausgleichsrohr (10) mit dem Generatorinnenraum (12) verbunden ist.

6. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zusätzliche Düsen (18, 19, 20) bildende Rost (17) von kreisrunden Rohren oder Kugeln (25, 26) gebildet ist.

7. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbrennungsluftanschluß (16) und damit der Eintritt (27) der Lavaldüse (15) im Bodenbereich (28) und das Kohle­ bett (13) und damit die Brennzone etwa mittig des Gehäuses (2) angeordnet sind.

8. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steinkohlezufuhr über den Kohleverteiler (6) und die Verbrennungsluftzufuhr über den Verbrennungsluftanschluß (16) regelbar sind.

9. Generator nach Anspruch 1 bis Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß im Generatorinnenraum (12) oberhalb der Brennzone im Koh­ lebett (13) ein oder mehrere Wärmetauscher (30) angeordnet sind.

10. Generator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (30) in Strömungsrichtung des Rauchga­ ses verlaufende Strömungskanäle (31, 32) aufweisend ausgebil­ det ist.