DE4434447A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Reduzierung des Wassergehaltes von kohlenstoffhaltigen Feststoffmaterialien - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Reduzierung des Wassergehaltes von kohlenstoffhaltigen Feststoffmaterialien

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Reduzierung des Wassergehaltes von kohlenstoffhaltigen Feststoffmaterialien insbesondere wasserhaltiger Rohbraunkohle, unter Einwirkung von thermischer Energie und Druck auf das Material.
Rohbraunkohlen weisen einen Wassergehalt von bis zu 65 Gew.-% auf. Bei der Verbrennung dieser Braunkohle in Kraftwerken muß ein erheblicher Anteil der eingesetzten Kohle entweder direkt oder die adäquate Wärmemenge aus den Verbrennungsgasen zur Verdampfung des Wassers aufgewendet werden. Dieser Anteil kann je nach Wassergehalt bis zu 22% betragen.
Dieser Energieverlust läßt sich verringern, wenn der Wassergehalt der Rohbraunkohle vor der Verbrennung in einem effizienten Trocknungs- oder Entwässerungsverfahren gesenkt wird. Zusätzlich verringert sich durch den vorgeschalteten Trocknungsschritt die Größe der im Kraftwerk installierten Kessel sowie der nachgeschalteten Anlagenteile. Für die Verstromung von Rohbraunkohle mit hoher Feuchte läßt sich der Gesamtwirkungsgrad des Kraftwerks­ prozesses durch die Vorschaltung eines energetisch günstigen Verfahrens zur Entfernung des Wassers deutlich verbessern.
Für die Reduzierung des Wassergehaltes von Braunkohle sind Verfahren und Vorrichtungen bekannt, die in den Artikeln "Braunkohle 39 (1987) Heft 3, S. 46/57" und "Braunkohle 39 (1987) Heft 4, S. 78/87" und in den darin als Quelle angegebenen Patentschriften beschrieben werden. Als wesentliche Verfahren zur Entfernung von Wasser aus Rohbraun­ kohle werden hier die thermische Trocknung und die thermische Entwässerung genannt.
Schwierigkeiten beim Einsatz der bekannten Verfahren zur Entfernung von Wasser aus Rohbraunkohle in Großkraftwerken bestehen im allgemeinen darin, daß durch den benötigten Braunkohledurchsatz der apparative Aufwand und/oder der Energieverbrauch sehr groß wird.
Bei den Verfahren zur Entfernung von Wasser aus Braunkohle haben insbesondere die Verfahren zur thermischen Entwässerung, in denen das Wasser im flüssigen Zustand bei erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur aus der Braunkohle ausgetrieben wird, trotz geringerem spezifischen Energieverbrauch im Vergleich zur thermischen Trocknung bisher kaum kommerzielle Erfolge erzielt. Die Probleme dieser Verfahren bestehen insbesondere darin, daß bei einer kontinuierlichen Entwässerung Druckschleusen oder Rotationsventile bzw. Slurry-Hochdruckpumpen für den Ein- und Austrag des Einsatzmaterials bzw. des Produktes eingesetzt werden müssen. Desweiteren muß bei nahezu allen bekannten Entwässerungsverfahren die Sattdampftemperatur des zur Aufheizung des Einsatzmaterials benötigten Dampfes dem hohen Prozeßdruck entsprechen.
Aufgabe des erfindungsgemäßen Entwässerungsverfahrens ist es, die bei den bekannten Verfahren auftretenden Nachteile durch eine vorteilhafte Ausgestaltung der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu vermeiden.
Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die Merkmale des Haupt-Patentanspruchs 1. Durch die Merkmale der Unteransprüche 2 bis 4 werden die Prozeßbedingungen und die Verfahrens­ abschnitte aufgeführt. Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist gemäß den Merkmalen der Patentansprüche 5 bis 7 ausgestaltet.
Mit dem thermisch/mechanischen Entwässerungsverfahren gemäß der Erfindung gelingt es, Rohbraunkohle mit geringem Aufwand an thermischer und mechanischer Energie kontinuier­ lich in erforderlichem Maße zu entwässern. Der hohe Flächendruck auf das Kohlebeet von geringer Dicke bewirkt durch das Ablaufen physikalischer und chemischer Vorgänge bei einstellbaren Prozeßtemperaturen das Austreten des Kohlewassers aus den Kapillaren in flüssiger Form. Damit wird im Vergleich zu den thermischen Trocknungsverfahren die Enthalpie zur Verdampfung des Kohlewassers eingespart.
Ein wesentlicher Vorteil des Verfahrens und der Vorrichtung besteht darin, daß im Vergleich zu den bekannten Verfahren keine Druckschleusen, Ventile oder Slurry-Hochdruckpumpen zur kontinuierlichen Ein- und Austragung des Einsatzmaterials und der Produkte aus der Entwässerungsanlage notwendig sind. Damit entfallen die Elemente, die eine Störquelle darstellen können und die einen kontinuierlichen Betrieb der Entwässerung erschweren. Die Sattdampftemperatur des eingedüsten Wasserdampfes kann durch die vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens unter der Sattdampftemperatur des maximalen Flächen­ druckes liegen. Desweiteren ist der Feststoffgehalt des Abwassers sowie das Verhältnis des CSB-Wertes zum BSB₅-Wert im Vergleich zu den in der Literatur angegebenen Werten aufgrund der Filterwirkung der Kohleschicht geringer.
Die allgemeinen Anforderungen an einen großtechnischen Trocknungsprozeß wie geringe Investitionskosten, geringer Platzbedarf, eine kontinuierliche Fahrweise, hohe Betriebs- und Anlagensicherheit, Umweltverträglichkeit, geringer Handhabungsaufwand und ein möglichst geringer Energieverbrauch werden von dem neuen Verfahren und der Vorrichtung zur Reduzierung des Wassergehaltes kohlenstoffhaltiger Feststoffmaterialien erfüllt.
Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel erläutert. Bei der praktischen Ausführung der erfindungsgemäßen Reduzierung des Wassergehaltes von Braunkohle wird diese je nach Wassergehalt der Rohbraunkohle und der gewünschten Entwässerungsleistung auf eine bestimmte Teilchengröße vorgebrochen und in den Kohlebunker 1 eingeleitet. Im Kohlebunker 1 können Dampf- bzw. Heißwasserzuführleitungen eingebaut werden, die eine Vorwärmung der Kohle ermöglichen. Die vorgebrochene Rohbraunkohle wird aus dem Kohlebunker 1 beetmäßig auf das Förderband 2, durch das die Kohle vorwärts transportiert wird, verteilt. Über dem Förderband 2 bewegt sich ein Druckband 3 in Laufrichtung vorwärts, dessen Geschwindigkeit mit der des Förderbandes 2 nahezu übereinstimmt. Der Abstand zwischen Förderband 2 und Druckband 3 wird in Laufrichtung geringer und ermöglicht damit die Druckerhöhung auf das Kohlebeet 4. Das Druckband 3 ist je nach Durchsatzmenge und Wassergehalt des Einsatzmaterials im gesamten Verlauf des Bandes über kraftübertragende Elemente 5 höhenverstellbar mit dem Förderband 2 verbunden. Zwischen Förderband 2 und Druckband 3 sind-eine Vielzahl von in das sich bewegende Kohlebeet 4 hineinragende Dampfzuführlanzen 6 angeordnet, deren Dampfaustrittsöffnungen in einem Verfahrens­ abschnitt enden, in dem der Druck auf die Kohle unter dem maximalen Flächendruck im Verlauf des Verfahrens liegt. Der aus den Dampfzuführlanzen 6 austretende Wasserdampf gibt seine Wärme an die Kohle ab und kondensiert dabei. Durch die Vielzahl der in der Länge verschiedenen und in der Höhe verschieden angeordneten Zuführleitungen 6 wird eine relativ gleichmäßige Erwärmung des Kohlebeetes 4 gewährleistet.
Diese Wärmeeinwirkung bei gleichzeitig fortschreitender Druckerhöhung im Verlauf des Verfahrens hat die nachstehenden chemischen und physikalischen Vorgänge zur Folge, bei denen sich die kolloidale Struktur der Braunkohle sowie die Wassereigenschaften ändern:
Physikalische Vorgänge:
  • - gleichmäßige Durchwärmung des Kohlekorns
  • - Zusammenbruch der Kapillarstruktur gekoppelt mit:
  • - Volumenschwund der in den plastischen Zustand versetzten Braunkohle
  • - Verfestigung des Kohlegefüges
  • - Auspressen des Wassers aus den Kapillaren in flüssiger Form begünstigt durch:
  • - Expansion des Kohlewassers bei gleichzeitiger Herabsetzung der Viskosität
  • - Druckeinfluß des freigesetzten CO₂
  • - Änderung der Oberflächeneigenschaften (hydrophil ∫ hydrophob) als Folge der ablaufenden chemischen Vorgänge
  • - Auswaschen der Ascheanteile
Chemische Vorgänge:
  • - Abbau von sauerstoffhaltigen funktionellen Gruppen unter Freisetzung von CO₂
  • - Einsetzen des thermischen Abbaus der Braunkohle unter Freisetzung von CO, CH₄ und höheren Kohlenwasserstoffen
Die Entwässerung der Braunkohle wird im wesentlichen durch die folgenden Einflußgrößen bestimmt:
  • - Durchsatzmenge bzw. Schichthöhe
  • - Kornspektrum der Einsatzbraunkohle
  • - Wassergehalt der Einsatzbraunkohle
  • - Druck
  • - Temperatur
  • - Verweilzeit
Je nach Durchsatzmenge, Kornspektrum und Wassergehalt der Einsatzbraunkohle können die Parameter Druck und Temperatur über das höhenverstellbare Druckband 3 sowie über den Dampfdruck bzw. die Temperatur des zugeführten Heizdampfes eingestellt werden.
Im Verlauf des ersten Verfahrensabschnittes wird das Kohlebeet 4 von oben über das Druckband 3 mittels stetig steigender, mechanisch aufgeprägter Kräfte unter Druck gesetzt. Nach Erreichen einer festzulegenden maximalen Flächenbelastung tritt das verfestigte Kohlebeet 4 in den darauffolgenden Verfahrensabschnitt ein, in dem der von dem oberen Band 3 ausgeübte Druck konstant gehalten oder nur leicht variiert wird. Die Druck­ einwirkung hat in Zusammenhang mit der erhöhten Temperatur zur Folge, daß freies und freigesetztes Wasser aus dem Kohlebeet 4 ausgepreßt und über Wasserablaufsegmente 7 am Förderband 2 und wahlweise zusätzlich am Druckband 3 in einer oder mehreren Stufen abgezogen werden kann. Das aus den Wasserablaufvorrichtungen 7 austretende heiße Wasser bzw. ein Teilstrom dieses Abwassers kann zur Vorheizung der Rohbraunkohle verwendet werden.
Die am Ende der Vorrichtung austretende bis zu einem bestimmten Feuchtegehalt entwässerte Kohleschicht kann mit Hilfe einer Einrichtung in Stücke mit vorgegebener Größe geteilt und auf einem weiterführenden Förderband über eine bestimmte Wegstrecke zu Schüsselmühlen transportiert werden, in denen die Kohle auf die in der Verbrennung oder Vergasung benötigte Korngröße gebrochen wird. Auf dieser Wegstrecke wird die Kohle beim Abkühlvorgang durch Verdampfen eines Teils des Restwassergehaltes nachentwässert.
Aufgrund des relativ geringen Anlagenaufwandes eignet sich das beschriebene Verfahren insbesondere für den Einsatz in Braunkohle gefeuerten Großkraftwerken. Desweiteren wird durch eine Anwendung des Verfahrens an der Stelle des Braunkohleabbaus je nach Verhältnis des Feuchtegehaltes der Trockenkohle zur Rohbraunkohle der massenbezogene Heizwert erhöht und damit ein wirtschaftlicherer Transport der Braunkohle ermöglicht.
Bezugszeichenliste
1. Kohlebunker
2. Förderband
3. Druckband
4. Kohlebeet
5. kraftübertragende Elemente
6. Dampfzuführlanzen -
7. Wasserablaufsegmente

Claims (7)

1. Verfahren zur Reduzierung des Wassergehaltes von kohlenstoffhaltigen Feststoff­ materialien, insbesondere wasserhaltiger Rohbraunkohle, unter Einwirkung von thermischer Energie und Druck auf das Material, dadurch gekennzeichnet, daß das Feststoffmaterial
  • a) beetmäßig flächig verteilt, daß
  • b) die thermische Energie durch Wasserdampf zugeführt und daß
  • c) der aufgeheizte Einsatzstoffflächenhaft, mittels mechanisch aufgeprägter Kräfte druckbelastet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Druckbelastung auf das Feststoffmaterial im Verlauf des Entwässerungsverfahrens ändert.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächenbe­ lastung zu Beginn der Entwässerung stetig bis zu einem Druck von mindestens 20 kg/cm² erhöht wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der über die Dampfzuführlanzen (6) eingedüste Wasserdampf überhitzt ist.
5. Vorrichtung Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1-4, gekennzeichnet durch
  • a) mindestens ein druckbelastbares Förderband (2) mit Wasserablaufsegmenten (7),
  • b) eine Vielzahl von Dampfzuführlanzen (6), die im Kohlebeet (4) liegen und deren Austrittsöffnungen in dem Verfahrensabschnitt enden, in dem der Druck auf die Kohle unter der maximalen Flächenbelastung im Verlauf des Verfahrens liegt, sowie
  • c) mindestens ein über dem Kohlebeet laufendes Druckband (3).
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Abzug des ausge­ preßten Wassers über die im Förderband und wahlweise zusätzlich im Druckband ange­ ordneten Wasserablaufsegmente (7) erfolgt und in einen oder mehrere Bereiche geteilt ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck auf das Kohlebeet (4) über das obere höhenverstellbare Druckband (3) mittels kraftübertragender Elemente (5) aufgeprägt wird und je nach Durchsatzmenge und Wassergehalt des Einsatzmaterials bzw. des Produktes variierbar ist.
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