EP2822694B1 - Zentrifugalabscheider - Google Patents

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EP2822694B1
EP2822694B1 EP13705995.2A EP13705995A EP2822694B1 EP 2822694 B1 EP2822694 B1 EP 2822694B1 EP 13705995 A EP13705995 A EP 13705995A EP 2822694 B1 EP2822694 B1 EP 2822694B1
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EP
European Patent Office
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centrifugal separator
flow
channel
immersion tube
inlet
Prior art date
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EP13705995.2A
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Ralf Abraham
Dobrin Toporov
Domenico Pavone
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Gidara Energy BV
Original Assignee
Gidara Energy BV
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B04—CENTRIFUGAL APPARATUS OR MACHINES FOR CARRYING-OUT PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES
    • B04C—APPARATUS USING FREE VORTEX FLOW, e.g. CYCLONES
    • B04C5/00—Apparatus in which the axial direction of the vortex is reversed
    • B04C5/02—Construction of inlets by which the vortex flow is generated, e.g. tangential admission, the fluid flow being forced to follow a downward path by spirally wound bulkheads, or with slightly downwardly-directed tangential admission
    • B04C5/04—Tangential inlets
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B04—CENTRIFUGAL APPARATUS OR MACHINES FOR CARRYING-OUT PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES
    • B04C—APPARATUS USING FREE VORTEX FLOW, e.g. CYCLONES
    • B04C11/00—Accessories, e.g. safety or control devices, not otherwise provided for, e.g. regulators, valves in inlet or overflow ducting
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B04—CENTRIFUGAL APPARATUS OR MACHINES FOR CARRYING-OUT PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES
    • B04C—APPARATUS USING FREE VORTEX FLOW, e.g. CYCLONES
    • B04C5/00—Apparatus in which the axial direction of the vortex is reversed
    • B04C5/12—Construction of the overflow ducting, e.g. diffusing or spiral exits
    • B04C5/13—Construction of the overflow ducting, e.g. diffusing or spiral exits formed as a vortex finder and extending into the vortex chamber; Discharge from vortex finder otherwise than at the top of the cyclone; Devices for controlling the overflow
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10J—PRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J3/00—Production of combustible gases containing carbon monoxide from solid carbonaceous fuels
    • C10J3/46—Gasification of granular or pulverulent flues in suspension
    • C10J3/54—Gasification of granular or pulverulent fuels by the Winkler technique, i.e. by fluidisation
    • C10J3/56—Apparatus; Plants
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10J—PRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J3/00—Production of combustible gases containing carbon monoxide from solid carbonaceous fuels
    • C10J3/72—Other features
    • C10J3/82—Gas withdrawal means
    • C10J3/84—Gas withdrawal means with means for removing dust or tar from the gas
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10J—PRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J2300/00—Details of gasification processes
    • C10J2300/09—Details of the feed, e.g. feeding of spent catalyst, inert gas or halogens
    • C10J2300/0913—Carbonaceous raw material
    • C10J2300/0946—Waste, e.g. MSW, tires, glass, tar sand, peat, paper, lignite, oil shale

Definitions

  • the invention is directed to a centrifugal separator according to the preamble of claim 1.
  • Centrifugal separators are known in very different designs.
  • the DE 103 46 692 A1 a droplet separator, which in the transition to the funnel area has swirl blades on the outer edge of the immersion tube ending there in order to achieve a rotation of the incoming gas flow in the funnel.
  • Cyclones that can be switched on and off are shown, for example, by the DE 102 05 981 A1 while the DE 195 16 817 C1 shows a cyclone with additional elements such as a spray electrode.
  • centrifugal separator is also known with a tubular outer jacket, with a diffuser attached to its inlet side and with an immersion tube located in its longitudinal axis.
  • a deflecting shield widening in the direction of the end of the immersion tube is arranged on the immersion tube coaxially with the latter.
  • High-temperature gasifiers were developed to improve the use of lignite, for example, by means of a fluidized-bed gasification process using a so-called high-temperature Winkler gasifier HTW as a further development of the Winkler coal gasification, which originally worked at ambient pressure.
  • the main advantages are the better use of raw materials, the considerably larger gasifier capacity for large-scale plants and the avoidance of the formation of by-products.
  • the object of which is to significantly increase the degree of separation of a centrifugal separator, in particular of a return cyclone in a high-temperature gasifier.
  • a method for optimizing a centrifugal separator, in particular a recirculation cyclone in a high-temperature gasifier, is also described, with a local increase in the centrifugal force being carried out by means of built-ins on the immersion tube of the centrifugal separator.
  • a variant of the optimization option consists in that a mechanical grain enlargement of the particles to be separated is carried out by connecting an agglomerator upstream in the inlet area of the centrifugal separator.
  • An agglomerator influences the particle size by increasing the collision rate between large and small particles in the entry area of the cyclone, which significantly improves the degree of separation.
  • agglomeration devices are known, see for example the DE 198 15 976 A1 .
  • variable cross-section change it is achieved that the design speed of the cyclone can always be kept constant.
  • the invention provides a centrifugal separator which is characterized in that a flow guide element which narrows the flow channel of the centrifugal separator is provided on the immersion tube.
  • a flow guide element which narrows the flow channel of the centrifugal separator is provided on the immersion tube.
  • Such a narrowing flow element is, as the invention provides, designed as a bowl-shaped guide plate.
  • the invention also provides that the eccentric, shell-shaped baffle is arranged approximately opposite the gas inlet on the outer area of the immersion tube, the baffle being drawn to below the lower edge of the gas inlet channel and then extending to the lower end of the immersion tube Tapered tube shape again.
  • the position of the baffle can also vary depending on the design of the centrifugal separator.
  • an agglomerator is provided at the inlet of the centrifugal separator according to the invention, the agglomerator being of a plurality of tubular ones penetrating the flow channel
  • Flow disruptive elements is formed. These tubular flow disruptive elements can be built into the flow channel horizontally, vertically or at an angle.
  • the invention also provides in a further embodiment that the inlet flow channel is equipped with a movable wall surface that changes the channel cross-section or with a ceramic slide plate, which may include configurations that the horizontally or vertically movable wall surface is designed as a slide or as a wall element curved in the transition area to the centrifuge.
  • a system of high-temperature Winkler gasification is shown in simplified form with a gasifier 1 to which the feed material is fed via storage container 2.
  • the bottom product is discharged at 3, for example by means of a screw conveyor 4.
  • the gas acts on a centrifugal separator 5, the solid particles being fed back into the gasifier 1 via the line 6; the gas is discharged via a line 7 for further processing.
  • Fig. 2 shows the feeding of the mixture of solids and gases (arrow 8) into the centrifugal separator 5, the mixture flowing around the immersion tube 9.
  • the immersion tube 9 has a flow guide element 10, which is welded onto the immersion tube 9 as a curved guide plate or is fastened there in some other way.
  • the guide plate 10 designated in its lower area with 10a, tapers in such a way that the original cross-sectional area of the flow channel is reached again at the end of the immersion tube 9.
  • the cleaned gas leaves the centrifugal separator 5 via the pipe 7, which is indicated by an arrow 11.
  • the solid particles leave the separator in a downward direction, which is indicated by an arrow 12.
  • tubular flow disruptive elements 15 installed in the inlet connection 14 of the centrifugal separator 5, which can be positioned not only horizontally, as shown here, but also vertically or diagonally in the inlet channel 14.
  • FIG. 4 The cross-section of the inlet channel 14 into the centrifugal separator 5 can be achieved by a locking element that can be raised or lowered or a ceramic slide plate 16 can be changed. This movement is indicated by a double arrow 17.
  • Fig. 5 a variant is shown in order to be able to change the cross section of the inlet channel 14 of the centrifugal separator 5, namely by means of a raised and lowered base plate, e.g. also designed as a ceramic plate, which is denoted by 18; the possibility of movement is indicated by a double arrow 19.
  • a raised and lowered base plate e.g. also designed as a ceramic plate, which is denoted by 18; the possibility of movement is indicated by a double arrow 19.
  • the ceramic plate here denoted by 20, can be pivoted vertically to change the cross section, which is indicated by a double arrow 21.
  • FIG. 7 There is also the possibility of reducing the cross section in the inlet area to the centrifugal separator 5 by means of a plate 22 adapted to the curved wall of the separator; the movement is indicated by a double arrow 23.
  • the individual measures can also be carried out in combination, for example at the same time a cross-sectional narrowing of the inlet channel 14 by means of corresponding ceramic plates 18, 20 or 22 in connection with an agglomerator 13 and a flow guide plate 10, 10a, in order to indicate only one possible variation .

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Description

  • Die Erfindung richtet sich auf einen Zentrifugalabscheider gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Zentrifugalabscheider sind in sehr unterschiedlichen Gestaltungen bekannt. So zeigt beispielsweise die DE 103 46 692 A1 einen Tropfenabscheider, der im Übergang zum Trichterbereich außenrandseitig am dort endenden Tauchrohr Drallschaufeln aufweist, um im Trichter eine Rotation des eintretenden Gasstromes zu erreichen. Zu- und abschaltbare Zyklone zeigt beispielsweise die DE 102 05 981 A1 , während die DE 195 16 817 C1 einen Zyklon mit zusätzlichen Elementen, wie beispielsweise eine Sprühelektrode, zeigt.
  • Aus der DE 32 30 280 A1 ist ferner ein Zentrifugalabscheider mit einem rohrförmigen Außenmantel, mit einem an dessen Einlaufseite angebrachten Leitapparat und mit einem in seiner Längsachse liegenden Tauchrohr bekannt. Am Tauchrohr ist koaxial zu diesem ein sich in Richtung des Tauchrohrendes erweiternder Abweisschirm angeordnet.
  • Hochtemperaturvergaser wurden entwickelt, um mittels eines Wirbelschichtvergasungsprozesses die Nutzung beispielsweise von Braunkohle zu verbessern unter Nutzung eines sogenannten Hochtemperatur-Winkler-Vergasers HTW als Weiterentwicklung der ursprünglich bei Umgebungsdruck arbeitenden Winkler-Kohlevergasung. Die Vorteile liegen im Wesentlichen in der besseren Rohstoffnutzung, der erheblich größeren Vergaserkapazität für Großanlagen und in der Vermeidung der Bildung von Nebenprodukten.
  • Nachteilig bei dieser Verfahrensweise ist u.a., dass die Abscheideeffizienz des Rückführzyklons nicht besonders ausgeprägt ist, was zur Folge hat, dass man kostenintensive Warmgasfilter hinter dem Zyklon und Rohgaskühler schalten muss. Erschwerend kommt noch hinzu, dass sich im Warmgasfilter abgeschiedenem Staub noch hohe Mengen an Kohlenstoff befindet. Dieser Staub kann somit nicht deponiert werden, sondern muss entweder zum Vergaser über Leitungen und Schnecken zurückgeführt werden oder mit hohem Aufwand in einem separaten Kessel mittels Hilfsbrennstoff verbrannt werden.
  • Hier setzt die Erfindung ein, deren Aufgabe darin besteht, den Abscheidungsgrad eines Zentrifugalabscheiders, insbesondere eines Rückführzyklons bei einem Hochtemperaturvergaser, deutlich zu erhöhen.
  • Gelöst wird die Aufgabe durch einem Zentrifugalabscheider mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Eine alternative Lösung wird durch einen Zentrifugalabscheider mit den Merkmalen des Patentanspruchs 2 bereitgestellt.
  • Beschrieben wird ferner ein Verfahren zur Optimierung eines Zentrifugalabscheiders, insbesondere eines Rückführzyklons bei einem Hochtemperaturvergaser, wobei durch Einbauten am Tauchrohr des Zentrifugalabscheiders eine lokale Erhöhung der Zentrifugalkraft vorgenommen wird.
  • Zur Erhöhung der Abscheideleistung eines Zyklons ist schon vorgeschlagen worden, das Tauchrohr in den "Totwasserbereich" zu verschieben, d.h. das Tauchrohr wird exzentrisch im Zyklon eingebaut. Eine solche Maßnahme ist nur bei Neubauten der Zyklone wirtschaftlich sinnvoll. Eine Nachrüstung und damit nachträgliche Optimierung ist damit wirtschaftlich nicht erreichbar. Die Einbauten am Tauchrohr lassen sich demgegenüber problemlos auch nachrüsten.
  • Eine Variante der Optimierungsmöglichkeit besteht darin, dass durch eine Vorschaltung eines Agglomerators im Eintrittsbereich des Zentrifugalabscheiders eine mechanische Kornvergrößerung der abzuscheidenden Partikel vorgenommen wird. Durch einen Agglomerator wird Einfluss auf die Partikelgröße genommen, indem eine Erhöhung der Kollisionsrate zwischen großen und kleinen Partikeln im Eintrittsbereich des Zyklons erreicht wird, was den Abscheidungsgrad deutlich verbessert. Grundsätzlich sind Agglomationsvorrichtungen bekannt, siehe dazu beispielsweise die DE 198 15 976 A1 .
  • Da Zyklone nur in eng begrenzten Betriebszuständen optimal arbeiten, beispielsweise beträgt bei Stäuben eine optimale tangentiale Eintrittsgeschwindigkeit in den Zyklon 10 m/s, ist die Leistungsfähigkeit bei Lastwechseln Schwankungen unterworfen. Hier greift bei der Optimierung eines derartigen Zyklons das beschriebene Verfahren durch Querschnittsveränderung am Zentrifugalabscheidereintritt ein, wobei diese Querschnittsveränderung in sehr unterschiedlicher Weise erfolgen kann, wie weiter unten angegeben.
  • Mit der variablen Querschnittsveränderung wird erreicht, dass die Auslegungsgeschwindigkeit des Zyklons immer konstant gehalten werden kann.
  • In Ausgestaltung ist vorgesehen, dass mehrere der oben genannten Verfahrensschritte gleichzeitig vorgenommen werden.
  • Zur Lösung der gestellten Aufgabe sieht die Erfindung einen Zentrifugalabscheider vor, der sich dadurch auszeichnet, dass am Tauchrohr ein den Strömungskanal des Zentrifugalabscheiders verengendes Strömungsleitelement vorgesehen ist. Ein solches verengendes Strömungselement ist, wie dies die Erfindung vorsieht, als schalenförmiges Leitblech ausgebildet.
  • Um eine besonders optimale Strömung zu erreichen, ist dabei nach der Erfindung auch vorgesehen, dass am Außenbereich des Tauchrohres das exzentrische, schalenförmige Leitblech dem Gaseintritt etwa gegenüberliegend angeordnet ist, wobei das Leitblech bis unterhalb der Unterkante des Gaseintrittskanales gezogen und sich dann zum unteren Tauchrohrende der Rohrform verjüngend wieder angleicht. Die Position des Leitbleches kann je nach Auslegung des Zentrifugalabscheiders auch variieren.
  • Um eine mechanische Kornvergrößerung der Partikel zu erreichen, ist ein Agglomerator am Eintritt des Zentrifugalabscheiders erfindungsgemäß vorgesehen, der von einer Mehrzahl den Strömungskanal durchsetzenden rohrförmigen
  • Strömungsstörelementen gebildet ist. Diese rohrförmigen Strömungsstörelemente können horizontal, vertikal oder im Winkel in den Strömungskanal eingebaut sein.
  • Um, wie oben schon angegeben, die Auslegungsgeschwindigkeit des Zentrifugalabscheiders auch bei Lastwechseln konstant halten zu können, sieht die Erfindung in weiterer Ausgestaltung auch vor, dass der Eintrittströmungskanal mit einer den Kanalquerschnitt verändernden beweglichen Wandfläche oder einer keramischen Schieberplatte ausgerüstet ist, wobei Ausgestaltungen darin bestehen können, dass die horizontal oder vertikal bewegliche Wandfläche als Schieber oder als im Übergangsbereich zur Zentrifuge gekrümmtes Wandelement ausgebildet ist.
  • Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aufgrund der nachfolgenden Beschreibung sowie anhand der Zeichnung. Diese zeigt in
    • Fig. 1
    eine vereinfachte Darstellung eines Hochtemperatur-Winkler-Vergasers sowie in den
    Fig. 2 bis 7
    vereinfachte Darstellungen eines Zentrifugalabscheiders mit unterschiedlichen strömungsverändernden Einbauten.
  • In Fig. 1 ist vereinfacht ein System einer Hochtemperatur-Winkler-Vergasung dargestellt mit einem Vergaser 1, dem über Vorlagebehälter 2 das Einsatzmaterial zugeführt wird. Das Bodenprodukt wird bei 3 ausgetragen, z.B. mittels einer Förderschnecke 4. Das Gas beaufschlagt einen Zentrifugalabscheider 5, wobei die Feststoffpartikel über die Leitung 6 wieder zurück in den Vergaser 1 geleitet werden, das Gas wird zur weiteren Bearbeitung über eine Leitung 7 abgeführt.
  • In den Fig. 2 bis 7 sind Varianten der Einflussnahme auf die Strömung im Zentrifugalabscheider 5 dargestellt:
  • Fig. 2 zeigt die Zuführung des Gemisches aus Feststoffen und Gasen (Pfeil 8) in den Zentrifugalabscheider 5, wobei das Gemisch das Tauchrohr 9 umströmt.
  • Zur Beschleunigung der Strömung weist das Tauchrohr 9 ein Strömungsleitelement 10 auf, das als gekrümmtes Leitblech auf das Tauchrohr 9 aufgeschweißt ist oder in anderer Weise dort befestigt ist. Wie sich aus Fig. 2 ergibt, verjüngt sich das Leitblech 10, in seinem unteren Bereich mit 10a bezeichnet, derart, dass am Ende des Tauchrohres 9 die ursprüngliche Querschnittsfläche des Strömungskanales wieder erreicht ist. Das gereinigte Gas verlässt den Zentrifugalabscheider 5 über das Rohr 7, was durch einen Pfeil 11 angedeutet ist. Die Feststoffpartikel verlassen den Abscheider nach unten, was durch einen Pfeil 12 angedeutet ist.
  • Die Position des Leitbleches 10 mit Verjüngung 10a ist in Fig. 2 zur besseren Darstellung an der vorgesehenen Stelle wiedergegeben. Diese muss nicht der echten Einbauposition entsprechen.
  • In den folgenden Figuren sind alle baugleichen Elemente mit dem gleichen Bezugszeichen bezeichnet ebenso die Pfeile.
  • Im Unterschied zu Fig. 2 sind bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 3 zur Bildung eines Agglomerators, allgemein mit 13 bezeichnet, im Eingangsstutzen 14 des Zentrifugalabscheiders 5 rohrförmige Strömungsstörelemente 15 eingebaut, die nicht nur, wie hier dargestellt, horizontal, sondern auch vertikal oder diagonal im Einlaufkanal 14 positioniert sein können.
  • Im Ausführungsbeispiel der Fig. 4 kann der Querschnitt des Eintrittskanales 14 in den Zentrifugalabscheider 5 durch ein anhebbares bzw. senkbares Sperrelement bzw. eine keramische Schieberplatte 16 verändert werden. Diese Bewegung ist mit einem Doppelpfeil 17 angedeutet.
  • In Fig. 5 ist eine Variante dargestellt, um den Querschnitt des Eintrittskanales 14 des Zentrifugalabscheiders 5 verändern zu können, nämlich durch eine heb- und senkbare Bodenplatte, z.B. ebenfalls als keramische Platte ausgebildet, die mit 18 bezeichnet ist, die Bewegungsmöglichkeit wird durch einen Doppelpfeil 19 angedeutet.
  • In Fig. 6 ist die keramische Platte, hier mit 20 bezeichnet, zur Querschnittsveränderung vertikal verschwenkbar, was mit einem Doppelpfeil 21 angedeutet ist.
  • Schließlich zeigt Fig. 7 noch die Möglichkeit der Querschnittsverringerung im Einlaufbereich zum Zentrifugalabscheider 5 durch eine dem gekrümmten Wandverlauf des Abscheiders angepasste Platte 22, die Bewegung ist durch einen Doppelpfeil 23 angedeutet.
  • Wie weiter oben schon angegeben, können die einzelnen Maßnahmen auch in Kombination vorgenommen werden, etwa gleichzeitig eine Querschnittsverengung des Eintrittskanales 14 durch entsprechende keramische Platten 18, 20 oder 22 in Verbindung mit einem Agglomerator 13 und einem Strömungsleitblech 10, 10a, um nur eine Variationsmöglichkeit anzugeben.
    • Bezugszeichenliste:
    • 1
    Vergaser
    2
    Vorlagebehälter
    3
    Bodenproduktaustrag
    4
    Förderschnecke
    5
    Zentrifugalabscheider
    6, 7
    Leitung
    8, 11, 12
    Pfeil
    9
    Tauchrohr
    10, 10a
    Strömungsleitblech
    13
    Agglomerator
    14
    Eintrittskanal
    15
    Strömungsstörelemente
    16
    keramische Schieberplatte
    17, 19,21, 23
    Doppelpfeil
    18, 20, 22
    keramische Platte

Claims (5)

  1. Zentrifugalabscheider mit einem Tauchrohr (9) und einem Eintrittskanal (14),
    dadurch gekennzeichnet,
    dass am Außenbereich des Tauchrohrs (9) ein als exzentrisches, schalenförmiges Leitblech (10) ausgebildetes, einen Strömungskanal des Zentrifugalabscheiders (5) verengendes Strömungsleitelement vorgesehen ist, welches dem Gaseintritt etwa gegenüberliegend angeordnet ist, wobei das Leitblech (10) bis unterhalb einer Unterkante des Eintrittskanals (14) gezogen ist und sich dann zum unteren Tauchrohrende der Rohrform verjüngend wieder angleicht.
  2. Zentrifugalabscheider nach Anspruch 1 oder nach dem Oberbegriff von Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass an dem Eintrittskanal (14) des Zentrifugalabscheiders (5) ein Agglomerator (13) von einer Mehrzahl den Strömungskanal durchsetzenden rohrförmigen Strömungsstörelementen (15) gebildet ist.
  3. Zentrifugalabscheider nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Strömungsstörelemente (15) horizontal, vertikal oder im Winkel in den Strömungskanal eingebaut sind.
  4. Zentrifugalabscheider nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Eintrittskanal (14) mit einer den Kanalquerschnitt verändernden beweglichen Wandfläche oder einer keramischen Schieberplatte (16) ausgerüstet ist.
  5. Zentrifugalabscheider nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Wandfläche (16, 18, 20) horizontal oder vertikal beweglich ist und, dass die Wandfläche (16, 18, 20) als Schieber oder als im Übergangsbereich zur Zentrifuge gekrümmtes Wandelement (22) ausgebildet ist.
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