EP3390818B1 - Membranpumpe mit staubansaugung von unten - Google Patents

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EP3390818B1
EP3390818B1 EP16822973.0A EP16822973A EP3390818B1 EP 3390818 B1 EP3390818 B1 EP 3390818B1 EP 16822973 A EP16822973 A EP 16822973A EP 3390818 B1 EP3390818 B1 EP 3390818B1
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EP
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dust
pressure
diaphragm pump
diaphragm
hydraulic
Prior art date
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EP16822973.0A
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EP3390818A1 (de
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Frank Hannemann
Thomas Metz
Sebastian RAHM
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Dipl Ing Ernst Schmitz & Co KG Maschinen U GmbH
Original Assignee
Dipl Ing Ernst Schmitz & Co KG Maschinen und Apparatebau GmbH
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Publication date
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    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B45/00—Pumps or pumping installations having flexible working members and specially adapted for elastic fluids
    • F04B45/04—Pumps or pumping installations having flexible working members and specially adapted for elastic fluids having plate-like flexible members, e.g. diaphragms
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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    • F04B43/06—Pumps having fluid drive
    • F04B43/067—Pumps having fluid drive the fluid being actuated directly by a piston

Definitions

  • the invention relates to a diaphragm pump for the pneumatic high-pressure delivery of 1 to 10 MPa of fluidized dusts and a method for operating such a diaphragm pump.
  • screw conveyors with slight bulk material compression and subsequent gas injection are used in practice for pneumatic bulk material conveyance, see DD000000081606A1 , DE000003035745A1 , DE000000656009A , DE000000650988A , DE000000615779A , DE000000596565A , DE000000568999A , DE000000551066A , DE000000485635A , DE000000449676A , DE000000427455A .
  • cellular wheels are used instead of screws, see DE102009016191B4 , DE102009016191A1 .
  • dust pumps are used industrially for low pressures, today only lock processes are industrially established for high pressure processes in the order of 1 to 10 MPa, see DE 10 2005 047 583 B4 , DD 147 188 A3 , DE102008052673A1 .
  • dust pumps for high pressure applications are also being developed, the following processes being known: For high-pressure applications in the order of 1 to 10 MPa, dust pumps based on the principle of the extrusion press are known.
  • the bulk material is mechanically as in an extrusion press in a tapered channel to form a briquette, thereby forming a high pressure barrier from the channel and briquette, which is necessary for sealing between the high and low pressure parts, see US000008851406B2 , US020100021247A1
  • the disadvantage here is the high wear due to the high friction forces that occur, as well as the problem that the mechanical properties of the bulk material are changed significantly by this process, since the bulk material is present in briquette-like bulk material agglomerations after the pump. Particularly for consumers such as dust combustion or dust gasification, it is then necessary to re-grind under pressure, which represents a problem that has not yet been solved.
  • the piston pump principle is also known for high-pressure applications.
  • Known designs are in DE000001008201A , DE000001175653A , DE000002722931A1 , DE102008009679A1 described.
  • the main disadvantage here is the high, previously unresolved wear on the dry-running piston rings. This problem can be solved by using membranes as in DE102011007066A1 shown to be solved.
  • due to the gravity-driven filling - as with all other known dust pumps and lock systems relatively large cross sections and dimensions are required.
  • the document CH 466 134 discloses a hydraulically operated dust pump which has spring-loaded valves.
  • the membrane is arranged vertically.
  • the invention is based on the problem of specifying a pump head for the pneumatic high-pressure delivery of fluidized bulk material and a method for operating the pump head, in which the bulk material is kept in a loosened, fluidized state over the entire pumping process.
  • the filling is carried out by pneumatic suction, the bulk material being kept in a loosened, flowable state throughout the entire pumping process and dust compaction being avoided in a targeted manner.
  • a highly compact and therefore economical construction is achieved.
  • Pneumatic suction has several decisive advantages over known dust pump systems:
  • the cross section of the suction line 17 and thus the size of the inlet valve 8 and the connection to the pump head are significantly smaller compared to gravity-driven filling, which means that the pump head can be designed accordingly smaller.
  • the filling can take place from below into the dust chamber.
  • This has the advantage that the design of the pump head in the area of the diaphragm and in the hydraulic area is simplified, since no dust passage from above is required, which would otherwise be the case when filled by gravity.
  • this arrangement makes it possible to constructively realize a very large loosening area 4, which is necessary to avoid dust densification and short cycle times.
  • the in Fig. 3 The pressure intensifier shown and thus also the separation of the hydraulic system into a primary hydraulic system 15 - between pressure intensifier and hydraulic unit - and a secondary hydraulic system 16 - between membrane 3 and pressure intensifier 13 - offer the following advantages:
  • the pressure of the hydraulic unit can be selected independently of the process pressure, which means that inexpensive standard Hydraulic units can be used instead of custom-made products. Since the pressure of the hydraulic unit (20-30 MPa) is generally much higher than the required process pressure in the dust system (1-10 MPa), the volume flows in the hydraulic unit and thus the costs of the hydraulic unit are significantly lower than if the hydraulic unit were designed for the process pressure of the dust system.
  • the pressure ratio (primary pressure / secondary pressure) is usually around 2-30.
  • Another advantage of the entire process is that the high-pressure gas requirement compared to that in DE102011007066A1 described system is further reduced, because on the one hand the dead volume to be relaxed after the discharge can be made even smaller due to the smaller pipe cross-sections and on the other hand the previously supplied covering gas is also used for the pneumatic conveying during discharge.
  • the membrane is mechanically guided by one or more pistons but also guide rods 10, as a result of which undesired deformations of the membrane are avoided.
  • a position measurement of the diaphragm 3 is given via the position of the piston or the guide rod 10 relative to the housing 9.
  • the dust pump according to the invention and the method carried out with it are suitable for fine-grained bulk goods or dusts which can be loosened and fluidized by adding gas, such as coal dust, and are particularly aimed at supplying pressure-charged coal dust gasifiers with dry coal dust feed.
  • the process pressures are of the order of 1 to 10 MPa. In principle, the method can also be used for all other processes where fluidizable dusts are to be pumped dry to high pressure.
  • a pressure-bearing housing 9 which hermetically separates the dust chamber 1 from the hydraulic chamber 2.
  • the membrane is guided centrally over a guide rod 10 and moved down or up by adding or removing hydraulic fluid via the connecting line 6. Dust is sucked into the dust chamber via the inlet valve 8 and conveyed out of the dust chamber via the outlet valve 7. For loosening, loosening and relaxation, gas is added or removed via the connecting lines 5 and the gas-permeable loosening surfaces 4.
  • Fig. 2 the pump cycle is shown using four process steps A) to D).
  • step A liquid is withdrawn from the hydraulic chamber, which pulls the membrane upwards and creates a vacuum in the dust chamber. As a result, dust is sucked out of the storage bunker 11. It is assumed that the dust in the feed bunker is in a fluidized state due to the addition of gas. During the pneumatic conveying into the dust chamber 1 by deflecting the membrane 3, a negative pressure is generated in the dust chamber 1, which supports the conveyance.
  • step B) by closing the inlet fitting 8 and adding gas via the gas connections 5, the dust space is stretched to the pressure caused by the pressure of the consumer 20 plus the pneumatic delivery pressure loss between the pump head 14 and the consumer (approx 0.1 to 1 MPa) is given.
  • step C the outlet fitting 7 is opened for conveying and the dust is conveyed out via the gas connections 5 with the addition of gas.
  • the volume of the dust chamber is reduced by adding hydraulic fluid via the hydraulic connection 6 into the hydraulic chamber, by means of the membrane 3.
  • step D the structurally unavoidable residual volume of the dust chamber is relaxed and the pump cycle begins with step A from the beginning.
  • the pressure in the dust chamber 1 is approximately 0.01 to 0.08 MPa below the pressure in the storage container 11 (differential pressure).
  • the negative pressure is generated in the dust chamber 1 by applying negative pressure via the gas connection 5.
  • the delivery differential pressure is generated by means of a vacuum pump.
  • the negative pressure applied via the gas connection (5) is equal to the amount after the differential pressure or is as large as the differential pressure.
  • a single pump head 14 operates batchwise, as shown in FIG FIG 3 shown, several pump heads connected to a dust pump system, wherein a continuous dust flow can be achieved. At least 2 pump heads are arranged for this. Depending on the required throughput and availability requirements, any number of pump heads can be interconnected. If a plurality of n pump heads are arranged, they can be operated out of phase with one another by 2n / n of the pump cycle. In addition to the advantage of continuous dust delivery, the hydraulic unit can be dimensioned smaller for a given throughput than would be the case with discontinuous operation. With this configuration, the effects on the pressure regime of the consumer 20 are also reduced.
  • An entrained-flow gasifier is supplied with coal dust at 100 t / h at 5 MPa gasification pressure.
  • the pressure loss between the dust pump and the carburetor is 1 MPa, which means that the delivery pressure is 6 MPa.
  • the cycle time of a pump head is 20 s, which results in a required volume of the dust chamber of 0.15 m 3 and the suction volume flow of 270 m 3 / h.
  • the hydraulic unit works at an operating pressure of 30 MPa and with a volume flow of 54 m 3 / h. Since gas is still added during stringing and discharge, the pressure flow volume flow corresponds to 300 m 3 / h.
  • the fittings namely the outlet valve 7 and the inlet valve 8, are given a wear-resistant design.
  • the dust space 1 is covered or expanded with gas via a large-area, gas-permeable loosening surface 4 which is tight for the dusty bulk material.
  • a large, gas-permeable loosening surface 4 is integrated at the bottom of the dust chamber 1, through which the inlets and outlets of the dust to be conveyed pass.
  • the loosening area in relation to the inner surface of the dust space is chosen to be large if possible (at least 30% of the inner surface of the dust space), which results in lower gas velocities in the bulk material and compression of the bulk material is avoided.
  • the pressure in the dust space is approximately 0.1 to 1 MPa above the pressure of the receiving container but also the metering vessel 20.
  • the hydraulic system is divided into primary and secondary hydraulics, the primary hydraulics being connected to the diaphragm 3 and being driven by the secondary hydraulics via a pressure booster.
  • the pressure ratio (primary pressure / secondary pressure) may be approximately 2 to 30.
  • the primary and Secondary hydraulics can be operated with different hydraulic fluids.
  • the pressure intensifier can be designed as a pressure intensifier piston.
  • the pressure intensifier can be designed to be resettable by a return spring, the return spring being able to be designed as a mechanical spring or as a pneumatic gas pressure spring.
  • At least two pump heads are combined to form a system, the pressure delivery lines 18 of which are brought together 19, which enables uninterrupted bulk material delivery.
  • a suction conveyor line 17 branches out of the supply bunker 11 and branches onto several pump heads.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Membranpumpe zur pneumatischen Hochdruckförderung von 1 bis 10 MPa fluidisierter Stäube und ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Membranpumpe.
  • Für Niederdruckanwendungen im Bereich von ca. 0,1 bis 0,2 bar Druckerhöhung werden in der Praxis Förderschnecken mit leichter Schüttgutkomprimierung und anschließender Gasinjektion zur pneumatischen Schüttgutförderung eingesetzt, s. DD000000081606A1 , DE000003035745A1 , DE000000656009A , DE000000650988A , DE000000615779A , DE000000596565A , DE000000568999A , DE000000551066A , DE000000485635A , DE000000449676A , DE000000427455A . Für etwas höhere Drücke bis ca. 0,3 MPa werden statt Schnecken Zellenräder verwendet, s. DE102009016191B4 , DE102009016191A1 . Werden mehrere Staubpumpen in Reihe geschaltet können entsprechend höhere Drücke erreicht werden, was jedoch für Hochdruckanwendungen mit einem sehr großen apparativen Aufwand verbunden ist, s. DE102008049542B4 , DE102008049542A1 , DE102008007033A1 , WO002010037601A1 , WO002009095290A3 , WO002009095290A2 . Neben diesem Funktionsprinzip der Schneckenförderer und Zellenräder werden auch Staubpumpen nach dem Prinzip der Druckluftmembranpumpen eingesetzt, wobei auch hier nur geringe Drücke möglich sind DE 3909800 A1 .
    Während für niedrige Drücke Staubpumpen industriell eingesetzt werden, sind für Hochdruckprozesse in der Größenordnung von 1 bis 10 MPa heute nur Schleusenprozesse industriell etabliert, s. DE 10 2005 047 583 B4 , DD 147 188 A3 , DE102008052673A1 . Um die Investitions- und Betriebskosten solcher Schleusensysteme zu reduzieren, werden auch Staubpumpen für Hochdruckanwendungen entwickelt, wobei folgende Verfahren bekannt sind:
    Für Hochdruckanwendungen in der Größenordnung von 1 bis 10 MPa sind Staubpumpen basierend auf dem Prinzip der Strangpresse bekannt. Hierbei wird das Schüttgut mechanisch wie in einer Strangpresse in einem sich verjüngenden Kanal zu einem Brikett verdichtet und dadurch eine hohe Druckbarriere aus Kanal und Brikett gebildet, was zur Abdichtung zwischen Hoch- und Niederdruckteil erforderlich ist, siehe US000008851406B2 , US020100021247A1 Nachteilig hierbei ist der hohe Verschleiß aufgrund der hohen auftretenden Reibungskräfte als auch die Problematik, dass die mechanischen Schüttguteigenschaften durch diesen Vorgang stark verändert werden, da das Schüttgut nach der Pumpe in brikettähnlichen Schüttgut-agglomerationen vorliegt. Insbesondere für Verbraucher wie die Staubverbrennung oder Staubvergasung ist dann unter Druck eine erneute Aufmahlung erforderlich, was ein bisher ungelöstes Problem darstellt.
    Neben dem Prinzip der Strangpresse ist für Hochdruckanwendungen auch das Kolbenpumpenprinzip bekannt. Hierzu bekannte Ausführungen sind in DE000001008201A , DE000001175653A , DE000002722931A1 , DE102008009679A1 beschrieben. Wesentlicher Nachteil hierbei ist der hohe, bisher ungelöste Verschleiß an den trocken laufenden Kolbenringen. Dieses Problem kann durch die Verwendung von Membranen wie in DE102011007066A1 dargestellt gelöst werden.
    Hierbei sind jedoch aufgrund des schwerkraftgetriebenen Befüllens - wie auch bei allen anderen bekannten Staubpumpen und Schleusensystemen - relativ große Querschnitte und Abmessungen erforderlich.
  • Das Dokument US 6 447 216 offenbart eine hydraulisch betriebene Staubpumpe.
  • Das Dokument CH 466 134 offenbart eine hydraulisch betriebene Staubpumpe, welche federkraftbeaufschlagte Ventile aufweist. Die Membran ist vertikal angeordnet.
  • Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen Pumpenkopf zur pneumatischen Hochdruckförderung von fluidisiertem Schüttgut und ein Verfahren zum Betrieb des Pumpenkopfes anzugeben, bei denen das Schüttgut über den gesamten Pumpvorgang hinweg in einem aufgelockerten, fluidisierten Zustand gehalten wird.
  • Das Problem wird durch eine Membranpumpe zur pneumatischen Hochdruckförderung von fluidisierten Stäuben mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Membranpumpe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 gelöst.
  • Bei der erfindungsgemäßen Staubpumpe erfolgt die Befüllung durch pneumatisches Ansaugen, wobei das Schüttgut über den gesamten Pumpvorgang hinweg in einem aufgelockerten, fließfähigen Zustand gehalten wird und Staubverdichtungen gezielt vermieden werden. Dabei wird eine in hohem Maße kompakte und damit wirtschaftliche Bauweise erzielt.
  • Das pneumatische Ansaugen hat mehrere entscheidende Vorteile gegenüber bekannten Staubpumpensystemen: Der Querschnitt der Saugleitung 17 und damit die Größe des Einlassventils 8 und der Anschluss am Pumpenkopf fällt im Vergleich zu einer schwerkraftgetriebenen Befüllung wesentlich kleiner aus, wodurch der Pumpenkopf entsprechend kleiner ausgelegt werden kann. Des Weiteren kann die Befüllung von unten in den Staubraum hinein erfolgen. Das hat den Vorteil, dass die Konstruktion des Pumpenkopfes im Bereich der Membran und im Hydraulikbereich vereinfacht ist, da keine Staubdurchführung von oben benötigt wird, was sonst bei Befüllung durch Schwerkraft der Fall wäre. Des Weiteren ist es möglich, die Staubpumpe neben, anstatt unterhalb des Vorlagebunkers 11 zu platzieren, was wiederum Bauhöhe einspart und die Wirtschaftlichkeit solcher Anlagen erhöht. Schließlich ist es durch diese Anordnung möglich, eine sehr große Auflockerungsfläche 4 konstruktiv zu realisieren, was für die Vermeidung von Staubverdichtungen und kurze Zykluszeiten erforderlich ist.
  • Der in Fig 3 dargestellte Druckübersetzer und damit auch die Trennung des Hydrauliksystems in eine Primärhydraulik 15 - zwischen Druckübersetzer und Hydraulikaggregat - und eine Sekundärhydraulik 16 - zwischen Membran 3 und Druckübersetzer 13 - bieten folgende Vorteile: Der Druck des Hydraulikaggregates kann unabhängig vom Prozessdruck gewählt werden, wodurch kostengünstige Standard-Hydraulikaggregate anstelle von Spezialanfertigungen verwendet werden können. Da in der Regel der Druck des Hydraulikaggregates (20-30 MPa) wesentlich höher als der geforderte Prozessdruck im Staubsystem (1-10 MPa) liegt, sind die Volumenströme im Hydraulikaggregat und damit die Kosten des Hydraulikaggregates deutlich geringer, als würde das Hydraulikaggregat auf den Prozessdruck des Staubsystems ausgelegt werden. Das Druckübersetzungsverhältnis (Primärdruck/Sekundärdruck) liegt damit in der Regel bei circa 2-30. Durch die Verringerung der Volumenströme in der Primärhydraulik und die dort ablaufenden Schaltvorgänge können Druckschläge reduziert oder ganz vermieden werden. Im Falle eines Membranbruches bleibt das Hydraulikaggregat unbeschadet, da Staub dann nur in die Primärhydraulik eindringen kann, nicht aber in die Sekundärhydraulik. Für Primär- und Sekundärhydraulik können unterschiedliche Hydraulikflüssigkeiten verwendet werden, was eine bessere Anpassung an die jeweiligen Prozessbedingungen ermöglicht. Durch die Trennung in Primär- und Sekundärhydraulik wird es möglich, mit einem Hydraulikaggregat mehrere Pumpenköpfe zu betreiben und auch bei Ausfall eines oder mehrerer Pumpenköpfe, die jeweils anderen Pumpenköpfe weiter zu betreiben.
  • Ein weiterer Vorteil des gesamten Verfahrens ist, dass der Hochdruck-Gasbedarf gegenüber dem in DE102011007066A1 beschriebenen System nochmals weiter reduziert ist, da einerseits das nach dem Ausfördern noch zu entspannende Totvolumen aufgrund der kleineren Rohrleitungsquerschnitte noch geringer gestaltet werden kann und andererseits beim Ausfördern das vorher zugeführte Bespannungsgas für die pneumatische Förderung mit genutzt wird.
  • In weiterer Ausgestaltung arbeiten mehrere Pumpenköpfe phasenverschoben zueinander. Durch diese Maßnahme wird der Förderprozess vergleichmäßigt.
  • In einer besonderen Ausgestaltung wird die Membran durch einen oder mehrere Kolben aber auch Führungsstangen 10 mechanisch geführt, wodurch unerwünschte Verformungen der Membran vermieden werden. Über die Lage des Kolbens beziehungsweise der Führungsstange 10 relativ zum Gehäuse 9 ist eine Positionsmessung der Membran 3 gegeben.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Die Erfindung wird im Folgenden als Ausführungsbeispiel in einem zum Verständnis erforderlichen Umfang anhand von Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
    • Fig 1
    einen erfindungsgemäßen Pumpenkopf
    Fig 2
    die wesentlichen Ablaufschritte des Pumpenzyklus' und
    Fig 3
    die Einbindung mehrerer Pumpenköpfe in ein Staubpumpen-system.
  • In den Figuren bezeichnen gleiche Bezeichnungen gleiche Elemente.
  • Die erfindungsgemäße Staubpumpe und das damit ausgeführte Verfahren sind für feinkörnige Schüttgüter oder Stäube geeignet, welche sich durch Gaszugabe auflockern und fluidisieren lassen, wie etwa Kohlestaub, und zielt insbesondere auf die Versorgung von druckaufgeladenen Kohlestaubvergasern mit trockener Kohlestaubeinspeisung ab. Die Prozessdrücke liegen hierbei in der Größenordnung von 1 bis 10 MPa. Grundsätzlich kann das Verfahren aber auch für alle anderen Prozesse eingesetzt werden, wo fluidisierbare Stäube trocken auf hohen Druck gepumpt werden sollen.
  • Bei dem Pumpenkopf nach Fig 1 befindet sich in einem drucktragenden Gehäuse 9 eine elastische, bewegliche Membran 3, die den Staubraum 1 vom Hydraulikraum 2 hermetisch dicht trennt. Die Membran wird zentrisch über eine Führungsstange 10 geführt und durch Zugabe oder Entnahme von Hydraulikflüssigkeit über die Anschlussleitung 6 nach unten beziehungsweise nach oben bewegt. Staub wird über das Einlassventil 8 in den Staubraum gesaugt und über das Auslassventil 7 aus dem Staubraum herausgefördert. Zur Auflockerung, Be- und Entspannung wird über die Anschlussleitungen 5 und die gasdurchlässigen Auflockerungsflächen 4 Gas zugegeben beziehungsweise abgeführt.
  • In Fig 2 ist der Pumpenzyklus anhand von vier Ablaufschritten A) bis D) dargestellt.
  • In Schritt A) wird dem Hydraulikraum Flüssigkeit entzogen, wodurch die Membran nach oben gezogen wird und im Staubraum Unterdruck erzeugt wird. Dadurch wird Staub aus dem Vorlagebunker 11 angesaugt. Vorausgesetzt sei, dass der Staub im Vorlagebunker sich durch Gaszugabe in einem fluidisierten Zustand befindet. Während des pneumatischen Einförderns in den Staubraum 1 durch Auslenken der Membran 3 wird ein Unterdruck im Staubraum 1 erzeugt, wodurch die Förderung unterstützt wird.
  • Wenn die Membran die obere Endlage erreicht hat, wird in Schritt B) durch Schließen der Einlassarmatur 8 und Gaszugabe über die Gasanschlüsse 5 der Staubraum auf den Druck bespannt, welcher durch den Druck des Verbrauchers 20 zuzüglich des pneumatischen Förderdruckverlustes zwischen Pumpenkopf 14 und Verbraucher (circa 0,1 bis 1 MPa) gegeben ist.
  • In Schritt C) wird zum Ausfördern die Auslassarmatur 7 geöffnet und der Staub unter Gaszugabe über die Gasanschlüsse 5 herausgefördert. Gleichzeitig wird das Volumen des Staubraumes durch Zugabe von Hydraulikflüssigkeit über den Hydraulikanschluss 6 in den Hydraulikraum, mittels der Membran 3 reduziert.
  • In Schritt D) wird das konstruktiv unvermeidliche Restvolumen des Staubraumes entspannt und der Pumpenzyklus beginnt mit Schritt A von vorne.
  • Beim Ansaugen des Schüttgutes liegt der Druck im Staubraum 1 circa 0,01 bis 0,08 MPa unterhalb dem Druck im Vorlagebehälter 11 (Förderdifferenzdruck). In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung wird der Unterdruck in dem Staubraum 1 erzeugt, indem Unterdruck über den Gasanschluss 5 angelegt wird. Hierbei wird während des pneumatischen Einförderns von Staub in den Staubraum über das Evakuieren des Staubraumes mittels einer Vakuumpumpe der Förderdifferenzdruck erzeugt. Der über den Gasanschluss (5) angelegte Unterdruck gleicht dem Betrag nach dem Förderdifferenzdruck oder ist ebenso groß wie der Förderdifferenzdruck.
  • Da ein einzelner Pumpenkopf 14 chargenweise (diskontinuierlich) arbeitet, werden, wie in FIG 3 dargestellt, mehrere Pumpenköpfe zu einem Staubpumpensystem zusammengeschaltet, wobei ein kontinuierlicher Staubförderstrom erzielt werden kann. Hierfür sind mindestens 2 Pumpenköpfe angeordnet. Je nach geforderter Durchsatzleistung und Verfügbarkeitsanforderungen können beliebig viele Pumpenköpfe zusammengeschaltet werden. Sind eine Mehrzahl von n Pumpenköpfen angeordnet, können diese um 2n/n des Pumpenzyklus' gegeneinander phasenverschoben betrieben werden. Neben dem Vorteil der kontinuierlichen Staubförderung kann hierbei das Hydraulikaggregat bei gegebener Durchsatzleistung kleiner dimensioniert werden, als es bei diskontinuierlichem Betrieb der Fall wäre. Bei dieser Ausgestaltung werden auch die Auswirkungen auf das Druckregime des Verbrauchers 20 reduziert.
  • Ein Flugstromvergaser wird mit 100 t/h bei 5 MPa Vergasungsdruck mit Kohlestaub versorgt. Der Druckverlust zwischen Staubpumpe und Vergaser beträgt 1 MPa, womit der Förderdruck bei 6 MPa liegt. Das Staubpumpensystem ist mit n=10 Stück Pumpenköpfen ausgestattet. Ein Pumpenkopf leistet somit 10 t/h. Die Zykluszeit eines Pumpenkopfes beträgt 20 s, wodurch sich ein erforderliches Volumen des Staubraumes zu 0,15 m3 und der Ansaug-Volumenstrom zu 270 m3 /h ergibt. Das Hydraulikaggregat arbeitet bei einem Betriebsdruck von 30 MPa und mit einem Volumenstrom von 54 m3 /h. Da beim Bespannen und Ausfördern weiter Gas zugegeben wird, entspricht der Druckfördervolumenstrom 300 m3 /h. Es ergibt sich ein Hochdruck-Gasbedarf von circa 16.000 Nm3 /h. Dies entspricht einer elektrischen Antriebsleistung des Gasverdichters von circa 2,36 MW. Für ein konventionelles Schleusensystem wären etwa das 2,3-fache, nämlich 36.800 Nm3 /h und 5,43 MW an Verdichterleistung erforderlich. Mit einem Wirkungsgrad des Hydraulikaggregates von 80% ergibt sich die elektrische Leistungsaufnahme der Staubpumpe zu 0,5 MW. In diesem Beispiel wird mit dem hier vorgestellten Staubpumpenprozess gegenüber einem konventionellen Schleusensystem 2,57 MW an Elektroenergie oder 20.800 Nm3 /h Hochdruck-Fördergas eingespart.
  • In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung sind die Armaturen, nämlich das Auslassventil 7 und das Einlassventil 8, in verschleißfester Ausführung gegeben.
  • In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Bespannung beziehungsweise Entspannung des Staubraumes 1 mit Gas über eine großflächige, gasdurchlässige Auflockerungsfläche 4, die für das staubförmige Schüttgut dicht ist.
  • In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist am Boden des Staubraumes 1 eine großflächige, gasdurchlässige Auflockerungsfläche 4 integriertet, durch welche die Ein- und Ausläufe des zu fördernden Staubes hindurchtreten.
  • In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist die Auflockerungsfläche im Verhältnis zur Innenfläche des Staubraumes nach Möglichkeit groß gewählt (mindestens 30% der Innenfläche des Staubraumes), wodurch sich geringere Gasgeschwindigkeiten im Schüttgut ergeben und eine Komprimierung des Schüttgutes vermieden wird.
  • In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung liegt beim Ausfördern des Schüttgutes der Druck im Staubraum circa 0,1 bis 1 MPa über dem Druck des Empfangsbehälters aber auch Dosiergefäß 20.
  • In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist das Hydrauliksystem in eine Primär- und Sekundärhydraulik unterteilt, wobei die Primärhydraulik mit der Membran 3 verbunden ist und von der Sekundärhydraulik über einen Druckübersetzer angetrieben wird. Das Druckübersetzungsverhältnis (Primärdruck/Sekundärdruck) mag circa 2 bis 30 betragen. Die Primär-und Sekundärhydraulik können mit unterschiedlichen Hydraulikflüssigkeiten betrieben werden. Der Druckübersetzer kann als Druckübersetzerkolben ausgeführt sein. Der Druckübersetzer kann durch eine Rückstellfeder zurückstellbar ausgeführt sein, wobei die Rückstellfeder als mechanische Feder oder als pneumatische Gasdruckfeder ausgeführt sein kann.
  • In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung sind mindestens zwei Pumpenköpfe zu einem System kombiniert, deren Druckförderleitungen 18 zusammengeführt 19 sind, was eine unterbrechungsfreie Schüttgutförderung ermöglicht.
  • In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung geht aus dem Vorlagebunker 11 eine Saugförderleitung 17 ab, die sich auf mehrere Pumpenköpfe verzweigt.
  • Die vorliegende Erfindung wurde zu Illustrationszwecken anhand von konkreten Ausführungsbeispielen im Detail erläutert. Dabei können Elemente der einzelnen Ausführungsbeispiele auch miteinander kombiniert werden. Die Erfindung soll daher nicht auf einzelne Ausführungsbeispiele beschränkt sein, sondern lediglich eine Beschränkung durch die angehängten Ansprüche erfahren.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Staubraum
    2
    Hydraulikraum
    3
    Membran
    4
    Gasdurchlässige Auflockerungsfläche, staubdichter Filter
    5
    Gasanschluss
    6
    Hydraulikanschluss
    7
    Auslassventil
    8
    Einlassventil
    9
    Drucktragendes Gehäuse
    10
    Membran-Führungsstange
    11
    Vorlagebunker
    12
    Hydraulikaggregat
    13
    Druckübersetzer
    14
    Pumpenkopf
    15
    Primärhydraulik
    16
    Sekundärhydraulik
    17
    Pneumatische Saugleitung
    18
    Pneumatische Druckleitung
    19
    Zusammenführung
    20
    Verbraucher, Empfänger (z. B. Flugstromvergaser, Kohlenstaubbrenner)
    21
    Schüttgut
    22
    Gas

Claims (13)

  1. Membranpumpe zur pneumatischen Hochdruckförderung von 1 bis 10 MPa fluidisierter Stäube bei der
    - ein druckfestes Gehäuse (9) gegeben ist,
    - das Volumen in dem Gehäuse durch eine waagrecht (horizontal) angeordnete Membran (3) in einen unteren Staubraum (1) und einen oberen Hydraulikraum (2) getrennt ist,
    - der Staubraum von unten einen durch eine Einlassarmatur (8) absperrbaren Zugang für den Staub aufweist,
    - der Staubraum von unten einen durch eine Auslassarmatur (7) absperrbaren Abgang für den Staub aufweist,
    - am Boden des Staubraums eine gasdurchlässige Auflockerungsfläche (4) angeordnet ist, die mit einem Gasanschluss (5) verbunden ist,
    - der Hydraulikraum mit einem Hydraulikanschluss (6) für die Zuführung beziehungsweise Abführung von Hydraulikflüssigkeit verbunden ist.
  2. Membranpumpe nach Anspruch 1
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Membran (3) über eine Führungsstange (10) zentrisch geführt ist.
  3. Membranpumpe nach einem der vorstehenden Ansprüche
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Hydraulikanschluss (6) über einen Druckübersetzer (13) mit einem Hydraulikaggregat (12) verbunden ist.
  4. Membranpumpe nach Anspruch 3
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Druckübersetzer (13) als Druckübersetzerkolben ausgeführt ist.
  5. Membranpumpe nach einem der vorstehenden Ansprüche
    dadurch gekennzeichnet, dass
    sie auf gleicher Höhe wie der Vorlagebunker (11) angeordnet ist.
  6. Membranpumpe nach einem der vorstehenden Ansprüche
    dadurch gekennzeichnet, dass
    sie mehrfach angeordnet ist.
  7. Membranpumpe nach einem der vorstehenden Ansprüche
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Zugang für den Staub und der Abgang für den Staub die Auflockerungsfläche (4) durchdringen.
  8. Verfahren zur pneumatischen Hochdruckförderung von fluidisierten Stäuben mit einer Membranpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, in einer Staubfördereinrichtung,
    bei dem
    - die Staubfördereinrichtung einen Vorlagebunker (11) aufweist,
    - der Vorlagebunker (11) eine Schüttung von fluidisiertem Staub beinhaltet,
    - der Auslass des Vorlagebunkers (11) über eine pneumatische Saugleitung (17) mit der Einlassarmatur (8) der Membranpumpe verbunden ist,
    demzufolge
    - die Membran (3) hydraulisch nach oben ausgelenkt wird, ein Unterdruck in dem Staubraum (1) erzeugt wird und über die geöffnete Einlassarmatur (8) fluidisierter Staub in den Staubraum (1) angesaugt wird,
    - die Einlassarmatur (8) geschlossen wird,
    - der Staubraum (1) mit Gas über den Gasanschluss (5) auf den erforderlichen Hochdruck bespannt wird,
    - die Auslassarmatur (7) geöffnet wird,
    - der Staub unter Gaszugabe über den Gasanschluss (5) aus dem Staubraum (1) herausbefördert wird, während gleichzeitig das Volumen des Staubraums durch hydraulische Auslenkung der Membran (3) nach unten reduziert wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Staubraum (1) entspannt wird.
  10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 8 bis 9 und Anspruch 6
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Pumpenzyklen der Membranpumpen phasenversetzt zueinander ablaufen.
  11. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 7 bis 10
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Unterdruck in dem Staubraum (1) erzeugt wird, indem Unterdruck über den Gasanschluss (5) angelegt wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 11
    dadurch gekennzeichnet, dass
    über den Gasanschluss (5) ein Unterdruck angelegt wird, der dem Betrag nach dem Förderdifferenzdruck gleicht.
  13. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 8 bis 12
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Vorlagebunker (11) unter Atmosphärendruck steht.
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