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DE3929925A1 - Verfahren zum regeln der vergasung fester brennstoffe im drehrost-gaserzeuger - Google Patents

Verfahren zum regeln der vergasung fester brennstoffe im drehrost-gaserzeuger

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DE3929925A1
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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln der Vergasung fester Brennstoffe in einem Reaktor unter einem Druck von 10 bis 100 bar mit einem Wasserdampf und Sauerstoff enthaltenden Vergasungsmittelgemisch, wobei der Brennstoff im Reaktor ein Festbett bildet, das sich langsam nach unten bewegt, wobei das Vergasungsmittelgemisch durch einen Drehrost und eine auf dem Drehrost befindliche Ascheschicht in das Festbett geleitet und Asche unter dem Drehrost abgezogen wird.
Die Vergasung körniger Kohle im Festbett ist bekannt und z.B. in Ullmanns Encyklopädie der Technischen Chemie, 4. Auflage (1977), Band 14, Seiten 383-386, dargestellt. Einzelheiten der Ausgestaltung des Reaktors und des zugehörigen Drehrostes sind den deutschen Patenten 23 51 963, 23 46 833, 25 241 445 und der DE-OS 26 07 964 sowie den dazu korrespondierenden US-Patenten 39 30 811, 39 371 620, 40 14 664 und 40 88 455 zu entnehmen.
Dem Vergasungsreaktor gibt man im allgemeinen körnige Kohle mit Korngrößen von etwa 3 bis 70 mm auf, wobei ein gewisser Anteil an feinkörnigerer Kohle zugelassen werden kann. Bei der Vergasung bildet sich über dem Drehrost eine Ascheschicht aus, weil in diesen Bereich Sauerstoff eingeleitet und damit der sogenannte Restkoks verbrannt wird. In dieser Verbrennungszone entsteht die fühlbare Wärme, die im darüberliegenden Vergasungsbereich für die endothermen Vergasungsreaktionen gebraucht wird. Die Höhe der Ascheschicht läßt sich somit durch die Messung des Temperaturverlaufs im Festbett bestimmen. Beeinflußt werden kann die Höhe der Ascheschicht durch die Drehgeschwindigkeit des Drehrostes, die sich von Hand oder auch durch automatische Steuerung einstellen läßt. In der DE-OS 33 33 870 und im dazu korrespondierenden US-Patent 46 08 059 wird eine automatische Regelung der Drehrostgeschwindigkeit beschrieben.
Betriebserfahrungen mit Drehrost-Gaserzeugern haben gezeigt, daß die Körnung der gebildeten Asche, bedingt durch Schwankungen des Ascheschmelzverhaltens und des Ascheschmelzpunktes, stark variieren kann. Entscheidend für die Konsistenz der sich bildenden Asche ist das momentan vorliegende Ascheschmelzverhalten und die Temperatur in der Verbrennungszone. Bei Überschreitung der Schmelztemperatur bildet sich grobstückige bis klinkerartige Asche aus. Bei Unterschreitung des Ascheerweichungspunktes entsteht hauptsächlich feine bis puderförmige Asche. Die Temperatur in der Verbrennungszone ergibt sich als Folge des Mengenverhältnisses des zugeführten Wasserdampfes und des Sauerstoffs. Wasserdampf kann teilweise durch CO2 ersetzt sein. Eine Erhöhung des Sauerstoffanteils führt zu einer Erhöhung der Temperatur in der aschebildenden Verbrennungszone, eine Erhöhung des Wasserdampf- oder CO2-Anteils führt zu einer Erniedrigung dieser Temperatur.
Die optimale Körnung der Asche liegt im Bereich von 1 bis 60 mm Korngröße. Ist die über dem Drehrost befindliche Asche zu feinkörnig und z.B. puderförmig, ergibt sich daraus eine zu geringe Gasdurchlässigkeit der Ascheschicht, was bis zum Anheben des Festbettes durch den Gasdruck des Vergasungsmittelgemisches führen kann. Sehr grobstückige Asche ist ebenfalls nachteilig, weil sie sich schlecht austragen läßt, die Lebensdauer des Drehrostes verkürzt, das Vergasungsmittel schlecht verteilt und eine hohe Antriebsleistung für den Drehrost erforderlich macht. Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, durch eine möglichst einfache Regelung die gewünschte Körnigkeit der entstehenden Asche einstellen zu können.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe beim eingangs genannten Verfahren dadurch gelöst, daß man im Reaktor einen ersten Druck (p1) unterhalb des Drehrostes und einen zweiten Druck (p2) etwa am oberen Ende der Ascheschicht mißt, die daraus berechnete Druckdifferenz (p1-p2) mit einem zum gegebenen Verhältnis Wasserdampf: Sauerstoff im Vergasungsmittelgemisch gehörigen Sollwert vergleicht und bei zu niedriger Druckdifferenz das Verhältnis erhöht und bei zu hoher Druckdifferenz das Verhältnis verringert. Hierbei ist die Druckdifferenz (p1-p2) ein Maß für die Durchgasbarkeit der Ascheschicht und damit auch ein Maß für die Kornverteilung in der Ascheschicht, und zwar jeweils für eine bestimmte Gasproduktion. Die Regelung kann von Hand oder automatisiert vorgenommen werden. Da kleine Schwankungen der Druckdifferenz (p1-p2) im allgemeinen zugelassen werden können, ist der Sollwert im allgemeinen ein Sollwertbereich.
Zur Vergasung von Kohle im Festbett wird üblicherweise ein Vergasungsmittelgemisch eingesetzt, das pro Nm3 Sauerstoff 4 bis 9 kg und vorzugsweise 5 bis 7 kg Wasserdampf enthält. Hierbei kann der Wasserdampf ganz oder teilweise durch CO2 ersetzt sein. Ist der Wasserdampfgehalt zu niedrig, entsteht durch den höheren Sauerstoffanteil grobstückige bis klinkerartig verbackene Asche und eine zu niedrige Druckdifferenz (p1-p2). Demgegenüber führt ein zu hoher Wasserdampfgehalt zu griesartiger bis puderförmiger Asche, was man durch den Anstieg der Druckdifferenz (p1-p2) feststellt.
Die Druckdifferenz (p1-p2), die bei wünschenswerter Aschekonsistenz in üblichen Vergasungsreaktoren auftritt, liegt im Bereich von 3 bis 30 kPA. Der Sollwert, mit dem geregelt werden kann, muß jedoch für jeden Vergasungsreaktortyp während des Probebetriebs individuell ermittelt werden. Hierbei sorgt man zweckmäßigerweise dafür, daß die Art und auch die Körnung der Kohle sowie die Wasserdampf- und Sauerstoffqualität ungefähr konstant bleiben.
Einzelheiten der Regelung werden mit Hilfe der Zeichnung erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 den Vergasungsreaktor mit Regelungseinrichtungen in schematischer Darstellung und
Fig. 2 den durch die Regelung anzustrebenden Sollwertbereich.
Dem unter Druck stehenden Vergasungsreaktor (1) führt man körnigen Brennstoff, insbesondere Kohle, aus einer nur teilweise dargestellten Schleusenkammer (2) durch einen periodisch geöffneten Verschluß (3) zu. Dieser Brennstoff gelangt zunächst in den Vorratsbereich (4), der von einer zylindrischen Wand (5) eingegrenzt ist. Zwischen der Wand (5) und dem Mantel (6) des Reaktors befindet sich ein feststofffreier Gassammelraum (7). Das Produktgas zieht vom Sammelraum (7) aus durch den Abzugskanal (8) ab.
Der Vorratsbereich (4) ist unten offen und geht in das Festbett (10) über, das sich durch den Verbrauch der Kohle langsam nach unten bewegt. Über einem Drehrost (12), der auch als Verteiler für das in das Festbett (10) eingeleitete Vergasungsmittelgemisch dient, befindet sich eine Ascheschicht (13), die im oberen Bereich mit unscharfer Begrenzung in das Brennstoffbett übergeht. Dem Drehrost (12) führt man das Vergasungsmittelgemisch durch die Leitung (15) zu, wobei der Sauerstoff durch die Leitung (16) und der Wasserdampf durch die Leitung (17) herangeführt werden. Der Drehrost wird durch einen Motor (19) und die Welle (20) angetrieben.
Durch die Umdrehungen des Drehrostes (12) wird ständig ein Teil der Asche nach unten in den Aschekanal (22) bewegt und gelangt von da durch einen periodisch geöffneten Verschluß (23) in den Behälter (24) der Ascheschleuse, aus dem man die Asche chargenweise abzieht.
Um die gewünschte Körnung der Asche im Aschebett (13) beizubehalten, mißt man den Druck (p1) unterhalb des Drehrostes (12) im oberen, feststofffreien Bereich des Aschekanals (22), wie das durch die gestrichelt eingezeichnete Signalleitung (25) angedeutet ist. Das Druckmeßgerät ist der Einfachheit halber ebenfalls mit (p1) bezeichnet. Den gemessenen Druck (p1) gibt man über die Signalleitung (26) einem Regelgerät (28) ein. Eine zweite Druckmessung (p2) erfolgt etwa im oberen Bereich der Ascheschicht (13), wozu eine feststofffreie Meßkammer (29) vorgesehen ist. Den Druck (p2) führt man über die Signalleitung (30) ebenfalls dem Regelgerät (28) zu. Das Regelgerät (28) erhält ferner über die Signalleitung (31) Informationen über die Durchflußmenge an Sauerstoff in der Leitung (16) sowie über die Signalleitung (32) Informationen über die Durchflußmenge an Wasserdampf in der Leitung (17) und vergleicht die berechnete Druckdifferenz (p1-p2) mit dem zur momentanen Durchflußmenge an Sauerstoff in der Leitung (16) gehörenden Sollwertbereich. Ist die Druckdifferenz zu niedrig, was auf die Bildung unerwünscht grober Asche hindeutet, wird das Verhältnis Wasserdampf zu Sauerstoff im Vergasungsmittelgemisch der Leitung (15) erhöht. Dies geschieht durch Erhöhen des Wasserdampfanteils durch Beeinflussen des Regelventils (17a) vom Regelgerät (28) aus über die Signalleitung (33). Ist die Druckdifferenz (p1-p2) zu hoch, regelt man in analoger Weise in umgekehrter Richtung.
In Fig. 2 ist veranschaulicht, welcher Sollwert in Form eines Bereichs zwischen den Grenzlinien (A) und (B) im Steuergerät (28) als gespeicherte Information vorgegeben sein muß. Der optimale Bereich zwischen den Grenzlinien (A) und (B) liegt in der Ebene der Koordinaten X Sauerstoffmenge (z.B. in Nm3/h) und der Druckdifferenz (p1-p2). Oberhalb der Linie (A) liegt das Gebiet zu feiner Asche und unter der Linie (B) das Gebiet zu grober Asche. Die Grenzlinien können auch gekrümmt sein. Der für übliche Vergasungsreaktoren gebrauchte Regelbereich liegt bei 4 bis 9 kg Wasserdampf pro Nm3 Sauerstoff. Der Sauerstoffverbrauch ist ein Maß für die Menge (trocken gerechnet) an Produktgas.
Beispiel
Bei einer Anordnung gemäß Fig. 1 der Zeichnung wird folgendermaßen gearbeitet:
Dem Vergasungsreaktor (1) gibt man Steinkohle mit einem Körnungsbereich von 4 bis 60 mm auf. Der maximale Ascheschmelzpunkt der Steinkohle liegt bei 1500°C, der minimale Ascheschmelzpunkt bei 1300°C. Die Vergasung erfolgt bei einem Druck von 28 bar. Der Reaktor weist einen inneren Durchmesser von 3,8 m auf, die Höhe des Festbettes, gemessen von der Unterkante des Drehrostes (12) bis zur Unterkante der zylindrischen Wand (5), beträgt 6 m, die Druckmeßstelle (p2) liegt 2 m oberhalb der Unterkante des Drehrostes (12), diese Höhe entspricht der Höhe des Aschebettes.
Die Leistung des Reaktors kann man durch den Kohleverbrauch (in t/h), durch den Sauerstoffverbrauch (in Nm3/h) oder durch die Produktion an trockenem Rohgas (in Nm3/h) angeben. Die drei Größen stehen untereinander in einem direkten Zusammenhang. Im vorliegenden Fall gilt:
O2-Verbrauch = 224× Kohleverbrauch und
O2-Verbrauch = 0,14× Produktgasmenge, trocken,
wobei der O2-Verbrauch und die Produktgasmenge in Nm3/h und der Kohleverbrauch in t/h gemessen werden.
Das der Fig. 2 entsprechende Eichdiagramm verwendet für die X-Achse den Sauerstoffverbrauch. Zu verschiedenen Werten des Sauerstoffverbrauchs werden beim Probebetrieb des Vergasungsreaktors die maximal zulässigen Werte der Druckdifferenz (p1-p2) (auf Linie A) und die minimal zulässigen Druckdifferenz-Werte (auf Linie B) ermittelt. Die nachfolgende Tabelle zeigt einzelne Werte:
Diese Einzelwerte für (A) und (B) sind im Diagramm durch Geraden zu verbinden, um den Sollwertbereich zu erhalten.
Wenn bei diesem Eichdiagramm bei einem Sauerstoffverbrauch von z.B. 7500 Nm3/h eine Druckdifferenz (p1-p2) von 11 kPa gemessen wird, bedeutet dies, daß der Grenzwert (A) von 10,8 kPa überschritten und die Asche im Aschebett (13) zu feinkörnig geworden ist. Bei unverändertem Sauerstoffverbrauch wird nunmehr die Zuspeisung von Wasserdampf verringert, wodurch sich die Temperatur im Aschebett erhöht. Als Folge davon wird die Asche grobkörniger und die Druckdifferenz sinkt auf den Wert von 10,8 kPa oder etwas darunter. Im Beispiel wurde pro Nm3 Sauerstoff der Wasserdampfgehalt im Vergasungsmittelgemisch im Bereich von 5 bis 7 kg variiert. Diese Grenzen berücksichtigen das schwankende Ascheschmelzverhalten der Steinkohle.

Claims (4)

1. Verfahren zum Regeln der Vergasung fester Brennstoffe in einem Reaktor unter einem Druck von 10 bis 100 bar mit einem Wasserdampf und Sauerstoff enthaltenden Vergasungsmittelgemisch, wobei der Brennstoff im Reaktor ein Festbett bildet, das sich langsam nach unten bewegt, wobei das Vergasungsmittelgemisch durch einen Drehrost und eine auf dem Drehrost befindliche Ascheschicht in das Festbett geleitet und Asche unter dem Drehrost abgezogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß man im Reaktor einen ersten Druck (p1) unterhalb des Drehrostes und einen zweiten Druck (p2) etwa am oberen Ende der Ascheschicht mißt, die daraus berechnete Druckdifferenz (p1-p2) mit einem zum gegebenen Verhältnis Wasserdampf : Sauerstoff im Vergasungsmittelgemisch gehörigen Sollwert vergleicht und bei zu niedriger Druckdifferenz das Verhältnis erhöht und bei zu hoher Druckdifferenz das Verhältnis verringert.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man bei zu niedriger Druckdifferenz bei konstanter Sauerstoffmenge den Wasserdampfanteil im Vergasungsmittelgemisch erhöht.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man bei zu hoher Druckdifferenz bei konstanter Sauerstoffmenge den Wasserdampfanteil im Vergasungsmittelgemisch verringert.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß unter dem Drehrost Asche mit einer Körnung im Bereich von 1 bis 60 mm abgezogen wird.
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