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Verfahren zur Erzeugung von Wärme aus einer Schwemme von Kohlegrieß
und Wasser Das Hauptpatent 1271$86 bezieht sich auf ein Verfahren zur Wärmeerzeugung,
insbesondere in einem Dannpferzeuger, durch Verbrennung von Kohle, die aus einer
Leitung in Form einer pumpfähigen Schwemme aus Kohlegrieß und Wasser ankommt und
mindestens teilweise entwässert den Brennern zugeführt wird.
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Gemäß dem Hauptpatent erfolgt die Mengenregelung der Schwemme in Abhängigkeit
von einem geeigneten Meßwert noch vor dem Eintritt der Schwemme in den Wasserabscheider,
in welchem der Wassergehalt der Kohle auf weniger als 20'% herabgesetzt
wird, worauf die weitere Aufbereitung der Kohle in bekannter Weise mittels
Mahltrocknung erfolgt.
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Die vorliegende Verbesserung des Verfahrens nach dem Hauptpatent beruht
auf der Überlegung, daß man bei einer Zyklonbrennkammer auf die Mahltrocknung verzichten
kann und eine einfache Vorwärmung der entwässerten Kohle ausreichend ist. Demgemäß
wird nach der vorliegenden Erfindung die entwässerte Kohle unmittelbar einer Zyklonbrennkammer
zugeführt. Dabei kann die Kohle zweckmäßig durch Schwerkraft zugeführt werden, und
sie kann vor dein Eintritt in die Zyklonbrennkammer durch Zuführung von warmer Luft
vorgewärmt werden.
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Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen bewhrieben. Es zeigt F
i g. 1 eine schematische Seitenansicht der Anlage zur Vorbehandlung und Verbrennung
der Kohleschwemme in einer Zyklonbrennkammer, F i g. 2 ein Flußschema einer Anlage
mit mehreren Zyklonbrennkammern, von denen jede einer eigenen Einheit zur Vorbehandlung
der Schwemme zugeordnet ist, F i g. 3 eine Modifizierung der Anlage nach F i g.
1, bei der ein Vakuumfilter als Entwässerungseinheit an Stelle der in F i g. 1 dargestellten
Zentrifuge benutzt wird.
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Um Kohle vom Gewinnungsort einem entfernten Verbraucher zuzuführen,
z, B. von einem Bergwerk zu einem Dampfkraftwerk, stellt man eine Schwemme aus Wasser
und Kohlegrieß her und pumpt diese Schwemme durch eine Leitung. Es ist wünschenswert,
daß der Wasseranteil der Schwemme möglichst so klein ist, wie es für den übertragungs-
und Pumpvorgang gerade noch praktisch zulässig ist. Eine Schwemme mit 5019/o Kohle
und 5011/o Wasser, die Kohleteilchen vors etwa 6 rum (Kohlegrieß) enthält, kann
über lange Entfernungen gepumpt werden. Wenn ran die Kohle etwas mehr zerkleinert,
kann auch eine Schwemme von 60°/o Kohle und 40% Wasser verwendet werden. Dies ist
aber ungefähr die Grenze der Kohlakonzentration der Schwemme, bei der diese noch
wirtschaftlich über lange Entfernungen gepumpt werden kann, Eine verhältnismäßig
neue Entwicklung deutet an, daß man eine Kohle-Wasser-Schwemme mit noch höherer
Konzentration über verhältnismäßig kurze Abstände von einigen Kilometern pumpen
kann. Die Schwemme setzt sich in diesem Fall aus einem Anteil von 3011/a Wasser
und 7011/o Kohlegrieß mit einer Teilchengröße bis zu 3 mm zusammen. Es hat sich
gezeigt, daß sich in einer solchen Schwemme die Kohleteilchen erst nach längerer
Zeit absetzen. Dies ist ein Vorteil gegenüber den bisher verwendeten Schwemmen,
weil solche höher konzentrierte Schwemmen leichter zu handhaben sind.
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Trotz des verhältnismäßig hohen Feuchtigkeitsgchaltes dieser Kohlexx-Wasser-Schwemme
ist es möglich, sie unmittelbar in den Zyklonbrenner ein, zuführen und zu verbrennen.
Von der wirtschaftlichen Seite her gesehen ist jedoch eine solche Anlage
nicht
besonders leistungsfähig, weil die Verdampfung des hohen Wasseranteils der Kohle
einen beträchtlichen Wärmeverlust bedingt.
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Dieser Nachteil kann dadurch gemildert werden, daß der Wassergehalt
in der Schwemme vor der Verbrennung herabgesetzt wird. Diese Entwässerung wird mechanisch
und nicht durch Erhitzung der Schwemme durchgeführt. Durch mechanische Entwässerung
kann der Wassergehalt der Schwemme leicht und wirtschaftlich unter 25% gesenkt werden.
Obwohl verschiedene Verfahren und Einrichtungen zur mechanischen Entwässerung der
Schwemme benutzt werden können, wird doch in Hinsicht auf die Investitionskosten,
die Betriebskosten, die Betriebssicherheit und die Leistung und andere Faktoren
eine Zentrifuge vorgezogen. Die Entwässerung der Schwemme kann auf einen Wassergehalt
von 20°/o vorgenommen werden. Führt man diese Schwemme mit nur 20'°/o Wassergehalt
in die Zyklonbrennkammer ein, so wird der Wirkungsgrad des Dampferzeugers 86,3'0/0
oder mehr.
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Wie in F i g. 1 dargestellt, wird eine Zentrifuge zur Entwässerung
benutzt. Eine pumpfähige Schwemme aus Kohlegrieß und Wasser wird über die Leitung
10 einem Speichertank 20 zugeführt. Die Schwemme wird mit Hilfe einer Pumpe 22 vom
Tank 20 über ein Steuerventil 24, einen Strömungsmesser 26 und ein Ventil 28 einem
Trichter 30 zugeführt. Es wird weiter unten beschrieben, daß diesem Trichter 30
auch koagulierte feine Teilchen zugeführt werden. Der Inhalt des Trichters 30 wird
durch die Schwerkraft oder durch eine Pumpe einer Zentrifuge 32 zugeführt. Diese
weist eine konische Trommel 34 auf, die durch den Motor 36 in schnelle Umdrehungen
versetzt wird. Die Außenfläche der Trommel enthält keine Öffnungen, mit Ausnahme
der Auslaßöffnungen 38 am engeren Ende. Auch die Enden sind geschlossen, mit Ausnahme
einer Auslaßöffung am weiteren Ende 40, die, von der Außenfläche her gesehen, etwas
nach innen versetzt ist, und einer Öffnung für die Zuführung der Schwemme in der
Mitte des weiten Endes 40. Ein Gehäuse 42 umgibt die rotierende Trommel und enthält
Trennwände, die das Gehäuse in zwei Kammern teilen, von denen die eine in die Leitung
44 und die andere in den Trichter 46 und die Leitung 48 mündet. Die Schwemme sammelt
sich durch die Wirkung der Zentrifugalkraft am weiten Ende der Trommel an. Im Innern
der Trommel transportiert ein Schraubenförderer die Kohle vom weiten zum engen Ende
der Trommel, wo sie durch die Öffnung 38 abgeführt wird. Das Wasser läuft durch
die Öffnungen in dem Ende 40 der Trommel ab. Die Kohle, die immer noch etwa 20%
oder etwas weniger an Feuchtigkeit enthält, wird mit erheblicher Kraft durch die
Öffnung 38 abgeführt und gelangt zusätzlich unter dem Einfluß der Schwerkraft über
eine Leitung 44 zu der Zyklonbrennkammer 49.
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Der Leitung 44 wird durch die Leitung 51 vorgewärmte Luft zugeführt,
die als Erstluft zur Verbrennung dient. Diese Luft wird zusammen mit dem entwässerten
Kohlegrieß der Zyklonbrennkammer 49 am Einlaß 53 zugeführt. Dieser Einlaß ist tangential
angeordnet und weist vorzugsweise die Form einer Schnecke auf. Die Einführung des
aus Luft und Kohlegrieß bestehenden Gemisches erfolgt mit solcher Geschwindigkeit,
daß die Kohleteilchen nach außen gegen die Wandung der Zyklonbrennkammer geworfen
werden. Die Brennkammer selbst hat zylindrische Form und ihre Wandungen werden aus
flüssigkeitsgekühlten Rohren gebildet, die miteinander verbunden und auf der Innenseite
mit einem hochtemperaturbeständigen Material ausgekleidet sind. Über den tangential
angeordneten Einlaß 55 strömt Zweitluft im gleichen Drallsinn in den Zyklon ein
wie das Luft-Brennstoff-Gemisch. Die Kohle wird in der Zyklonbrennkammer verbrannt
und die Temperatur in der Brennkammer oberhalb der Schmelztemperatur der in der
Kohle enthaltenen Asche gehalten, so daß flüssige Asche entsteht, die an den Wandungen
der Brennkammer haftet. Der Kohlegrieß wird bei der Einspeisung nach außen auf die
zylindrischen Wände geworfen und von der Schicht geschmolzener Asche festgehalten.
Infolge der hohen Reibung der Luft, die mit großer Geschwindigkeit über die Kohlepartikeln
streicht, erfolgt die Verbrennung des Kohlegrießes in dem Zyklon. Die Zentrifugalwirkung,
die in dem Zyklon erzeugt wird, bewirkt die Verteilung und das Festhalten der Asche
an den Brennkammerwänden. Die Asche fließt aus der Öffnung 57 in der Rückwand des
Zyklons ab. Die Schlacke wird auf dem Boden der mit hitzebeständigem Material ausgekleideten
Brennkammer 51 gesammelt und fließt durch eine darin befindliche Öffnung ab.
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Die Verbrennungsgase gelangen durch den Kragen 59, der sich von der
Rückwand des Zyklons nach innen erstreckt, in die Nachbrennkammer 51 des Dampferzeugers,
von dort zur Strahlungskammer 49
und schließlich in die üblichen Nachheizzüge.
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Die Nachbrennkammer und die Strahlungskammer haben flüssigkeitsgekühlte
Rohre 61, z. B. Dampferzeugerrohre, die nebeneinander an den Wänden angeordnet sind.
Sie sind in der Nachbrennkammer mit hochhitzebeständigem Material verkleidet. Der
in F i g. 1 nur angedeutete Dampferzeuger 63 ist dazu eingerichtet, Dampf bestimmten
Drucks und bestimmter Temperatur zu erzeugen. Dieser Dampf wird einem Verbraucher,
z. B. einer Turbine 65, durch eine Dampfleitung 67 und durch ein Regelglied 69 gesteuert
zugeführt.
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Die Flüssigkeit, die am weiten Ende der Trommel der Zentrifuge abfließt,
enthält eine beträchtliche Menge von Feinteilchen oder Kohlestaub, die etwa 2 bis
8% des gesamten Kohlegehaltes der Schwemme ausmachen. Diese feinen Teilchen müssen
zurückgewonnen werden, und zwar sowohl wegen der Wasserverschmutzung als auch wegen
der in ihnen enthaltenen Wärmeenergie. Dieses Wasser wird in der Leitung
48 mit einem Koagulierungsmittel gemischt, das vom Behälter 72 über die Leitung
74 in die Leitung 48 eingeleitet wird. Das Koagulierungsmittel ist handelsüblich.
Die so behandelte Flüssigkeit wird einem Klär- oder Absetzbehälter 76 zugeführt,
in dem sich unter der Wirkung des Koagulierungsmittels die feinen Teilchen zusammenlagern
und als größere Teilchen absetzen. Die koagulierten Teilchen gelangen über die Leitung
80 zu einer ein konstantes Volumen fördernden Pumpe 82, z. B. einer Getriebe- oder
Schraubenpumpe, und werden dann über die Leitung 84 zum Trichter 30 zurückgeführt.
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Die dem Trichter 30 wieder zugeführte Flüssigkeit enthält etwa 30°/o
koagulierte Feinteilchen und 700/0 Wasser. Diese Flüssigkeit wird mit der Schwemme,
die vom Behälter 20 zugeführt wird, gemischt und gelangt dann zur Zentrifuge 32.
In der Zentrifuge
lösen sich die koagulierten feinen Teilchen nicht
wieder auf, gelangen daher nicht in die abgeführte Flüssigkeit, sondern bleiben
als Partikeln erhalten, die der Schraubenförderer durch die Zentrifuge transportiert.
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Es sei bemerkt, daß der gesamte Filterkuchen, der von der Zentrifuge
32 abgeführt wird, unmittelbar der Brennkammer zugeführt wird, so daß mit einer
Steuerung der Schwemme, die der Zentrifuge zugeführt wird, auch eine Steuerung der
Kohlenmenge, die der Brennkammer zugeführt wird, erfolgt. Der Strömungsmesser
26 mißt den Zufluß der Schwemme zur Zentrifuge, und mit Hilfe irgendeines
Steuerwertes des Dampferzeugers, z. B. des Druckes, der Temperatur oder der angeforderten
Leistung, wird die gewünschte Menge des Brennstoffes in an sich bekannter Weise
bestimmt. Es kann beispielsweise die Brennstoffmenge, die durch den Strömungsmesser
26 gemessen wird, mit derjenigen verglichen werden, die notwendig ist, um
einen bestimmten Betriebswert des Dampferzeugers zu erhalten. Treten Änderungen
beider Werte auf, so wird das Ventil 24 betätigt, um durch Änderung der Strömungsgeschwindigkeit
der Schwemme den Meßwert auf den Sollwert zu bringen. Man kann auch eine Abweichung
des tatsächlichen Meßwertes des Dampferzeugers, z. B. des Druckes und der Temperatur,
von einem Sollwert dazu verwenden, den Fluß der Schwemme so zu ändern, daß die Abweichung
korrigiert wird. Da die Menge der Flüssigkeit, die aus der Zentrifuge
32 austritt, unmittelbar von der Menge der zugeführten Schwemme abhängt,
wird die Drehzahl des Motors 86, der die Pumpe 82 antreibt, abhängig
von der Öffnung des Ventils 24 so geändert, daß das gleiche Verhältnis der
zurückgeführten Flüssigkeit bei jeder Stellung des Ventils 24 erhalten bleibt.
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An Stelle der Zentrifuge können andere mechanische Entwässerungs-Vorrichtungen
verwendet werden, z. B. Vakuumfilter. Der Vakuumfilter (F i g. 3) besteht
aus einer Trommel 75, die durch einen Motor 77 angetrieben wird. Im
Innern der Trommel wird durch eine Vakuumpumpe 83 über die Leitung 79 und den Behälter
81 ein Vakuum erzeugt. Die Trommel 75 taucht teilweise in die Schwemme in
der Kammer 85 ein. Diese Schwemme wird durch die Leitung 30 a aus
dem Trichter 30 zugeführt. Die Oberfläche der Trommel ist fein perforiert
oder aus feinem Siebmaterial hergestellt. Bei ihrer Rotation durch die Schwemme
hält das Vakuum im Innern der Trommel die Schwemme an der Außenfläche der Trommel
fest, so daß sie aus dem Bad herausgezogen wird. Hier läßt die Druckdifferenz zwischen
dem Inneren und dem Äußeren der Trommel das Wasser durch das Sieb hindurchtreten.
Vom Innern der Trommel gelangt das Wasser, das auch in diesem Fall einen erheblichen
Anteil von Feinteilchen enthält, in die Leitung 79. Die auf der Trommel festgehaltene
Schwemme wird durch Abkratzvorrichtungen abgestreift und dem oberen Trum eines Förderbandes
89 zugeführt. Dieses Förderband bringt die teilweise getrocknete Kohle zum oberen
Ende der Leitung 44,
durch die sie abwärts fällt und zusammen mit Erstluft
der Zyklonbrennkammer zugeführt wird. Das aus dem Vakuumfilter ausfließende Wasser
wird in dem Sumpf 87 gesammelt, von wo es über eine Leitung 48 einem Klärbehälter
76 zugeführt wird. Dem ausfließenden Wasser wird in der Leitung 48 a ein Koagulierungsmittel
zugesetzt, wie dies oben beschrieben wurde. Die Kohleflocken werden vom Klärbehälter
76 über die Leitung 84 dem Trichter 30
wieder zugeführt, wie
dies bei F i g. 1 beschrieben wurde.
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Jeder Zyklon hat seine eigene gesonderte mechanische Entwässerungsvorrichtung.
Dabei wird die Kohlezufuhr durch Steuerung der Zufuhr der Schwemme zu der mechanischen
Entwässerungsvorrichtung gesteuert. Diese Zusammenfassung von Brennkammer und Entwässerungsvorrichtung
stellt ein Blocksystem dar. Für das Wasser, das aus jeder Entwässerungsvorrichtung
ausströmt, ist eine besondere Koagulierungsvorrichtung vorgesehen. Im allgemeinen
ist es jedoch erwünscht, daß ein Dampferzeuger mehrere Einheiten hat, die jeweils
aus Zyklonbrennkammer und mechanischer Entwässerungsvorrichtung bestehen. In diesem
Fall kann eine einzige Koagulierungsvorrichtung benutzt werden, der das von mehreren
Entwässerungsvorrichtungen zufließende Wasser zugeführt wird. Solch ein System aus
mehreren Einheiten, die aus einer Entwässerungsvorrichtung und dem Zyklon bestehen,
ist in F i g. 2 dargestellt. Die Schwemme aus Kohlegrieß und Wasser wird in den
Vorratsbehälter 20 von der Leitung 10 eingeleitet. Es kann eine Abzweigleitung
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vorgesehen sein, um überschüssige Schwemme einem weiteren Speicherbehälter
zuzuführen.
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Die Schwemme wird durch die Pumpe 22 über die Leitung
88 einem Verteiler 90 zugeführt. Die verschiedenen Einheiten erhalten
ihren Anteil an der Schwemme durch einzelne Leitungen und zugeordnete Steuerventile
24 a, 24 b, 24 c und 24 d. Jedes Steuerventil regelt
den Zufluß zu der ihm zugeordneten Zentrifuge entsprechend dem vom Dampferzeuger
aus übertragenen Meßwert, wie dies oben beschrieben wurde. Die Steuerventile können
so eingerichtet sein, daß sie im Gleichlauf von einer einzigen Folge von Signalen
gesteuert werden. Sie können aber auch einzeln in Abhängigkeit von einem Abweichungssignal
gesteuert werden, was dem vom Dampferzeuger übertragenen Meßwert entspricht. Wenn
die Ventile einzeln gesteuert werden, so wird jedes vom Strömungsmesser erzeugte
Signal für sich von dem entsprechenden Steuerventil korrigiert, das seinerseits
wiederum von dem Abweichungssignal des Dampferzeugers gesteuert wird. Wenn alle
Steuerventile im Gleichlauf gesteuert werden, so wird die Summe der einzelnen Strömungsmessersignale
mit Abweichungssignalen verglichen. In F i g. 2 ist der Strömungsmesser nicht dargestellt,
würde aber an der gleichen Stelle liegen wie in F i g. 1, nämlich zwischen jedem
Steuerventil und der zugehörigen Zentrifuge. Jede Zentrifuge 32a, 32b, 32c und
32d
speist den zugehörigen Zyklon 49a, 49b, 49c und
49d. Um einen konstanten Flüssigkeitsstand oberhalb der verschiedenen Ventile
24a, 24b, 24c und 24d aufrechtzuerhalten, wird die überschüssige
Schwemme von dem Verteiler 90 über eine Leitung 92 einem Behälter
94 zugeführt, der zur Aufrechterhaltung einer Flüssigkeitssäule in einer
Höhe von ungefähr 6m, oberhalb der Ventile angeordnet ist. Die überschüssige Schwemme
wird über eine Leitung 26 und eine Pumpe 98 wieder dem Vorratsbehälter
20 zugeführt. Dabei wird die Pumpe 98 so gesteuert, daß sie den Flüssigkeitsstand
im Behälter 94 konstant hält. Die aus den verschiedenen Zentrifugen austretende
Flüssigkeit wird über die Leitungen 48a, 48 b, 48 c und
48 d einer Sammelleitung 100 zugeführt
und gelangt
von dort zurück zum Klärbehälter 76. Die Zuführung des Koagulierungsmittels ist
in F i g. 2 nicht dargestellt. Es kann jedoch in geeigneter Weise in die Leitungen
zwischen der Sammelleitung 100 und dem Behälter 76 eingeleitet werden. Die
koagulierten Feinteilchen werden über die Leitung 84 zurück in den Behälter
20 geführt. Es sei besonders bemerkt, daß in F i g. 2 die koagulierten Feinteilchen
nicht den einzelnen Zentrifugen wieder zugeführt werden, sondern dem Behälter für
die Schwemme. In der Anlage nach F i g. 2 ist also die Pumpe 82 nicht von
den verschiedenen Ventilen 24
abhängig und hat deshalb keine unmittelbare
Wirkung auf den Eingang der Zentrifuge. Sie kann daher durch irgendeinen geeigneten
Meßwert gesteuert werden, z. B. die Füllung des Behälters 76.