Beetz sen., R., Dipl.-Ing.; Beetz jun., R., Dipl.-Ing. Dr.-Ing.; Timpe, W., Dr.-Ing.; Siegfried, J., Dipl.-Ing.; Schmitt-Fumian, W., Prof. Dr.rer.nat.; Mayr, C., Dipl.-Phys.Dr.rer.nat., Pat.-Anwälte, 8000 München
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung von Massenströmen und der Dichte von staubförmigen und feinkörnigen, festen Brennstoffen, die mittels der pneumatischen Förderung bei beliebigen Feststoffkonzentrationen und Systemdrücken Vergasungsreaktoren oder Brennern von Heiz- und Dampfkesselanlagen zugeführt werden. Auf der Basis bekannter, bereits entwickelter Meßverfahren für die Massenstrombestimmung sollen Verfahren zur Massenstromregelung für die pneumatische Förderung bei beliebigen Feststoffkonzentrationen und Systemdrücken gefunden werden. Erfindungsgemäß werden Meßgrößen als Regelgrößen bei der pneumatischen Förderung und Dosierung eingesetzt.
Beschreibung[de]
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung des
Massenstroms einer Kohlenstaub-Trägergas-Suspension hoher
Feststoffkonzentration mit den im Oberbegriff der Patentansprüche
1 bzw. 2 angegebenen Verfahrensmerkmalen.
Aus der DE-OS 25 56 957 ist ein derartiges Verfahren bekannt,
bei welchem der staubförmige Brennstoff im Druckbehälter
in der Schwebe gehalten und durch ein Förder- bzw.
Trägergas in den Vergasungsreaktor gefördert wird. Die
Menge des im Druckbehälter befindlichen Feststoffs wird
durch periodische Messung des Behältergewichts mittels
Druckmeßdosen erfaßt. Auf der Grundlage dieser Gewichtsmessungen
wird die Menge des in den Druckbehälter eingeführten
Trägergases geregelt und damit die zum Vergasungsreaktor
geförderte Brennstoffmenge entsprechend einem vorgegebenen
Sollwert eingestellt. Über Stellventile wird zusätzlich
in den Oberteil des Druckbehälters ein Teil des
unter Druck stehenden Förder- bzw. Trägergases eingeleitet,
um die zur Förderung notwendige Druckdifferenz zwischen
dem Druckbehälter und dem Vergasungsreaktor auf
einem konstanten Wert zu halten. Weitere Fördergasmengen
können über Regel- und Umstellventile in die Förderleitung
injiziert werden. Für die sogenannte Dichtstromförderung mit
Feststoffkonzentrationen von 300 kg und mehr Feststoff pro
Kubikmeter Trägergas ist diese Regelung nicht geeignet,
weil weder die Fließdichte der Suspension noch der Feststoff-Massenstrom
im Förderrohr direkt erfaßt werden. Die
Regelung der Brennstoffmenge allein über das periodisch
erfaßte Behältergewicht reagiert zu träge, um die für die
Dichtstromförderung notwendigen Bedingungen, insbesondere
den speziellen Fluidisierungsgrad des Feststoffes nur im
Unterteil des Druckbehälters, genau genug einhalten zu
können.
Aus der DE-OS 29 02 911 ist ein Verfahren zur pneumatischen
Beschickung eines Reaktors mit einer Brennstoff-
Trägergas-Suspension aus einem unter einem einstellbaren
Überdruck stehenden Bunker bekannt. Der staubförmige
Brennstoff wird über mehrere trichterförmige Austräge und
daran angeschlossene Förderrohre aus dem Bunker abgezogen,
wobei die in jedem der Förderrohre transportierte
Feststoffmenge über eine pneumatische Einschnürdüse dosiert
werden kann. Der Durchfluß in den einzelnen Förderrohren
wird durch gesonderte Meßsonden erfaßt, die an
einen Sollwert-Vergleicher angeschlossen sind. Ein Rechner
wertet die Ergebnisse aller Meßsonden aus und steuert den
Oberdruck im Druckbehälter durch entsprechende Dosierung
eines Kompensationsgases, falls die Gesamtförderung in den
Förderrohren zu groß oder zu gering sein sollte. Dieses
Verfahren ist für die Dichtstromförderung von Feststoff-
Trägergas-Suspensionen nicht geignet, da die staubförmigen
Feststoffe nicht in dem für eine Dichtstromförderung
notwendigen Maß vor ihrem Eintritt in die Förderrohre
fluidisiert werden.
Aus der DE-OS 25 54 565 ist schließlich ein Verfahren zur
Druckvergasung von feinkörnigen Brennstoffen bekannt, bei
dem z. B. Kohlenstaub aus einem mit einem Füllstandsregler
ausgestatteten Druckbehälter zusammen mit einem Fördergas
einem Vergasungsreaktor zugeführt wird. In der Brennstoffleitung
ist eine Einrichtung zur Messung des in einem bestimmten
Leitungsquerschnitt vorhandenen Brennstoffes angeordnet,
die nach dem Prinzip der Absorption elektromagnetischer
Strahlung durch den Brennstoff arbeitet. Aus
den gemessenen Größen wird in einem Prozeßrechner der
Kehrwert gebildet. Der im Druckbehälter enthaltene Brennstoff
wird durch Einführen eines Fluidisierungsgases in
dessen Unterteil verwirbelt und mittels eines im Druckbehälter
angeordneten Injektors durch einen weiteren Teilstrom
des Fördergases in die zum Vergasungsreaktor führende
Förderleitung injiziert. Die Hauptmenge des Fördergases
wird direkt in die Suspension eingeführt. Dieses bekannte
Verfahren ist ebenfalls nur für die pneumatische
Förderung von Suspensionen mit geringem Feststoffanteil
konzipiert und für die sogenannte Dichtstromförderung nicht anwendbar.
Da ferner lediglich die Fließdichte der Suspension
stromab der Einführung des Fördergases in die Rohrleitung
gemessen wird, kann der Feststoff-Massenstrom
nicht mit der gewünschten Genauigkeit erfaßt werden.
Bei der Förderung von Feststoff-Trägergas-Suspensionen im
Dichtstrom, d. h. mit relativ hohen Feststoffkonzentrationen
im Bereich von 300 kg Feststoff pro Kubikmeter Fördergas,
besteht das Problem, daß sich Änderungen der Reaktorleistung
und damit der Brennstoffmengen auf die Beschaffenheit
der im Dichtstrom geförderten Feststoff-Trägergas-
Suspension auswirken. Beispielsweise verändert sich
der Zustand eines Fluidisierungsbettes im Druckbehälter
mit dem im Behälter herrschenden Druck, so daß Druckschwankungen
den Fluidisierungszustand des Feststoffes im
Behälter und auch in der Förderleitung unmittelbar beeinflussen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren
zur Massenstromregelung aufzuzeigen, das auch bei
Feststoff-Trägergas-Suspensionen hoher Feststoffkonzentration
eine verbrauchsabhängige genaue Dosierung der in den
Vergasungsreaktor eingeführten Kohlenstaubmengen ermöglicht,
und zwar ohne nachteilige Beeinflussung der Suspensionseigenschaften.
Zwei Lösungen dieser Aufgabe sind im kennzeichnenden Teil
der Ansprüche 1 und 2 angegeben.
Für die Dichtstromförderung kann ein definierter Zusammenhang
zwischen dem aus einem Druckbehälter ausströmenden
Kohlenstaubvolumen und dem einströmenden Gasvolumen unter
Berücksichtigung der strömungstechnisch erforderlichen
Fließdichte ρf 1 im Förderrohr abgeleitet werden. Ausgehend
von der Schüttdichte ρS des Kohlenstaubs im Druck-
bzw. Dosierbehälter muß die nach Gleichung (1) zu ermittelnde
Gasmenge ≙G(N) über einen Fluidisierboden zugeführt
werden, um die geforderte Fließdichte ρf 1 in der
Strömung für einen bestimmten Massenstrom ≙K aufrechtzuerhalten:
T, p sind die Temperatur bzw. der Druck im Druckbehälter; ≙G ist die Fluidisiergasmenge imBetriebszustand; ≙G(N) ist die Fluidisiergasmenge im Normalzustand; ρS, ρK sind die Schüttdichte bzw. die Korndichte des
Feststoffs; ρG ist die Gasdichte im Betriebszustand.
Im Betrieb bildet sich im Unterteil des Druckbehälters ein
Fluidbett aus, wobei das gesamte Fluidisierungsgas den
Druckbehälter mit der Feststoffströmung verläßt.
Zur Kompensation der über dem Fluidbett nachrutschenden
Schüttung, zur Aufrechterhaltung des Förderdrucks und zur
eigentlichen Massenstromregelung wird das Kompensationsgas
VKG in den Oberteil des Druckbehälters zugeführt, dessen
Menge sich nach Gleichung (2) bestimmt:
≙KG ist die Kompensationsgasmenge im Betriebszustand.
Die Massenstromregelung reduziert sich auf die Regelung
der einzigen Variablen ≙KG, wenn die Fluidisierungsgasmenge
≙G nach Gleichung (1) mit den Sollgrößen ≙K Soll,
ρf 1 Soll und den Festwerten ρG(N), ρK, ρS ermittelt und
dem Fluidisierungsgasregler als Festwertführungsgröße eingegeben
wird. Bei Massenstromschwankungen verändert sich
die Fließdichte ρf 1 zwar mit, jedoch stabilisiert sie
sich zwangsläufig mit der Nachregelung des Massenstroms
über das Kompensationsgas. Das Kompensationsgas wird über
der Schüttung in den Druckbehälter oder bei Füllstandskonstanz
im Druckbehälter mittels Schleuse eingeführt, aus
der die Feststoffschüttung über ein Zellenrad in den
Druckbehälter eingetragen wird. Über die Regelung der
Fließdichte ρf 1 kann auch trotz Massenstromänderungen
bzw. -schwankungen die Dichte konstant gehalten werden.
Diese Regelung ist für große Einheitenleistungen besonders
geeignet, wo ein Förderrohrmindestdurchmesser und eine davon
abhängige Mindestfördergeschwindigkeit für einen stabilen,
stetigen Dosierbetrieb gesichert sind (Rohrdurchmesser
≤10 mm, vS ≤3,0 m/s bei Dichtstrom für Brunkohlenstaub),
und für ein Ein- und Mehrrohregime bei Förderrohren
gleicher Fördercharakteristik und gleichbleibender
Förderleistung.
Bei kleineren Einheiten bzw. geringeren Förderleistungen
wird zur Vermeidung der für die Dichtstromförderung kritischen
Minimalgeschwindigkeiten zwischen dem Druckbehälter
und dem Reaktor lediglich der Differenzdruck PdC 1 mittels
des Kompensationsgases ≙KG konstant gehalten. Dieser Differenzdruck
PdC 1 ist größer als es für den maximalen Massenstrom
erforderlich ist. Die Drosselung des Massenstroms
≙Ki in jedem Förderrohr erfolgt mittels der Injektionsgasmenge
≙SG, die über einen Mischapparat 14 in das Förderrohr 8
eingeführt wird. Die Menge an eingeführtem Injektionsgas
ergibt sich aus einem Vergleich des gemessenen Massenstroms
mit einem eingestellten Sollwert. Es sollte stets
eine bestimmte Mindestmenge ≙SG an Injektionsgas auch bei
maximaler Förderung zugeführt werden, um die Massenstrommessung
zu gewährleisten und um eine kritische minimale
Fördergeschwindigkeit vS nicht zu unterschreiten. Es ist
bei dieser Regelung zweckmäßig, die Fließdichte ρf 1 bis
zur Massenstrommeßstrecke relativ hoch einzustellen, damit
zur Erzielung einer großen Meßgenauigkeit im Mischapparat
eine große Dichteänderung ρf 1 - ρf 2 erreicht wird und
trotzdem Dichtstrom erhalten bleibt. Aus diesem Grunde ist
es vorteilhaft, die Fluidisierungsgasmenge ≙G nicht nach
der gemessenen Dichte ρf 1 zu regeln, denn bei einer hohen
Dichte kann die Fluidisierungsgasmenge leicht nach Null
gehen und eine kritische Fließdichte verursachen, sondern
gemäß Gleichung (1) als Führungsgröße vorzugeben, so daß
eine Fluidisierung gewährleistet bleibt.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand
der Zeichnung erläutert. Es zeigt
Fig. 1 ein Blockschema der Massenstromregelung
mittels Kompensationsgas;
Fig. 2 ein Blockschema der Massenstromregelung
mittels Injektionsgas.
Bei dem Verfahren nach Fig. 1 sollen 30 000 kg/h Braunkohlenstaub
mit einer Schüttdichte ρS von 500 kg/m³ und
einer Korndichte ρK von 1400 kg/m³ aus einem Dosiergefäß
1, dessen Füllstand LICH mittels eines Zellenrads 11 konstant
gehalten wird, über eine Förderleitung 8 zu einem
Vergasungsreaktor 5 transportiert werden und zwischen 30
und 100% regelbar sein. Die optimale Fließdichte des Förderstromes
soll ρf 1 = 300 kg/m³ betragen. Als Fluidisiergas
2 und Kompensationsgas 3 wird Stickstoff mit einer
Normdichte ρG(N) = 1,25 kg/m³ verwendet. Im Dosiergefäß 1
herrscht ein Druck p von 3,0 MPa und eine Temperatur T von
293 K. Die Druck- und Temperatur-Meßstellen befinden sich
unmittelbar am Ausgang des Dosiergefäßes 1.
In einem Prozeßrechner 4 wird der Volumenstrom ≙G(N) an
Fluidisiergas nach den o. g. Gleichungen für die Massenstrom-Regelbreite
von 30 bis 100% zu 383 bis
1277 m³ i. N./h ermittelt. Ein Variantenwahlschalter 13 ist
über Signalleitungen mit dem Prozeßrechner 4
und über einen Regler 7 mit einem Fließdichtemesser QIC in
der Förderleitung 8 verbunden. Je nach Stellung des Wahlschalters 13 erhält das
Stellglied M des Ventils 12 den Stellwert vom Regler 7
oder vom Rechner 4.
Gemäß Gleichungen (2), (2.1) ergibt sich ein benötigter
Volumenstrom ≙KG(N) von 487 bis 1624 m³ i. N./h. Das Kompensationsgas
wird über eine Rohrleitung 10 auch der mit dem
Dosiergefäß 1 verbundenen Zellenradschleuse zugeführt. Die
Zufuhr an Kompensationsgas 3 wird durch einen Regler 6 und
ein mit diesem verbundenen Ventil 9 geregelt, und zwar
auf der Grundlage des Massenstroms ≙K in der Förderleitung
8, der von einer Meßeinrichtung FIC erfaßt wird.
Bei dem Verfahren nach Fig. 2 sollen 800 kg/h Braunkohlenstaub
über ein Förderrohr 8 mit einer lichten Weite von
14 mm aus dem Dosiergefäß 1 zum Reaktor 5 mittels Luft
(ρG(N) = 1,293 kg/m³) bei einem Überdruck von 0,2 MPa
und einer Temperatur von 293 K gefördert werden. Die
Schüttdichte ρS des Braunkohlenstaubes beträgt 500 kg/m³
und die Korndichte ρK 1400 kg/m³. Die Fließdichte ρf 2
stromab eines in das Förderrohr 8 eingeschalteten Mischgeräts
14 soll mit Rücksicht auf den geringen Förderrohrquerschnitt
260 kg/m³ betragen. In einem Prozeßrechner 16
wird der Massenstrom ≙K der Suspension im Förderrohr 8 berechnet.
Der Dichteregler 7 ist mit dem Stellglied M des
Ventils 12 sowie mit dem Dichtemesser QIC im Förderrohr 8
verbunden. Über das Regelventil 12 wird eine Fließdichte
ρf 1 von 400 kg/m³ vor dem Mischgerät 14 eingestellt. Die
Fördergeschwindigkeit vS beträgt vor dem Mischgerät
3,6 m/s und hinter diesem 5,6 m/s. Durch Verändern des Volumenstroms
≙SG des über das Mischgerät 14 in das Förderrohr
8 eingeführten Injektionsgases wird der Massenstrom
≙K erhöht oder vermindert. Die zur Aufrechterhaltung eines
konstanten Differenzdruckes PdC1 zwischen dem Dosiergefäß
1 und dem Reaktor 5 erforderliche Kompensationsgasmenge 3 ≙KG wird mittels des druckgesteuerten Ventils 9 dem Dosiergefäß
1 oder der Schleuse über die Rohrleitung 10 zugeführt.
Der Füllstand im Dosiergefäß 1 soll mittels Füllstandsregelung
LICH und dem Zellenrad 11 konstant gehalten
werden. Die Differenzdruckhöhe PdC1 ergibt sich aus dem
maximalen Massenstrom und der Förderrohrlänge.
Anspruch[de]
1. Verfahren zur Regelung des Massenstroms einer Kohlenstaub-
Trägergas-Suspension hoher Feststoffkonzentration,
bei welchem der Kohlenstaub im unteren Teil mindestens
eines abgeschlossenen Druckbehälters durch Einführen eines
Fluidisiergases fluidisiert und über mindestens eine Rohrleitung
in einen unter geringerem Druck stehenden Vergasungsreaktor
gefördert wird und
bei dem in den oberen Teil des Druckbehälters ein Kompensationsgas
dosiert eingeführt wird,
gekennzeichnet durch
die Kombination folgender für sich bekannter Merkmale
a) die Fließdichte ρf 1 der geförderten Suspension wird
kontinuierlich gemessen,
b) auf der Grundlage der erhaltenen Meßwerte wird der Volumenstrom
≙G(N) des in den Druckbehälter eingeführten
Fluidisiergases geregelt,
c) der Feststoff-Massenstrom ≙K der gefördrten Suspension
wird kontinuierlich gemessen und
d) auf der Grundlage dieser Massenstrom-Meßwerte wird die
in den Druckbehälter eingeführte Kompensationsgasmenge
auf einen dem gewünschten Feststoff-Massenstrom ≙K entsprechenden
Wert eingestellt.
2. Verfahren zur Regelung des Massenstroms einer Kohlenstaub-
Trägergas-Suspension hoher Feststoffkonzentration,
bei welchem der Kohlenstaub im unteren Teil mindestens
eines abgeschlossenen Druckbehälters durch Einführen eines
Fluidisiergases fluidisiert und über mindestens eine Rohrleitung
in einen unter geringerem Druck stehenden Vergasungsreaktor
abgefördert wird,
bei dem in den oberen Teil des Druckbehälters ein Kompensationsgas
dosiert eingeführt wird und
bei dem in die zum Vergasungsreaktor geförderte Kohlenstaub-
Trägergas-Suspension ein Injektionsgas eingeführt
wird,
gekennzeichnet durch die Kombination folgender für sich
bekannter Merkmale
a) die Fließdichte ρf 1 der Suspension in der Rohrleitung
wird kontinuierlich gemessen,
b) auf der Grundlage der erhaltenen Meßwerte wird der
Volumenstrom ≙G(N) des in den Druckbehälter eingeführten
Fluidisiergases geregelt,
c) durch Messen der Fließdichte ρf 1 und ρf 2 der geförderten
Suspension jeweils stromauf und stromab der Injektionsgaseinführung
sowie des Volumenstroms ≙SG des
Injektionsgases wird der Feststoff-Massenstrom ≙K errechnet,
d) durch Regelung des Volumenstroms ≙SG des Injektionsgases
wird der in den Vergasungsreaktor eingetragene
Feststoff-Massenstrom ≙K auf den jeweils gewünschten
Sollwert eingestellt.
