Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Homogenisieren einer Mischung von Festbrennstoff in einer Flüssigkeit. Besonders bevorzugt findet das Verfahren Anwendung bei der Homogenisierung und Dispergierung von Kohlenpartikeln in Kohlenwasserstoffen wie beispielsweise einem leichten Heizöl.
Flüssige Kohlenwasserstoffe wie beispielsweise leichtes Heizöl werden vielfältig in Verbrennungsprozessen eingesetzt. Beispielsweise wird leichtes Heizöl oftmals in Wohnhäusern zur Beheizung und zur Wärmebereitstellung in Industrie und Gewerbe eingesetzt. Auch im Kraftwerksbereich wird leichtes Heizöl als Zünd- oder Stützbrennstoff eingesetzt. Es besteht das Bedürfnis einer Änderung der Brennstoffe, insbesondere auch im Hinblick auf Kostengesichtspunkte. Beispielsweise könnte Kohle, insbesondere Braunkohle, mit Heizöl gemischt als Brennstoff zur Wärmebereitstellung in Industrie und Gewerbe eingesetzt werden. Jedoch ist es in diesem Zusammen erforderlich, eine Entmischung von Festbrennstoff und Heizöl zu verhindern. Eine solche könnte zu Beschädigungen der Feueranlagen führen oder die Verbrennung erst gar nicht ermöglichen.
Aus der
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zumindest teilweise zu überwinden und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit dem eine Mischung eines Festbrennstoffs in einer Flüssigkeit erzeugt werden kann, die eine hohe Homogenität in Bezug auf die Verteilung der Feststoffpartikel in der Flüssigkeit und in Bezug auf die Korngrößenverteilung des Festbrennstoffs erreicht und mit denen es möglich ist, eine nicht entmischende Mischung von Festbrennstoff in Flüssigkeiten zu erzeugen.
Diese Aufgaben werden gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Die jeweiligen abhängigen Ansprüche sind auf vorteilhafte Weiterbildungen gerichtet.
Die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in beliebiger, technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können durch erläuternde Sachverhalte aus der Beschreibung ergänzt werden, wobei weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Homogenisieren einer Mischung von Festbrennstoff in einer gemäß Anspruch 3.
Die Eingangsmischung umfasst Festbrennstoffpartikel, die in einer Flüssigkeit dispergiert sind. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es möglich, diese Brennstoffpartikel fein zu dispergieren, wobei der mittlere Teilchendurchmesser signifikant verringert und die Verteilung der Festbrennstoffpartikel in der Flüssigkeit vergleichmäßigt wird. Bevorzugt ist hierbei eine Verfahrensführung, bei der in Verfahrensschritt 1.c der Druck der Mischung um einen Faktor von bis zu 200, besonders bevorzugt von bis zu 400 und insbesondere sogar von bis zu 500 verringert wird. Dies bedeutet, dass der Quotient des Drucks der Eingangsmischung vor der Querschnittsverengung zum Druck der Ausgangsmischung stromabwärts der Querschnittsverengung im Bereich von 150 und 500 liegt. Bevorzugt ist eine Verfahrensführung mit einem Druck von 2000 bar absolut stromaufwärts der Querschnittsverengung und von 5 bis 10 bar absolut stromabwärts der Querschnittsverengung. Bevorzugt ist die Querschnittsverengung so gestaltet, dass die Strömungsgeschwindigkeit im Spalt bei mehr als 100 m/s [Meter pro Sekunde] liegt.
Durch die schlagartige Entspannung beschleunigt die Mischung beim Durchtreten durch die Querschnittsverengung, es kommt zu Stößen der Festbrennstoffpartikel aneinander und an den Wänden bzw. Begrenzungen im Förderbereich. Durch diese werden die Festbrennstoffpartikel zerkleinert. Unter dem Begriff Querschnittsverengung wird verstanden, dass die Mischung vor Eintritt in die Querschnittsverengung einen durchströmbaren Querschnitt durchströmen kann, der größer ist als der durchströmbare Querschnitt in der Querschnittsverengung. Insbesondere wird unter der Querschnittsverengung ein Spalt verstanden, durch den die Mischung strömen muss. Bevorzugt ist eine Ausgestaltung, bei der sich die Querschnittsverengung einen Spalt einer Spalthöhe von weniger als 1 mm [Millimeter], bevorzugt von weniger als 0,5 mm, insbesondere von weniger als 0,2 mm aufweist. Bevorzugt ist eine Verfahrensführung, bei der der frei durchströmbare Querschnitt stromaufwärts der Querschnittsverengung, die Größe der Querschnittsverengung, also der frei durchströmbare Querschnitt der Querschnittsverengung und der frei durchströmbare Querschnitt stromabwärts der Querschnittsverengung so gewählt werden, dass ein Druckabfall von etwa 200 bis 400 bar absolut stromaufwärts der Querschnittsverengung auf 1 bis 6 bar absolut stromabwärts der Querschnittsverengung erfolgt. Bevorzugt ist die Querschnittsverengung so gestaltet, dass der Strom der Mischung beim oder nach Durchtreten der Querschnittsverengung gegen mindestens eine Prallfläche gelenkt wird.
Bevorzugt sind die Strömungswege der Mischung so gestaltet, dass die Mischung nach Durchströmen der Querschnittsverengung auf ein Prallelement trifft, welches weiter zur Verringerung der Partikeldurchmesser führt. Gleichzeitig sorgt die bei Durchtreten durch die Querschnittsverengung entstehende turbulente Strömung zu einem Aufbrechen gegebenenfalls vorliegender laminarer oder pseudo-laminarer Strömungsprofile, es kommt zu einer Durchmischung der Mischung, wodurch eine Vergleichmäßigung der Partikelverteilung in der Flüssigkeit und eine Vergleichmäßigung der Partikelgrößenverteilung erreicht wird.
Unter einem Festbrennstoff wird insbesondere ein kohlenstoffhaltiger Festbrennstoff verstanden. Bevorzugt handelt es sich bei dem Festbrennstoff um Kohle wie Braunkohle, Steinkohle oder Holzkohle, insbesondere um Braunkohle, bevorzugt in der Form von Braunkohlenstaub oder Braunkohlenkoks. Weitere mögliche Festbrennstoffe sind Bitumen, Asphalt, Teer, Torf, Xylit und Braunkohlenkoks.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst die Flüssigkeit mindestens einen der folgenden Stoffe:
Unter einem Kohlenwasserstoff werden Verbindungen verstanden, die Kohlenstoff und Wasserstoff umfassen, die insbesondere aus Kohlenstoff und Wasserstoff bestehen. Vorteilhaft einsetzbar ist das erfindungsgemäße Verfahren bei einer Flüssigkeit umfassend mehrere Kohlenwasserstoffe unterschiedlicher Kettenlängen. Solche Flüssigkeiten treten regelmäßig bei bestimmten Destillationsstufen in der Erdölraffination auf. Besonders vorteilhaft hat sich das erfindungsgemäße Verfahren zum Homogenisieren von Festbrennstoff wie insbesondere Braunkohle in so genanntem leichten Heizöl erwiesen. Bevorzugt handelt es sich dabei um leichtes Heizöl nach der Deutschen Industrienorm DIN 51603. Dieses kann neben Kohlenwasserstoffen auch ein oder mehrere Additive umfassen.
Ein Lösungsmittel, welches mit Wasser ein azeotropes Gemisch bildet, stellt beispielsweise Toluol dar. Unter einem azeotropen Gemisch wird ein Gemisch verstanden, welches nicht durch gewöhnliche Destillation getrennt werden kann. Lösungsmittel, welche mit Wasser ein azeotropisches Gemisch bilden, können zur Entwässerung von Kohle eingesetzt werden, da mit diesen in der Kohle gebundenes Wasser herausgelöst werden kann. Dies ist gleichermaßen mit anderen Festbrennstoffen möglich. Ein Beispiel für ein solches Lösungsmittel ist Toluol.
Weiterhin ist es möglich, dass die Flüssigkeit auch Wasser enthält, bevorzugt Wasser ist. Durch die Homogenisierung von Festbrennstoffpartikeln, insbesondere von Kohlepartikeln in Wasser, können in vorteilhafter Weise Fremdbestandteile aus der Kohle herausgelöst werden, welche im weiteren Verfahren schädlich für Folgeprodukte sind. So können zum Beispiel Alkalimetalle wie Natrium, die in Wasser löslich sind, aus den Festbrennstoffpartikeln herausgelöst werden. Da das erfindungsgemäße Verfahren eine Vergrößerung der gesamten Oberfläche der Festbrennstoffpartikel durch die Verringerung des Durchmessers und eine gleichmäßigere Verteilung der Festbrennstoffpartikel im Wasser bewirkt, verbessert sich die Menge an herausgelösten Fremdbestandteilen erheblich. Somit kann das erfindungsgemäße Verfahren als Vorstufe für ein Demineralisationsverfahren benutzt werden, wie es beispielsweise in der
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist die Eingangsmischung eine Eingangskorngrößenverteilung und die Ausgangsmischung eine Ausgangskorngrößenverteilung auf, die sich in mindestens einem der folgenden Faktoren unterscheiden:
Unter der Korngrößenverteilung wird die Wahrscheinlichkeitsverteilung verstanden, die die Wahrscheinlichkeit des Auftretens einer bestimmten Korngröße angibt. Unter dem Erwartungswert wird der Wert der Korngröße verstanden, der sich in der Regel bei oftmaligen Stichproben ergibt. Unter der Lage des Maximalwerts der Korngrößenverteilung wird jene Korngröße verstanden, für deren Auftreten die höchste Wahrscheinlichkeit vorliegt. Unter der Breite bei halber Korngrößenverteilung wird die Breite der Korngrößenverteilung bei der Hälfte des Maximalwerts der Korngrößenverteilung verstanden.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren kann insbesondere der Druckunterschied über die Querschnittsverengung, also die Differenz des Drucks stromaufwärts und stromabwärts der Querschnittsverengung so eingestellt werden, dass der Erwartungswert und/oder die Lage des Maximalwerts der Korngrößenverteilung sich hin zu kleineren Korngrößen verschieben, also die Eingangsmischung einen Erwartungswert und/oder eine Lage des Maximalwerts der Korngrößenverteilung aufweist, der kleiner ist als der entsprechende Wert der Ausgangskorngrößenverteilung. Zudem wird der Unterschied des Drucks im Vergleich zu einer Position stromaufwärts der Querschnittsverengung zu einer Position stromabwärts der Querschnittsverengung und/oder die Größe der Querschnittsverengung so eingestellt, dass die Breite bei halber Höhe der Korngrößenverteilung sinkt. Bevorzugt ist hierbei eine Verfahrensführung, bei der der Quotient der Breite bei halber Höhe der Eingangskorngrößenverteilung zur Breite bei halber Höhe der Ausgangskorngrößenverteilung im Bereich von 20 bis 100 liegt, bevorzugt beträgt dieser Quotient mindestens 10.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ändert sich in Schritt 1.c die Strömungsrichtung der Mischung mindestens einmal um mindestens 30°.
Es hat sich gezeigt, dass es vorteilhaft ist, den Strömungsweg, den die Mischung beim erfindungsgemäßen Verfahren zurücklegt, so zu gestalten, dass mindestens eine signifikante Umlenkung der Strömungsrichtung erfolgt, bevorzugt sogar zwei und mehr Änderungen der Strömungsrichtung. Besonders bevorzugt sind dabei Änderungen der Strömungsrichtung etwa im rechten Winkel oder mehr. Durch die entsprechenden Kollisionen bei der Umlenkung kommt es zu einer weiteren Reduktion der Teilchengröße der Festbrennstoffpartikel und zur Bildung von turbulenten Strömungen, die eine weitere Vermischung der Mischung begünstigen.
Weiterhin bedingen scharfe Richtungsänderungen der Strömung ein Aufbrechen eventueller laminarer oder quasi-laminarer Strömungen oder Randströmungen. Hierdurch wird eine weitere Homogenisierung der Verteilung der Partikel in der Flüssigkeit erreicht, da turbulente Strömungen erzeugt werden, die zu einer Durchmischung der Flüssigkeit führen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist mindestens einer der folgenden Parameter einstellbar:
Alternativ oder zusätzlich ist auch die Druckerhöhung bzw. das Maß der Druckerhöhung bei der Förderung in Schritt 1.b einstellbar, beispielsweise durch entsprechende Wahl und Ansteuerung der Fördermittel. Durch die Einstellung der Größe der Querschnittsverengung und/oder des Druckaufbaus vor Durchströmen der Querschnittsverengung kann in vorteilhafter Weise die Korngrößenverteilung der Ausgangskorngrößenverteilung der Ausgangsmischung eingestellt werden. Das heißt, durch Einstellung der Größe der Querschnittsverengung und/oder des Drucks kann die mittlere Korngröße und/oder die Breite der Korngrößenverteilung der Ausgangsmischung variabel eingestellt werden. Weiterhin kann so eine einer Vorgabe entsprechende Verteilung der Festbrennstoffpartikel in der Flüssigkeit erreicht werden. Es ist also hierüber auch die Homogenität der Verteilung der Partikel in der Flüssigkeit einstellbar.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist die Querschnittsverengung durch mindestens ein Sitzventil gebildet.
Der Einsatz eines Sitzventils erlaubt, durch Einstellung der Spaltgröße der Ventilöffnung, also des Spalts zwischen Ventilkörper und Ventilsitz, eine Variation der Größe der Querschnittsverengung. Dies kann durch entsprechende Maßnahmen wie beispielsweise eine Änderung der Vorspannung einer Feder, mit der der Ventilkörper gegen den Ventilsitz gepresst wird oder unter Variation eines Hinterdrucks, mit dem der Ventilkörper gegen den Ventilsitz gepresst wird, erreicht werden. Durch Änderung dieser Parameter kann so die Größe der Querschnittsverengung auf vorgebbare Werte eingestellt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt der Feststoffanteil der Eingangsmischung bei 50 Gew.-% und mehr.
Insbesondere handelt es sich bei dem Festbrennstoff um Kohle wie Braunkohle oder Steinkohle und besonders bevorzugt um Braunkohle. Die Anmelderin hat festgestellt, dass trotz der abrasiven Eigenschaften der Kohle und der relativen Härte der Festbrennstoffpartikel mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine gute Verringerung der Korngröße und eine gute Homogenisierung erreicht wurden. Bevorzugt liegt der Feststoffanteil der Eingangsmischung und damit auch der Ausgangsmischung im Bereich von 50 Gewichts-% bis 80 Gewichts-%, besonders bevorzugt im Bereich 50 Gew.-% bis 70 Gew.-%.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Eingangsmischung vor oder während Schritt 1.a. vorgemischt.
Dies kann insbesondere durch einen statischen Mischer oder einen Mischer mit Rührwerk erfolgen. Durch eine Vormischung kann erreicht werden, dass die Homogenisierung der Ausgangsmischung weiter verbessert wird, da es sich gezeigt hat, dass die Mischeffizienz ebenso wie die Effizienz des Verkleinerungsprozesses der Festbrennstoffpartikel in der Flüssigkeit höher ist, wenn die Eingangsmischung vorgemischt wird. Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum Homogenisieren einer Mischung von Festbrennstoff in einer Flüssigkeit vorgeschlagen, gemäß Anspruch 1.
Unter dem Fördermittel wird erfindungsgemäß eine Kolbenpumpe ausgebildet in einem Gehäuse der Vorrichtung verstanden. Der Einsatz einer Kolbenpumpe hat im Vergleich zu anderen Pumpen den Vorteil, dass die Fördermenge der Pumpe vom Druck unabhängig ist. Durch Einsatz entsprechender Kolbenpumpen können Drücke von bis zu 2.000 bar vor der Querschnittsverengung erreicht werden. Vorteilhaft sind Fördermittel, bei denen der Druck vor der Querschnittsverengung auf 500 bar und mehr, bevorzugt auf 1000 bar und mehr und besonders bevorzugt auf 1500 bar und mehr erhöht werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren läuft mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ab.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Größe der Querschnittsverengung durch ein Ventil, insbesondere ein Sitzventil, einstellbar.
Durch ein Ventil und insbesondere ein Sitzventil ist es möglich, die Größe der Querschnittsverengung leicht einstellbar zu machen und in gewissen Bereichen variierbar zu halten. Insbesondere hat sich ein Sitzventil als bevorzugt geeignet herausgestellt, da dort die Querschnittsverengung durch den Spalt, welcher sich bei geöffnetem Ventil zwischen Ventilsitz und Ventilkörper ergibt, gegeben ist, der somit durch Änderung der Vor-spannung oder zur Öffnung des Sitzventils notwendigen Kraft eingestellt werden kann.
Die im Rahmen des Dokuments für das erfindungsgemäße Verfahren offenbarten Details und Vorteile lassen sich auf die erfindungsgemäße Vorrichtung übertragen und anwenden und umgekehrt. Im Folgenden soll die Erfindung anhand der beigefügten Figuren näher erläutert werden, ohne dass sie auf die dort gezeigten Details und Ausführungsbeispiele beschränkt wäre. Es zeigen schematisch:
Die entsprechenden Stoffströme sind durch Pfeile 11 gekennzeichnet. Nach Passieren des Förderkammerausgangs 9 strömt die Eingangsmischung auf eine Querschnittsverengung 12 zu. Diese Querschnittsverengung 12 wird durch ein Sitzventil 13 gebildet, welches einen Ventilkörper 14 und einen Ventilsitz 15 umfasst. In diesem Ausführungsbeispiel stellt also die Querschnittsverengung 12 einen Ringspalt dar, dessen Spalthöhe bevorzugt kleiner als 1 mm [Millimeter], besonders bevorzugt bei weniger als 0,5 mm, insbesondere bei weniger als 0,2 mm liegt. Im Betrieb liegt die Querschnittsverengung 12 als ringförmiger Spalt zwischen Ventilkörper 14 und Ventilsitz 15 vor. Stromabwärts der Querschnittsverengung 12 verbreitert sich der durchströmbare Querschnitt für den Stoffstrom 11 erneut, es kommt beim Durchströmen der Querschnittsverengung 12 zu einer Beschleunigung des Stoffstroms 11 und zu einer anschließenden Verlangsamung. Beim Durchströmen der Querschnittsverengung 12 folgt der Stoffstrom 11 dem Strömungspfad 16. Dieser weist jeweils zwei Änderungen der Strömungsrichtung auf. Beim Durchströmen des Strömungspfades 16 wird der Stoffstrom 11 gegen Prallflächen 17 gedrückt, die auch als Umlenkmittel 38 wirken. Diese sind zum einen aus der der Strömung entgegen gewandten Seite des Ventilkörpers 14 und zum anderen durch die neben dem Ventilsitz 15 liegenden Bereiche des Ventilaußenkörpers 18 gebildet. Nach Durchströmen des Strömungspfads 16 wird der Stoffstrom 11 als Ausgangsmischung aus dem Ausgang 19 gefördert. Die Umlenkmittel 38 bewirken also eine zweimalige Umlenkung der Strömung um jeweils 90°.
Die Eingangskorngrößenverteilung 28 weist eine volle Breite bei halber Höhe 34 (full with half maximum) auf. Diese wird bestimmt, indem man einen waagerechten Schnitt durch die Eingangskorngrößenverteilung 28 bei der Hälfte des Maximalwerts 30 bildet und die Breite dieses Schnitts betrachtet. Analog kann eine volle Breite bei halber Höhe 35 der Ausgangskorngrößenverteilung 29 gebildet werden. Die volle Breite bei halber Höhe 34 der Eingangskorngrößenverteilung 28 ist deutlich größer als die volle Breite bei halber Höhe 35 der Ausgangskorngrößenverteilung 29. Das erfindungsgemäße Verfahren führt also zu kleineren Korngrößen der Festbrennstoffpartikel 23 und zu einer schmaleren Ausgangskorngrößenverteilung 29. Gleichzeitig werden durch die Bildung turbulenter Strömungen beim Durchströmen durch die Querschnittsverengung 12 die Teilchen gleichmäßiger verteilt. Auch der Erwartungswert 36 der Eingangskorngrößenverteilung 28 liegt an einem anderen Punkt als der Erwartungswert 37 der Ausgangskorngrößenverteilung 29.
Aufgrund der lokal im Festbrennstoffpartikel vorliegenden Unterschiede der Eigenschaften und des Verhaltens der einzelnen Stoffe der Festbrennstoffpartikel 23 kann durch eine entsprechende Einstellung von Förderdruck 26, Ventilkraft 25 und Größe der Querschnittsverengung 12 erreicht werden, dass nur die festen Kohlenstoffanteile dispergieren, während die Aschebildner nicht dispergiert werden, um diese in einem nachgeschalteten Separationsschritt abtrennen zu können, beispielsweise mit einer Mehrphasendekanter. Bevorzugt wird eine Verfahrensführung gewählt, bei der die entstehende Ausgangsmischung langzeitstabil ist, das heißt sich nicht entmischt. Hierzu werden bevorzugt Flüssigkeiten 24 gewählt, die die gleiche Dichte wie die Festbrennstoffpartikel 23 aufweisen, wobei auch der Einsatz von Additiven zur Veränderung der Dichte der Flüssigkeit 24 möglich und erfindungsgemäß ist. Bevorzugt wird ein solches Additiv gewählt, dass sich die Dichte der Flüssigkeit 24 möglichst der Dichte der Festbrennstoffpartikel 23 angleicht.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 erlauben in vorteilhafter Weise die Bildung einer homogen durchmischten Ausgangsmischung von Festbrennstoffpartikeln 23 in einer Flüssigkeit 24. Diese kann so gestaltet werden, dass im Wesentlichen kein Dichteunterschied zwischen den Festbrennstoffpartikeln 23 und der Flüssigkeit 24 vorliegt, insbesondere auch durch Zugabe von Additiven zu der Flüssigkeit 24. So kann eine nicht entmischende Dispersion von Festbrennstoffpartikeln 23 in Flüssigkeit 24 erzeugt werden, die beispielsweise als Brennstoff bedenkenlos eingesetzt werden kann, ohne dass die Feuerstätten im Vergleich zur Verbrennung der reinen Flüssigkeit 24 erheblich anders ausgestaltet sein müssen.
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde ausschließlich zur Information des Lesers aufgenommen und ist nicht Bestandteil des europäischen Patentdokumentes. Sie wurde mit größter Sorgfalt zusammengestellt; das EPA übernimmt jedoch keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.