Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Reduzierung des Wassergehaltes von wasserhaltiger, körniger Braunkohle unter Einwirkung von thermischer Energie und Druck auf das beetmäßig flächig verteilte Material.

Verfahren zur Reduzierung des Wassergehalts fossiler Brennstoffe unter Anwendung von mechanischem Druck und thermischer Energie sind bisher nur für Torf bekannt geworden. Torf ist der geologisch jüngste natürliche Brennstoff, er ist durch einen hohen Wassergehalt von 85-95% ausgezeichnet. Im Unterschied zur Braunkohle enthält Torf noch Anteile an Zellulose, so daß das Wasser nur mit geringen Kräften an die Feststoff Substanz gebunden ist und daher größtenteils durch einfaches Auspressen entfernt werden kann. Ein derartiges Verfahren ist aus der DE-PS 3 59 440 bekannt. In dieser Patentschrift ist ein Verfahren zum Entwässern von Torf und dergleichen beschrieben, bei dem das zu entwässernde Material mit einer Kolbenpresse in Schichten von geringer Stärke vorgepreßt, nach Aufhebung des Druckes der Wirkung von hochgespanntem Dampf ausgesetzt und darauf einer Endpressung unterworfen wird. Von besonderer Bedeutung ist dabei der Verfahrensschritt- in den das Material dem Dampf ausgesetzt wird, wobei der das Material enthaltende Raum, begrenzt durch einen Preßkolben durch dessen Zurückziehung so erweitert wird, daß sich das Material in diesem Raum ausdehnen kann, wodurch ein Auflockern des Preßkuchens durch die Einwirkung des Dampfes ermöglicht wird. Aufgrund dieses Aufiockerns des Preßkuchens kann sich der in dem betreffenden Verfahrensschritt zugeführte, hochgespannte Dampf leicht Wege durch den

Preßkuchen bahnen und dabei das aufgelockerte Material wegdrücken, so daß sich Kanäle ausbilden können, durch die große Mengen des Dampfes praktisch ohne Einwirkung auf das Material hindurchströmen. Durch die Vorpressung, die in kaltem Zustand des Materials erfolgt, wird diesem kalt abpressbares Wasser entzogen, das in Torf größtenteils als Oberflächenwasser in erheblicher Menge enthalten ist. Dabei ist jedoch darauf zu achten, daß diese Vorpressung mit keinem zu hohen Druck erfolgt, da sonst ein fester Preßkuchen entsteht, in den der Dampf nicht mehr ohne weiteres eindringen kann.

Handelt es sich um die Entwässerung von Braunkohle, so ist davon auszugehen, daß dieses Material kein freies Wasser enthält. In Braunkohle ist Wasser vielmehr molekular gebunden und kann nicht kalt ausgepreßt werden.

Braunkohlen weisen einen Wassergehalt von bis zu 65 Gew.-% auf. Bei der Verbrennung dieser Braunkohlen in Kraftwerken muß ein erheblicher Anteil der eingesetzten Braunkohle entweder direkt oder die adäquate Wärmemenge aus den Verbrennungsgasen zur Verdampfung des Wassers aufgewendet werden. Dieser Anteil kann je nach Wassergehalt bis zu 22 % betragen. Dieser Energieverlust läßt sich verringern, wenn der Wassergehalt der Rohbraunkohle vor der Verbrennung in einem effizienten Trocknungs- oder Entwässerungsverfahren reduziert wird. Zusätzlich verringert sich durch den vorgeschalteten Trocknungsschritt die Größe der im Kraftwerk installierten Kessel sowie der nachgeschalteten Anlagenteile. Für die Verstromung von Braunkohle mit hoher Feuchte läßt sich der Gesamtwirkungsgrad des Kraftwerksprozesses durch die Vorschaltung eines energetisch günstigen Verfahrens zur Entfernung des Wassers deutlich verbessern.

Für die Reduzierung des Wassergehaltes von Braunkohle sind Verfahren und Vorrichtungen bekannt, die in den Artikeln "Braunkohle 39 (1987) Heft 3, S. 46/57" und "Braunkohle 39 (1987) Heft 4, S. 78/87" und in den darin als Quelle angegebenen Patentschriften beschrieben werden. Hier werden als Verfahren die thermische Trocknung durch Verdampfung und die thermische Entwässerung durch Einleitung von Heißdampf in die in einem Autoklaven enthaltene Braunkohle in einer Druckatmosphäre von ca. 3,0 MPa genannt (Fleißner-Verfahren). Die hierdurch erwärmte Braunkohle wird nach Entleeren des Autoklaven in einem Trockenkohlenbunker überführt, wo die thermisch entwässerte Braunkohle durch Nachbelüftung zur Abkühlung gebracht und hierbei nachgetrocknet wird.

Schwierigkeiten beim Einsatz der bekannten Verfahren zur Reduzierung des Wassergehalts von Braunkohle in Großkraftwerken bestehen darin, daß durch den benötigten hohen Braunkohledurchsatz der apparative

Aufwand und/oder der Energieverbrauch sehr groß wird. Bei den

Verfahren zur thermischen Entwässerung wurden trotz geringerem spezifischen Energieverbrauch im Vergleich zur thermischen Trocknung bisher keine kommerziellen Erfolge erzielt. Der Nachteil der thermischen

Entwässerung besteht insbesondere darin, daß für die kontinuierliche

Durchführung Druckschleusen oder Rotationsventile und

Hochdruckpumpen für den Ein- und Austrag der Braunkohle eingesetzt werden müssen. Desweiteren muß bei dem bekannten thermischen Entwässerungsverfahren die Sattdampftemperatur des zur Aufheizung der

Braunkohle benötigten Dampfes dem erforderlichen hohen Druck der

Druckatmosphäre entsprechen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bei den bekannten Verfahren auftretenden Nachteile durch Energieeinsparung und

Verringerung des technischen Aufwandes zu vermeiden.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die Merkmale des Patentanspruchs 1.

Mit diesem thermisch/mechanischen Entwässerungsverfahren gelingt es, Braunkohle mit geringem Aufwand an thermischer und mechanischer Energie sowohl kontinuierlich als auch diskontinuierlich in hohem Maße zu entwässern. Die Erwärmung des unter dem Anfangsflächendruck stehenden Braunkohlebeetes bewirkt das Ablaufen physikalischer und chemischer Vorgänge durch die die Bindung der in der Kohle enthaltenen Wassermoleküle gelockert wird. Das Wasser kann damit in flüssiger Form aus den Kapillaren und Poren der Kohle ausströmen und somit leicht ausgepreßt werden. Damit wird im Vergleich zu den thermischen Trocknungsverfahren die Energie zur Verdampfung des Wassers eingespart.

Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber dem bekannten Verfahren zur thermischen Entwässerung besteht darin, daß keine Druckschleusen, Ventile oder Hochdruckpumpen zur kontinuierlichen Ein- bzw. Austragung der Braunkohle und der entwässerten Braunkohle notwendig sind. Damit entfallen die Elemente, die eine Störquelle darstellen können und die einen kontinuierlichen Betrieb der Entwässerung erschweren. Die Sattdampftemperatur des zugeführten Wasserdampfes kann durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Verfahrens unter der dem maximalen Flächendruck entsprechenden Sattdampftemperatur hegen. Des weiteren sind wegen der Filterwirkung des Braunkohlebeets und der niedrigen Sattdampftemperatur der Feststoffgehalt des ausgepreßten Wassers sowie das Verhältnis des CSB-Wertes zum BSB^Wert geringer als die in der Literatur angegebenen Werte geringer der bekannten Verfahren.

3 -

Die allgemeinen Anforderungen an einen großtechnischen Entwässerungsprozeß wie geringe Investitionskosten, geringer Platzbedarf, großer Durchsatzleistung, eine mögliche kontinuierliche Betriebsweise, hohe Betriebs- und Anlagensicherheit, Umweltverträglichkeit, geringer Handhabungsaufwand und ein möglichst geringer Energieverbrauch werden von dem erfindungsgemäßen Verfahren erfüllt.

In der Betriebsphase vor der Erhöhung des Flächendrucks gibt sich eine besonders gleichmäßige Erhitzung des Materials, da das unter dem Anfangsflächendruck stehende Material eine Art Filterkuchen bildet, der dem eingeleiteten Dampf einen gleichmäßigen Widerstand bietet und daher diesen gleichmäßig durch das Material hindurch leitet. Dabei kann der Druck des Wasserdampfes in der Größenordnung der jeweiligen mechanischen Druckbelastung liegen, z.B. bei 0,4 MPa.

Während der Auspressung kann man den Flächendruck auf die Braunkohle ändern, insbesondere erhöhen, um das Verfahren an die jeweilige Gegebenheiten des Materials günstig anpassen zu können. Dabei hat sich als zweckmäßig erwiesen, für den maximalen Flächendruck einen Wert von mindestens etwa 2 MPa zu wählen.

Vorteilhaft wird der Wasserdampf überhitzt, um ein sofortiges Kondensieren des Wasserdampfes an seiner Eintrittsstelle in das Material zu vermeiden. Diese Uberhitzung beträgt mindestens etwa 10° C. Aufgrund dieser Überhitzung ergibt sich weiterhin der Vorteil, daß im Bereich der Zuführung des Wasserdampfes über Zuführrohre und dergleichen nicht vorab schon eine Kondensation eintritt.

Um dem Wasserdampf eine gute Einwirkungsmöglichkeit auf das Material zu geben, wird dieses vorteilhaft vor seiner flächigen Verteilung auf eine

Korngröße von höchstens etwa 20 mm gebrochen. Durch eine Vorheizung des Materials kann man den Energiebedarf für die Durchführung des Verfahrens weiterhin vermindern. Hierzu verwendet man zweckmäßig Abwärme oder als Abwärmquelle auch das im Verfahren aus dem Material ausgepreßte Wasser.

Um bezüglich der Einwirkung des zugeführten Wasserdampfes und der Möglichkeit einer intensiven Auspressung günstige Verhältnisse zu schaffen, gibt man der beetmäßigen Verteilung des Materials eine mittlere Höhe, die in einer sich nach der Druckbelastung ergebenden Preßhöhe von mindestens ca. 0,2 m resultiert. Im Falle der Anwendung des Verfahrens auf Braunkohle bedeutet dies, daß die mittlere Höhe der beetmäßigen Verteilung vor der Druckbelastung etwa in einem Bereich zwischen 0,4 m und 1 m liegt. Es hat sich als günstig erwiesen, daß die sich nach der Druckbelastung ergebende Preßhöhe höchstens ca. 0,6 m beträgt.

Um das Verfahren möglichst schnell durchführen zu können, gestaltet man es zweckmäßig so, daß der Flächendruck stetig auf das Material einwirkt.

Durch die beetmäßige Ausbreitung der körnigen Braunkohle auf einer Preßunterlage und unter Aufprägung eines Anfangsflächendruckes entsteht eine nahezu homogene Packung, die dem zur Erwärmung zugeführten Wasserdampf einen über die Beetfläche ausreichend gleichmäßigen Strömungswiderstand entgegensetzt.

Dabei erfolgt die Zuführung des Wasserdampfes in günstiger Weise derart, daß die Erwärmung der Braunkohle auf Prozeßtemperatur in einer Kondensationszone des Wasserdampfes erfolgt, die in einer zur

Beetoberfläche nahezu parallelen Ebene liegt und sich senkrecht zu dieser Ebene in das Beet hinein fortpflanzt. Die Dampfzuführung kann so gestaltet werden, daß dann, wenn die Kondensationszone die äußere Begrenzungsfläche erreicht, das gesamte Beetmaterial erwärmt ist. Auf diese Weise wird ein Dampfaustritt vermieden, ohne daß aufwendige Absperrvorrichtungen erforderlich werden; es genügt vielmehr, das Beetmaterial durch Wände so zu stützen, daß das Material nicht nach außen wegfließt.

Durch die konsequente Nutzung der Vorteile, die sich aus den Durchströmungseigenschaften einer Schüttung mit einer korngrößen¬ spezifischen Schichtung und einer Vorverdichtung für die Durchführung des Verfahrens ergeben, gelingt es, die zur Optimierung der Entwässerung von Braunkohlen unterschiedlicher Provenienz erforderliche Anpassung hinsichtlich Prozeßtemperatur und Aufheizgeschwindigkeit vorzunehmen. Dies wird zweckmäßig dadurch erreicht, daß der Durchströmungs¬ widerstand der Deck- und/oder Bodenschicht des Kohlebeetes dadurch verändert wird, daß diese Schicht entweder aus Kohle mit geringer Körnung gebildet wird, oder, insbesondere bei Durchführung des Verfahrens mit der Plattenpresse nach Anspruch 20, entsprechend vorverdichtet wird.

Das Verfahren läßt sich sowohl kontinuierlich mit ortsabhängiger

Druckbelastung in einer Durchlaufpresse als auch diskontinuierlich mit einer zeitabhängigen Druckbelastung in einer Plattenpresse durchführen.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des kontinuierlichen Verfahrens in einer Durchlaufpresse geschieht zweckmäßig mittels einer

Doppelbandpresse mit einem unteren und einem oberen Förderband sowie einem Einlaufbereich für eine beetmäßig, flächig verteilte Aufnahme

des Materials und dessen zunehmender Verdichtung sowie einer Vielzahl von Dampfzuführlanzen im Einlaufbereich, die vom Beet des Materials umschlossen sind. Doppelbandpressen mit einem unteren und einem oberen Förderband werden beispielsweise in Zusammenhang mit der kontinuierlichen Herstellung von Spanplatten verwendet. Eine derartige Doppelbandpresse ist z.B. in der DE OS 40 10308 offenbart.

Um dem ausgepressten Wasser eine günstige Austrittsmöglichkeit zu geben, ist mindestens das untere Förderband einer solchen Doppelbandpresse mit Durchlässen für den Abzug des ausgepressten Wassers versehen. Dabei kann das obere Förderband höhenverstellbar angeordnet und mit Presselementen versehen sein, deren Preßkraft einstellbar ist. Hierdurch läßt sich die Doppelbandpresse an verschiedene Betriebsbedingungen anpassen.

Zweckmäßig werden die Förderbänder beheizt, um auch über die Förderbänder zusätzlich Wärme dem Feststoffmaterial zuführen zu können.

Für die Durchführung des Verfahrens im diskontinuierlichen Betrieb verwendet man zweckmäßig eine Plattenpresse mit Preßstempel und Preßunterlage, die das beetmäßig flächig verteilte Material aufnimmt, wobei mindestens die Preßunterlage mit Öffnungen für die Zuführung des Wasserdampfes und mit Auslässen für das ausgepreßte Wasser versehen ist.

Auch im Falle der Verwendung einer Plattenpresse ist es zweckmäßig, Preßstempel und Preßunterlage zu beheizen, um auf diesem Wege zusätzlich Wärme dem Material zuzuführen.

Es sei noch darauf hingewiesen, daß sich das erfindungsgemäße Verfahren und die betreffende Vorrichtung auch zur Entwässerung von Torf und Klärschlamm eignet.

Die Erfindung wird nachstehend an Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine als kontinuierlich arbeitende Durchlaufpresse verwendete Doppelbandpresse,

Fig. 2 eine Plattenpresse für den diskontinuierlichen Betrieb vor dem Beginn der Auspressung,

Fig. 3 die gleiche Plattenpresse von der Betriebslage des Auspressens.

Fig. 1 zeigt den Braunkohlebunker 1, der auf eine bestimmte Teilchengröße vorgebrochene Braunkohle enthält. Im Kohlebunker 1 können Dampf- bzw. Heißwasserzuführleitungen bzw.

Wäπneaustauscherflächen eingebaut werden, die eine Vorheizung der Kohle ermöglichen. Die vorgebrochene Braunkohle wird aus dem Kohlebunker 1 beetmäßig auf das gestrichelt gezeichnete untere Förderband 2, durch das die Kohle in Pfeürichtung transportiert wird, verteilt. Über dem Förderband 2 der dargstellten Doppelbandpresse bewegt sich ein ebenfalls gestrichelt gezeichnetes oberes Förderband 3 (Druckband) in Pfeilrichtung vorwärts, dessen Geschwindigkeit mit der des Förderbandes 2 nahezu übereinstimmt. Der Abstand zwischen Förderband 2 und Förderband 3 wird in Laufrichtung im Einlaufbereich 8 geringer und ermöglicht damit die Druckerhöhung auf das Kohlebeet 4. Das Förderband 3 ist je nach Durchsatzmenge und Wassergehalt der Braunkohle in seinem gesamten Verlauf über kraftübertragende

Preßelemente 5 höhenverstellbar. Zwischen Förderband 2 und Förder¬ band 3 sind eine Vielzahl von in das sich bewegende punktiert gezeichnete Kohlebeet 4 hineinragende Dampfzuführlanzen 6 angeordnet, deren Dampfaustrittsöffnungen an einer Stelle im Einlaufbereich 8 enden, in der der Druck auf die Kohle unter dem maximalen Flächendruck im Verlauf der Förderbänder 2 und 3 liegt. Der aus den Dampfzuführlanzen 6 austretende Wasserdampf gibt seine Wärme an die Kohle ab und kondensiert dabei. Durch die Vielzahl der in der Länge verschiedenen und in der Höhe verschieden angeordneten Zuführlanzen 6 wird eine relativ gleichmäßige Erwärmung des Kohlebeetes 4 gewährleistet.

Diese Wärmeeinwirkung bei gleichzeitig fortschreitender Druckerhöhung im Einlaufbereich 8 hat die nachstehenden chemischen und physikalischen Vorgänge zur Folge, bei denen sich die kolloidale Struktur der Braunkohle sowie die Wassereigenschaften ändern:

Physikalische Vorgänge:

gleichmäßige Durchwärmung des Kohlekorns, - Zusammenbruch der Kapillarstruktur gekoppelt mit:

Volumenschwund der in den plastischen Zustand versetzten Braunkohle,

Verfestigung des Kohlegefüges, - Auspressen des Wassers aus den Kapillaren in flüssiger Form begünstigt durch:

Expansion des Kohlewassers bei gleichzeitiger Herabsetzung der Viskosität, - Änderung der Oberflächeneigenschaften (hydrophil

hydrophob) als Folge der ablaufenden chemischen Vorgänge, - Auswaschen der Ascheanteile, insbesondere von Alkalisalzen

Chemische Vorgänge:

Abbau von sauerstoffhaltigen funktionellen Gruppen unter Freisetzung von C0 ₂ ,

Einsetzen des thermischen Abbaus der Braunkohle unter Freisetzung von CH ₄ und höheren Kohlenwasserstoffen.

Die Entwässerung der Braunkohle wird im wesentlichen durch die folgenden Einflußgrößen bestimmt:

Durchsatzmenge bzw. Schichthöhe, - Korngröße der Braunkohle,

Wassergehalt der Braunkohle,

Druck,

Temperatur,

Verweilzeit.

Je nach Durchsatzmenge, Korngröße und Wassergehalt der Braunkohle können die Parameter Druck und Temperatur über das höhenverstellbare Förderband 3 sowie über den Wasserdampfdruck bzw. die Temperatur des zugeführten Heizdampfes eingestellt werden. Im Verlauf des ersten Verfahrensabschnittes (Einlaufbereich 8) wird das Kohlebeet 4 von oben über das Förderband 3 mittels stetig steigender, mechanisch aufgeprägter Kräfte druckbelastet. Nach Erreichen einer festzulegenden maximalen Flächenbelastung tritt das verfestigte Kohlebeet 4 in den darauffolgenden Verfalirensabschnitt ein, in dem der von dem oberen Förderband 3 ausgeübete Druck konstant gehalten oder nur leicht variiert wird. Die

Druckeinwirkung hat in Zusammenhang mit der erhöhten Temperatur zur Folge, daß freies und freigesetztes Wasser aus dem Kohlebeet 4 ausgepreßt und über Durchlässe 7 am Förderband 2 und wahlweise zusätzlich am Förderband 3 in einer oder mehreren Stufen abgezogen werden kann. Das aus den Durchlässen 7 austretende heiße Wasser bzw. ein Teilstrom dieses Wassers kann zur Vorheizung der Braunkohle verwendet werden.

Die am Ende der Doppelbandpresse austretende bis zu einem bestimmten Feuchtegehalt entwässerte Kohle kann mit Hilfe einer Einrichtung in Stücke mit vorgegebener Größe geteilt und auf einem weiterführenden Förderband über eine bestimmte Wegstrecke zu Mühlen transportiert werden, in denen die Kohle auf die für die Verbrennung oder Vergasung benötigte Korngröße zerkleinert wird.

Fig. 2 zeigt eine Plattenpresse mit der Preßunterlage 9 und dem Preßstempel 10. Die Preßunterlage 9 ruht auf hier nur prinzipiell dargestellten Stützen 11 und 12. Der Preßstempel 10 hängt an dem Stößel 13, der von einem hier nicht dargestellten Preßmechanismus auf- und abgeschoben wird. Bei der Gestaltung dieser Plattenpresse handelt es sich im Prinzip um Stand der Technik.

Die Preßunterlage 9 ist hier wannenartig ausgebildet, so daß in ihr das Feststoffmaterial 14 in beetmäßig, flächiger Verteüung aufgebracht werden kann. Preßunterlage 9 und Preßstempel 10 sind mit Wasserauslässen 15 und 16 sowie Dampfzuführungsöffnungen 21 und 22 versehen, wodurch bei in Fig. 3 dargestellter geschlossener Plattenpresse dem Feststoffmaterial 14 Wasserdampf zugeführt und austretendes Wasser abgeführt werden kann. Die Wasserauslässe 15 und 16 und die Dampfzuführungsöffnungen 21 und 22 sind über Kanäle 17 und 18 bzw.

23 und 24 mit dem Boden der Preßunterlage 9 und der Stirnseite des Preßstempels 10 verbunden, so daß ausgepreßtes Wasser abfließen und Wasserdampf in das Feststoffmaterial 14 einströmen kann.

Auf dem Boden der Preßunterlage 9 und auf der Stirnseite des Preßstempels 10 ist je ein engmaschiges Sieb 19 bzw. 20 aufgelegt, das den Wasser- bzw. Dampfdurchtritt gestattet, aber den Eintritt von Feststoffmaterial in die Kanäle 17 und 18 bzw. 23 und 24 verhindert, so daß diese nicht verstopft werden können.

Fig. 3 zeigt die Plattenpresse gemäß Fig. 2 in geschlossener Lage, in der der Preßstempel 10 gegen die Preßunterlage 9 abgesenkt ist und das Feststoffmaterial 14 zusammendrückt. Bei dem dabei zunächst auf das Feststoffmaterial 14 wirkenden gegenüber dem Maximaldruck abgesenkten Druck wird Wasserdampf über die Dampfzuführungsöffnungen 21 und 22 in dem Feststoffmaterial 14 eingeleitet, wodurch dieses erwärmt wird. Sodann wird der von dem Preßstempel 10 bewirkte Druck auf das Feststoffmaterial 14 auf den Maximaldruck erhöht, so daß nunmehr das in dem Feststoffmaterial 14 enthaltene Wasser ausgepreßt wird und über die Auslässe 15 und 16 austreten kann. Bezüglich der sich dabei abspielenden Vorgänge und Ergebnisse sei auf die Erläuterungen zu Fig. 1 verwiesen.

Aufgrund des relativ geringen Anlagenaufwandes eignet sich das beschriebene Verfahren insbesondere für den Einsatz in Braunkohle gefeuerten Großkraftwerken. Desweiteren wird durch eine Anwendung des Verfahrens an der Stelle des Braunkohleabbaus je nach Verhältnis des Feuchtegehaltes der Trockenkohle zur Rohbraunkohle der massenbezogene Heizwert erhöht und damit ein wirtschaftlicherer Transport der Braunkohle ermöglicht.