Dampfwirbelschichttrocknung

+ 𝑏 (𝑃_{𝑚𝑒𝑐ℎ}

𝑃_{𝑚𝑒𝑐ℎ,0}) + 𝑐 mit

𝑎 -0,0236 𝑏 0,0349 𝑐 0,9886

2.8 Dampfwirbelschichttrocknung

Zur Beschreibung des Betriebsverhaltens eines Dampfwirbelschichttrockners fu r Braunkohle sind die Abha ngigkeiten folgender Parameter zu erfassen:

- Trocknerlast

2.8 Dampfwirbelschichttrocknung - Druck im Trockner (kohleseitiger Systemdruck)

- Temperatur der Wirbelschicht - Prozessdampfdruck

- Wassergehalt der TBK

- Bru denverluste aufgrund von Leckage

- Bru denverluste aufgrund von Nachentwrasen Wassergehalt der Trockenbraunkohle

Der verbleibende Wassergehalt der TBK ha ngt wesentlich vom kohleseitigen Systemdruck und der U berhitzung der Wirbelschicht ab und ist durch soge-nannte Desorptionsisobaren beschrieben. Die U berhitzung der Wirbelschicht entspricht der Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur der Wirbel-schicht 𝑇_𝑊𝑆 und der dem kohleseitigen Systemdruck entsprechenden Satt-dampftemperatur 𝑇_𝑠(𝑝_𝑆𝑦𝑠). Klutz gibt experimentell ermittelte Werte fu r rhei-nische Braunkohle und kohleseitige Systemdru cke zwischen 1,1 und 6 bar an.

Der Wassergehalt der TBK wurde fu r jede Kombination von Druck und Tem-peratur nach ausreichender Verweilzeit in der Dampfatmospha re und an-schließendem Abku hlen auf 60 °C und dem dabei auftretendem Nachverdamp-fungseffekt bestimmt [KLU-08]. An die gemessenen Werte der Desorptionsisobaren werden Funktionen der Form

𝑥_{𝐻2𝑂,𝑎} = 𝑎 (𝑇_𝑊𝑆− 𝑇_𝑠(𝑝_𝑆𝑦𝑠))^𝑛+ 𝑏 (2.12) angena hert, deren Parameter in Tabelle 2.1 dargestellt sind.

Tabelle 2.1: Ergebnisse der Regressionsanalyse

kohleseitiger System-druck in bar

Parameter

𝑎 𝑏 𝑛

1,1 0,80608 -0,55122 -0,08393

2 0,86212 -0,64318 -0,05588

3 0,78449 -0,59349 -0,05090

4 0,55647 -0,36410 -0,07979

5 0,55503 -0,37884 -0,06780

6 0,77718 -0,58940 -0,05731

Die durch Regression ermittelten Desorptionsisobaren sind in Abbildung A.23 dargestellt.

Trocknerlast

Die Trocknerlast wird mit der Verdampfungsleistung des Trockners gleichge-setzt und ha ngt somit vom RBK-Durchsatz, vom Wassergehalt der RBK und vom Wassergehalt der TBK ab. Sind die Trocknergeometrie, der kohleseitige Systemdruck und der RBK-Durchsatz definiert, bleibt der Wassergehalt der TBK als freier Parameter, um die Trocknerlast bestimmen zu ko nnen. Wie oben erwa hnt, ist der Wassergehalt der TBK neben dem kohleseitigen Systemdruck von der U berhitzung der Wirbelschicht abha ngig und diese wiederum von der Trocknerlast, dem Wa rmeu bergang zwischen Wirbelschicht und Heizmedium und der Kondensationstemperatur des Heizmediums.

Die A nderung des Wa rmeu bergangskoeffizienten fu r den Wa rmeu bergang vom Heizmedium auf die Wirbelschicht wurde von Klutz berechnet und mit experimentell ermittelten Werten verglichen. Im Betriebsbereich eines Dampf-wirbelschichttrockners a ndert sich der berechnete Wa rmeu bergangskoeffi-zient in Abha ngigkeit von der Verdampfungsleistung um weniger als 3 %. Die experimentell ermittelten Werte besta tigen die berechneten Werte, zeigen je-doch einen Trend zu geringeren Wa rmeu bergangskoeffizienten bei steigender Verdampfungsleistung, der aber auf eine gro bere Ausmahlung aufgrund einer lastabha ngigen Mu hlencharakteristik zuru ckzufu hren ist [KLU-08].

Entsprechend ergibt sich bei gegebener Trocknergeometrie unter der An-nahme eines von der Trocknerlast unabha ngigen Wa rmeu bergangskoeffizien-ten folgender Zusammenhang fu r die Abha ngigkeit der treibenden Tempera-turdifferenz ∆𝑇 zwischen Kondensationstemperatur des Heizmediums und Wirbelschichttemperatur von der Verdampfungsleistung 𝑃_{𝑉𝑒𝑟𝑑} des Trockners (angegeben als Massenstrom verdampften Wassers):

∆𝑇

∆𝑇₀= 𝑃_{𝑉𝑒𝑟𝑑}

𝑃_{𝑉𝑒𝑟𝑑,0} (2.13)

Das folgende Zahlenbeispiel illustriert die Zusammenha nge: Angenommen wird ein Trockner, der bei einem kohleseitigen Systemdruck von 1,1 bar arbei-tet und TBK mit einem Wassergehalt von 12 % herstellen soll. Nach Glei-chung (2.12) und Tabelle 2.1 muss die Temperatur der Wirbelschicht dafu r 8,9 K u ber der Sattdampftemperatur von 102,3 °C liegen und somit 111,2 °C

2.8 Dampfwirbelschichttrocknung betragen. Liegt die Verdampfungsleistung im Auslegungspunkt bei 110 t/h und die treibende Temperaturdifferenz im Auslegungspunkt bei 30 K, so muss das Heizmedium eine Kondensationstemperatur von 141,2 °C haben, was ei-nem Heizdampfdruck von 3,7 bar entspricht. Wird der Trockner bei 50 % Last betrieben, sinkt die treibende Temperaturdifferenz entsprechend Glei-chung (2.13) auf 15 K, sodass ein Heizdampfdruck von 2,4 bar ausreicht, um den Trockner in diesem Lastpunkt zur Herstellung von TBK mit einem Was-sergehalt von 12 % zu betreiben.

Brüdenverlust durch Nachentwrasen

Die Kohle tritt aus dem Trockner mit der Temperatur der Wirbelschicht aus und muss aus Explosionsschutzgru nden auf eine Temperatur von unter 60 °C abgeku hlt werden. Durch die Ausschleusung der getrockneten Kohle aus dem unter U berdruck stehenden Trockner und aufgrund des Wasserdampf-Partial-druckgefa lles, das beim U bergang von einer reinen Dampfatmospha re in eine Luftatmospha re auftritt, setzt ein Nachverdampfungseffekt (das sogenannte Nachentwrasen) ein. Der Nachentwrasungseffekt ist dabei umso gro ßer, je gro -ßer der kohleseitige Systemdruck des Trockners ist [KLU-08]. Klutz gibt Ergeb-nisse von Gleichgewichtsuntersuchungen fu r den Nachentwrasungseffekt rheinischer Braunkohle in Abha ngigkeit vom kohleseitigen Systemdruck und von der U berhitzung der Wirbelschicht bei der Abku hlung in Umgebungsluft auf eine Temperatur von ca. 60 °C an. Da keine wesentliche Abha ngigkeit des Nachentwrasungseffekts von der U berhitzung der Wirbelschicht zu erkennen ist, wird eine Kennlinie fu r den Nachentwrasungseffekt gebildet, die nur vom kohleseitigen Systemdruck abha ngt:

∆𝑚̇_𝑟𝑒𝑙 = 𝑚̇_{𝑇𝐵𝐾 𝑣𝐸} − 𝑚̇ _{𝑇𝐵𝐾 𝑛𝐸}

𝑚̇ _{𝑇𝐵𝐾 𝑣𝐸} = 𝑎 𝑝_𝑆𝑦𝑠+ 𝑏

𝑎 0,00549

𝑏 0,01945

Die fu r die Systemdru cke gemittelten Messwerte und die Kennlinie sind in Ab-bildung A.24 dargestellt.

Brüdenverlust durch Leckagen

Durch Undichtigkeiten an den Ein- und Austragszellenradschleusen des Trock-ners geht ein Teil der Bru den verloren. Dieser Effekt ist umso gro ßer, je gro ßer der Differenzdruck u ber die Zellenradschleusen ist. Klutz gibt die Summe der

Bru denverluste durch Nachentwrasen und Leckage in Abha ngigkeit vom koh-leseitigen Systemdruck bei der Trocknung von 60 Gew.-% auf 12 Gew.-% an, wobei die Leckagen auf Basis großtechnischer Zellenradschleusen berechnet wurden [KLU-08]. Mit diesen Angaben und den oben erwa hnten Daten fu r die Nachentwrasung la sst sich eine Kennlinie fu r den Bru denverlust aufgrund von Leckagen relativ zum Bru denmassenstrom bilden:

𝑚̇𝐵𝑟ü𝑑𝑒𝑛𝑣𝑒𝑟𝑙𝑢𝑠𝑡

𝑚̇_{𝐵𝑟ü𝑑𝑒𝑛} = (𝑎 𝑝_𝑆𝑦𝑠+ 𝑏) mit 𝑎 0,00573

𝑏 0,00700 Die der Kennlinie zugrundeliegenden Werte und die Kennlinie sind in Abbil-dung A.25 dargestellt. Porsche gibt Werte fu r den Leckagedampfmassenstrom einer DDWT Versuchsanlage mit einer Verdampfungsleistung von 5 t/h im Be-reich von 1 bis 3 bar an [POR-10]. Die erwarteten minimalen Leckagemassen-stro me liegen doppelt so hoch wie die von Klutz angegebenen Daten.