DD208986A5 - METHOD AND APPARATUS FOR GASIFICATION OF CARBONATED MATERIALS - Google Patents
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Abstract
In einem Verfahren zur Vergasung von kohlehaltigem Material zu einer hauptsaechlich aus CO u. H tief 2 bestehenden Gasmischung mit einem Gesamtanteil von CO tief 2 und H tief 2von weniger als 12% wird kohlehaltiges Material in stueckiger Form durch eine Schleuse in einen Reaktor von oben her bis zu einer vorgegebenen Fuellhoehe eingebracht. Das erzeugte Gas wird aus dem Reaktor in einer unter der Oberflaeche des kohlehaltigen Materials liegenden Hoehe abgezogen. Oxydationsmittel und/oder Waermeenergie wird ueber der Oberflaeche des kohlehaltigen Materials, jedoch unter der Hoehe des Gasauslasses des Reaktors zugefuehrt.In a process for the gasification of carbonaceous material to a mainly CO u. H deep 2 existing gas mixture with a total proportion of CO deep 2 and H deep 2von less than 12% carbonaceous material is introduced in a sticky form through a lock in a reactor from above to a predetermined fill level. The generated gas is withdrawn from the reactor in a height below the surface of the carbonaceous material. Oxidant and / or heat energy is supplied above the surface of the carbonaceous material, but below the level of the gas outlet of the reactor.
Description
Verfahren und Anlage zur Vergasung kohlehaltigen Materials Anwendungsgebiet der ErfindungMethod and plant for gasification of carbonaceous material Field of application of the invention
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zur Vergasung kohlehaltigen Materials zu einer hauptsächlich aus CO und H2 bestehenden Gasmischung, welche vorzugsweise einen Gesamtgehalt an CO2 und H2 von weniger als 12 % besitzt.The invention relates to a method and a plant for gasification of carbonaceous material to a mainly consisting of CO and H 2 gas mixture, which preferably has a total content of CO 2 and H 2 of less than 12%.
Es ist seit langem bekannt, Kohle in Schachtöfen und Retorten zu vergasen und auch eine partielle Vergasung im Zusammenhang mit dem Verkoken durchzuführen· Der Nachteil der bekannten Verfahren beruht teilweise darauf, daß es unmöglich war, das Verhältnis zwischen CO und H2 in dem hergestellten Gas zu regeln, wobei der schwerwiegendste lachteil darin zu sehen ist, daß das Gas noch eine Anzahl von unerwünschten Substanzen wie beispielsweise Kohlenstoff, Alkohole, Phenole und Teer enthielt. Letzterer wird hauptsächlich dadurch erhalten, daß die Vergasung bei niedriger Temperatur, d« h. bei Temperaturen unter 1000 0C, und unter reduzierenden Bedingungen stattfindet.It has long been known to gasify coal in shaft furnaces and retorts and also to carry out partial gasification in connection with coking. The disadvantage of the known methods is partly due to the fact that it was impossible to determine the ratio between CO and H 2 in the gas produced The most serious part of the problem is that the gas still contained a number of undesirable substances such as carbon, alcohols, phenols and tar. The latter is mainly obtained by gasification at low temperature, ie. at temperatures below 1000 0 C, and takes place under reducing conditions.
Um diese Nachteile auszuschalten, wurden andere * Verfahren entwickelt, bei denen die Vergasung unter hohen Temperaturen und oxydierenden Bedingungen erfolgt, wie beispielsweise das Koppers-Totzek-Verfahren. Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, daß infolge des thermodynamischen Gleichgewichts der H_0-Gehalt relativ hoch wird, was bedeutet, daß, um es beispielsweise zur Reduktion von Eisenerz verwenden zu können, das hier das auf diese Weise hergestellte Gas zuerst gekühlt, gewaschen und dann erneut erhitzt werden muß* Außerdem sind die Chancen einer Beeinflussung des Verhältnisses zwischen die Vergasung'sanlage verlassendem CO und Hp bei diesem Verfahren äußerst gering.In order to eliminate these disadvantages, other processes have been developed in which the gasification takes place under high temperatures and oxidizing conditions, such as the Koppers-Totzek process. However, this method has the disadvantage that, as a result of the thermodynamic equilibrium, the H_O content becomes relatively high, which means that, for example, to use it for the reduction of iron ore, the gas produced in this way is first cooled, washed and then In addition, the chances of influencing the relationship between the gasification exhaust CO and Hp in this process are extremely low.
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Ziel der Erfindung; Aim of the invention ;
Ziel der Erfindung ist es, die lachteile und Schwierigkeiten der vorgenannten Verfahren zu überwinden.The aim of the invention is to overcome the disadvantages and difficulties of the aforementioned method.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein "Verfahren zu schaffen, daß eine bessere Regelung des Verhältnisses zwischen CO und H2 erlaubt und eine Entfernung der unerwünschten Substanzen ermöglicht.The object of the invention is to provide a "method that allows better control of the ratio between CO and H 2 and allows removal of the undesirable substances.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren erreicht, welches erfindungsgemäß im wesentlichen dadurch' gekennzeichnet ist, daß kohlenhaltiges Material in stückiger Form durch eine Schleusenanordnung von oben her in einen Reaktor, vorzugsweise einen Schachtofen, bis zu einem vorgegebenen Füllstand eingebracht wird, daß das erzeugte Gas aus dem.Schacht in einer Höhe unter der Oberfläche des kohlehaltigen Materials abgezogen wird und daß Oxydationsmittel und/oder Wärmeenergie zugeführt wird, und zwar oberhalb der Oberi^läche des kohlehaltigen Materials und in einer geringeren Höhe des Schachtes, unter der Höhe des Gasauslasses.This object is achieved by a method which is characterized according to the invention essentially by the fact that carbonaceous material is introduced in lumpy form by a lock assembly from above into a reactor, preferably a shaft furnace, to a predetermined level that the gas generated from The shaft is withdrawn at a height below the surface of the carbonaceous material and that oxidizing and / or thermal energy is supplied, above the surface of the carbonaceous material and at a lower height of the shaft, below the height of the gas outlet.
Vorteilhaft wird das erzeugte Gas aus dem Schachtofen in einer Höhe von mehr als 50 cm unter der Höhe, bis zu welcher das kohlehaltige Material eingefüllt ist, abgezogen*Advantageously, the generated gas is withdrawn from the shaft furnace at a height of more than 50 cm below the height to which the carbonaceous material is filled *
Das Oxydationsmittel und/oder die Wärmeenergie werden dem Schachtofen zweckmäßig in einer Höhe annähernd 100 cm unter der Höhe, in welcher das Gas abgezogen wird, zugeführt.The oxidizing agent and / or the heat energy are expediently fed to the shaft furnace at a height approximately 100 cm below the level at which the gas is withdrawn.
Als Oxydationsmittel können H2O, CO2 und/oder sauerstoffhaltiges Gas verwendet werden·As the oxidizing agent, H 2 O, CO 2 and / or oxygen-containing gas can be used ·
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Die Wärmeenergie kann zweckmäßig durch ein Gas zugeführt werden, welches durch einen Plasmabrenner hindurchgeschickt wird·The heat energy may conveniently be supplied by a gas which is passed through a plasma torch ·
Die Wärmeenergie kann aber auch durch teilweise Verbrennung des kohlehaltigen Materials zugeführt werden.The heat energy can also be supplied by partial combustion of the carbonaceous material.
Es kann von Vorteil sein, wenn das Oxydationsmittel der Oberfläche des kohlehaltigen Materials in einer derartigen }&enge zugeführt wird, daß es zumindest einer teilweisen Oxydation der flüchtigen Bestandteile des kohlehaltigen Materials entspricht.It may be advantageous if the oxidizing agent to the surface of the carbonaceous material is supplied in such a} & narrow that it corresponds to at least a partial oxidation of the volatile components of the carbonaceous material.
Dabei können die Mengen von HpO, sauerstoffhaltigern Gas und/ oder COo in dem oxydierenden Gas derart gesteuert werden, daß das erwünschte H2/CO-Verhältnis in dem erzeugten Gas erreicht wird.In this case, the amounts of HpO, oxygen-containing gas and / or COo in the oxidizing gas can be controlled so that the desired H 2 / CO ratio is achieved in the generated gas.
Es ist vorteilhaft, wenn pulverförmiges kohlehaltiges Material zusammen mit dem Oxydationsmittel und der Wärmeenergie in dieser geringeren Höhe in den Schachtofen injiziert wird und stückiges Material, welches Ca und/oder Mg enthält, zusammen mit dem stückigen kohlehaltigen Material zur Bindung von Schwefel zugesetzt wird.It is advantageous that powdery carbonaceous material is injected into the shaft furnace together with the oxidant and heat energy at this lower level, and particulate material containing Ca and / or Mg is added together with the particulate carbonaceous material for sulfur bonding.
Es kann auch zweckmäßig sein, wenn Ca und/oder Mg enthaltendes pulverförmiges Material zusammen mit dem pulverförmigen kohlehaltigen Material zur Bindung von Schwefel zugesetzt wird.It may also be expedient if powdered material containing Ca and / or Mg is added together with the pulverulent carbonaceous material for binding sulfur.
Zweckmäßig wird die Zufuhr von Wärmeenergie derart gesteuert, daß der Äschegehalt im kohlehaltigen Material eine flüssige Schlacke bildet, welche am Boden des Schachtofens abgezogen wird.Suitably, the supply of heat energy is controlled so that the gravel content in the carbonaceous material forms a liquid slag, which is withdrawn at the bottom of the shaft furnace.
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Dabei kann es vorteilhaft sein, daß dem kohlehaltigen Material Schlackenbildner zugesetzt wird, um den Schmelzpunkt und die Viskosität der Schlacke zu steuern.It may be advantageous that the carbonaceous material slag is added to control the melting point and the viscosity of the slag.
Dem kohlehaltigen Material kann auch ein Schlackenbildner zugesetzt werden, um die Zusammensetzung der Schlacke derart zu steuern, daß ein geeignetes Rohprodukt für die Herstellung von Zement erhalten.wird.A slag former may also be added to the carbonaceous material to control the composition of the slag so as to obtain a suitable crude product for the production of cement.
Vorteilhaft wird die flüssige Schlacke granuliert und schnell mit Wasser abgekühlt wird, während sie abgezapft wird.Advantageously, the liquid slag is granulated and rapidly cooled with water while it is being tapped.
Die Zufuhr von Wärmeenergie kann auch derart gesteuert werden, daß der Aschegehalt im kohlehaltigen Material in fester Phase bleibt und als festes Nebenprodukt im unteren Teil des Schachtofens abgegeben wird.The supply of heat energy can also be controlled so that the ash content in the carbonaceous material remains in solid phase and is discharged as a solid by-product in the lower part of the shaft furnace.
Das kohlehaltige Material kann'vollkommen oder teilweise aus Kohle, Koks, Preßkoks, Holz, teilweise verkohltem Holz, Holzkohle, Lignit oder Torf bestehen.The carbonaceous material may be wholly or partially composed of coal, coke, caoutchouc, wood, partially charred wood, charcoal, lignite or peat.
Die Vergasung erfolgt vorteilhaft unter einem über Atmosphärendruck liegenden Druck·The gasification is advantageously carried out under a pressure above atmospheric pressure ·
Die erfindungsgemäße Anlage zur Vergasung kohlehaltigen Materials zu einer hauptsächlich aus CO und H2 bestehenden Gasmischung zur Durchführung des Verfahrens besteht aus einem Reaktor in Form eines Schachtofens mit einer oberen Schleuse für die gasdichte Zufuhr von kohlehaltigem Material in stückiger Form bis zu einer vorgegebenen Füllhöhe im Schachtofen, einem Schlackenabzug am Boden des Schachtes und einer mit einem GasauslaS für das erzeugte Gas versehenen Ringtrommei, welche in einer Höhe über der vorgegebenen Hohe angeordnet ist, bis zu welcher das feste Material eingefüllt ist.The plant according to the invention for gasification of carbonaceous material to a mainly consisting of CO and H 2 gas mixture for carrying out the method consists of a reactor in the form of a shaft furnace with an upper lock for the gas-tight supply of carbonaceous material in particulate form up to a predetermined filling height in the shaft furnace a slag discharge at the bottom of the shaft and a ring drum provided with a gas outlet for the generated gas, which is arranged at a height above the predetermined height to which the solid material is filled.
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Die Zufuhranordnungen von Wärmeenergie und/οder Oxydationsmitteln, sind unter dem Gasauslaß und/oder über der Oberfläche des Pestmaterials angeordnet.The heat energy and / or oxidizer feed arrangements are located below the gas outlet and / or above the surface of the plague material.
Weiterhin ist ein Plasmabrenner für die Zufuhr von Wärmeenergie vorgesehen.Furthermore, a plasma torch for the supply of heat energy is provided.
Der Schlackenabzug besteht vorteilhaft aus einem umlaufenden Ausgabetisch.The slag removal advantageously consists of a circulating discharge table.
Erfindungsgemäß erfolgt die Vergasung bei hoher Temperatur und unter oxydierenden Bedingungen, und gleichzeitig passiert da3 anfänglich hergestellte Gas ein heißes Koksbett oder ein Bett aus koksartigem Material, woraufhin sein HpO-Gehalt mit Kohlenstoff reagiert und H2 und CO bildet. Außerdem erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren eine Steuerung des CO/Hp-Verhältnisses, da über Plasmabrenner Wärmeenergie zugeführt werden kann, so daß das Verhältnis zwischen" Hop,' CO9 und O0 im oxydierenden Gas innerhalb weiter Grenzen variiert werden kann·According to the invention, the gasification is carried out at high temperature and under oxidizing conditions, and at the same time the initially produced gas passes through a hot coke bed or a bed of coke-like material, whereupon its HpO content reacts with carbon and forms H 2 and CO. In addition, the inventive method allows control of the CO / Hp ratio, since heat energy can be supplied via plasma torches, so that the ratio between "Hop," CO 9 and O 0 in the oxidizing gas can be varied within wide limits.
Die Erfindung wird nachstehend anhand zweier in der beiliegenden Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele im einzelnen erläutert; es zeigen:The invention is explained below with reference to two illustrated in the accompanying drawings embodiments in detail; show it:
Fig. 1: eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anlage im Längsschnitt; und1 shows a schematic representation of a system according to the invention in longitudinal section; and
Fig. 2: eine in Bezug auf das Unterteil des Reaktors abgewandelte Ausführung der Anlage gemäß Fig. 1. FIG. 2 shows a modified embodiment of the system according to FIG. 1 with respect to the lower part of the reactor. FIG.
Die in Fig. 1 dargestellte Anlage und die Abwandlung gemäß Fig. 2 bestehen aus einem Schachtofen 1, der am Boden mitThe plant shown in Fig. 1 and the modification of FIG. 2 consist of a shaft furnace 1, which at the bottom with
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Rohrleitungen 2 und Plasmabrennern 3 versehen ist, welche vorzugsweise symmetrisch rund um den Schachtofen 1 angeordnet sind» Diese Rohrleitungen sind mit Speiseeinrichtungen für ein Oxydiermittel wie beispielsweise Sauerstoff, HpO oder CO9 und möglicherweise pulverigeres kohlehaltiges Material versehen· Oberhalb dieser Rohrleitungen ist der Schachtofen 1 mit einer kreisringförmigen Trommel 4 mit einem Gasauslaß 5 für den Abzug von im. Schachtofen erzeugtem Gas versehen. Der Schachtofen 1 besitzt oben eine gasdichte Schleuse β für die Zufuhr von kohlehaltigem Material in stuckiger Porin sowie eine Rohrleitung für den Anschluß eines Plasmabrenners 7 und Zufuhrlanzen 8, 9 für ein Oxydationsmittel. Zufuhreinrichtungen 11, 12 für die eventuell erforderliche Zufuhr eines besonderen Oxydationsmittels münden in den Schacht in einer Höhe zwischen der Oberfläche 10 des festen Materials im Schacht 1 und der kreisringförmigen Trommel 4· Um das Verfahren.mit flüssiger Schlacke oder fenster Asche durchführen zu können, ist das Unterteil des Schachtofens 1 entweder mit einem Abzugskanal 13 (3?ig« 1) für Schlacke oder einem sich drehenden Ausgabetisch 14 (Pig. 2) versehen. Die dargestellte Anlage arbeitet folgendermaßen:Pipes 2 and plasma torches 3 are provided, which are preferably arranged symmetrically around the shaft furnace 1 »These pipes are provided with feeders for an oxidizing agent such as oxygen, HpO or CO 9 and possibly powdered carbonaceous material · Above these pipelines, the shaft furnace 1 with an annular drum 4 with a gas outlet 5 for the withdrawal of the. Shaft furnace produced gas provided. The shaft furnace 1 has at the top a gas-tight lock β for the supply of carbonaceous material in stucco Porin and a pipe for the connection of a plasma torch 7 and feed lances 8, 9 for an oxidant. Feeders 11, 12 for the possibly required supply of a special oxidant open into the shaft at a height between the surface 10 of the solid material in the shaft 1 and the annular drum 4 · In order to perform the procedure with liquid slag or window ash is the lower part of the shaft furnace 1 either with a discharge channel 13 (3'ig «1) for slag or a rotating output table 14 (Pig. 2) provided. The system shown works as follows:
Um die erwünschte Vergasung durchzuführen, wird das kohlehaltige Material in stückiger Porm eventuell zusammen mit einem Schwefelbinder wie beispielsweise Dolomit durch die Schleuse 6 in den Schachtofen 1 bis zu einer vorgegebenen Höhe eingebracht. Wärmeenergie wird durch einen oder mehrere Plasmabrenner 3 bzw. 7 Zugeführt und gleichzeitig wird Oxydationsmittel wie beispielsweise O2, CO2 oder H2O über Zufuhreinrichtungen 2 bzw. S bzw. 9 zugeführt. Das kohlehaltige Material in stückiger Form, welches aus. Kohle, Koks, Lignit, künstlicher Kohle oder teilweise verkohltem Holz usw. bestehen kann, wird infolgedessen unter oxydierenden Bedingungen einer hohen Temperatur unterworfen, woraufhin dieIn order to perform the desired gasification, the carbonaceous material in particulate Porm is possibly introduced together with a sulfur binder such as dolomite through the lock 6 in the shaft furnace 1 to a predetermined height. Heat energy is supplied by one or more plasma torches 3 and 7, respectively, and at the same time oxidizing agents such as O 2 , CO 2 or H 2 O are fed via feeders 2, S and 9, respectively. The carbonaceous material in particulate form, which consists of. Coal, coke, lignite, charcoal or partially charred wood, etc., is consequently subjected to a high temperature under oxidizing conditions, whereupon the
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flüchtigen Bestandteile frei werden und mit dem Oxydationsmittel reagieren, wobei 3ie hauptsächlich CO und E^ erzeugen, während der nichtflüchtige Teil verkokt wird und ein festes koksartiges Produkt in stückiger Form bildet. Wichtig ist, daß ein Überschuß an Oxydationsmittel zugesetzt wird, um die Bildung von Ruß zu verhindern· Oxydationsmittel, welches mit β,βΏ. flüchtigen Bestandteilen des kohlehaltigen Ma- ^ terials nicht reagiert hat, kann weiter unten im Schacht-1W'' ofen 1 mit dem erzeugten Koks reagieren und zusätzlich CO und möglicherweise HpO bilden· Die im oberen Teil des Schachtofens über der Höhe der kreisringförmigen Trommel gebildeten Produkte sind daher Produkte, welche dem Koks ähneln, der seinen Weg durch den Schachtofen nach unten fortsetzt, sowie ein gasförmiges Produkt, welches hauptsächlich aus CO und Kp besteht und den Schachtofen 1 durch die Ringtrommel 4 verläßt. Die Temperatur an der Oberfläche des kornigen Materials im Schachtofen kann etwa 2000 0C erreichen, während das den Schachtofen durch die Ringtrommel 4 verlassende Gas eine Maximaltemperatur von 1500 0C besitzt. Es ist auch möglich, die erforderliche Wärmeenergie durch teilweise Verbrennung des kohlehaltigen Materials mit Sauerstoff zuzufügen, statt einen Plasmabrenner zu verwenden* : Eine Anzahl von Rohrleitungen 2 sind rund um das Unterteil des Schachtofens 1 angeordnet, welche entweder mit Plasmabrennern oder mit Zufuhreinrichtungen für Sauerstoff sowie mit Zuführeinrichtungen für ein Oxydationsmittel und eventuell pulverigem kohlehaltigen Material bestückt sind. In dieser Höhe wird sowohl das nach unten durch den Schacht fallende koksartige Material, welches eingeblasen wurde, vollständig vergast. Alles C0p und H2O, welches die Reaktionszone kurz vor der Rohrleitung verläßt, kann weiter oben im Schacht mit dem klumpigen Material auf seinem Weg nach unten reagieren und dabei hauptsächlich CO und Hp erzeugen. Das hauptsächlich aus CC und Hp" bestehende Gas kann den Schachtofen durch die Ringtrommel 4 verlassen.Volatile components are released and react with the oxidizing agent, 3ie mainly produce CO and E ^, while the non-volatile part is coked and forms a solid coke-like product in particulate form. It is important that an excess of oxidizing agent is added to prevent the formation of soot · oxidizing agent , which with β, βΏ. Fugitive components of the carbonaceous mate- terial material may react further downhole in the shaft 1 W '' furnace 1 with the coke produced and additionally form CO and possibly HpO · The formed in the upper part of the shaft furnace above the height of the annular drum Products are therefore products that resemble the coke that continues down the shaft furnace down its path, as well as a gaseous product which consists mainly of CO and Kp and leaves the shaft furnace 1 through the ring drum 4. The temperature at the surface of the granular material in the shaft furnace can reach about 2000 0 C, while the shaft furnace through the ring drum 4 leaving gas has a maximum temperature of 1500 0 C. It is also possible to add the required heat energy by partial combustion of the carbonaceous material with oxygen, instead of using a plasma torch * : A number of conduits 2 are arranged around the bottom of the shaft furnace 1, either with plasma torches or with oxygen feeders as well equipped with feeders for an oxidizing agent and possibly powdery carbonaceous material. At this level, both the coke-like material falling down through the shaft and being blown, are completely gasified. All C0 p and H 2 O, which leaves the reaction zone just before the pipeline can react on its way down and thereby mainly produce CO and Hp further up the shaft with the lumpy material. The gas consisting mainly of CC and Hp can leave the shaft furnace through the ring drum 4.
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Es kann ratsam sein, Schlackenbildner in dieser Höhe durch die Materiallanzen 2 zuzuführen und die Viskosität und den Schmelzpunkt der Schlacke und/oder Schwefel-Absorptionsmittel, welche Ca und/oder Mg enthalten wie beispielsweise Dolomitpulver, zu regeln« Es ist auch möglich, die Wärmezufuhr über Plasmabrenner in dieser Höhe durch teilweise Verbrennung des kohlehaltigen Materials mittels Sauerstoff su ersetzen.It may be advisable to feed slag formers at this level through the material lances 2 and to control the viscosity and melting point of the slag and / or sulfur absorbents containing Ca and / or Mg such as dolomite powder. It is also possible to control the heat input Replace plasma torch at this altitude by partially burning the carbonaceous material using oxygen.
Falls eine flüssige Schlacke gewünscht wird, so müßte die Temperatur in der Reaktionszone vor den Rohrleitungen 2 im unteren Teil des Schachtofens auf über 1o00 C gehalten werden. Wenn die Anlage mit fester Asche betrieben wird, so müJ3te diese Temperatur unter 1400 0C gehalten werden.If a liquid slag is desired, the temperature in the reaction zone in front of the pipelines 2 in the lower part of the shaft furnace would have to be kept above 10 000C. If the system is operated with a fixed ash, so müJ3te this temperature be kept below 1400 0 C.
Das vorbeschriebene Verfahren zur Vergasung von kohlehaltigem Material bietet beträchtliche Möglichkeiten einer Regelung des Hp/CO-Verhältnisses im erzeugten Gas, und zwar teilweise, da das Verhältnis von CO/EgO im Oxydationsmittel.reguliert werden kann, und teilweise durch Aufteilung der Wärmezufuhr zwischen teilweiser Verbrennung und durch Plasmabrenner.The above-described process for gasification of carbonaceous material offers considerable possibilities of controlling the Hp / CO ratio in the gas produced, in part because the ratio of CO / EgO in the oxidant can be regulated, and partly by dividing the heat input between partial combustion and by plasma torches.
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