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Verfahren zur Wärmebehandlung feingemahlener kohlenstoffhaltiger Stoffe,
die innerhalb eines bestimmten Temperaturbereiches erweichen Die Erfindung bezieht
sich auf die Wärmebehandlung kohlenstoffhaltiger Stoffe, die innerhalb eines bestimmten
Temperaturbereiches erweichen., mittels nicht erweichender, über die Behandlungstemperatur
erhitzter Feststoffe. Beispielsweise lassen sich bituminöse Steinkohle, Teersand
und Asphalt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren verarbeiten.
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Früher wurden feste, kohlenstoffhaltige Stoffe hei höheren Temperaturen
im Festbettzustand behandelt, um flüssige und gasförmige Heizstoffe, wie leichte
Öle, Teere, Steinkohlengas, Generatorgas und Wassergas, zu bilden. Diese Verfahren.
bedingen entweder ein diskontinuierliches Arbeiten oder stellen eine nicht wirtschaftliche
Umwandlung des vorhaaidenen Kohlenstoffs in flüchtige Brennstoffe und Wärme dar.
Der Neigung des Kohlenmaterials, bei der thermischen Behandlung zu verbacken, wurde
bereits bei diesen Verfahren durch den Zusatz eines nicht erweichenden Materials,
wie Koks, vor der Einführung in die Reaktionszone begegnet.
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Durch Überführung der Feststoffe in den sogenannten flüssigkeitsähnlichen
Zustand werden diese Verfahren kontinuierlich. gestaltet, wobei die feingemahlenen
Feststoffe in Flie:ßbettform umgesetzt
und durch Gase in dieseln
Zustand gehalten werden. Diese Technik bringt erwünschte, zusätzliche Vor-' teile,
unter anderen erheblich verbesserte Wärmeverteilung und bequeme Handhabung der Feststoffe.
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Es ist bereits bekannt, bei der Wärmebehandlung kohlenstoffhaltiger,
nicht bacleender Stoffe in derartigen Fließbettverfahren feinzerteilten Koks als
Wärmeträger zu verwenden. Jedoch ergeben sich ernstliche Schwierigkeiten bei der
thermischen Behandlung eines in bestimmten Temperaturbereichen erweichenden Ausgangsmaterials,
wie bituminöser Steinkohle, Teersand., Asphalt und ähnlicher Stoffe. In diesem Bereich
werden flüssige - Produkte in solcher Menge gebildet, daß die gesamte Kohlenmasse
mehr oder weniger vollständig zusammenbacket. Der Grad des Erweichens oder »Schmelzens«
schwankt für die verschiedenen Kohlen in weiten Grenzen von nur einem leichten.
Zusammenbacken einzelner Bestandteile bis zu einem so vollständigen »Schmelzen«,
daß sich die Kohle verflüssigt und deren einzelne Teilchen völlig verschwinden.
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Die Verarbeitung von Kohlen und ähnlichen Stoffen, die: z. B. bei
-der Verkokung, Vergasung, Generato:rgaserzeugung zum Schmelzen neigen, ist außerordentlich
schwierig, weil Idas Schmelzen zu einem übermäßigen Verstopfender Anlagen: führt
sowie zur Kanalbildung in der Masse der R#ealetionsteilnehmer und zu beträchtlichem
Druckabfall in der Anlage beiträgt. Diese Übelstände sind für Fließbettverfahren
besonders erheblich, derenWirksamkeit ein inniges und sehr rasches Vermischen der
in flüssigkeitsähnlichem Zustand befindlichen Feststoffe voraussetzt. Wenn ein bestimmter
Grad des Schmelzens in dem Fließbett auftritt, gehen dessen. flüssigkeitsähnliche
Eigenschaften. verloren, wodurch das Verfahren unwirksam wird.
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Es wurde nun beim Behandeln von, zum Erweichen neigenden kohlenstoffhaltigen.
festen Stoffen im flüssigkeitsähnlichen Zustand festgestellt, daß das Verfahren
wirksam bleibt, wenn jedes Teilchen frischer Kohle vollkommen umgeben von und .innig
mit bei der Wärmebehandlung nicht erweichenden und inerben Feststoffen, z. B. Koks,
vermischt wird.
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Erfindungsgemäß wird die Verfahrensführung folgendermaßen gestaltet:
. Zum Erweichen neigende kohlenstoffhaltige Feststoffe, z. B. bituminöse Steinkohle,
von in flüssigkeitsähnlichen - Zustand überführbarer Teilchen: größe -,verden einer
Misch- und Vorerhitzungszone zugeführt, in die höhererhitzte inerte Feststoffe in
fluidisiertem Zustand eingeleitet -werden und in der sich diese Feststoffe mit dem
Frischgut mischen. Die für die Behandlung (z. B. Schwelung oder Verkokung) der Beschickung
erforderlichen Gase werden dabei nach oben durch die Misch- und Vorerhitzungszone
in .der Weise geleitet, daß sie den erhitzten fluidisierten Feststoff in die Mischzone
durch ihre untere Öffnung hineinzwingen. In der inneren Mischzone herrschen verhältnismäßig
hohe Geschwindigkeiten, so daß die Verweilzeit der vom oberen zum unteren Ende dieser
Zone gehenden Feststoffe nur ausreicht, um die Te:inperatu.r der frischen. Beschickung
auf die Reaktionstemperatur zu erhöhen, welche normalerweise merklich oberhalb der
Erweichungstemperatur liegt. Dieses Erhitzen findet unter solchen Bedingungen statt,
daß jedes Teilchen. .der frischen Beschickung vollkommen von s>trockenem«, nicht
erweichiendem Gut umgeben wird.
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Die für die Behandlung erforderliche Wärme kann als fühlbare Wärme
des vorerhitzten Behandlungsgutes oder durch eine teilweise Verbrennung verbrennbaren
Behandlungsgutes innerhalb der Mischzone oder durch Verbrennung festen Schwelrückstandes
- in einem besonderen Erhitzer und Rückführung des heißen Erhitzerrückstandes zur
Mischzone geliefert werden. Die Erfindung stellt eine weitere.Entwicklüng dieser
früheren Erfindung dar, welche mit größtem Vorteil in Verbindung mit der letzterwähnten
Art der Wärmelieferung angewendet wird.
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Gemäß der Erfindung ist die Mischzone außerhalb der weiträumigen Behandlungszone
(z. B. Schwel- oder Verkoküngszone) angeordnet und besitzt die Form einer injektorartigen
Überführungsleitung, welche in den unteren Teil der Behandlungszone mündet. Der
heiße, bei der Wärmebehandlung nicht erweichende Feststoff, dessen Temperatur vorzugsweise
nicht unterhalb der Behandlungstemperatur liegt, und frische, plastisch werdende
kohlenstoffhaltige Feststoffe werden getrennt der Übertragungsleitung zugeführt
und in diese derart eingeblasen, daß der heiße, bei der Wärmebehandlung nicht erweichende
Feststoff das Frischgut völlig einhüllt. Diese Vermischung der beiden Feststoffe
kann durch einen Injektor erzielt werden. Die der Übertragungsleitung zugeführten
Mengen an heißem, bei der Wärmebehandlung nicht erweichendem Feststoff und Frischgut
sollen derart sein, daß das Verhältnis der ersteren zu den letzteien nicht geringer
als ¢ : z ist.
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Das Frischgut wird augenblicklich in der Übertragungsleitung durch
den heißen, bei der Wärmebehandlung nicht erweichenden Feststoff erhitzt und dann
in flüssigkeitsähnlichem Zustand, völlig vermischt mit und eingehüllt von dem bei
der Wärmebehandlung nicht erweichenden Feststoff, zur Behandlungszone (z: B. Schwel-
oder Verkokungszone) geführt. Gewöhnlich reichen die durch das Erhitzen in der Übertragungsleitung
entwickelten Gase und Dämpfe aus, um das Gemisch fester Stoffe darin und innerhalb
der Behandlungszone in den flüssigkeitsähnlichen Zustand überzuführen. Gewünschtenfalls
kann zusätzlich Gas, z. B. Wasserdampf oder Rückstandsgas, zugefügt werden, um das
Fließen der festen Stoffe zu erleichtern und das Überführen zu verbessern.
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Das Verfahren der Erfindung eignet sich besonders- gut für das Verkoken
von kohlenstoffhaltigen Feststoffen, z. B. bituminöser Steinkohle, ist aber auch
auf das Vergasen und andere Wärmebehandlungen dieser Stoffe mit Gasen anwendbar,
wie aus nachstehender Beschreibung und an Hand der Zeichnung ersichtlich ist. Diese
stellt eine schen
iatische, zur Ausführung einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung geeignete Anlage dar.
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Die Anlage besitzt eine Überführungsleitung io mit einer Injektoreinrichtung
15, einem Behandlungsgefäß 2o und einem getrennten Erhitzer 4o. Die Arbeitsweise
und das Zusammenwirken dieser Teile werden an der Verschwelung einer bituminösen
Steinkohle als Beispiel erläutert.
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Wenn eine Kohle mit einem plastischen Temperaturbereich von etwa 37o
bis 455° C verkokt werden soll, wird die feingemahlene Rohkohle in für Überführung
in den flüssigkeitsähnlichen Zustand geeigneter Teilchengröße aus Kohlebehälter
i durch Leitung 3 mit Kontrollventil 5 zur Überführungsleitung io an einer Stelle
innerhalb der Düse i6 der Injektoreinrichtung 15 zugeführt. Leitung 3 kann ein durch
ein oder mehrere Ventile t gelüftetes Standrohr oder ein beliebiges anderes Mittel
zur Förderung feinverteilter Feststoffe sein. Die Kohle kann eine Teilchengröße
von etwa 236o ,cr, haben; auch Teilchengrößen unter 37 i( und bis zu 12,7
mm 1)urcliniesser können zugegen sein.
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Die der Düse 16 zugeführte Kohle wird durch Einblasen von heißem Koks
mit diesem innig gemischt. Der Koks wird im Erhitzer 4o auf eine oberhalb der Schweltemperatur
liegende Temperatur erhitzt und durch das gelüftete Standrohr 42 an einer Stelle
vor Injektor 15 in die Überführungsleitung io eingeführt. Gleichzeitig wird eine
kleinere \lenge von.einem die Feststoffe in den flüssigkeitsähnlichen Zustand überführenden
Gas, z. B. Wasserdampf oder Rückstandsgas, durch Leitung 17 vor der Einmündung von
Leitung 42 in Übertragungsleitung io eingeführt, um das Fließen des heißen Erhitzerrückstandes
zu Injektor 15 zu erleichtern. Ein gleiches Gas kann durch Leitung i9 unmittelbar
in Düse 16 eingeführt werden, um die gewünschte Injektorwirkung zu unterstützen.
Die vereinigte Wirkung des pseudohydrostatischen Drucks der flüssigkeitsähnlichen
Säule aus Feststoff in Leitung d.2 und der Injektorwirkung der die Düse 16 mit einer
verhältnismäßig hohen Geschwindigkeit verlassenden Suspension fester Stoffe im Gas
veranlaßt den durch Leitung 42 zugeführten Koks, Düse 16 zu passieren und darauf
vollständig die die Düse 16 verlassende frische Kohle einzuhüllen, so daß sich eine
innige Mischung von frischer Kohle und Koks bildet und das Zusammenbacken der erweichenden
Kohle verhindert wird. Die Injektorwirkung wird vorzugsweise so abgestimmt, daß
die Hauptvermischung unverzüglich nach dem Austritt der Frischkohle mit hoher Geschwindigkeit
aus Düse 16 stattfindet, so daß sich mindestens das gewünschte Mindestmischverhältnis
von 4 Teilen Koks auf i Teil Kohle unverzüglich einstellt und kein Gut mit einem
höheren Gehalt an erweichenden Stoffen heiße Teile der Anlage erreichen kann. Hierfür
ist es wichtig, zu verhindern. daß Düse 16 selbst und der Auslaß der Kolilespeiseleitung
3 Temperaturen in der Nähe des plastischen Bereiches erreichen. Zu diesem Zweck
sind Düse 16 und der Auslaß von Leitung 3 vorzugsweise, wie in der Zeichnung dargestellt,
ummantelt, um ein Abkühlen mittels geeigneter Kühlmittel, wie Wasser, Dampf usw.,
zu ermöglichen. Die in der Zeichnung dargestellte Injektoreinrichtung ist bloß eines
der zahlreichen geeigneten Mittel, um den angestrebten Zweck zu erreichen. Eine
Vielfachdüseneinrichtung kann z. B. auch gebraucht werden. Mechanisches Rühren kann
die beschriebene Injektorwirkung ergänzen.
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Der aus Leitung 42 abziehende Erhitzerrückstand wird vorzugsweise
mit einer etwa 25 bis ioo° C höheren als, der erforderlichen Schweltemperatur von
etwa 48o bis 65o° C zugeführt. Die zugeleitete Menge an Koks soll ein Vielfaches,
z. B. mindestens das 4fache (in Abhängigkeit vom Temperaturunterschied), vorzugsweise
etwa das 8- bis 25fache, der zugeführten kohkohlenm.enge betragen, um in dieser
Weise sicherzustellen, daß ein angemessenes Gewichtsverhältnis zwischen Koks und
Frischgut in der Übertragungsleitung io vorhanden ist. In dieser Weise wird die
Frischkohle augenblicklich in der Übertragungsleitung io auf die Schweltemperatur
erhitzt und- völlig von heißem Koks umhüllt, während sie durch den plastischen Bereich
hindurchgeht, so daß Verstopfen und Zusammenbacken vermieden werden. Das Verhältnis
von Koks zur Frischkohle kann willkürlich in Abhängigkeit von dem Temperaturunterschied
zwischen Erhitzer 40 und Gefäß 2o geändert werden. Die Anwendung sehr hoher Verdünnungsverhältnisse
wird bevorzugt, so daß örtliche Anreicherungen von Rohkohle vermieden werden.
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Die zugeführten Gase und die während der Behandlung entwickelten Dämpfe
fördern die festen Stoffe durch die io in stark wirbelndem Zustand mit einer scheinbaren
Dichte von etwa 0,23 bis 4,5 kg pro 28,3 1. Die so gebildete Suspension
tritt durch eine geeignete Verteilungseinrichtung, z. B. einen umgekehrten Konus
22, in den unteren Teil eines geräumigen Schwelgefäßes 20 ein. Die Feststoffe bilden
dort eine wirbelnde flüssigkeitsähnliche ;Masse mit einem oberen Niveau L" und einer
scheinbaren Dichte von etwa 6,75 bis A kg pro 28,3 1. Das Gefäß 20 ist so
ausgebildet, daß die nach oben strömenden Gase und Dämpfe eine lineare Oberflächengeschwindigkeit
von etwa 0,03 bis 1,2 m pro Sekunde besitzen; geeignet für richtiges Überführen
in den flüssigkeitsähnlichen Zustand und dafür, daß eine angemessene Verweilzeit
der festen Stoffe vorgesehen ist, um die Verschwelung bei Temeraturen von etwa 425
bis 54o° C zu vollenden. In vielen Fällen kann die Zuführung von Gas durch Leitungen
17 und/oder i9 im wesentlichen unterbrochen werden, wenn einmal die Entwicklung
von Gasen und Dämpfen in der Überführungsleitung io begonnen hat, weil diese für
die richtige Förderung und Überführung der Feststoffe in den flüssigkeitsähnlichen
Zustand genügen; in den meisten Fällen ist keine Zufuhr von Gas aus einer äußeren
Ouelle unmittelbar zum Gefäß 20 erforderlich.
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Die flüchtigen Produkte werden oberhalb des N iv eaus Lzo abgezogen
und gehen durch Leitung 25 zu einer üblichen, nicht gezeigten Aufarbeitungsanlage.
Von
den flüchtigen Produkten mitgerissene Feststoffe werden in einem Abscheider 27 abgetrennt
und durch Leitung 29 in das Gefäß 2o zurückgeführt. Der erzeugte Schwelkoks kann
durch Leitung 31 in angemessenen Mengen abgezogen werden, um den Kreislauf fester
Stoffe in dem System im Gleichgewicht zu halten. Etwa ö,6 bis o,8 kg Koks pro kg
Frischkohle können in dieser Weise gewonnen werden.
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Eine Teilmenge an festem Schwelrückstand, entsprechend der Menge der
dem,Gefäß 2o zugeführten Feststoffmischung, abzüglich der erzeugten Schwelkoksmenge
wird aus Gefäß 2o unten durch das mit Gaszuführungsstutzen versehene Standrohr 33
oder ein entsprechendes anderes Fördermittel abgezogen. Im Bedarfsfall wird der
Schwelkoks von den restlichen flüchtigen Bestandteilen durch kleine Mengen eines
Spülgases, wie Dampf, Luft, Verbrennungsgas oder erzeugtes Gas, das durch Leitung
35 am Boden des durch Konus 22 und Gefäßwände 2o gebildeten Ringraumes eingeführt
wird, befreit. Der Schwelkoks geht dann in Leitung 37, in welcher er in Luft suspendiert
wird, die gegebenenfalls auf etwa 4o bis 485° C vorerhitzt ist. Man führt so viel
Luft zu, wie zur Aufrechterhaltung einer Temperatur von etwa 485 bis 65o° C im Erhitzer
4o durch Verbrennung erforderlich ist. Etwa 0,3 bis 1,5 kg Luft pro kg Frischkohle
sind hierfür gewöhnlich ausreichend.
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Die Suspension aus festen Stoffen und Luft gelangt unter dem vereinigten
Luftdruck und pseudohydrostatischen Druck 4n Standrohr 33 zum Boden des Erhitzers
40, in den sie durch Verteilungsmittel, etwa einen umgekehrten Konus 42, eintritt.
Der Erhitzer ist so ausgebildet, daß sich eine lineare Oberflächengeschwindigkeit
des Gases von etwa 0,03 bis 1,2 m pro Sekunde einstellt, eine flüssigkeitsähnliche
Masse aus Koks mit Niveau L40 von der in bezug auf Gefäß 2o beschriebenen Art sich
bildet und eine angemessene Berührung von Luft mit dem Koks gewährleistet ist, um
die gewünschte Temperatur durch Verbrennung aufrechtzuerhalten. Verbrennungsgase
werden oben über den Abscheider 45 für Koks und Leitung 47 abgezogen und können
entfernt oder für einen geeigneten Zweck in der Anlage benutzt werden, gegebenenfalls
nach Wärmegewinnung in einem Abwärmekessel 49. Im Abscheider, z. B. Zyklon 45, abgetrennte
Feststoffe kehren in das Gefäß 4o durch Leitung 46 zurück oder werden, wenn von
unerwünschter Teilchengröße, durch Leitung 48 entfernt.
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Heißer fester Erhitzerrückstand wird unten aus Erhitzer 4o durch Leitung
42 abgezogen und der Überführungsleitung 1o, wie oben beschrieben, zugeführt, gewünschtenfalls
nach Behandeln mittels durch Leitung 53 zu dem Ringraum am Boden des Erhitzers 4o
zugeführten: Dampfes., erzeugten Gases USW.
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Die an Hand der Zeichnung erläuterte Ausführungsform der Erfindung
soll durch ein Ausführungsbeispiel für die Verschwelung einer bituminösen Kohle
aus dem Pittsburgher Revier ergänzt werden.
| Beispiel |
| Oualität der Kohle |
| °/a Feuchtigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5,o |
| Heizwert, kcal/lcg . . . . . . . . . . . . . . . .
7500,0 |
| Zuführung an festen Stoffen |
| in Tonnen pro Stunde |
| Rohkohle zu Mischer 1o . . . . . . . . . . . 1oo,o |
| Koks von Erhitzer 40 zu Über- |
| führungsleitung 1o . . . . . . . . . . . . . 1,200 |
| Feststoffe von Übertragungs- |
| leitung 1o zü Gefäß 20 . . . . . . . z,295 |
| Temperatur ° C |
| Erhitzer ..............,......... 540 |
| Schweler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 480 |
| Übertragungsleitung 1o . . . .. . . . .. . 480 |
| Ausbeuten |
| Teer, l/Stunde ..........:......,. 10,450 |
| Gas, Million kcal/Stunde . . . . . . . . . . 55,4 |
| Flüssige Stoffe, 1/Stunde . . . . . . . . . . 3,470 |
| Koks, t/Stunde . .. .. ...........:. 70,0 |
Die dargestellte und beschriebene Anlage erlaubt mannigfaltige Abänderungen. Die
Ausbildung der Gefäße 2o und 40 und Übertragungsleitung 1o kann von der gezeigten
abweichen. Die Kreislaufführung der festen Stoffe kann durch die üblichen, in der
Technik hierfür bekannten Mittel bewerkstelligt werden. Schnecken, Schleusentrichter
oder andere Fördermittel können an Stelle der gezeigten Förderleitungen, z. B. der
mit Gaszuführungsstutzen versehenen Standrohre, treten. Heißer Schwelrückstand an
Stelle von oder zusammen mit dem heißen Erhitzerrückstand kann der Übertragungsleitung
1o zugeführt werden. Die für die Verschwelung erforderliche Wärme kann durch eine
partielle innere Verbrennung im Gefäß 2o in bekannter Weise geliefert werden. In
diesem Fall erübrigt sich der Erhitzer 40 und wird heißer Koks aus Gefäß 2o zum
Verdünnen und Vorerhitzen der Rohkohle in Überführungsleitung ro verwendet und Luft
und -bzw. oder Sauerstoff einem unteren Teil des Gefäßes 2o und bzw. oder der Überführungsleitung
1o zugeführt. Zahlreiche andere Konstruktionen von Injektordüsen können an Stelle
des gezeigten Injektors 15 gebraucht werden, vorausgesetzt, daß das entscheidende
Merkmal der Umhüllung der Kohle an der Einführungsstelle mit heißem Koks erreicht
wird.
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Während in der vorangehenden Beschreibung in erster Linie auf die
Verschwelung der Kohle Bezug genommen ist, kann die dargestellte Anlage auch für
andere Kohlebehandlungen verwendet werden, z. B. Vergasung mit Dampf, Kohlendioxyd
und bzw. öder Sauerstoff, um an Kohlenmonoxyd reiche Gasgemische zu erzeugen. Diese
Vergasungsmittel können in den unteren Teilen der Übertragungsleitung 1o und von
dort in den unteren Teil des Gefäßes 2o eingeführt werden, welches dann mit höheren
Temperaturen im Bereich von 925 bis
i 100' C arbeitet.
Weiterhin ist die Erfindung ohne wesentliche Abänderung auf bekannte Anlagen anwendbar,
welche drei getrennte Gefäße, einen Schweler, einen Gaserzeuger und einen Erhitzer,
verwenden.