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Verfahren zur Vergasung von festen oder flüssigen Brennstoffen bzw. zur Spaltung von gasförmigen Kohlenwasserstoffen
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crzeuger mit einem Gemisch von Sauerstoff und Wasserdampf zu betreiben, um wertvolle Gase herzustellen. Mit dem Koks wurden auch Erze,
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Gaserzeugung durch Schmelz- und Reduktionsarbeit Metalle zu gewinnen. Ferner wurde vorgeschlagen, durch geeignete Zuschläge zum Koks
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alle Produkte, die vorher nur im Elektroofen hergestellt wurden, zu erzeugen. Andere bekannte Verfahren erzeugen durch Einsatz von Brennstoffen und Zuschlägen mit Hilfe von Sauerstoff und Wasserdampf neben Wassergas Carbide, die bei hoher Temperatur in stark reduzierender
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Verfahren erfolgt in einem Schachtofen, der ähnlich wie ein Hochofen ausgebildet ist.
In eine hohe Schicht von grobstückigen Brennstoffen, Erzen
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dampf eingeblasen, wobei die erwähnte Schmelzund Reduktionsarbeit geleistet wird und ein hochwertige Gas entsteht.
Diese Verfahren verlangen für einen einwand-
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die nicht backen und im Feuer bei hoher Temperatur standfest sind. Auch die Erze und Zu-
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angereicherten Wind, der z. B. in einer Linde- Fränkl-Anlage erzeugt werden muss und dessen Kosten die Produktion erheblich belasten.
Bei der Vergasung von Brennstoffen in einem flüssigen Schlackenbad, das durch die Einführung der Vergasungsmittel und gegebenenfalls des
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versetztReaktionsvermittler die Vergasungsreaktion beschleunigt oder fördert, indem nämlich der Brennstoff und die Vergasungsmittel wechselweise mit Bestandteilen der Schlacke reagieren und damit die Basis der Vergasungsreaktionen erweitern.
Gemäss der Erfindung, die insbesondere eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens nach der deutschen Patentschrift Nr. 897 310 darstellt, werden nun die Reaktionsmöglichkeiten von Bestandteilen der Schlacke weitergehend ausgenutzt, indem man sie als Vergasungsmittelträger oder/und zur Zersetzung von Gasen oder Dämpfen heranzieht. Man geht dabei so vor, dass die Vergasung bzw. Spaltung ganz oder in überwiegendem Masse durch Reaktion des Einsatzgutes mit oxydischen Bestandteilen der hocherhitzte Schlacke, vorzug-
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Luft oder/und Wasserdampf und gegebenenfalls Brennstoffe, wieder aufgeheizt wird.
An einigen grundlegenden Beispielen, die beliebig erweitert werden können, soll der Erfindungsgedanke näher erläutert werden.
Bringt man eine eisenoxydhaltige flüssige Schlacke bei hoher Temperatur mit einem kohlenstoffhaltigen Brennstoff in Berührung, so setzt sich das Eisenoxyd um nach den Gleichungen :
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Eisen umgesetzt :
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Durch Einwirkung von Sauerstoff, z. B. aus Luft, können bei hohen Temperaturen die Reduktionsstufen des Eisenoxyds wieder in umgekehrter
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dem Schema :
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Eisen gehen, sondern sich auf den Bereich zwischen Fe203 und FeO beschränken.
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duzierte Schlacke sind folgende Reaktionen zwischen den Eisenoxyden und Wasserdampf möglich :
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I Kombiniert man die Reaktionen l bis 3 mit den vorstehenden 7 bis 9, so entsteht Wassergas, wobei naturgemäss auch dia Wassergasreaktion
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ne ben herläuft.
Methan lässt sich z. B. mit Eisenoxyd bei hohen Temperaturen nach folgenden Gleichungen umsetzen :
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Das Eisenoxydul lässt sich dann wieder mit Sauerstoff, z. B. Luft, zu Eisenoxyd oxydieren.
Komplizierter, jedoch grundsätzlich ähnlich wie bei Methan, laufen die Reaktionen bei der Umsetzung von höheren Kohlenwasserstoffen ab. Sorgt
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Kohlenwasserstoffen und dem Eisenoxyd und für rasche Abführung der gasförmigen Produkte aus der Einflusssphäre des Eisenoxyds mit darauffol-
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schen den zunächst sich durch Erhitzung zu niedri- geren Kohlenwasserstoffen mehr oder weniger auf- gespaltenen Brennstoffen und dem Eisenoxyd nur unvollkommen ab und es entstehen Gase, deren
Heizwert in weiten Grenzen einstellbar ist. Bei sehr kurzen Berührungszeiten mit darauffolgender rascher Abkühlung entstehen ungesättigte Kohlenwasserstoffe neben geringen Mengen Kohlenoxyd und Wasserstoff.
Auch andere Oxyde reagieren in ähnlicher Weise wie das Eisenoxyd. Es kann in gewissen Fällen vorteilhaft sein, reine Oxydschmelzen für die Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens zu benutzen. Hierzu kann man in der Natur vorkommende Mineralien oder synthetisch hergestellte Oxyde verwenden, oder man stellt aus den Metallen die Oxyde durch Einwirkung von Sauerstoff, z. B. Luft, bei hohen Temperaturen her. Verunreinigungen solcher Oxyde sind meist belanglos, da sie sich in der Schmelze gewöhnlich neutral verhalten. Im allgemeinen wird man jedoch die Schlacke von festen Brennstoffen wegen ihrer billigen Beschaffung heranziehen, die immer Oxyde enthalten, die mit den umzusetzenden Brennstoffen und Vergasungsmitteln reagieren. Auch Schlacken, die z. B. in Hüttenindustrien anfallen, können geeignet sein.
Am einfachsten liegen die Verhältnisse bei der Vergasung von festen Brennstoffen, die ihre Schlacke mitbringen. Sollten bei diesen oder fremden Schlacken die reagierenden Oxyde in zu geringer Konzentration vorhanden sein, so können sie durch Zuschläge solcher Oxyde verbessert werden. Hat die Schlacke einen zu hohen Schmelzpunkt oder/und eine zu hohe Viskosität, können Zuschläge, wie sie anderweitig bekannt sind, diese Eigenschaften in den erforderlichen Grenzen ver- ändern.
Treibt man die Reaktion der Oxyde noch weiter, dann entstehen Carbide, z. B.
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Calciumcarbid reagiert bei hohen Temperaturen mit Wasserdampf :
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Bei. niedrigen Temperaturen, etwa 100-300'C, setzt sich Wasserdampf über Calciumcarbid zu Acetylen um :
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Lässt man daher die sich ständig neu bildende Schlacke ablaufen und kühlt sie auf 100-3000 C ab, so kann man durch Wasserdampfeinwirkung Acetylen erzeugen. Die umgesetzte Schlacke kann wieder in das Schlackenbad zurückgeführt werden. Der Vorteil dieses Verfahrens liegt z. B. darin, dass in der Schlacke andere Stoffe, z. B. Kieselsäure und Calciumoxyd, enthalten sein können, die ihren Schmelzpunkt und ihre Viskosität herabsetzen.
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gen.
Beim periodischen Verfahren heizt man die Schlacke bis zu hoher Temperatur auf unter gleichzeitiger Oxydation der in ihr enthaltenen Oxyde.
Dann wird die Beheizung abgestellt und die zu
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führt. Anschliessend wird die Schlacke wieder heiss geblasen und die beschriebenen Vorgänge wiederholen sich.
Beim kontinuierlichen Verfahren kreist die Schlacke zwischen zwei oder mehreren Räumen, die voneinander gasdicht getrennt sind (vgl. die deutsche Patentschrift Nr. 897310, Fig. 2 bis 10). Im allgemeinen findet in einem Raum der Oxyda-
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dampfförmigen ProdukteStrömungsenergie. Diese Stoffe werden mit hoher Geschwindigkeit in das Schlackenbad geblasen, wobei sie in innige Berührung mit der Schlacke
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übertragen,Bewegung gerät.
Die mit der Schlacke oder einzelnen Bestandteilen in ihr reagierenden Stoffe können vom Boden bzw. den seitlichen Begrenzungswänden des
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vorzugsweise eine kreisende Bewegung ausführt.
Beim kontinuierlichen Verfahren ist die durch dis Einführung der mit der Schlacke reagierenden
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Strömungsenergiemit der Schlacke in den anderen Reaktionsraum mitgeführt werden.
Die der Schlacke zur Reaktion zugeführten Stoffe, insbesondere die gasförmigen, wie Luft, Sauerstoff, sauerstoffangereicherte Luft, Wasserdampf, Kohlensäure, Kohlenwasserstoffe usw., wird man zweckmässig weitgehend vorerhitzen. Dies kann vorteilhaft durch Wärmeaustausch mit
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peratur den Reaktionsraum verlassen.
Bei der Vergasung von aschehaltigen Brennstoffen bildet sich ständig neue Schlacke, die in bekannte. Weise periodisch oder kontinuierlich
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z. B. zu Metallen reduzierte Eissnoxyde der Schlacke, werden in flüssiger Form abgezogen.
Das Schlackenbad befindet sich in einem oder menreren Schächten, die mit wärmeisolierenden
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man die Schachtwände in bekannter Weise, wodurch sich eine feste Schlackenkruste bildet, die einen zu hohen Wärmeentzug durch das Kühlmittel verhindert. Auch eine Kombination dieser beiden Möglichkeiten kann vorteilhaft sein.
Die durch die Wanne und durch die abfliessende Schlacke abgeführte Wärme sowie die fühlbare Wärme der erzeugten gas-oder/und dampfförmigen Produkte, soweit sie nicht zur Vorerhitzung der Vergasungsmittel oder Reaktionsteilnehmer dient, wird zweckmässig weitgehend ausgenutzt, z. B.
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Gemäss der Erfindung dienen die Schlacke oder Bestandteile derselben als Vergasungs-oder Umsetzungsmittel. Wie oben ausführlich dargelegt wurde, findet hiebei eine chemische Umsetzung statt, indem zwischen Schlacke oder Schlackenbestandteilen und Einsatz'Zut ein Stoffaustausch oder ein-übergang erfolgt.
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dampfförmi-tet werden, wenn Gasgemische bestimmter Zusam- mensetzung gefordert werden.
Dann wird also die Vergasung oder Umsetzung der Stoffe nicht allein durch die Schlacke bewirkt.
In manchen Fällen, wo Begleitstoffe der Schlacke
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weise bei hoher Temperatur verdampfen, z. B.
Alkalien, oder zu Metallen reduziert werden, die sich durch ihr höheres spezifisches Gewicht von der Schlacke trennen und als Nebenprodukt entfernt werden, z. B. Eisen.
Die Vergasungs- oder Umsetzungsreaktionen gemäss der Erfindung können unter normalem Druck durchgeführt werden, aber auch bei höheren Drukken, wenn Vorteile damit verbunden sind. Bekanntlich wird die Gleichgewichtslage verschiedener Reaktionen ausser durch die Temperatur auch noch durch den Druck beeinflusst, so dass die Anwendung eines höheren oder niedrigeren Druckes als dem atmosphärischen in besonderen Fällen angebracht ist.
An zwei Beispielen soll die Durchführung des
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von Calciumcarbid enthaltender Schlacke zur Erzeugung von Kohlenoxyd und Acetylen.
I. Beispiel : Aus einer Gasflammkohle mit
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2%hält 20% ; Eisenoxyd. Zwischen einem Verbrennungsschacht und einem Vergasungsschacht wird durch die Strömungsenergie der in den Verbren-
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Verbrennen von Kohle und ! Einschmelzen von Schlacke hergestellte und auf eine Temperatur von 17000 C erhitzt.
Nunmehr wird je 75 kg umlau-
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in das Schlackenbad eingeführt, wobei durch Ent- gasung der Kohle in der heissen Schlacke und Ver-
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standes durch Reduktion von rund 50% des in der Schlacke enthaltenen Eisenoxyds zu Eisenoxydul 1,652 Nm2 Wassergas erhalten werden, das fol-
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C bge-kühlt und tritt mit dieser Temperatur in den Verbrennungsschacht über.
Hier werden nun durch Einblasen von 3, 53 Nm"auf 800"C vorerhitzte Luft und 0, 13 kg Kohle, bezogen auf je 1 kg auf der Vergasungsseite eingeführte Kohle, die vorher in der Schlacke reduzierten Eisenoxvde wieder oxvdiert sowie die Kohle verbrannt, wobei die Schlacke wieder auf eine Temperatur von 1700 C erhitzt wird. In dem Masse, als sich durch die Vergasung und Verbrennung der Kohle neue Schlacke bildet, läuft sie durch einen im Verbrennungsschacht vorgesehenen überlauf ab. Nach Übertritt der auf 17000 C erhitzten Schlacke in den Vergasungs-
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WärmeWasserdampferzeugung ausgenutzt werden kann. Nach Kühlung und Reinigung des Gases in bekannter Weise wird es seinem Verwendungszweck zugeführt.
Das im Verbrennungsschacht durch Oxydieren des Eisenoxyduls und Verbrennung der dort eingeführten Kohle entstandene heisse Rauchgas dient zur Vorerhitzung der Luft in einem Wärmeaustauscher und zur Dampferzeugung. Neben dem erzeugten Wassergas fallen 1, 77 kg Wasserdampf mit einem Druck von 24 atü und einer Temperatur von 350" C an.
Es kann auch höher gespannter Dampf mit höherer Überhitzung erzeugt werden, oder ein Teil
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2. Beispiel : Aus feinkörnigem oder staubförmigem Koks aus rheinischer Braunkohle mit einem Aschegehalt von etwa 15% sollen Kohlenoxyd und Acetylen hergestellt werden. Auf beiliegender Zeichnung ist schematisch die Durchführung des Verfahrens dargestellt.'Die Asche des Kokses enthält etwa 50% Calcium oxyd und 15% Eisenoxyd. In das vorher durch Schmelzen dieser Asche hergestellte Schlackenbad 1 wird Koks durch Leitungen 2 und Sauerstoff durch Leitungen 3 eingeführt. Aus einem Teil des Kokses entsteht Kohlenoxyd, wobei Wärme frei wird. Ein weiterer Teil des Kokses reagiert mit dem Calciumoxyd,
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bad noch Koks mit dem Eisenoxyd in der Schlacke, das zu Rohstahl und Kohlenoxyd umgesetzt wird.
Der Rohstahl sinkt im Schlackenbad infolge seines hohen spezifischen Gewichtes zu Boden und wird periodisch oder kontinuierlich durch Abstichöff- nung 4 abgezogen. Das nunmehr aus dem. Cal- ciumoxyd der Asche gebildete Calciumcarbid läuft mit den anderen sich neutral verhaltenen Aschen- bestandteilen, z. B. Siliciumoxyd, durch einen Überlauf 5 ah. Das Kohlenoxydgas und die bis zu einer Temperatur von etwa 1800 bis 1900 C ver- dampfenden Bestandteile der Schlacke, z. B. Alka- lien, werden aus dem Reaktionsraum 6 durch Leitung 7 einer Kühl- und Reinigungsvorrichtung bekannter Bauart zugeführt.
Die endothermen Reaktionswärmen der Calciumcarbidbildung und der Reduktion des Eisenoxyds werden durch die exotherme Reaktionswärme der Koksvergasung mit Sauerstoff gedeckt.
Die ablaufende Calciumcarbid enthaltende Schlacke wird gekühlt und durch ein Brechwalzwerk 8 in feinkörnige Form gebracht. Sie fällt in den Bunker 9, wo sie durch Kühlelemente auf etwa 100''C gekühlt wird. Das Zellenrad 10 gibt die Schlacke einer Fördereinrichtung 11 bekannter Bauart auf. die sie in den Bunker 12 abwirft.
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14 gelangt die Schlacke in den Acetylenentwickler 15, in dem sie in einem Wirbelbett mit Dampf behandelt wird. Der Dampf tritt durch Leitung 17 unter dem Rost 18 des Wirbelbettes ein und strömt gleichmässig verteilt durch die Wirbelschicht. Er setzt sich in'bekannter Weise mit dem Calciumcarbid der Schlacke zu Acetylen um, das den Entwickler durch Leitung 19 verlässt. Mitgerissene Schlackenteilchen werden im Zyldon 20 abgeschieden und fallen in den Bunker 21.
Das Acetylengas wird über Leitung 22 einer nicht dargestellten bekannten Kühl- und Reinigungseinrichtung zugeführt.
Da die Reaktion im Acetylenentwickler exotherm abläuft, sind Kühlelemente vorgesehen, die die ganze oder einen Teil der Reaktionswärme abführen. Auch durch einen Wasserdampfüberschuss oder zusätzliche Einführung kalter Schlacke in das Wirbelbett kann die Reaktionswärme ganz oder zum Teil aufgenommen werden. Das AcetylenDampf-Gemisch und das Schlackenwirbelbett er- reichen dann eine Temperatur von höchstens 300'C.
Die im Wirbelbett umgesetzte Schlacke läuft in den Bunker 23, ebenso die Schlacke aus Bunker 21 über das Zellenrad 24. Sie wird aus Bunker 23 kontinuierlich durch das Zellenrad 25 ausgetragen und zum Teil wieder in das Schlackenbad 1 pneu-
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lauf entfernt.
Der Anteil der dem Acetylenentwickler zugeführten Schlacke an Calciumcarbid beträgt etwa 50%. Der Rest besteht im wesentlichen aus Calciumoxyd und Kieselsäure und verringert die Viskosität der Schlacke. Die Temperatur im Vergaser 6 beträgt etwa 1700 bis 19000 C.
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stoff entstehen 1420 Nm3 Kohlenoxyd mit einem geringen Gehalt an Kohlensäure und Wasserstoff sowie 92 kg Acetylen. Als Nebenprodukte fallen durch Reduktion des Eisenoxyds der Brennstoff- asche etwa 16 kg Rohstahl und durch Ausnutzung der Abhitze 1, 3 t Wasserdampf, 80 atü, 450'C, an.
Auf die gleiche Art kann Wassergas und Ace-j tylen aus Trockenbraunkohle hergestellt werden.
Bei Brennstoffen, deren Asche nur wenig Kalk enthält, kann durch Kalkzuschlag die erforderliche Zusammensetzung der Schlacke erreicht werden.
Ein besonderer Vorteil des erhndungsgemässen 11 Verfahrens zur Acetylenherstellung ist darin zu sehen, dass kein hochprozentiges Calciumcarbid erforderlich ist. Seine Begleitstoffe setzen den Schmelzpunkt und die Viskosität der Schlacke herab, wodurch das Verfahren gegenüber der Cal-
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nehmen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Vergasung von festen oder flüssigen Brennstoffen bzw. zur Spaltung von gasförmigen Kohlenwasserstoffen mittels eines durch die Strömungsenergie der Vergasungsmittel oder bzw. und der zu spaltenden Stoffe in Bewegung gehaltenen Schlackenbades, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergasung bzw. Spaltung ganz oder in überwiegendem Masse durch Reaktion des Einsatzgutes mit oxydischen Bestandteilen der hocherhitzten Schlacke, vorzugsweise mit Metalloxyden erfolgt, wobei gegebenenfalls aus der Schlacke gebildete Nebenprodukte, wie z. B. Eisen oder andere Metalle, kontinuierlich oder periodisch abgezogen werden, wonach die Schlacke räumlich oder zeitlich getrennt davon unter gleichzeitiger Oxydation mit Hilfe von sauerstoffenthaltenden Gasen oder Dämpfen, z. B. Luft oder/und Wasserdampf und gegebenenfalls Brennstoffe, wieder aufgeheizt wird.