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PATENTANSPRÜCHE
1 Verfahren zur Erhöhung der Homogenität und Erniedrigung der Viskosität eines Gemisches aus Kohlestaub und Wasser durch Verringerung der Hydrophobie der Kohlestaubpartikel, dadurch gekennzeichnet, dass die Verringerung der Hydrophobie reaktiv durch Einwirkung eines Oxydationsmittels auf die Kohlestaubpartikel erreicht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gemisch einen Masseanteil von 50 bis 75 Prozent Kohlestaub aufweist, wobei die Korngrösse der Kohlestaubpartikel < 100 Fm, vorzugsweise jedoch noch kleiner als 50 Fm ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Oxydationsmittel Chlordioxyd, Chlor, Sauerstoff, vorzugsweise jedoch Ozon verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Ozon als Oxydationsmittel zwischen 0,5 und 5 g, vorzugsweise jedoch 1 g Ozon pro kg Kohlestaub zur Oxydation verwendet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Oxydationsmittel dem fertigen Gemisch zugegeben wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Oxydationsmittel vor der Bereitung des Gemisches dem Wasser zugegeben wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nur ein Teil des Oxydationsmittels vor der Bereitung des Gemisches dem Wasser und der restliche Teil dem fertigen Gemisch zugegeben wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Oxydationsmittel einer Vormischung mit einem geringeren Anteil an Kohlestaub zugegeben wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5, 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Oxydationsmittel dem Gemisch bzw. dem Vorgemisch in einem mit einem Gaseinblassystem ausgestatteten Mischer (2, 4, 8) oder in einem Rohrreaktor (2, 4, 8) zugeführt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Oxydationsmittel im Wasser mittels einer Absorptionskolonne bzw. eines Gegenstromwäschers (5) in Lösung gebracht wird.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der Homogenität und Erniedrigung der Viskosität eines Gemisches aus Kohlestaub und Wasser durch Verringerung der Hydrophobie der Kohlestaubpartikel.
Die zu erwartende Verminderung der Verfügbarkeit an flüssigen Brennstoffen zwingt zur Suche nach Ersatzmöglichkeiten. Neben der hohe Investitionen erfordernden Kohleverflüssigung oder Kohlevergasung gewinnt die, wie zu erwarten ist, kostengünstigere Verwendung von Gemischen aus Kohlestaub und Wasser zunehmend an Bedeutung. Solche Gemische müssen, um noch brennbar zu sein, einen Kohlestaubanteil von mindestens 50 Prozent enthalten. Sie sind deshalb naturgemäss recht zähflüssig. Entsprechend ist der Masseanteil des Kohlestaubes durch die Zähflüssigkeit des dann besser als Schlamm zu bezeichnenden Gemisches bei etwa 80 Prozent nach oben begrenzt.
Will man dennoch, wie geplant ist, das Kohlestaub-/Wasser-Gemisch am Ort der Gewinnung der Kohle aufbereiten, über Pipelines zum Bedarfsort pumpen und dort direkt den Brennsystemen zuführen, so ergeben sich an die Aufbereitung des Kohlestaub-/Wasser-Gemisches automatisch folgende Hauptforderungen: Das Kohlestaub-/Wasser-Gemisch sollte zum einen eine möglichst niedrige Viskosität aufweisen, um mit möglichst geringer Pumpenenergie durch Rohrleitungen gepumpt werden zu können. Zum anderen sollte das Gemisch möglichst homogen sein, d.h., es darf keine Klumpen von Kohlestaubpartikeln enthalten, um in den Brennsystemen leicht verdüst und optimal ausgebrannt werden zu können. Befriedigende Ergebnisse liessen sich in grossstechnischem Massstab bisher nur mit Kohlestaub-/Wasser-Gemischen erzielen, deren Homogenität und Viskosität durch Zugabe von Additiven verbessert wurde (vgl.
Chemical Engineering, Sept. 17, 1984, Seiten 22 bis 25, insb. Seite 25 rechte Spalte oben). Als Additive wurden vornehmlich oberflächenaktive Substanzen wie z.B. Carboxyl-Kohlenstoff-Derivate verwendet, die sich an die Kohlestaubpartikel anlagern und deren Hydrophobie verringern, was die erwünschte Erhöhung der Homogenität und Erniedrigung der Viskosität des Kohlestaub-/Wasser Gemisches zur Folge hat. Die Verwendung solcher Additive ist jedoch in erheblichem Masse kostenintensiv.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, wie die Hydrophobie der Kohlestaubpartikel auf eine kostengünstige, wirtschaftliche Weise verringert werden kann Diese Aufgabe wird gelöst durch die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist.
Beim erfindungsgemässen Verfahren werden durch die Einwirkung des Oxydationsmittels auf die Kohlestaubpartikel an deren Oberfläche reaktiv in situ (und nicht durch Anlagerung wie bei der Zugabe von Additiven) polare Molekülgruppen (vornehmlich Carboxylgruppen, aber auch Aldehydgruppen) gebildet, die die Benetzung der Kohlestaubpartikel mit den gleichfalls polaren Wassermolekülen erleichtern und dadurch deren Hydrophobie reduzieren. Zugleich wird dadurch die Fähigkeit der Kohlestaubpartikel zur Zusammenballung und Klumpenbildung verringert. Als geeignetes Oxydationsmittel kommt vornehmlich Ozon (03) in Frage.
Bei einem Verbrauch zwischen 0,5 und 5 g Ozon pro kg Kohlestaub kann die Viskosität eines Kohlestaub-/Wasser-Gemisches mit einer Korngrösse der Kohlestaubpartikel < 50 ,um und einem Kohlestaubanteil zwischen 50 und 75 Prozent um etwa eine Grössenordnung gesenkt werden. Bei Verwendung von Ozon ist das erfindungsgemässe Verfahren unter Berücksichtigung der derzeitigen Preise etwa 10mal kostengünstiger als das bekannte.
Neben Ozon kommen als Oxydationsmittel noch Chlordioxyd (Cl02), Chlor (Cl2) oder Sauerstoff (02) in Frage.
Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemässen Verfahrens werden im folgenden anhand der Zeichnung erläutert.
Es zeigt:
Figur 1 ein Blockdiagramm des erfindungsgemässen Verfahrens, bei dem das Oxydationsmittel dem fertigen Kohlestaub-/Wasser-Gemisch zugegeben wird,
Figur 2 ein Blockdiagramm des erfindungsgemässen Verfahrens, bei dem ein Teil des Oxydationsmittels vor der Bereitung des Gemisches dem Wasser zugegeben wird, und
Figur 3 ein Blockdiagramm des erfindungsgemässen Verfahrens, bei dem das Oxydationsmittel einer Vormischung aus Kohlestaub und Wasser zugegeben wird.
In Figur list mit 1 ein Mischer bezeichnet, welchem zu einem Masseanteil von 50 bis 75 Prozent Kohlestaub C mit einer Korngrösse der Kohlestaubpartikel < 100 lm, vorzugsweise jedoch kleiner noch als 50 Fm, sowie Wasser H2O zugeführt wird. Im Mischer 1 wird aus dem Kohlestaub C und dem Wasser H2O ein möglichst homogener Schlamm erzeugt.
Für das Verfahren geeignete Mischer sind beispielsweise beschrieben in dem Buch Chemical Engineers von John H. Perry, 4. Aufl., McGraw-Hill Kogakusha 1963, Kapitel 19-5 bis Kapitel 9-16. Vom Mischer 1 wird das fertige Kohlestaub-/Wasser-Gemisch in einen Oxydationsreaktor 1 überführt, in welchem das Oxydationsmittel, im Beispielsfalle das
gasförmige Ozon 03, zugegeben wird. Als Oxydationsreaktor 2 kann ein Mischer wie der Mischer 1, jedoch ausgerüstet mit einem Gaseinblassystem verwendet werden. Das Gaseinblassystem kann durch poröse Sinterkörper, Glasfritten, durch einen Rotationsbegaser oder einen Tauchbelüfter ausgeführt sein. Als Oxydationsreaktor 2 kann auch ein statischer Mischer wie z.B. ein Rohrreaktor verwendet werden. Im Mischer wie im Rohrreaktor, wird sich das gasförmige Oxydationsmittel, hier das Ozon 03, im Wasser lösen und zu den Kohlestaubpartikeln diffundieren, um mit diesen zu reagieren. Oxydationen können jedoch auch nach direktem Gaskontakt erfolgen. Das Ozon O3 kann beispielsweise aus einem in Figur 1 nicht dargestellten Ozonerzeuger entnommen werden, der in sauerstoffhaltigem Gas, vornehmlich Luft, mittels stiller elektrischer Entladung Ozon O3 synthetisiert und anreichert.
In diesem Fall muss im Oxydationsreaktor eine Entgasung vorgesehen werden, um die inerten Gasanteile aus dem Kohlestaub-/Wasser-Gemisch wieder abzuführen.
Als Variante dieses Ausführungsbeispiels ist das Mischen und die Oxydation in einem einzigen Reaktor denkbar.
In Figur 2 ist mit 3 wieder ein Mischer und mit 4 ein Oxydationsreaktor bezeichnet. Beide Apparate entsprechen denen der Figur 1. Im Unterschied zum Verfahrensablauf nach Figur 1 wird im Beispiel von Figur 2 das Wasser H2O vor seiner Zuführung zum Mischer 3 mit dem Oxydationsmittel, auch hier wieder Ozon 03, angereichert. Die Anreicherung kann in einer Absorptionskolonne bzw. einem Gegenstromwäscher 5 erfolgen, wie sie beispielsweise beschrieben sind in einem Buch von McCabe & Smith, Unit Operations of Chemical Engineering, 2. Aufl., McGraw-Hill Kogakusha 1967, Kapitel 21. Bei dieser Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens werden die Schwierigkeiten vermieden, die mit dem Einblasen des Oxydationsmittels in die zähe Schlammasse im Oxydationsreaktor verbunden sind.
Sollte die über das Wasser H2O dem Mischer 3 zugeführte Ozonmenge zur Erzielung des gewünschten Effekts nicht ausreichen, so kann über das Abgas O'3 der Absorptionskolonne bzw. des Gegenstromwäschers 5 dem Kohlestaub-/Wasser Gemisch im Oxydationsreaktor 4 weiteres Ozon O3 zugeführt werden. Letzteres kann durch eine Bypassleitung 6 zwischen der Zuführungsleitung für das Ozon O3 zur Absorptionskolonne bzw. dem Gegenstromwäscher 5 und der Abgasleitung für das Abgas O'3 noch verbessert werden. Durch die bereits in der Mischstufe im Mischer 3 erreichte Erniedrigung der Viskosität des Kohlestaub-/Wasser-Gemisches lässt sich dieses in vorteilhafter Weise zum einen leichter in den Oxydationsreaktor 4 z.B. durch Pumpen überführen. Zum anderen ist das Einblasen des Oxydationsmittels im Oxydationsreaktor 4 erleichtert.
Auch bei diesem Ausführungsbeispiel ist das Mischen und die Oxydation in einem einzigen Reaktor denkbar.
In Figur 3 sind Mischer 7 und 8 dargestellt, die den Mischern 1 und 3 der Figur 1 und 2 entsprechen. Des weiteren ist ein Oxydationsreaktor 9 dargestellt, der den Oxydationsreaktoren 2 und 4 der Figur 1 und 2 entspricht. Dem Mischer 7 wird, im Unterschied zu den vorbeschriebenen Ausführungsformen des erfindungsgemässen Verfahrens, nicht die gesamte Kohlestaubmenge C, sondern nur ein Teil C' davon, z.B. 20 Prozent, zugeführt. Im Mischer 7 wird dann mit der gesamten Wassermenge H.O eine verdünnte Vormischung erzeugt, die anschliessend in den Oxydationsreaktor 9 überführt und dort mit dem Oxydationsmittel, z.B wieder Ozon 03, beschickt wird. Durch den geringeren Anteil C' an Kohlestaub weist die Vormischung eine wesentlich geringere Viskosität auf als ein Gemisch, welches die volle Kohlestaubmenge C enthält.
Dadurch lässt sich das Vorgemisch leichter vom Mischer 7 z.B. durch Pumpen in den Oxydationsreaktor 9 überführen und kann dort ebenfalls leichter mit dem Oxydationsmittel beschickt werden. Die Einstellung des schliesslich gewünschten Kohlestaub-/Wasser-Verhältnisses erfolgt durch Zugabe des Restanteils C an Kohlestaub in dem Mischer 8.
Die vorbeschriebenen Ausführungsformen des erfindungsgemässen Verfahrens können zu weiteren speziellen Ausführungsformen auch miteinander kombiniert werden.
Bei allen Ausführungsformen sollte bei der Verwendung von Ozon O3 als Oxydationsmittel etwa 1 g Ozon O3 pro kg Kohlestaub zur Oxydation verbraucht werden.
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PATENT CLAIMS
1 Method for increasing the homogeneity and lowering the viscosity of a mixture of coal dust and water by reducing the hydrophobicity of the coal dust particles, characterized in that the reduction in hydrophobicity is achieved reactively by the action of an oxidizing agent on the coal dust particles.
2. The method according to claim 1, characterized in that the mixture has a mass fraction of 50 to 75 percent coal dust, the grain size of the coal dust particles <100 Fm, but preferably still less than 50 Fm.
3. The method according to claim 1, characterized in that chlorine dioxide, chlorine, oxygen, but preferably ozone is used as the oxidizing agent.
4. The method according to claim 1, characterized in that with ozone as the oxidizing agent between 0.5 and 5 g, but preferably 1 g of ozone per kg of coal dust is used for the oxidation.
5. The method according to claim 1, characterized in that the oxidizing agent is added to the finished mixture.
6. The method according to claim 1, characterized in that the oxidizing agent is added to the water before the preparation of the mixture.
7. The method according to claim 1, characterized in that only a part of the oxidizing agent is added to the water before the preparation of the mixture and the remaining part to the finished mixture.
8. The method according to claim 1, characterized in that the oxidizing agent is added to a premix with a lower proportion of coal dust.
9. The method according to any one of claims 5, 7 and 8, characterized in that the oxidizing agent the mixture or the premix in a mixer equipped with a gas injection system (2, 4, 8) or in a tubular reactor (2, 4, 8) is fed.
10. The method according to any one of claims 6 and 7, characterized in that the oxidizing agent is brought into solution in the water by means of an absorption column or a countercurrent scrubber (5).
The invention relates to a method for increasing the homogeneity and lowering the viscosity of a mixture of coal dust and water by reducing the hydrophobicity of the coal dust particles.
The expected reduction in the availability of liquid fuels forces us to look for alternative options. In addition to the large investments in coal liquefaction or coal gasification, the more economical use of mixtures of coal dust and water, as is to be expected, is becoming increasingly important. In order to be combustible, such mixtures must contain at least 50 percent coal dust. They are therefore naturally very viscous. Accordingly, the mass fraction of the coal dust is limited by approximately 80 percent by the viscosity of the mixture, which is then better to be referred to as sludge.
If, as planned, you still want to process the coal dust / water mixture at the place where the coal is extracted, pump it to the required location via pipelines and feed it directly to the combustion systems, the following automatically result from the treatment of the coal dust / water mixture Main requirements: On the one hand, the coal dust / water mixture should have the lowest possible viscosity in order to be able to be pumped through pipelines with the lowest possible pump energy. On the other hand, the mixture should be as homogeneous as possible, i.e. it should not contain lumps of coal dust particles in order to be easily atomized and optimally burned out in the combustion systems. Satisfactory results have so far only been achieved on a large industrial scale with coal dust / water mixtures, the homogeneity and viscosity of which have been improved by adding additives (cf.
Chemical Engineering, Sept. 17, 1984, pages 22 to 25, esp. Page 25 right column above). Mainly surface-active substances such as e.g. Carboxyl-carbon derivatives are used which attach to the coal dust particles and reduce their hydrophobicity, which results in the desired increase in the homogeneity and lowering of the viscosity of the coal dust / water mixture. However, the use of such additives is extremely cost-intensive.
It is therefore an object of the invention to provide a method of how the hydrophobicity of the coal dust particles can be reduced in an economical, economical manner. This object is achieved by the invention as characterized in the claims.
In the process according to the invention, by the action of the oxidizing agent on the coal dust particles on their surface, reactive molecular groups (primarily carboxyl groups, but also aldehyde groups) are formed in situ (and not by addition as with the addition of additives), which likewise cause the coal dust particles to be wetted with the facilitate polar water molecules and thereby reduce their hydrophobicity. At the same time, the ability of the coal dust particles to agglomerate and form clumps is reduced. Ozone (03) is particularly suitable as a suitable oxidizing agent.
With a consumption of between 0.5 and 5 g of ozone per kg of coal dust, the viscosity of a coal dust / water mixture with a grain size of the coal dust particles <50 μm and a coal dust fraction between 50 and 75 percent can be reduced by about an order of magnitude. When using ozone, the method according to the invention, taking into account the current prices, is about 10 times cheaper than the known one.
In addition to ozone, chlorine dioxide (Cl02), chlorine (Cl2) or oxygen (02) can also be used as an oxidizing agent.
Particularly advantageous embodiments of the method according to the invention are explained below with reference to the drawing.
It shows:
FIG. 1 shows a block diagram of the method according to the invention, in which the oxidizing agent is added to the finished coal dust / water mixture,
FIG. 2 shows a block diagram of the method according to the invention, in which part of the oxidizing agent is added to the water before the mixture is prepared, and
FIG. 3 shows a block diagram of the method according to the invention, in which the oxidizing agent is added to a premix of coal dust and water.
In FIG. 1, a mixer is referred to, to which a mass fraction of 50 to 75 percent coal dust C with a grain size of the coal dust particles <100 lm, but preferably less than 50 μm, and water H2O are fed. In mixer 1, the most homogeneous sludge is produced from coal dust C and water H2O.
Mixers suitable for the process are described, for example, in the book Chemical Engineers by John H. Perry, 4th ed., McGraw-Hill Kogakusha 1963, chapters 19-5 to chapters 9-16. From the mixer 1, the finished coal dust / water mixture is transferred to an oxidation reactor 1, in which the oxidizing agent, in the example the
gaseous ozone 03 is added. A mixer like mixer 1, but equipped with a gas injection system, can be used as oxidation reactor 2. The gas injection system can be implemented by porous sintered bodies, glass frits, by a rotary gasifier or an immersion aerator. A static mixer such as e.g. a tubular reactor can be used. In the mixer as in the tubular reactor, the gaseous oxidizing agent, here the ozone 03, will dissolve in the water and diffuse to the coal dust particles in order to react with them. However, oxidations can also take place after direct gas contact. The ozone O3 can, for example, be taken from an ozone generator (not shown in FIG. 1) which synthesizes and enriches ozone O3 in oxygen-containing gas, primarily air, by means of a silent electrical discharge.
In this case, degassing must be provided in the oxidation reactor in order to remove the inert gas fractions from the coal dust / water mixture again.
Mixing and oxidation in a single reactor are conceivable as a variant of this exemplary embodiment.
In FIG. 2, 3 again denotes a mixer and 4 an oxidation reactor. Both apparatuses correspond to those of FIG. 1. In contrast to the process sequence according to FIG. 1, in the example of FIG. 2 the water H 2 O is enriched with the oxidizing agent, again here again ozone 03, before it is fed to mixer 3. Enrichment can take place in an absorption column or a countercurrent scrubber 5, as described, for example, in a book by McCabe & Smith, Unit Operations of Chemical Engineering, 2nd ed., McGraw-Hill Kogakusha 1967, chapter 21. In this embodiment of the The method according to the invention avoids the difficulties associated with blowing the oxidizing agent into the viscous sludge mass in the oxidation reactor.
If the amount of ozone supplied to the mixer 3 via the water H2O is not sufficient to achieve the desired effect, further ozone O3 can be added to the coal dust / water mixture in the oxidation reactor 4 via the exhaust gas O'3 of the absorption column or countercurrent scrubber 5. The latter can be further improved by a bypass line 6 between the supply line for the ozone O3 to the absorption column or the counterflow washer 5 and the exhaust line for the exhaust gas O'3. Due to the reduction in the viscosity of the coal dust / water mixture already achieved in the mixing stage in the mixer 3, this can advantageously be more easily introduced into the oxidation reactor 4 e.g. transfer by pumping. On the other hand, blowing in the oxidizing agent in the oxidation reactor 4 is facilitated.
Mixing and oxidation in a single reactor are also conceivable in this exemplary embodiment.
In Figure 3, mixers 7 and 8 are shown, which correspond to mixers 1 and 3 of Figures 1 and 2. Furthermore, an oxidation reactor 9 is shown, which corresponds to the oxidation reactors 2 and 4 of Figures 1 and 2. In contrast to the previously described embodiments of the method according to the invention, the mixer 7 is not provided with the total amount of coal dust C, but only a part C 'thereof, e.g. 20 percent. A diluted premix is then produced in the mixer 7 with the total amount of water H.O. The premix is then transferred to the oxidation reactor 9 and is charged with the oxidizing agent, for example again ozone 03. Due to the lower proportion C 'of coal dust, the premix has a significantly lower viscosity than a mixture which contains the full amount of coal dust C.
This makes it easier for the premix to be mixed by mixer 7 e.g. by pumping into the oxidation reactor 9 and can also be more easily charged with the oxidizing agent there. The finally desired coal dust / water ratio is set by adding the residual portion C of coal dust in the mixer 8.
The above-described embodiments of the method according to the invention can also be combined with one another to form further special embodiments.
In all embodiments, about 1 g of ozone O3 per kg of coal dust should be used for the oxidation when using ozone O3 as the oxidizing agent.