DD251083A5

DD251083A5 - Reaktor mit mehreren herdelementen und verfahren zur thermischen behandlung von kohlenstoffhaltigen materialien

Info

Publication number: DD251083A5
Application number: DD85284670A
Authority: DD
Inventors: Edward Koppelmann
Original assignee: Kk
Priority date: 1984-12-19
Filing date: 1985-12-18
Publication date: 1987-11-04
Also published as: ZA858948B; SU1577702A3; IN165704B; NO166812C; PL256899A1; DK165373C; DK165373B; DE3543582C2; BG72725A; ES557431A0; DE3543582A1; CS944485A2; HUT43168A; JPS61217619A; SE8506014D0; GB2168797A; FR2574810B1; PH22344A; NO855129L; KR930005529B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur thermischen Behandlung von kohlenstoffhaltigem Material und den zur Durchfuehrung des Verfahrens erforderlichen Reaktor mit mehreren Herdelementen und ist fuer die Behandlung von Materialien, die eine Restfeuchte enthalten, unter gesteuerten Druck- und erhoehten Temperaturbedingungen geeignet. Gemaess den Verfahrensmerkmalen der Erfindung werden die feuchten organischen kohlenstoffhaltigen Beschickungsmaterialien in eine Vorheizzone eingefuehrt, die vom Reaktor getrennt oder in diesen integriert ist. In dieser Vorheizzone wird das Beschickungsmaterial durch den Gegenstrom der Reaktionsgase auf eine Temperatur von etwa 150 bis etwa 260C vorerhitzt. Gleichzeitig wird Feuchtigkeit, die auf dem kalten eingegebenen Ausgangsmaterial kondensiert, sowie durch Erhitzen des Ausgangsmaterials freigesetzte Feuchtigkeit dem Ausgangsmaterial entzogen und unter Druck aus der Vorheizzone ueber ein Entwaesserungssystem abgefuehrt. Das in einem teilweise entwaesserten Zustand befindliche Ausgangsmaterial dringt von der Vorheizzone nach unten durch die Reaktionszone und wird auf eine Temperatur von etwa 200 bis etwa 650C oder hoeher erhitzt, und zwar unter einem von etwa 21 bis etwa 207 bar reichenden Druck oder hoeher ueber eine Zeitdauer von etwa 1 min bis auf etwa 1 h oder laenger, um eine Verdampfung von mindestens einem Teil der darin befindlichen fluechtigen Substanzen und die Erzeugung einer gasfoermigen Phase sowie eines festen Reaktionsproduktes zu erreichen.

Description

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zurthermischen Behandlung von kohlenstoffhaltigen Materialien unter Druck zu schaffen, das wirkungsvoller, vielseitiger, leichter und in der Steuerung einfacher durchführbar ist und mittels dessen die Umwandlung und Erzeugung von festen Hochenergiebrennstoffen als Ersatz und Alternative zu herkömmlichen Energiequellen noch wirtschaftlicher gestaltet werden kann. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, den zur Durchführung des Verfahrens erforderlichen Reaktor zu schaffen

Erfinduhgsgemäß wird die Aufgabe durch folgende Verfahrensschritte gelöst:

a) Einführen eines feuchten kohlenstoffhaltigen Materials, das unter Druck behandelt werden soll, in einen mehrere Herdelemente aufweisenden Reaktor, der einen Druckbehälter aufweist, welcher eine Vielzahl von übereinander angeordneten ringförmigen Herdelementen umfaßt, die eine Reihe von oberen Herdelementen, welche in Richtung auf den Umfang des Behälters abwärts geneigt angeordnet sind, und eine Reihe von unteren Herdelementen, die im Abstand darunter angeordnet sind, umfassen,

b) Absetzen des Ausgangsmaterials auf dem obersten Herdelement und Fördern desselben radial entlang eines jeden Herdelementes abwechselnd einwärts und auswärts, um eine kaskadenförmige Abwärtsbewegung des Materials von einem Herdelement zum nächsten darunter befindlichen Herdelement zu erreichen,

c) In Kontaktbringen des Ausgangsmaterials mit im Gegenstrom geführten Reaktionsgasen, um eine Vorerhitzung des Ausgangsmaterials auf den oberen Herdelementen auf eine Temperatur von etwa 94 bis etwa 26O⁰C zu erreichen,

d) Entfernen von Flüssigkeit von den oberen Herdelementen, die aus der freigesetzten Feuchtigkeit des Ausgangsmaterials und von kondensierbaren Flüssigkeiten in den Reaktionsgasen stammt, unter Druck aus dem Inneren des Behälters,

e) Erhitzen des vorerhitzten Ausgangsmaterials auf den unteren Herdelementen auf eine erhöhte Temperatur über eine Zeitdauer, die zum Verdampen von mindestens einem Teil der darin befindlichen flüchtigen Substanzen und zur Erzeugung von Reaktionsgasen und einem festen Reaktionsprodukt ausreicht, und

f) Abziehen der verbleibenden Reaktionsgase aus dem oberen Abschnitt des Behälters und Abgeben des festen Reaktionsproduktes unter Druck vom unteren Abschnitt des Behälters.

Eine andere erfindungsgemäße Variante des Verfahrens besteht aus folgenden Verfahrensschritten:

a) Einführen eines feuchten kohlenstoffhaltigen Ausgangsmaterials, das unter Druck behandelt werden soll, in eine Vorheizkammer und Vorerhitzen des Ausgangsmaterials auf eine Temperatur von etwa 94 bis 26O⁰C durch Wärmeübertragung mit im Gegenstrom geführten Reaktionsgasen,

b) Entfernen jeglicher Flüssigkeit, die sich in der Vorheizkammer gebildet hat, unter Druck aus der Kammer,

c) Einführen des vorerhitzten Ausgangsmaterials unter Druck in einem mehrere Herdelemente aufweisenden Reaktor, der einen Druckbehälter aufweist, welcher eine Vielzahl von übereinander angeordneten ringförmigen Herdelementen besitzt,

d) Verteilen des vorerhitzten Ausgangsmaterials auf das obere Herdelement und Fördern des Ausgangsmaterials radial entlang einem jeden Herdelement abwechselnd nach innen und außen, um eine abwärts gerichtete kaskadenförmige Bewegung des Ausgangsmaterials von einem Herdelement zum nächsten darunter befindlichen Herdelement zu erreichen,

e) Erhitzen des Ausgangsmaterials im Reaktor auf eine erhöhte Temperatur über eine Zeitdauer, die zum Verdampfen von mindestens einem Teil der darin befindlichen flüchtigen Substanzen und zur Erzeugung von Reaktionsgasen und einem festen Reaktionsprodukt ausreicht,

f Führen der Reaktionsgase im Gegenstrom zum Ausgangsmaterial durch den Druckbehälter und in die Vorheizkammer, und

g) Abgeben des festen Reaktionsproduktes unter Druck vom Reaktor.

Der zur Durchführung des Verfahrens erforderliche Reaktor, der mehrere Herdelemente enthält, weist einen Druckbehälter auf, welcher eine Kammer begrenzt, in der eine Vielzahl von übereinander angeordneten ringförmigen Herdelementen vorgesehen ist, die eine Reihe von oberen Herdelementen, welche in Richtung auf den Umfang der Kammer winklig abwärts geneigt sind und eine Trocknungs- oder Vorheizzone bilden, in der Feuchtigkeit und chemisch gebundenes Wasser im Beschickungsmaterial extrahiert wird, aufweisen. Unterhalb dieser oberen Herdelemente ist eine Reihe von unteren Herdelementen angeordnet, die im Abstand darunter angeordnet sind, und eine Reaktionszone bilden, welche eine Heizeinrichtung zur Durchführung einer Erhitzung des Beschickungsmateriales auf eine erhöhte Temperatur unter einem gesteuerten unteratmosphärischem Druck über eine zur Verdampfung von mindestens einem Teil der flüchtigen Bestandteile darin und zur Erzeugung von Reaktionsgasen sowie eines festen Reaktionsproduktes miteinem erhöhten Heizwertauf einerfeuchtigkeitsfreien Basis ausreichenden Zeitdauer aufweist. Die in der Reaktionszone erzeugten heißen Reaktionsgase strömen im Wärmeaustausch mit dem Beschickungsmaterial in der Trocknungszone im Gegenstrom nach oben, wobei mindestens eine teilweise Kondensation ihrer kondensierbaren Teilean dem eintretenden Beschickungsmaterial auftritt, was zu einerVorheizung desselben durch Entfernung der latenten Verdampfungswärme und des weiteren zu einer Freisetzung von chemisch gebundenem Wasser im Beschickungsmaterial führt, welches von den winklig geneigten Herdelementen unter Druck zu einer Stelle außerhalb des Reaktors abgezogen wird.

Der Reaktor enthält ferner eine Einlaßeinrichtung im oberen Abschnitt des Behälters zur Einführung eines feuchten kohlenstoffhaltigen Ausgangsmaterials unter Druck auf das oberste Herdelement. '

Der Reaktionsbehälter ist mit einer sich mittig erstreckenden drehbaren Welle versehen, die eine Vielzahl von daran benachbart zu den oberen Flächen eines jeden Herdelementes angeordnete Kratz- bzw. Rührarme aufweist. Diese Arme bewirken bei einer Drehung derselben eine fortschreitende Überführung des Beschickungsmaterials in Radialrichtung entlang eines jeden Herdelementes abwechselnd nach innen und außen, so daß eine wasserfallartige abwärts gerichtete Bewegung des Beschickungsmaterials von einem Herdelement zu dem darunter befindlichen nächsten Herdelement erreicht wird. Vorzugsweise finden in der Trocknungszone des Reaktors ringförmige Leitelemente Verwendung, die oberhalb der Herdelemente und Kratzarme angeordnet sind und die Strömung der im Gegenstrom geführten heißen Reaktionsgase auf einen Bereich unmittelbar benachbart zum Beschickungsmaterial auf diesen Herdelementen begrenzen, um den Kontakt und die Wärmeübertragung zwischen dem Beschickungsmaterial und den Gasen zu verbessern.

Das feste Reaktionsprodukt wird vom Bodenabschnitt des Reaktors abgezogen und in eine geeignete Kühlkammer überführt, in der es auf eine Temperatur abgekühlt wird, auf der es in Kontakt mit der Atmosphäre ohne nachteilige Auswirkungen abgeführt werden kann

In seinem oberen Abschnitt ist der Reaktor mit einem Auslaß versehen, der dazu dient, die Reaktionsgase unter Druck als ein

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Reaktors eingesetzt werden kann. Der obere Abschnitt des Reaktors ist ferner mit einem Einlaß versehen, über den das kohlenstoffhaltige Ausgangsmaterial oder Gemisch davon über einen geeigneten Druckverschluß in die Reaktionskammer und auf das oberste Herdelement in der Trocknungszone geführt werden können.

Der Reaktor umfaßt des weiteren Reinigungseinrichtungen, die zum Reinigen der Entwässerungseinrichtungen dienen und den Kratzeinrichtungen zugeordnet sind. Die Heizeinrichtungen sind in Umfangsrichtung um das Innere der Kammer herum angeordnet. Die Heizeinrichtungen erstrecken sich in Abständen in Querrichtung innerhalb der Kammer und benachbart zur Unterseite eines jeden unteren Herdelementes. Die Heizeinrichtungen sind innerhalb einer leitenden Abschirmung angeordnet und weisen Schabeinrichtungen an den Kratzeinrichtungen zum Entfernen von Ablagerungen von mindestens einem Teil der Außenfläche der Abschirmung auf. Der Reaktor weist Einrichtungen zur einstellbaren Lagerung der Kratzeinrichtungen für eine Vertikalbewegung relativ zu den Oberflächen der oberen und unteren Herdelemente auf.

Eine andere Ausführungsform des Reaktors weist eine Vorheizkammer mit einem Einlaß an einem Ende zur Aufnahme des Ausgangsmaterials und einen Auslaß am anderen Ende zur Abgabe des vorerhitzten Ausgangsmaterials auf. Ferner sind eine Fördereinrichtung zum Fördern des Ausgangsmaterials durch die Kammer vom Einlaß zum Auslaß, eine Entwässerungseinrichtung in der Kammer zum Abziehen von darin befindlicher Flüssigkeit unter Druck aus der Kammer, eine Auslaßeinrichtung im oberen Abschnitt der Kammer zum Abziehen von Reaktionsgasen unter Druck von der Kammer an einer Stelle, die im Abstand vom Auslaß angeordnet ist, einen mehrere Herdelemente aufweisenden Reaktor, der einen Druckbehälter mit einer Vielzahl von übereinander angeordneten ringförmigen Herdelementen aufweist, eine Einlaßeinrichtung im oberen Abschnitt des Behälters, die in Verbindung mit dem Auslaß der Kammer zur Einführung des vorerhitzten Ausgangsmaterials unter Druck auf das oberste Herdelement steht, Kratz- bzw. Rühreinrichtungen, die über jedem Herdelement angeordnet sind und das Material radial entlang eines jeden Herdelementes abwechselnd einwärts und auswärts fördern, um eine kaskadenartige Abwärtsbewegung des Ausgangsmaterials von einem Herdelement zum nächsten und darunter befindlichen Herdelement zu erzeugen, Heizeinrichtungen im Behälter zum fortschreitenden Erhitzen des Ausgangsmaterials auf eine erhöhte Temperatur über eine Zeitdauer, die zum Verdampfen von mindestens einem Teil der darin befindlichen flüchtigen Substanzen zur Erzeugung von Reaktionsgasen und einem Reaktionsprodukt ausreicht, Einrichtungen zum Lenken der Reaktionsgase nach oben durch den Behälter und durch die Vorheizkammer im Gegenstrom zur Bewegung des Ausgangsmaterials zur Auslaßeinrichtung und eine Abgabeeinrichtung im unteren Abschnitt des Behälters zur Abgabe des Reaktionsproduktes unter Druck vom Reaktor vorgesehen.

Bei der Fördereinrichtung in der Kammer handelt es sich um einen Schneckenförderer. Die Heizeinrichtungen sind in Umfangsrichtung um den Umfang des Behälterinneren angeordnet. Die Heizeinrichtungen erstrecken sich im Abstand voneinander in Querrichtung eines jeden Herdelementes.

Die Heizeinrichtungen sind innerhalb einer leitenden Abschirmung angeordnet und umfassen Schabeinrichtungen auf den Kratzeinrichtungen zum Entfernen von Ablagerungen von mindestens einem Teil der Außenflächen der Abschirmung. Außerdem sind Einrichtungen zur einstellbaren Lagerung der Kratzeinrichtungen im Reaktor für eine Vertikalbewegung relativ zu den Oberflächen der Herdelemente vorgesehen.

Ausfuhrungsbeispiel

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im einzelnen erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:

Fig. 1: einen Vertikalschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines mehrere Herdelemente aufweisenden Reaktors; Fig. 2: einen Horizontalschnitt durch den Reaktor der Fig. 1, und zwar durch einen Reaktorabschnitt, bei dem die Anordnung der

quer verlaufenden Wärmeaustauscherrohre erkennbar ist; Fig. 3: eine Teildraufsicht, teilweise im Schnitt, auf die Abgabeöffnungen eines geneigten ringförmigen Herdelementes, das in

der oberen Vorheizzone des in Fig. 1 gezeigten Reaktors angeordnet ist; Fig.4: ein schematisches Flußdiagramm des Reaktors und verschiedener Verfahrensabläufe bei der thermischen Behandlung

von kohlenstoffhaltigen Ausgangsmaterialien; und Fig. 5: eine Teilseitenansicht, teilweise im Schnitt, eines mehrere Herdelemente aufweisenden Reaktors, der mit einer vom Reaktor getrennten Vorheiz- und Trocknungsstufe versehen ist, gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel.

Wie aus den Figuren 1 bis 3 hervorgeht, umfaßt ein mit mehreren Herdelementen versehener Reaktor gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung einen Druckbehälter 10, der einen domförmigen oberen Abschnitt 12, einen kreiszylindrischen Mittelabschnitt 14 und einen domförmigen unteren Abschnitt 16 aufweist, die mit Hilfe von ringförmigen Flanschen 18 gasdicht aneinander befestigt sind. Der Reaktor wird in einer im wesentlichen aufrecht stehenden Position von einer Reihe von Beinen 20 getragen, die an Anschlägen 22 befertigt sind, welche mit dem unteren Flansch 18 des mittleren Abschnitts des Behälters verbunden sind. Der obere domförmige Abschnitt 12 ist mit einem mit einem Flansch versehenen Einlaß 24 zur Einführung von partikelförmigen feuchten kohlenstoffhaltigen Ausgangsmaterial in das Innere des Reaktors versehen. Ein ringförmiges Leitelement 26 ist benachbart zum Einlaß 24 angeordnet und dient dazu, das eintretende Ausgangsmaterial in Richtung auf den Umfang der Reaktionskammer zu führen. Ein mit einem Flansch versehener Auslaß 28 ist an der gegenüberliegenden Seite des oberen Abschnittes 12 vorgesehen und dient dazu, die unter Druck stehenden Reaktionsgase in einer nachfolgend beschriebenen Weise von der Reaktionskammer abzuziehen. Ein sich nach unten erstreckender ringförmiger Vorsprung 30 ist am inneren mittleren Abschnitt des oberen Abschnittes 12 ausgebildet. Ein Lager 32 ist in dem Vorsprung angeordnet, um das obere Ende einer drehbaren Welle 34 drehbar zu lagern.

Die Welle 34 erstreckt sich in der Mitte des Innenraums des Reaktors und ist an ihrem unteren Ende mit Hilfe eines Lagers 38 und einer Strömungsmitteldichten Dichtungseinheit 40 in einem ringförmigen Vorsprung 36 gelagert, der im unteren Abschnitt 16 ausgebildet ist. Das auswärts vorstehende Ende der Welle 34 weist einen abgestuften Stummelwellenabschnitt 42 auf, der in einem Drucklager 44 gelagert ist, das in einem Lagerträger 46 montiert ist.

Eine Vielzahl von radial verlaufenden Kratz- bzw. Rührarmen 48 ist in Vertikalrichtung in Abständen an der Welle 34 befestigt und steht von dieser radial vor. Normalerweise können zwei, drei oder vier Kratzarme in der Vorheiz-oder Trocknungszone und bis

zu sechs Kratzarmen in der Reaktionszone Verwendung finden. Typischerweise sind vier Kratzarme auf jedem entsprechenden Niveau an der drehbaren Welle befestigt und zwar in Abständen von etwa 90°. Eine Vielzahl von winklig angeordneten Kratzzähnen 50 ist an den unteren Seiten der Kratzarme 48 angeordnet und winklig orientiert, so daß eine radial einwärts- und auswärts gerichtete Überführung des Ausgangsmaterials entlang der Vielzahl der Herdelemente in Abhängigkeit von einer Drehung der Welle durchgeführt werden kann.

Eine Drehung derWelle34und der daran befindlichen Kratzarmeinheiten wird mit Hilfe eines Motors 52 erreicht, der auf einer einstellbaren Basis 54 gelagert ist und ein Kegelrad 56 aufweist, das an seiner Ausgangswelle fixiert ist. Dieses Kegelrad kämmt in konstanter Weise mit einem angetriebenen Kegelrad 58, das am unteren Endabschnitt der Welle fixiert ist. Bei dem Motor 52 handelt es sich vorzugsweise um einen solchen mit veränderlicher Drehzahl, so daß die Drehzahl der Welle in gesteuerter Weise verändert werden kann.

Um eine Expansion und Kontraktion der Welle in Längsrichtung und Veränderungen in der Vertikallage der davon vorstehenden Kratzarme in Abhängigkeit von Temperaturänderungen innerhalb des Reaktors zu ermöglichen, sind die Basis 54 und das auswärts vorstehende Ende der Welle 34 auf einstellbaren Hubeinrichtungen 60 angeordnet, die durch einen strömungsmittelbetätigten Zylinder 62 unterstützt werden. Hierdurch kann die Höhe der Basis 54 wahlweise verändert werden, um eine geeignete Anordnung der Kratzzähne 50 relativ zu den Oberflächen der Herdelemente innerhalb des Reaktors zu ermöglichen.

Bei der in Fig. 1 gezeigten speziellen Ausführungsform ist das Innere des Reaktors in eine obere Vorheiz- oder Entwässerungszone und eine untere Reaktionszone unterteilt. Die Vorheizzone umfaßt eine Vielzahl von übereinander angeordneten, winklig geneigten ringförmigen Herdelementen 64, die in Richtung auf den Umfang der Reaktionskammer abwärts geneigt sind. Die obere Vorheizzone ist mit einer kreisförmigen zylindrischen Auskleidung 66 versehen, die radial einwärts im Abstand von der Wand 14 des mittleren Abschnittes angeordnet und an der die winklig geneigten Herdelemente 64 befestigt sind. Das obere Ende der Auskleidung 66 ist mit einem auswärts geneigten Abschnitt 68 versehen, um das Eindringen von kohlenstoffhaltigem Ausgangsmaterial in den Ringraum zwischen der Auskleidung und der Wand 14 des Mittelabschnittes zu verhindern. Wie aus Fig. 1 ersichtlich, ist das oberste Herdelement 64 an seinem Umfang mit der Auskleidung 66 verbunden und erstreckt sich aufwärts und einwärts in Richtung auf die drehbare Welle 34. Das Herdelement 64 endet in einem abwärts gerichteten kreisförmigen Leitelement 70, das einen Ringkanal begrenzt, durch den das Ausgangsmaterial kaskadenförmig nach unten auf den inneren Abschnitt des darunter befindlichen ringförmigen Herdelementes fällt. Das unter dem obersten Herdelement 64 angeordnete abwärts geneigte ringförmige Herdelement 64 ist mit Hilfe von Armen 72 in Winkelabständen an der Auskleidung 66 befestigt und wird von dieser getragen. Wie man am besten aus Fig. 3 ersehen kann, ist das zweite ringförmige Herdelement 64 mit einer Vielzahl von Öffnungen 73 um seinen Umfang herum versehen, über die das Ausgangsmaterial kaskadenförmig auf das nächste darunter befindliche Herdelement abgegeben wird. Bei dieser Ausbildung wird ein feuchtes kohlenstoffhaltiges Ausgangsmaterial, das durch den Einlaß 24 eingegeben wird, über das Leitelement 26 zum Außenumfang des obersten Herdelementes 64 abgeleitet und danach durch die Kratzzähne 50 aufwärts und einwärts in eine Lage über dem kreisförmigen Leitelement 70 gefördert, wo das Material nach unten auf das darunter befindliche Herdelement fällt. Die auf dem zweiten Herdelement befindlichen Kratzzähne 50 fördern das Ausgangsmaterial entlang der Oberfläche des Herdelementes abwärts und auswärts, bis es schließlich durch die um den Umfang des Elementes herum angeordneten Öffnungen 73 abgegeben wird. Das Ausgangsmaterial setzt seine Abwärtsbewegung in einer abwechselnd einwärts und auswärts gerichteten kaskadenförmigen Weise fort, wie durch die Pfeile in Fig. 1 angedeutet, und wird schließlich in die untere Reaktionszone abgegeben.

Während seiner kaskadenförmigen Abwärtsbewegung kontaktiert das Ausgangsmaterial die im Gegenstrom geführten erhitzten Reaktionsgase, die eine Vorerhitzung des Ausgangsmaterials auf eine Temperatur zwischen etwa 94 und etwa 26O⁰C bewirken. Um einen engen Kontakt des Ausgangsmaterials mit den aufwärts strömenden Reaktionsgasen zu erreichen, sind ringförmige Leitelemente 72 unmittelbar über den Kratzarmen 48 von mindestens einigen der winklig geneigten Herdelemente 64 angeordnet, so daß die Strömung von diesen heißen Reaktionsgasen auf einen Bereich unmittelbar benachbart zur Oberfläche der ringförmigen Herdelemente begrenzt wird und hier ein Wärmeaustausch mit dem auf den Herdelementen befindlichen Ausgangsmaterial stattfinden kann. Eine Vorerhitzung des Ausgangsmaterials wird teilweise durch Kondensation von kondensierbaren Teilen des Reaktionsgases erreicht, wie beispielsweise von Dampf auf den Oberflächen des kalten eintretenden Ausgangsmaterials, sowie durch einen direkten Wärmeaustausch. Die kondensierten Flüssigkeiten sowie das freigesetzte chemisch gebundene Wasser in dem eintretenden Ausgangsmaterial werden abwärts und auswärts entlang den ringförmig geneigten Herdelementen entwässert und am Umfang von diesen Herdelementen, die an ihren äußersten Enden mit der kreisförmigen Auskleidung verbunden sind, über eine ringförmige Rinne 74 abgezogen, die mit einem Sieb 76, beispielsweise einem Johnson-Sieb, über ihrem Einlaßende versehen ist, welches mit Hilfe eines Kratzers oder einer Drahtbürste 77 am äußersten Kratzzahn des benachbarten Kratzarmes kontinuierlich abgewischt werden kann. Die ringförmigen Rinnen 74 stehen in Verbindung mit Fallrohren 78, die innerhalb des Ringraumes zwischen der Auskleidung 66 und der Wand des Mittelabschnittes 14 angeordnet sind. Die Flüssigkeit wird aus dem Reaktionsbehälter über einen Kondensatauslaß 80 abgezogen, wie in Fig. 1 gezeigt.

Die gekühlten Reaktionsgase, die aufwärts durch die Vorheizzone strömen, werden schließlich durch den mit dem Flansch versehenen Auslaß 28 vom oberen Abschnitt 12 des Druckbehälters abgezogen.

Das vorerhitzte und teilweise entwässerte Ausgangsmaterial gelangt vom untersten Herdelement in der Vorheizzone zum obersten ringförmigen Herdelement 82 in der Reaktionszone unter einem kontinuierlich gesteuerten erhöhten Druck und wird weiter erhitzt auf Temperaturen, die von etwa 200 bis etwa 65O⁰C oder höher reichen. Die ringförmigen Herdelemente 82 in der Reaktionszone sind in einer im wesentlichen horizontalen Lage angeordnet, wobei der Umfang der übernächsten Herdelemente in einer im wesentlichen abgedichteten Weise gegen eine kreiszylindr-ische feuerfeste Auskleidung 84 an der Innenwand des mittleren Abschnittes 14 stößt. Die Kratzzähne 50 an den Kratzarmen 48 in der Reaktionszone bewirken in entsprechenderweise eine abwechselnd radial einwärts und radial auswärts gerichtete Bewegung des Ausgangsmaterials durch die Reaktionszone in einer kaskadenförmigen Weise, wie dies durch die Pfeile in Fig. 1 angedeutet ist. Das im wesentlichen feuchtigkeitsfreie und thermisch aufgearbeitete feste Reaktionsprodukt wird am Mittelpunkt des untersten Herdelementes 82 in einen konischen Kanal 86 abgegeben und vom Druckbehälter über einen mit einem Flansch versehenen Auslaß 88 abgeführt.

Um die Wärmeveriuste des Druckbehälters weiter zu reduzieren, sind der zylindrische Abschnitt sowie der untere Abschnitt 16 mit einer äußeren Isolationsschicht 90 irgendeiner bekannten Ausführungsform versehen. Der mittlere Abschnitt ist vorzugsweise des weiteren mit einer äußeren Umhüllung 92 ausgestattet, um die darunter befindliche Isolation zu schützen.

Die Erhitzung des Ausgangsmaterials innerhalb der Reaktionszone kann durch darin angeordnete elektrische Heizelemente, durch eine den Umfang der Wand des mittleren Abschnittes 14 umgebende Umhüllung, durch die ein Wärmeaustauschströmungsmittel umgewälzt wird, oder alternativ dazu gemäß der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform durchgeführt werden, bei der eine sich in Umfangsrichtung erstreckende rohrförmige Wärmeaustauschanordnung, die ein schraubenförmiges Rohrbündel 94 aufweist, das benachbart zu der Innenfläche der feuerfesten Auskleidung 84 angeordnet ist, sowie ein sich in Querrichtung erstreckender Wärmeaustauscher vorgesehen ist, der eine Vielzahl von U-förmigen Rohren 96 umfaßt, welche horizontal über den Druckbehälter bis zu einer Stelle unmittelbar unter den ringförmigen Herdelementen 82 vorstehen. Das Rohrbündel 94 des sich in Umfangsrichtung erstreckenden Wärmeaustauschers steht über einen mit einem Flansch versehenen Einlaß 98 und einen mit einem Flansch versehenen Auslaß 100 mit einer äußeren Quelle eines Wärmeübertragungsströmungsmittels, beispielsweise komprimiertem Kohlendioxid o.a. Übertragungsströmungsmitteln, in Verbindung. Die U-förmigen Rohre 96 des in Querrichtung verlaufenden Wärmeaustauschers sind, wie am besten den Figuren 1 und 2 zu entnehmen ist, an einen Einlaßverteiler 102 und einen Auslaßverteiler 104 angeschlossen, die wiederum mit einem mit einem Flansch versehenen Einlaß 106 und einen mit einem Flansch versehenen Auslaß 108, welche sich durch die Wand des Druckbehälters erstrecken, verbunden sind. Die sich in Umfangsrichtung und in Querrichtung erstreckenden Wärmetauschersysteme können an die gleiche Quelle eines Wärmeaustauschströmungsmittels angeschlossen sein oder gemäß einer bevorzugten Ausführungsform, die in Fig.4 schematisch dargestellt ist, an separate Heizquellen, die eine unabhängige Steuerung eines jeden Systems zur Erzielung der gewünschten Erhitzung und thermischen Umstrukturierung des Ausgangsmaterials in der Reaktionszone ermöglichen.

Wie man dem Flußdiagramm der Fig.4 entnehmen kann, wird im Betrieb des Reaktorsein geeignetes feuchtes kohlenstoffhaltigesAusgangsmaterial aus einem Lagerbunker 110 über einen geeigneten Druckverschluß 111 unter Druck in den Einlaß 24 des Druckbehälters 10 geführt. Das feuchte Ausgangsmaterial wird durch die obere Vorheizzone 112 in der vorstehend beschriebenen Weise und in Wärmeaustauschkontakt mit den sich nach oben bewegenden Reaktionsgasen abwärts geführt, um eine Vorerhitzung des Ausgangsmaterials innerhalb eines Temperaturbereiches von etwa 94 bis 26O⁰C in der vorstehend in Verbindung mit Fig. 1 beschriebenen Weise zu erreichen. Danach dringt das vorerhitzte und teilweise entwässerte Ausgangsmaterial nach unten in die untere Reaktionszone 114 des Reaktors ein, in der es auf eine erhöhte Temperatur von etwa 200 bis etwa 650°C erhitzt wird, um eine gesteuerte thermische Umstrukturierung oder Teilpyrolyse desselben zu erreichen, die von einer Verdampfung nahezu des gesamten Feuchtigkeitsgehaltes sowie der organischen flüchtigen Bestandteile und der Pyrolysereaktionsprodukte begleitet wird. Der Druck innerhalb des Reaktors wird in einem Bereich von etwa 21 bis etwa 207 bar oder höher gesteuert, je nach der verwendeten Art des Ausgangsmaterials und der gewünschten thermischen Umstrukturierung desselben, um das gewünschte feste Reaktionsprodukt zu erzeugen. Die Anzahl der ringförmigen Herdelemente in der Vorheizzone und in der Reaktionszone des Reaktors wird in Abhängigkeit von der gewünschten Behandlungsdauer gesteuert, um eine Verweilzeit des Materials in der Reaktionszone vorzusehen, die von etwa 1 min bis 1 h oder langer dauert. Das entstandene thermisch aufgearbeitete feste Reaktionsprodukt wird über den Auslaß 88 im unteren Abschnitt des Reaktors abgeführt und in einem Kühler 116 weiter bis auf eine Temperatur abgekühlt, auf der das feste Reaktionsprodukt ohne Verbrennung oder andere nachteilige Auswirkungen in Kontakt mit der Atmosphäre abgegeben werden kann. Üblicherweise ist eine Abkühlung des festen Reaktionsproduktes auf eine Temperatur unter etwa 260⁰C, üblicherweise unter etwa 15O⁰C, angemessen. Die Abgabeleitung vom Auslaß 88 ist ebenfalls mit einem Druckverschluß 118 versehen, den das Reaktionsprodukt passiert, um einen Druckverlust des Reaktors zu verhindern.

Die abgekühlten Reaktionsgase werden vom oberen Ende des Reaktors durch den mit dem Flansch versehenen Auslaß 28 abgezogen und strömen über ein Druckreduzierventil 120 zu einem Kondensator 122. Im Kondensator 122 werden die organischen und kondensierbaren Teile des Reaktionsgases kondensiert und als Nebenprodukt anfallendes Kondensat abgezogen. Der nicht kondensierbare Teil des Gases wird abgezogen und kann wiedergewonnen und zur Ergänzung der Beheizung des Reaktors verwendet werden. In entsprechender Weise wird der vom Reaktor in der Vorheizzone abgezogene flüssige Teil durch ein geeignetes Druckreduzierventil 124 entfernt und als Abwasser abgezogen. Dieses Wasser enthält häufig wertvolle gelöste organische Bestandteile und kann weiterbehandelt werden, um eine Extraktion dieser Bestandteile zu erreichen. Das die gelösten organischen Bestandteile enthaltende Wasser kann auch direkt zur Erzeugung eines wäßrigen Schlammes verwendet werden, der Teile des verkleinerten festen Reaktionsproduktes enthält, um einen Transport desselben zu einem vom Reaktor entfernten Punkt zu ermöglichen.

Im Flußdiagramm der Fig. 4 sind ferner schematisch Hilfsheizsysteme zur Wiederumwälzung des Wärmeübertragungsmediums durch die sich in Umfangsrichtung und in Querrichtung erstreckenden Wärmeaustauscherabschnitte der Reaktionszone 114 dargestellt. Das sich in Umfangsrichtung erstreckende Wärmeaustausclisystem umfaßt eine Pumpe 126 zur Umwälzung des Wärmeübertragungsmittels durch einen Wärmetauscher oder einen Ofen 128, um eine Wiedererhitzung desselben und eine Abgabein das Rohrbündel in der Reaktionszone zu ermöglichen. In entsprechender Weise ist das sich in Querrichtung erstreckende Wärmeaustauschsystem mit einer Umwälzpumpe 130 und einem Ofen 132 zur Umwälzung und Wiedererhitzung des Wärmeübertragungsmittels und zur Abgabe in die U-förmigen Rohre in der Reaktionszone 114 versehen. Der vorstehend beschriebene Reaktor und das entsprechende Verfahren sind besonders geeignet zur Behandlung von kohlenstoffhaltigen Materialien oder Gemischen aus derartigen Materialien der vorstehend beschriebenen Art, die insbesondere dadurch gekennzeichnet sind, daß sie in ihrem „Rohzustand" einen hohen Feuchtigkeitsgehalt aufweisen. Der hier verwendete Begriff „kohlenstoffhaltig" soll Materialien bezeichnen, die einen hohen Gehalt an Kohlenstoff aufweisen und in der Natur vorkommende Lagerstätten sowie Abfallmaterialien umfassen, die aus der Landwirtschaft und der Forstwirtschaft resultieren. Derartige Materialien umfassen üblicherweise Kohlearten mit geringem Bitumengehalt, lignitische Kohlearten, Torf, Zelluloseabfallmaterialien, wie beispielsweise Sägemehl, Rinde, Holzschnitzel, Zweige und Späne aus Sägewerken und Holzbearbeitungsfabriken, landwirtschaftliche Abfallmaterialien, wie beispielsweise Baumwollpflanzenstengel, Nußschalen, Maiskolben, Reisschalen o.a., und feste städtische Apfallpulpe, aus der die metallischen Verunreinigungen entfernt worden sind und die weniger als etwa 50 Gew.-% Feuchtigkeit, typischerweise etwa 25Gew.-% Feuchtigkeit, enthält. Der vorstehend beschriebene Reaktor und das entsprechende Verfahren sind besonders geeignet zur Behandlung und Aufarbeitung von derartigen Zellulosematerialien unter Bedingungen und Verfahrensparametern, wie sie in den US-PS'en 4052168,4126519, 4129420,4127391 und 4477257 beschrieben sind.

Es wird nunmehr ein typisches Beispiel in bezug auf die Betriebsweise des in Fig. 1 dargestellten Reaktors zur Aufarbeitung von geringbitumenhaltiger Kohle beschrieben, die etwa 30Gew.-% Feuchtigkeit im Ausgangszustand enthält. Die unbehandelte Kohle wurde, wie in Fig. 4 gezeigt, vom Bunker 110 durch den Druckverschluß 111 mit einer Temperatur von etwa 15°C und unter atmosphärischem Druckin den Reaktor eingeführt, der auf einem Druck von etwa 57 bar gehalten wurde. Die Kohle wurde in der Vorheizzone 112 des Reaktors während ihrer Abwärtsbewegung von ihren 15⁰C erhitzt und dann in die Reaktionszone 114 mit einerTemperaturvonetwa260°Cein. Das aus der Vorheizzone abgezogene Wasser wurde mit einerTemperatur von etwa 160⁰C und einem Druck von etwa 57 bar entfernt. Vom oberen Abschnitt der Vorheizzone wurde Gas entfernt, das die gleiche Temperatur und den gleichen Druck aufwies. Das Reaktionsgas von der Reaktionszone drang in den unteren Abschnitt der Vorheizzone mit einer Temperatur von etwa 26O⁰C und einem Druck von 57 bar ein. Das entstandene feste Reaktionsprodukt wurde vom Boden der Reaktionszone mit einer Temperatur von etwa 380⁰C und einem Druck von 57 bar abgezogen, wonach es auf eine Temperatur von etwa 94⁰C abgekühlt und auf atmosphärischem Druck abgegeben wurde.

Ein typischer Durchsatz des Ausgangsmaterials betrug 23,32t pro Stunde, wobei dieses Ausgangsmaterial 7,22t pro Stunde Wasser enthielt. Das gewonnene Wasser betrug 9,211 pro Stunde, während das gewonnene Gas 2,511 pro Stunde zusätzlich zu 0,15t pro Stunde Dampf betrug. Der Durchsatz des vom Reaktor abgegebenen festen Reaktionsproduktes betrug 11,49t pro Stunde, während das nach Extraktion der kondensierbaren Teile verbleibende Gas 2,511 pro Stunde zusätzlich zu 0,15t pro Stunde Wasser betrug.

Bei einem Verfahren der vorstehend beschriebenen Art besaß die zugeführte feuchte Kohle einen Heizwert von 78606 kJ/h, während das auf 94 ⁰C abgekühlte feste Reaktionsprodukt einen Heizwert von 1348867 kJ/h aufwies. Das gewonnene Gas besaß einen Heizwert von 1130825 kJ/h, während das heiße abgezogene Wasser einen Heizwert von 628071 kJ/h aufwies. Der vorstehend beschriebene Verfahrensablauf sowie die entsprechenden Bedingungen sind typisch für die Behandlung von bitumenarmen Kohlearten. Es versteht sich, daß die speziellen Temperaturen in den verschiedenen Zonen des Reaktors, die angewendeten Drücke und die Verweildauer des Ausgangsmaterials innerhalb der verschiedenen Zonen verändert werden können, um die erforderliche thermische Aufarbeitung und/oder chemische Umstrukturierung des Zellulose-Ausgangsmaterials in Abhängigkeit von seinem anfänglichen Feuchtigkeitsgehalt, dem allgemeinen chemischen Aufbau und dem Kohlenstoffgehalt desselben sowie den gewünschten Eigenschaften des gewonnenen festen Reaktionsproduktes zu erzielen. Die Vorheizzone des Reaktors kann daher so gesteuert werden, daß eine Vorerhitzung des mit Raumtemperatur eintretenden Ausgangsmaterials auf eine erhöhte Temperatur erreicht wird, die allgemein zwischen etwa 94⁰C und etwa 260⁰C liegt, wonach das Material bei Eintreten in die Reaktionszone auf eine Temperatur von etwa 65O⁰C oder mehr erhitzt wird. Der Druck innerhalb des Reaktors kann ebenfalls in einem Bereich von etwa 21 bis etwa 207 bar variiert werden, wobei Drücke von etwa 41 bis etwa 103 bar typisch sind.

Es wird nunmehr ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Reaktors anhand der Fig. 5 beschrieben. Bei diesem Reaktor wird die Vorheizzone durch eine geneigte Kammer 134 gebildet, deren oberes Auslaßende über einen Flansch 136 mit einem mit einem Flansch versehenen Einlaß 138 eines mehrere Herdelemente aufweisenden Reaktors 140 verbunden ist, der die Reaktionszone umgrenzt. Die Kammer 134 ist an ihrem unteren Endabschnitt mit einem Einlaß 142 versehen, durch den das feuchte kohlenstoffhaltige Ausgangsmaterial eintritt. Dieses Material wird über einen Schneckenförderer oder einen Bunkerverschluß 144 unter Druck in das untere Ende der Kammer geführt. Das Ausgangsmaterial wird unter Druck mit Hilfe eines Schneckenförderers 146, der sich über die Länge der Kammer erstreckt, in der Kammer 134 aufwärts gefördert. Das obere Ende des Schneckenförderers wird durch eine Endkappe 148 gelagert, die über Bolzen am oberen Ende der Kammer befestigt ist, während das untere Ende des Förderers mit Hilfe einer Dichtung und Lagereinheit 150 gelagert wird, welche an einem Flansch montiert ist, der über Bolzen am unteren Ende der Kammer befestigt ist. Die vorstehende Endwelle des Schneckenförderers 146 ist mit Hilfe einer Kupplung 152 an einen Elektromotor 154 mit veränderlicher Drehzahl angeschlossen. Das obere Ende der Kammer 134 weist einen mit einem Flansch versehenen Auslaß 156 auf, der mit einem geeigneten Druckentlastungsventil, beispielsweise einer Bruchscheibe, versehen ist, um den Druck des Reaktorsystems bei Erreichen eines vorgegebenen Druckniveaus abzubauen. Der untere Abschnitt der gleichen Kammer ist mit einem zweiten mit einem Flansch versehenen Auslaß 158 versehen, der über ein geeignetes Sieb, beispielsweise ein Johnson-Sieb, mit der Wand der Kammer 134 verbunden ist. Durch diesen Auslaß werden die nicht kondensierbaren Gase vom System abgeführt. Der Auslaß 158 ist in einer in Fig.4 dargestellten Weise über ein Ventil 120 an ein Behandlungs- und Wiedergewinnungssystem für ein als Endprodukt anfallendes Gas angeschlossen.

Eine Vorerhitzung und teilweise Entwässerung des kohlenstoffhaltigen Materials, das aufwärts durch die geneigte Kammer 134 gefördert wird, wird in Abhängigkeit von den im Gegenstrom geführten Reaktionsgasen, die aus dem Reaktor 140 über den Einlaß 138 abgeführt werden, durchgeführt. Wie bei der in Fig. 1 beschriebenen Ausführungsform wird eine Vorerhitzung des Ausgangsmaterials zum Teil durch Kondensation der kondensierbaren Teile des Reaktionsgases, wie beispielsweise Dampf auf den Oberflächen des kalten eintretenden Materials, sowie teilweise durch einen direkten Wärmeaustausch erreicht. Die Vorerhitzung des Ausgangsmaterials erfolgt in einem Temperaturbereich von etwa 94 bis etwa 260⁰C. Die kondensierten Flüssigkeiten und das chemisch gebundene Wasser, das während der Vorerhitzung und Kompaktion des kohlenstoffhaltigen Materials in der Kammer 134freigesetzt wird, werden nach unten entwässert und aus dem unteren Abschnitt der Kammer durch eine Öffnung 160 abgezogen, und zwar in der Art und Weise, wie sie in Verbindung mit Fig. 4 beschrieben worden ist. Die Öffnung 160 ist mit einem geeigneten Ventil 124 zur Abwasserbehandlung und Wiedergewinnung versehen. Die Wand der Kammer 134 benachbart zur Öffnung 160 ist mit einem geeigneten Sieb, beispielsweise einem Johnson-Sieb, versehen, um das Entweichen von festen Teilen des Ausgangsmaterials minimal zu halten.

Der in Fig. 5 dargestellte Reaktor 140 besitzt einen entsprechenden Aufbau wie der in Fig. 1 gezeigte Reaktor, mit der Ausnahme, daß das Innere des Reaktors eine Reaktionszone bildet und nicht die winklig geneigten Herdelemente 64 enthält, die in Fig. 1 im oberen Vorheizabschnitt des Reaktors dargestellt sind. Der Reaktor 140 besitzt eine entsprechende Konstruktion und umfaßt einen domförmigen oberen Abschnitt 162, der mit einem kreiszylindrischen Mittelabschnitt 164 in gasdichter Weise über Ringflansche 166 verbunden ist. Ein ringförmiger Vorsprung 168 ist am inneren Mittelabschnitt des domförmigen Abschnittes 162ausgebildetund nimmt ein Lager 170 auf, in dem das obere Ende einer drehbaren Welle 172 gelagert ist, die eine Vielzahl von Kratz- bzw. Rührarmen 174 wie bei der vorstehend in Verbindung mit Fig. 1 beschriebenen Ausführungsform trägt. Jeder Kratzarm ist mit einer Vielzahl von winklig angeordneten Kratzzähnen 176 versehen, die das Ausgangsmaterial radial einwärts und auswärts über eine Vielzahl von mit vertikalem Abstand angeordneten Herdelementen 178 fördern.

Das vorerhitzte und teilweise entwässerte Ausgangsmaterial, das vom oberen Ende der geneigten Kammer 134 abgegeben wird, dringt durch den mit einem Flansch versehenen Einlaß 138, der mit einer Rinne 180 zur Verteilung des Materials über das oberste Herdelement 178 versehen ist, in den Reaktor ein. In Abhängigkeit von einer Drehung der Kratzarme bewegt sich das Material in der vorstehend beschriebenen und in Fig. 5 mit Pfeilen angedeuteten Weise abwechselnd kaskadenförmig nach unten. Da der untere Abschnitt des Reaktors 140 im wesentlichen dem in Fig. 1 gezeigten Reaktor entspricht, ist keine spezielle Darstellung vorgesehen. Die Antriebs- und Lageranordnung der Fig. 1 kann in zufriedenstellender Weise für den Reaktor 140 eingesetzt werden.

Wie bei dem Reaktor der Fig. 1 ist auch der Reaktor 140 der Fig. 5 mit einer zylindrischen Auskleidung 182 versehen, die die Innenwand der Reaktionszone bildet. Zwischen der Auskleidung und dem Mittelabschnitt 164 der Reaktorwand befindet sich eine äußere Isolationsschicht 184. In entsprechenderweise kann die Außenfläche der Wand und des domförmigen oberen Abschnittes mit einer Isolationsschicht 186 versehen sein, um Wärmeverluste minimal zu halten.

Bei der in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform wird das Ausgangsmaterial auf der Oberfläche eines jeden Herdelementes 178 durch eine elektrische Heizvorrichtung 188 erhitzt. Diese Heizvorrichtung wird durch eine ringförmige leitende Abschirmung 190, die an der Unterseite des Herdelementes befestigt ist, nahezu vollständig umschlossen. Die Abschirmung 190 verhindert die Ablagerung von Teer und anderen thermischen Zersetzungsprodukten auf den Heizelementen, die sonst den Wirkungsgrad der Wärmeübertragung herabsetzen wurden. Derartige Abschirmungen 190 können in gleicherweise bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform zum Umhüllen der Rohre 94 und 96 Verwendung finden, um in entsprechender Weise eine Abscheidung von Kohlenstoff und anderen Fremdmaterialien zu verhindern.

Bei der Ausführungsform der Fig. 5 werden mindestens die unteren Flächen der ringförmigen Abschirmungen 190 mit Hilfe von geeigneten Kratzelementen 192, vorzugsweise Drahtbürsten, gereinigt, die am oberen Rand der Kratzarme 174 befestigt sind sowie sich radial zu diesem oberen Rand erstrecken. Eine Drehung der Welle 172 und der daran befestigten Kratzarme bewirkt daher eine kontinuierliche Reinigung der Unterseite der Abschirmungen, so daß eine Wärmeübertragung mit hohem Wirkungsgrad von den darin angeordneten Heizelementen sichergestellt wird.

Nach einer langen Betriebsdauer kann eine unerwünschte Ansammlung von Teer und anderen Materialien auf den Innenflächen der in den Figuren 1 und 5 dargestellten Reaktoren auftreten. In einem solchen Fall kann das Innere des Reaktors gereinigt werden, indem die weitere Einführung von Ausgangsmaterialien gestoppt wird. Nachdem der letzte Teil des Materials den Auslaß verlassen hat, kann Luft in das Innere des Reaktors eingeführt werden, um eine Oxidation und Entfernung der angesammelten kohlenstoffhaltigen Ablagerungen zu bewirken.

Bei der in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform ist der Reaktor 140 vorzugsweise mit einem einen Flansch aufweisenden Auslaß 194 im domförmigen oberen Abschnitt desselben versehen, der an eine geeignete Bruchscheibe oder ein Druckentlastungssystem angeschlossen sein kann, und zwar in entsprechenderweise wieder Auslaß 156 der Kammer 134. Die Betriebsbedingungen des in Fig. 5 dargestellten Reaktors entsprechen im wesentlichen denen des Reaktors der Fig. 1, wobei ein aufgearbeitetes, chemisch umstrukturiertes, teilweise pyrolysiertes Produkt erzeugt wird.

Claims

1. Verfahren zur thermischen Behandlung von kohlenstoffhaltigen Materialien unter Druck, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

c) Inkontaktbringen des Ausgangsmaterials mit im Gegenstrom geführten Reaktionsgasen, um eine Vorerhitzung des Ausgangsmaterials auf den oberen Herdelementen auf eine Temperatur von etwa 94 bis etwa 260°C zu erreichen,

d) Entfernen von Flüssigkeit von den oberen Herdelementen, die aus der freigesetzten Feuchtigkeit des Ausgangsmaterials und von kondensierbaren Flüssigkeiten in den Reaktionsgasen stammt, unter Druck aus dem Inneren des Behälters.

e) Erhitzen des vorerhitzten Ausgangsmaterials auf den unteren Herdelementen auf eine erhöhte Temperatur über eine Zeitdauer, die zum Verdampfen von mindestens einem Teil der darin befindlichen flüchtigen Substanzen und zur Erzeugung von Reaktionsgasen und einem festen Reaktionsprodukt ausreicht, und

2. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

a) Einführen eines feuchten kohlenstoffhaltigen Ausgangsmateriales, das unter Druck behandelt werden soll, in eine Vorheizkammer und Vorerhitzen des Ausgangsmaterials auf eine Temperatur von etwa 94 bis etwa 260°C durch Wärmeübertragung mit im Gegenstrom geführten Reaktionsgasen,

c) Einführen des vorerhitzten Ausgangsmaterials unter Druck in einen mehrere Herdelemente aufweisenden Reaktor, der einen Druckbehälter aufweist, welcher eine Vielzahl von übereinander angeordneten ringförmigen Herdelementen besitzt,

d) Verteilen des vorerhitzten Ausgangsmaterials auf das oberste Herdelement und Fördern des Ausgangsmaterials radial entlang einem jeden Herdelement abwechselnd nach innen und außen, um eine abwärts gerichtete kaskadenförmige Bewegung des Ausgangsmaterials von einem Herdelement zum nächsten darunter befindlichen Herdelement zu erreichen,

f) Führen der Reaktionsgase im Gegenstrom zum Ausgangsmaterial durch den Druckbehälter und in die Vorheizkammer, und

g) Abgeben des festen Reaktionsproduktes unter Druck vom Reaktor.

3. Reaktor mit mehreren Herdelementen zur Durchführung des Verfahrens nach Punkt 1, gekennzeichnet durch einen Druckbehälter (10), der eine Kammer umgrenzt, die eine Vielzahl von übereinander angeordneten ringförmigen Herdelementen aufweist, die eine Reihe von oberen Herdelementen (64), die in Richtung auf den Umfang der Kammer abwärts geneigt sind, und eine Reihe von unteren Herdelementen (82), die im Abstand darunter angeordnet sind, enthalten, eine Einlaßeinrichtung (24) im oberen Abschnitt (12) des Behälters (10) zur Einführung eines feuchten kohlenstoffhaltigen Ausgangsmaterials unter Druck auf das oberste Herdelement (64), Kratz- bzw. Rühreinrichtungen (48), die über jedem Herdelement angeordnet sind und das Ausgangsmaterial radial entlang jedem Herdelement abwechselnd einwärts und auswärts fördern, um eine kaskadenförmige Abwärtsbewegung des Ausgangsmaterials von einem Herdelement zum darunter befindlichen nächsten zu erzeugen, eine Auslaßeinrichtung (28) im oberen Abschnitt des Behälters zum Abzug von Reaktionsgasen unter Druck von der Kammer, Leiteinrichtungen (72), die

die oberen Herdelemente und Kratzeinrichtungen überlagern und den aufwärts gerichteten Gegenstrom der Reaktionsgase benachbart zum Ausgangsmaterial führen, so daß eine Wärmeübertragung dazwischen stattfinden kann, Entwässerungseinrichtungen (74; 76; 78; 80), die in Verbindung mit den oberen Herdelementen zum Abziehen von darauf befindlicher Flüssigkeit unter Druck aus der Kammer stehen,

Heizeinrichtungen (94; 96) in der Kammer, die im Bereich der unteren Herdelemente (82) angeordnet sind und das darauf befindliche Ausgangsmaterial über eine ausreichende Zeitdauer auf eine erhöhte Temperatur bringen, um mindestens einen Teil der flüchtigen Substanzen desselben zur Erzeugung von Reaktionsgasen und einem Reaktionsprodukt zu verdampfen, und eine Abgabeeinrichtung (88) im unteren Abschnitt (16) des Behälters (10) zum Abziehen des Reaktionsproduktes unter Druck aus der Kammer.

4. Reaktor nach Punkt 3, gekennzeichnet dadurch, daß er des weiteren Reinigungseinrichtungen (77) umfaßt, die zum Reinigen der Entwässerungseinrichtungen (76) dienen und den Kratzeinrichtungen (48) zugeordnet sind.

5. Reaktor nach Punkt 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Heizeinrichtungen (94) in Umfangsrichtung um das Innere der Kammer herum angeordnet sind.

6. Reaktor nach Punkt 3, gekennzeichnet dadurch, daß sich die Heizeinrichtungen (96) in Abständen in Querrichtung innerhalb der Kammer und benachbart zur Unterseite eines jeden unteren Herdelementes (82) erstrecken.

7. Reaktor nach Punkt 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Heizeinrichtungen (94; 96) innerhalb einer leitenden Abschirmung (190) angeordnet sind und des weiteren Schabeinrichtungen (192) an den Kratzeinrichtungen zum Entfernen von Ablagerungen von mindestens einem Teil der Außenflächen der Abschirmung (190) aufweisen.

8. Reaktor nach Punkt 3, gekennzeichnet dadurch, daß er Einrichtungen (60; 62) zur einstellbaren Lagerung der Kratzeinrichtungen (48) für eine Vertikalbewegung relativ zu den Oberflächen der oberen und unteren Herdelemente (64; 82) aufweist.

9. Reaktor zur Durchführung des Verfahrens nach Punkt 2, gekennzeichnet durch eine Vorheizkammer (134) mit einem Einlaß (142) an einem Ende zur Aufnahme des Ausgangsmaterials unter Druck und einem Auslaß am anderen Ende zur Abgabe des vorerhitzten Ausgangsmaterials, eine Fördereinrichtung (146) zum Fördern des Ausgangsmaterials durch die Kammer vom Einlaß (142) zum Auslaß, eine Entwässerungseinrichtung (160) in der Kammer zum Abziehen von darin befindlicher Flüssigkeit unter Druck aus der Kammer, eine Auslaßeinrichtung (156) im oberen Abschnitt der Kammer zum Abziehen von Reaktionsgasen unter Druck von der Kammer an einer Stelle, die im Abstand vom Auslaß angeordnet ist, einen mehrere Herdelemente aufweisenden Reaktor (140), der einen Druckbehälter mit einer Vielzahl von übereinander angeordneten ringförmigen Herdelementen (178) aufweist, eine Einlaßeinrichtung (138) im oberen Abschnitt (162) des Behälters, die in Verbindung mit dem Auslaß der Kammer zur Einführung des vorerhitzten Ausgangsmaterials unter Druck auf das oberste Herdelement steht, Kratz- bzw. Rühreinrichtungen (174; 176), die über jedem Herdelement angeordnet sind und das Material radial entlang eines jeden Herdelementes abwechselnd einwärts und auswärts fördern, um eine kaskadenartige Abwärtsbewegung des Ausgangsmaterials von einem Herdelement zu erzeugen, Heizeinrichtungen (188) im Behälter zum fortschreitenden Erhitzen des Ausgangsmateriales auf den Herdelementen auf eine erhöhte Temperatur über eine Zeitdauer, die zum Verdampfen von mindestens einem Teil der darin befindlichen flüchtigen Substanzen zur Erzeugung von Reaktionsgasen und einem Reaktionsprodukt ausreicht, Einrichtungen zum Lenken der Reaktionsgase nach oben durch den Behälter und durch die Vorheizkammer im Gegenstrom zur Bewegung des Ausgangsmaterials zur Auslaßeinrichtung und eine Abgäbeeinrichtung im unteren Abschnitt des Behälters zur Abgabe des Reaktionsproduktes unter Druck vom Reaktor.

10. Reaktor nach Punkt 9, gekennzeichnet dadurch, daß es sich bei der Fördereinrichtung (146) in der Kammer um einen Schneckenförderer handelt.

11. Reaktor nach Punkt 9, gekennzeichnet dadurch, daß die Heizeinrichtungen (94) in Umfangsrichtung um den Umfang des Behälterinneren angeordnet sind.

12. Reaktor nach Punkt 9, gekennzeichnet dadurch, daß sich die Heizrichtungen (96) im Abstand voneinander in Querrichtung durch das Innere des Behälters benachbart zur Unterseiteeines jeden Herdelementes erstrecken.

13. Reaktor nach Punkt 12, gekennzeichnet dadurch, daß die Heizeinrichtungen (188) innerhalb einer leitenden Abschirmung (190) angeordnet sind und des weiteren Schabeinrichtungen (192) auf den Kratzeinrichtungen zum Entfernen von Ablagerungen von mindestens einem Teil der Außenflächen der Abschirmung umfassen.

14. Reaktor nach Punkt 9, gekennzeichnet dadurch, daß er des weiteren Einrichtungen (60; 62) zur einstellbaren Lagerung der Kratzeinrichtungen (174) im Reaktor für eine Vertikalbewegung relativ zu den Oberflächen der Herdelemente (178) aufweist.

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Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur thermischen Behandlung von kohlenstoffhaltigem Material und den zur Durchführung des Verfahrens erforderlichen Reaktor mit mehreren Herdelementen und ist für die Behandlung von organischen kohlenstoffhaltigen Materialien, die eine Restfeuchte enthalten, unter gesteuerten Druck- und erhöhten Temperaturbedingungen geeignet, um eine gewünschte physikalische und/oder chemische Modifikation von derartigen Materialien zur Erzeugung eines Reaktionsproduktes, das als Brennstoff geeignet ist, zu erzielen. Genauer gesagt betrifft die Erfindung ein Verfahren und einen Reaktor, mittels dem kohlenstoffhaltige Materialien, die beträchtliche Mengen an Feuchtigkeit im Rohzustand enthalten, erhöhten Temperatur- und Druckbedingungen ausgesetzt werden, wodurch eine beträchtliche Herabsetzung des Restfeuchtegehaltes des festen Reaktionsproduktes zusätzlich zu einer gewünschten thermischen chemischen Neustrukturierung des organischen Materiales erreicht wird, um diesem Material verbesserte physikalische Eigenschaften einschließlich eines erhöhten Heizwertes auf einer trockenen, feuchtigskeitsfreien Basis zu verleihen.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Die Knappheit und die zunehmenden Kosten von herkömmlichen Energiequellen, einschließlich Erdöl und Erdgas, haben Forschungen nach alternativen Energiequellen bewirkt, die in ausreichendem Maße zur Verfügung stehen, wie beispielsweise lignitische Kohlenarten, bitumenarme Kohlenarten, Zellulose-Materialien, wie beispielsweise Torf, Zelluloseabfallmaterialien, wie beispielsweise Sägemehl, Rinde, Holzschnitzel, Zweige und Späne aus Sägewerken und Holzverarbeitungswerken, verschiedenartige landwirtschaftliche Abfallmaterialien, wie beispielsweise Baumwollpflanzenstengel, Nußschalen, Maiskolben o.a., und städtische Abfallpulpe. Derartige alternative Materialien sind jedoch bedauerlicherweise in ihrem in der Natur auftretenden Zustand aus einer Reihe von Gründen zum direkten Einsatz als Hochenergiebrennstoffe nicht geeignet. Aufgrund dieser Tatsache ist eine Vielzahl von Verfahren vorgeschlagen worden, um derartige Materialien in eine zur Verwendung als Brennstoff geeignetere Form zu bringen, indem man ihren Heizwert auf einer feuchtigkeitsfreien Basis erhöht und zur gleichen Zeit ihre Beständigkeit in bezug auf Verwitterung, Transport und Lagerung verbessert. Typische derartige Vorrichtungen und Verfahren des Standes der Technik sind in der US-PS 4052168 beschrieben, gemäß der lignitische Kohlenarten durch eine gesteuerte thermische Behandlung chemisch umstrukturiert werden, wodurch ein aufgearbeitetes festes kohlenstoffhaltiges Produkt erzielt wird, das verwitterungsbeständig ist sowie einen erhöhten Heizwert aufweist, der sich dem von bituminöser Kohle annähert. In der US-PS 4127391 ist ein Verfahren beschrieben, bei dem feine bituminöse Abfallpartikel, die aus üblichen Kohlewasch- und Reinigungsvorgängen herrühren, thermisch behandelt werden und feste agglomerierte koksähnliche Produkte erzeugt werden, die für einen direkten Einsatz als feste Brennstoffe geeignet sind. Schließlich ist in der US-PS 4129420 ein Verfahren beschrieben, gemäß dem in der Natur vorkommende Zellulosematerialien, wie beispielsweise Torf, sowie Zelluloseabfallmaterialien durch einen gesteuerten thermischen Umstrukturierungsprozeß aufgearbeitet werden, um feste kohlenstoffhaltige oder koksähnliche Produkte zu erzeugen, die als fester Brennstoff oder für Gemische mit anderen herkömmlichen Brennstoffen, wie beispielsweise Heizölschlämmen, geeignet sind. Ein Reaktor und ein Verfahren zur Durchführung einer Aufarbeitung von derartigen kohlenstoffhaltigen Beschichtungsmaterialien der in der erwähnten amerikanischen Patenten beschriebenen Art sind in der US-PS 4126519 offen bart, wobei ein flüssiger Schlamm des Beschickungsmaterials in einen geneigten Reaktor eingeführt und zunehmend erhitzt wird, um ein im wesentlichen trockenes festes Reaktionsprodukt mit einem erhöhten Heizwert zu erzeugen. Die Reaktion wird unter gesteuerten erhöhten Drücken und Temperaturen durchgeführt, wobei des weiteren der Verweilzeit Beachtung geschenkt wird, um die gewünschte thermische Behandlung zu erreichen, die die Verdampfung des nahezu gesamten Feuchtigkeitsgehaltes des Beschickungsmaterials sowie von mindestens einem Teil der flüchtigen organischen Bestandteile umfassen kann, während gleichzeitig eine gesteuerte partielle chemische Umstrukturierung oder Pyrolyse durchgeführt wird. Die Reaktion wird in einer nicht oxidierenden Umgebung ausgeführt, und das feste Reaktionsprodukt wird dann auf eine Temperatur gekühlt, bei der es ohne Verbrennung oder Zersetzung in Kontakt mit der Atmosphäre abgegeben werden kann.

Obwohl die in den vorstehend genannten amerikanischen Patenten beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen eine befriedigende Behandlung einer Vielzahl von kohlenstoffhaltigen Ausgangsmaterialien zur Erzeugung eines aufgearbeiteten festen Reaktionsproduktes sichern, besteht immer noch ein Bedarf nach einem Reaktor und einem Verfahren, die in bezug auf die kontinuierliche thermische Behandlung einer Vielzahl von derartigen feuchten kohlenstoffhaltigen Ausgangsmaterialien wirkungsvoller, vielseitiger, leichter und in der Steuerung einfacher durchführbar sind und mittels denen die Umwandlung und Erzeugung von festen Hochenergiebrennstoffen als Ersatz und Alternative zu herkömmlichen Energiequellen noch wirtschaftlicher gestaltet werden kann.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, den technisch-ökonomischen Herstellungsaufwand zu verringern, das Anwendungsgebiet zu herkömmlichen Energiequellen zu erweitern und die Wirtschaftlichkeit zu verbessern.