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Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Kohle-Pyrolyse mittels Widerstandserwärmung.
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Die Steigerung der Wirkungsgrade bei der Nutzung fossiler Brennstoffe ist hinsichtlich Ressourcenknappheit und Klimawandel ein notwendiges Ziel. Insbesondere bei Braunkohle spielt die Reduktion des Wassergehalts und die Energieverdichtung mittels Pyrolyse eine entscheidende Rolle für die Nutzbarmachung der chemischen Energie. Dabei ermöglicht die Trocknung eine Erhöhung der Heizgrade der Verbrennung und die Pyrolyse die Erzeugung von Basischemikalien, wie bspw. Terephtalsäure und Phenol.
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Die Nutzung geeigneter kationischer Katalysatoren und Verfahren, bspw. Hydro-Cracken, vorausgesetzt, ist eine Kohleraffinerie analog zur Erdölraffinerie möglich. Somit könnten aus dem Kohlenrohstoff zunächst Gase, Naphtha, Treibstoffe und Öle mittels Destillation extrahiert werden, bevor in der katalytischen Spaltung sauerstoffhaltige Produkte abgespalten und die Kohle für die Pyrolyse vorbereitet wird. Dem Austrag der Pyrolyseprodukte folgend kann sich schließlich die Vergasung des Koks anschließen, wobei Synthesegas gewonnen wird. Auch in dieser idealen vollständigen Nutzbarmachung von Kohle, insbesondere Braunkohle, spielt die Trocknung und die Pyrolyse der Kohle eine wesentliche Rolle.
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In einem Projekt-Cluster „Braunkohletrocknung“ des BMWi werden daher aktuell von Wissenschaft und Industrie die Wirbelschichttrocknung mit integrierter Abwärmenutzung (DWT), die druckaufgeladene Dampf-Wirbelschicht-Trocknung (DDWT) oder die Mechanisch/Thermische Entwässerung (MTE) untersucht, die eine Reduktion des absoluten Wassergehalts um bis zu 50 % ermöglichen sollen. Bei einer sinnvollen Einbindung der Trocknung in den Wärmekreislauf von Kraftwerksblöcken, sollen so Wirkungsgraderhöhungen von bis zu 5 % realisierbar sein [Martin, J. S.; Löffler, S., Krautz, H. J.: Druckaufgeladene Dampfwirbelschichttrocknung grubenfeuchter Braunkohle – Innovatives Verfahren zur Erhöhung des Kraftwerkswirkungsgrades und Reduzierung der Stromgestehungskosten. 21. Deutscher Flammentag, VDI-Berichte 1750,VDI-Verlag, Düsseldorf, September 2003, ISBN: 3-18-091750-4 und Leidich, F. U.; Breitenfelder, R., Mandel, H.; Krautz, H. J.; Gniazdowski, M.: Development of a lignite-fired power plant concept with integrated pressurised fluidised-bed drying and fuel cells. Int. J. Energy Technology and Policy, Vol. 3, Nos. 1/2, Februar 2005, ISSN (Online): 1741-508X-ISSN (Print): 1472–8923].
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Aus dem Stand der Technik sind weitere Verfahren zur Pyrolyse von kohlenstoffhaltigen Ausgangsstoffen, insbesondere von Kohle, bekannt. Die
WO 92/05393 A1 und die
WO 92/14803 A1 beschreiben die Trocknung von Feststoffmaterialien in einem Wirbelschichttrockner, wobei eine Wirbelschicht aus den zu trocknenden Stoffen über einem Heizkörper ausgebildet und Wasserdampf als Heizmedium verwendet wird. Ähnliche Verfahren, bei denen in einer Wirbelschicht bzw. in einem Wanderbett verschiedene Zonen für die Durchführung von Trocknung, Pyrolyse und Verbrennung kohlenstoffhaltiger Stoffe vorgesehen sind, werden in der
EP 0 302 849 A1 bzw. der
WO 2012/110236 A1 offenbart.
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Es sind weiterhin Verfahrenskonzepte zur kontinuierlichen Trocknung und Pyrolyse von Feststoffen bei gleichzeitigem Stofftransport bekannt. In der
DE 10 2008 007 354 A1 wird ein elektrisch beheizter Hochtemperatur-Drehrohrofen zur Pyrolyse beschrieben. Aus der
WO 2012/0043194 A1 ist ein Auger-Reaktor bekannt, bei dem zu trocknende Biomasse über eine elektrisch geheizte Transportschnecke gefördert wird. Beide Vorrichtungen sollen eine gute Wärmeverteilung im zu trocknenden Material und eine gleichmäßige Pyrolyse ermöglichen. Ein Mehrschrittverfahren zur Vergasung und Verglasung von organischem Material ist in der
WO 2007/133228 A2 beschrieben. Der Massetransport durch Walzen und die elektrische Beheizung mittels einer beheizten Kammer erfolgen dabei getrennt voneinander.
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Es sind zudem Verfahren zur volumenbasierten Trocknung und Pyrolyse bekannt. Ein solches Verfahren, bei dem in einem Fluidleiter stehende Mikrowellen und ein Mikrowellenplasma erzeugt werden, ist in der
EP 1 291 076 B1 offenbart. Ein Verfahren zum Aktivieren, insbesondere Vergasen von kohlenstoffhaltigen Substanzen in einem, mit gepulstem Gleichstrom angeregten Plasma, beschreibt auch die
EP 1 558 709 B1 .
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Weiterhin bekannt sind Mischungen dieser Reaktoren-Typen, beispielsweise der in der
US 2007/01962549 A1 offenbarte Vortex-Reaktor, bei dem eine um die Mittelachse des Reaktors kreisende Strömung induziert wird, in der optional mittels Lichtbogen ein Plasma gezündet wird. Ähnliche Reaktortypen, zum Teil mit Wirbelbett, Festbett, Gegenstrom oder Mischungen hiervon sind in der
US 8,199,790 B2 , der
WO 2004/041974 A1 , der
US 7,622,693 B2 und der
US 2012/0210645 A1 offenbart.
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Die
US 3,924,680 B offenbart ein Verfahren zur in situ Pyrolyse von Kohle, wobei aus einer elektrisch erhitzten Zone einer unterirdischen Kohlenlagerstätte Gas und Flüssigkeiten über eine gasdichte Verbindung an die Oberfläche gefördert werden.
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Beim Wärmeeintrag durch die Oberflächen der zu trocknenden Stoffe hängt die Trocknung maßgeblich von der Wärmeleitfähigkeit des Stoffs ab. Da diese mit zunehmendem Trocknungsgrad abnimmt, sind derartige Verfahren nachteilig zeitaufwendig und hinterlassen häufig eine Restfeuchte.
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Die Erzeugung von Plasmen und Mikrowellenfeldern ist sehr energieintensiv und erfordert zudem spezielle Apparaturen und Kenntnisse. Weiterhin ist der Verschleiß der zur Plasmaerzeugung genutzten Elektroden, insbesondere in Wirbelbett- oder Gegenstromverfahren, und die Notwendigkeit mechanischer Durchmischung zur Vermeidung von nicht angeregten Toträumen nachteilig.
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Der spezifische Widerstand vieler Materialien nimmt mit abnehmender Feuchte zu, was zu einer ungleichmäßigen Trocknung und zur Ausbildung isolierender, den Stromfluss behindernder Oberflächen führt. Daher ist üblicherweise die energetisch nachteilige, konstante Durchmischung des Materials erforderlich.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Pyrolyse von Kohle mit minimalem Verbrauch an elektrischer und mechanischer Energie vorzuschlagen. Zudem soll eine Vorrichtung zur Pyrolyse von Kohle mit geringem Konstruktionsaufwand und hoher Lebensdauer vorgeschlagen werden.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Hauptanspruchs sowie durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 8. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweils rückbezogenen Unteransprüche.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Kohle-Pyrolyse, aufweisend die folgenden Verfahrensschritte:
- a) Beschickung eines Reaktionsraums mit Kohle durch eine Feststoffschleuse,
- b) Absinken der Kohle bis zu einem von drehbar gelagerten Walzen gebildeten Spalt,
- c) Passage der Kohle durch den Spalt unter gegenläufiger Rotation der Walzen,
- d) Erhitzen und Pyrolyse der Kohle durch Widerstandserhitzung im Spalt,
- e) Abzug gasförmiger Pyrolyseprodukte oberhalb der Walzen,
- f) Austrag der Kohle unterhalb der Walzen
wobei - i. zwischen den Walzen ein elektrisches Feld erzeugt und
- iii. die Kohleschüttung im Spalt auf eine Porosität von maximal 0.42 verdichtet wird.
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Im erfindungsgemäßen Verfahren dient bereits getrocknete oder noch feuchte Rohkohle als Ausgangsstoff. Diese liegt in zerkleinerter Form vor und weist insbesondere eine Größe kleiner 15 cm, bevorzugt kleiner 10 cm, besonderes bevorzugt kleiner 5 cm auf. Diese Größe bezieht sich auf den Äquivalentdurchmesser der in Form unregelmäßiger n-Ecke vorliegenden Kohle, insbesondere auf deren volumenäquivalenten Kugeldurchmesser. Sie kann auf gängige Weise durch Sieben und Fraktionieren ermittelt werden. Bei der zugeführten Kohle handelt es sich um Braun- oder Steinkohle.
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Die Kohle wird erfindungsgemäß dem oberen Bereich eines Reaktionsraums durch eine Feststoffschleuse oder einen Einlasstrichter zugeführt. Die Schleuse oder der Trichter ist dabei an der Oberseite der Kolonne angeordnet. Die Zufuhr der Kohle erfolgt mit regelbarem Massestrom bzw. mit regelbarer Zuführrate.
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Erfindungsgemäß sinkt die Kohle aufgrund der Schwerkraft in dem Reaktionsraum ab. Das Absinken erfolgt im freien Fall oder durch kollektives Absinken einer, den oberen Teil des Reaktionsraums abgesehen von Hohlräumen zumindest annähernd ausfüllenden Kohleschüttung. Der obere Teil des Reaktionsraums ist oben durch die Mittel zur Kohlezufuhr und unten durch einen von drehbaren Walzen gebildeten Spalt begrenzt. Sinkt die Kohle im freien Fall ab, ist der Spalt bevorzugt lotrecht unterhalb der Mittel zur Kohlezufuhr angeordnet. Ebenfalls bevorzugt sind oberhalb des Spalts Leitmittel für die fallende oder absinkende Kohle, besonders bevorzugt ein Trichter, vorgesehen, wobei eine lotrechte Anordnung von Schleuse und Spalt nicht zwingend ist.
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Durch die gegenläufige, im Spalt nach unten gerichtete Rotation der Walzen wird erfindungsgemäß die Passage der Kohleschüttung durch den von den Walzen gebildeten Spalt bewirkt. In Abhängigkeit des Verhältnisses von Querschnittsfläche des Reaktionsraums oberhalb des Spalts und Querschnittsfläche des Spalts wird die Kohleschüttung im Spalt verdichtet. Bevorzugt bewirken das Eigengewicht der Kohleschüttung und/oder eine Querschnittsverengung durch Leitmittel, insbesondere einen Trichter, eine Vorverdichtung oberhalb des Spalts.
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Erfindungsgemäß liegt zwischen den Walzen bzw. zwischen den auf diesen ausgebildeten oder angeordneten Elektroden eine elektrische Spannung an. Zwischen den Walzen wird ein, zumindest annähernd den gesamten Spalt durchdringendes elektrisches Feld erzeugt. Dieses elektrische Feld durchdringt somit die den Spalt passierende Kohle.
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Aufgrund der Leitfähigkeit der passierenden Kohle, insbesondere des in dieser enthaltenen Graphits und des eventuell enthaltenen Wassers, fließt in der Kohle ein elektrischer Strom. Gemäß dem Jouleschen Gesetz kommt es zu einer Erwärmung der Kohle, die proportional zu der in der Kohle umgesetzten elektrischen Leistung sowie zur Dauer des Stromflusses ist. Die elektrische Leistung hängt von der an den Elektroden angelegten Spannung sowie dem Widerstand der Kohle ab.
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Durch die Erhitzung der Kohle mittels Widerstandserwärmung erfolgt die Trocknung und Pyrolyse der Kohle. Dabei laufen je nach Zusammensetzung der Kohle und der in der Kolonne vorliegenden Atmosphäre verschiedene Pyrolysereaktionen ab. Erfindungsgemäß entstehen gasförmige Pyrolyseprodukte sowie ein festes Pyrolyseprodukt in Form getrockneter, pyrolysierter Kohle. Eine Vergasung der Kohle bzw. eine vollständige Umsetzung des organischen Gehalts der Kohle in Gas wird zumindest weitgehend vermieden. Bevorzugt erfolgt durch die Pyrolyse eine Verkokung der Kohle, wobei als festes Pyrolyseprodukt Koks und als gasförmiges Pyrolyseprodukt Rohgas gewonnen wird. Aus dem Rohgas lassen sich Teer, Schwefelsäure, Ammoniak, Naphthalin, Benzol und Kokereigas gewinnen.
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Die gasförmigen Pyrolyseprodukte werden oberhalb der Walzen aus der Kolonne abgezogen. Bevorzugt wird das Pyrolysegas durch mindestens einen, oberhalb des Spalts in der Wandung des Reaktionsraums angeordneten Gasabzug abgezogen. Die pyrolysierte Kohle wird unterhalb der Walzen, vorzugsweise durch eine, an der Unterseite oder im unteren Bereich einer Seitenwand der Kolonne angeordnete Feststoffschleuse aus dem Reaktionsraum ausgetragen. Der Kohle-Austrag erfolgt mit regelbarem Massestrom bzw. mit regelbarer Austragsrate. Die pyrolysierte Kohle sinkt vorzugsweise aufgrund ihres Eigengewichts vom Spalt zur Feststoffschleuse hin ab. Das Absinken erfolgt dabei im freien Fall oder durch kollektives Absinken einer, den unteren Teil des Reaktionsraumes zwischen Spalt und Schleuse abgesehen von Hohlräumen zumindest annähernd vollständig ausfüllenden Kohleschüttung.
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Erfindungsgemäß wird der Durchsatz der Kohle durch den Reaktionsraum durch den Durchsatz der Kohle durch den Spalt limitiert. Der Durchsatz der Kohle durch den Reaktionsraum hängt zudem von der Zuführ- und Austragsrate ab. Die Limitation des Kohledurchsatzes im Spalt wird maßgeblich durch das Verhältnis der Querschnittsflächen vom oberen Teil des Reaktionsraums und des Spalts bestimmt. Ein weiterer wesentlicher Faktor ist die Rotationsgeschwindigkeit, insbesondere die Umfangsgeschwindigkeit, der gegenläufig rotierenden Walzen. Über die Spaltbreite und Rotationsgeschwindigkeit wird so die Passiergeschwindigkeit der Kohle im Spalt eingestellt. So wird die Zeitspanne, in der die Kohle dem elektrischen Feld ausgesetzt ist und, gemäß Jouleschen Gesetz, der Wärmeeintrag in die Kohle bestimmt. Die Erhitzung und Pyrolyse der Kohle wird über die Regelung der Rotationsgeschwindigkeit, der Spaltbreite und der Zuführ- und Austragsrate gesteuert.
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Aufgrund der Querschnittsverengung und ggf. einer Vorverdichtung erfolgt im Spalt eine Verdichtung der Kohleschüttung. Erfindungsgemäß wird im Spalt in der Kohleschüttung eine Porosität von maximal 0.42, bevorzugt von maximal 0.35 und besonderes bevorzugt von maximal 0.3 eingestellt, wobei in monodispersen Schüttungen eine höhere Porosität eingestellt wird, als in polydispersen Schüttungen. Die Porosität (void fraction) ergibt sich dabei als Verhältnis von Hohlraumvolumen und Gesamtvolumen der Kohleschüttung. Eine auf diese Porosität verdichtete Kohleschüttung weist vorteilhaft eine hohe Leitfähigkeit sowie Reaktivität auf und kann Druckanstiege bei der Pyrolyse und Trocknung kompensieren. Die Begrenzung des Anteils gasgefüllter Hohlräume an der Schüttung vermeidet zudem die Entstehung eines Plasmas im Spalt. Der Strom fließt stets über die Kohle ab, die einen durchgängigen Leiter zwischen den Walzen bildet. Die minimale Porosität der Kohle ist derart, dass Absinken und Passage der Kohle gewährleistet und eine Blockierung vermieden wird.
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In einer bevorzugten Durchführungsform wird Rohkohle mit einer Korngröße von 0,01 bis 10 mm, bevorzugt von 0,05 bis 5 mm als Ausgangsstoff verwendet. Die Korngröße bezieht sich auf den Äquivalentdurchmesser, insbesondere den volumenäquivalenten Kugeldurchmesser, und kann auf gängige Weise mittels Sieben und Fraktionieren ermittelt werden. Durch den Ausschluss kleinerer Kohleteilchen wird im oberen Teil des Reaktionsraums vorteilhaft die Entstehung von Stäuben vermieden. Im Spalt wird ein nachteiliges Kompaktieren der Kohleschüttung verhindert. Durch den Ausschluss größerer Kohlestücke kann ein Blockieren bzw. eine Überlastung der nicht zwingend als Brecher ausgebildeten Walzen verhindert werden. Die bevorzugte Größenfraktion der als Ausgangsstoff verwendeten Rohkohle ermöglicht vorteilhaft eine ausreichende Verdichtung im Spalt und einen stabilen Kohledurchsatz durch den Reaktionsraum.
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Die Atmosphäre im Reaktionsraum enthält vorzugsweise mindestens 30 Vol.-%, bevorzugt mindestens 40 Vol.-% und besonders bevorzugt mindestens 50 Vol.-% Kohlendioxid. Mit der Zuleitung von Kohlendioxid nimmt gleichermaßen der Anteil an Sauerstoff im Reaktionsraum ab. Besonders bevorzugt beträgt der Gesamtsauerstoffgehalt im Reaktionsraum maximal 10 Vol.-%, bevorzugt maximal 5 Vol.-% und besonders bevorzugt maximal 2 Vol.-%, weiterhin bevorzugt maximal 1 Vol.-% Der Sauerstoffmangel ist Vorrausetzung für viele Pyrolysereaktionen, begrenzt die Oxidation von Kohlenstoff und mindert die Detonationsgefahr im Reaktionsraum. Besonders bevorzugt besteht die Atmosphäre im Reaktionsraum ausschließlich aus Kohlendioxid und Wasserdampf. In dieser Atmosphäre wird die Oxidation der Kohle annähernd vollständig vermieden, wodurch die Temperaturen vorteilhaft niedrig und die Umsatzraten der konkurrierenden Pyrolyse-Reaktionen vorteilhaft hoch sind. Prinzipiell lässt sich das Verfahren jedoch bei einem Gesamtsauerstoffgehalt von bis zu 20 Vol.-% realisieren, sofern eine Verbrennung eine der Kohle, zumindest weitgehend, vermieden wird.
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Das zugeleitete Kohlendioxid reagiert zudem in der stark endothermen Boudouard-Reaktion mit glühendem Kohlestaub. Vorteilhaft ist somit über die Menge des zugeführten Kohlendioxids die Temperatur in der Kolonne regelbar. Besonders bevorzugt wird die Temperatur in der Kolonne auf unter 1400 K, bevorzugt zwischen 400 K und 1400 K und besonders bevorzugt zwischen 900 K und 1400 K eingestellt. Dieser Temperaturbereich ist für die Verkokung der Kohle besonders vorteilhaft. Besonders bevorzugt wird im Bereich der Elektroden verstärkt Kohlendioxid zugeführt, um durch Absenken von lokaler Temperatur und Sauerstoffkonzentration die Gefahr eines Elektrodenbrands zu minimieren.
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Erfindungsgemäß wird zwischen den Walzen ein elektrisches Feld erzeugt, indem zwischen den Walzen bzw. zwischen auf diesen ausgebildeten oder angeordneten Elektroden eine elektrische Spannung angelegt wird. Im einfachsten Fall sind die Walzenkörper selbst als Elektroden ausgebildet. Dies ermöglicht vorteilhaft einen besonders einfachen Aufbau und den Verzicht auf komplizierte Regelungstechnik. Alternativ sind auf der Oberfläche der Walzen einzelne Elektroden, die gemeinsam einen Teil oder annähernd die gesamte Walzenoberfläche bedecken und einzeln mit Spannung beaufschlagt werden können, ausgebildet oder angeordnet. Bevorzugt wird elektrische Spannung nur an Elektroden angelegt, die der anderen Walze zugewandt sind bzw. die zum Spalt zeigen. Besonders bevorzugt werden zwischen einzelnen Anoden-Kathoden-Paaren verschiedene Spannungen angelegt. So werden die Energiedichte im Spalt trotz kontinuierlicher Querschnittsveränderung in vertikaler Richtung konstant eingestellt oder alternativ ein Temperaturgradient bzw. verschiedene Reaktionszonen in der Kohleschüttung erzeugt. Bevorzugt werden dabei verschiedene Spannungsprofile sukzessiv an Elektroden angelegt, die aufgrund der Rotation der Walzen nacheinander einen festen Ort im Spalt einnehmen.
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Zwischen den Elektroden wird vorzugsweise Gleichspannung angelegt. Zur Widerstandserwärmung tragen überwiegend die ohmschen Komponenten eines ggf. komplexen Widerstandes bei, wohingegen die induktiven und kapazitiven Anteile nahezu keinerlei Erwärmung bewirken. Demnach wird mit Gleichstrom vorteilhaft eine höhere Wärmeausbeute aus der elektrischen Leistung erzielt.
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Bevorzugt sind die Rotationsgeschwindigkeit der Walzen, die Spaltbreite und die zwischen den Elektroden anliegende elektrische Spannung die wesentlichen Regelgrößen des erfindungsgemäßen Verfahrens. Besonders bevorzugt ist das gesamte Verfahren ausschließlich über die Einstellung der Spaltbreite, der Rotationsgeschwindigkeit und der angelegten Spannungen regelbar. Die Verweilzeit der Kohle im Spalt ist abhängig von der Rotationsgeschwindigkeit und der Spaltbreite. Zum einen hängt die Verweilzeit maßgeblich vom Querschnittsverhältnis von Spalt und Reaktionsraum ab, das über die Spaltbreite einstellbar ist. Hinzu kommt die vertikal abwärts gerichtete Komponente der Tangentialgeschwindigkeit der rotierenden Walzen. Die über der Kohle abfallende elektrische Leistung ist abhängig von der angelegten Spannung und der Spaltbreite. Bei gleichbleibender Spannung nimmt die Feldenergie pro Raumeinheit mit zunehmender Spaltbreite ab. Der sanduhrförmige Querschnittsverlauf des Spalts wird bevorzugt über ein geeignetes Spannungsprofil entlang der gegenüberliegenden Walzenoberflächen ausgeglichen. Gemäß Jouleschen Gesetz sind Temperatur und Erhitzungsgeschwindigkeit der zugeführten Kohle somit vorteilhaft über die Regelgrößen Rotationsgeschwindigkeit, Spaltbreite und angelegte Spannung regelbar. Ablauf und Reaktionsprodukte der Pyrolyse hängen maßgeblich von Aufheizraten und Endtemperaturen ab, somit sind diese ebenfalls anhand dieser Regelgrößen beinflussbar. Durch die Inhomogenität der Kohle verursachte Temperaturschwankungen werden vorteilhaft durch Zuleitung von Kohlendioxid ausgeglichen.
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Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Kohle-Pyrolyse mittels Widerstandserhitzung, aufweisend:
- a) einen Reaktionsraum mit Feststoffschleusen an Ober- und Unterseite,
- b) einen, zwischen den Feststoffschleusen angeordneten Spalt,
- i. gebildet durch drehbar gelagerte Walzen,
- ii. die als Elektroden ausgebildet sind oder
- iii. auf denen Elektroden ausgebildet oder angeordnet sind,
- c) mindestens eine, mit mindestens zwei Elektroden verbundene Spannungsquelle,
- d) eine Antriebsvorrichtung zur gegenläufigen Rotation der Walzen und
- e) einen Gasabzug.
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Bei dem erfindungsgemäßen Reaktionsraum handelt es sich um ein geschlossenes Gefäß, bevorzugt weitgehend thermisch und elektrisch isoliert und mit Feststoffschleusen an Ober- und Unterseite. Die Feststoffschleusen sind dabei direkt in der Ober- und Unterseite des Reaktionsraums oder im oberen und unteren Bereich von Seitenwänden des Reaktionsraums angeordnet. Besonders bevorzugt sind die Feststoffschleusen lotrecht zueinander in Ober- und Unterseite des Reaktionsraums angeordnet.
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Zwischen den Feststoffschleusen ist erfindungsgemäß ein Spalt angeordnet, der durch drehbar gelagerte Walzen, bevorzugt zwei drehbar gelagerte Walzen, gebildet ist. Abstand und Durchmesser der Walzen bestimmen maßgeblich die der Kohle zur Verfügung stehende Querschnittfläche im Spalt. Der Walzenabstand bzw. die Spaltbreite sind einstellbar, bevorzugt ist die Querschnittsfläche des Spalts im Betrieb kleiner als die des restlichen Reaktionsraums. Der Spalt ist so im Reaktionsraum angeordnet, dass von der oberen Feststoffschleuse absinkende Rohkohle den Spalt passiert und anschließend weiter zur unteren Feststoffschleuse absinkt. Erfolgt das Absinken im freien Fall sind die beiden Schleusen und der Spalt vorzugsweise lotrecht zueinander angeordnet. Ebenfalls bevorzugt sind oberhalb des Spalts einseitige, bspw. eine Rutsche, oder zweiseitige, bspw. ein Trichter, Leitmittel angeordnet und obere Schleuse und Spalt nicht lotrecht angeordnet. Gleichermaßen sind Spalt und untere Schleuse lotrecht oder an der unteren Schleuse sind Leitmittel angeordnet. Der Transport zu einer lotfremden unteren Schleuse erfolgt weiterhin bevorzugt über passive oder über aktive Leitmittel, bspw. einen Auger oder ein Förderband.
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Erfindungsgemäß sind die Walzen selbst als Elektroden ausgebildet oder auf der Oberfläche der Walzen sind einzelne Elektroden ausgebildet oder angeordnet, die gemeinsam einen Teil oder annähernd die gesamte Walzenoberfläche bedecken und einzeln mit Spannung beaufschlagt werden können. Sind die gesamten Walzen als Elektroden ausgebildet, bestehen diese vorzugsweise vollständig oder an ihrer gesamten Oberfläche aus elektrisch leitfähigem Material. Die Ausbildung einzelner Elektroden auf der Walzenoberfläche ist bevorzugt durch einen Schichtaufbau der Walzen realisiert. Besonders bevorzugt ist unter einer leitfähigen Walzenoberfläche eine isolierende Schicht angeordnet, in die sich Vertiefungen erstrecken, in die ggf. elektrisch isolierendes Material eingebracht ist. Ebenfalls bevorzugt ist die Anbringung einzelner Elektroden auf der Walzenoberfläche. An die einzelnen Elektroden werden bevorzugt einzeln regelbare Spannungen angelegt. Erfindungsgemäß weist die Vorrichtung zur Kohle-Pyrolyse mindestens eine mit mindestens zwei Elektroden verbundene Spannungsquelle auf. Bevorzugt ist eine Spannungsquelle über geeignete Regeltechnik so mit den Elektroden verbunden, dass an einzelnen Elektrodenpaaren voneinander verschiedene Spannungen angelegt werden können.
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Die Walzen werden erfindungsgemäß mit mindestens einer Antriebsvorrichtung in gegenläufige Rotation versetzt, wobei es sich bevorzugt um einen Elektromotor, einen Verbrennungsmotor oder eine Wärmekraftmaschine handelt.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist weiterhin einen Gasabzug zum Abzug der gasförmigen Pyrolyseprodukte auf. Der Gasabzug ist bevorzugt oberhalb des Spalts angeordnet und/oder als regelbares Ventil ausgestaltet.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht vorteilhaft die Trocknung und Pyrolyse von Kohle durch Widerstandserhitzung. Besonders vorteilhaft ist das gesamte Verfahren dabei über die Einstellung weniger Prozessgrößen, insbesondere von Rotationsgeschwindigkeit der Walzen, der Spaltbreite und der elektrischen Spannung zwischen den Elektroden, regelbar. Die erfindungsgemäße Vorrichtung stellt somit eine konstruktiv einfache und ökonomisch sinnvolle Anordnung zur Kohletrocknung und -pyrolyse mittels Widerstandserhitzung dar.
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Bevorzugt sind die Walzen miteinander über einen Riemen, eine Koppelstange oder ein Getriebe verbunden. Vorteilhaft werden beide Walzen mittels einer gemeinsamen Antriebsvorrichtung angetrieben.
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Ebenfalls bevorzugt ist der Abstand der Walzen zueinander und somit die Breite des Spalts einstellbar. Dies ermöglicht vorteilhaft eine einfache Prozesssteuerung, da sich die Breite des Spalts auf die Passiergeschwindigkeit und die zwischen den Walzen vorliegende Feldenergie auswirkt. So kann mit einem Auseinanderfahren der Walzen die Passiergeschwindigkeit erhöht, die Feldenergie bei gleichbleibender Spannung verringert und somit gemäß Jouleschen Gesetz die Erwärmung der Kohle verringert werden.
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In einer ebenfalls bevorzugten Ausführungsform weisen die Walzen und/oder die darauf ausgebildeten oder angeordneten Elektroden eine strukturierte und/oder vergrößerte Oberfläche auf, um den Kontakt mit der den Spalt passierenden Kohle zu intensivieren. Durch die vergrößerte Kontaktfläche werden vorteilhaft die Kontakttemperaturen sowie der Elektrodenverschleiß minimiert.
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In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltung sind die Walzen und/oder darauf ausgebildete oder angeordnete Elektroden von leitenden Komponenten des Reaktionsraumes elektrisch isoliert, um Leckströme und ungewollte Spannungsüberschläge zu vermeiden. Somit kann das, der Erhitzung der Kohle dienende elektrische Feld vorteilhaft ortsgenau eingestellt werden. Dies ist insbesondere für die Einstellung von Temperaturgradienten und von verschiedenen Reaktionszonen entlang des Spalts vorteilhaft.
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Um den thermischen Verschleiß an den Wänden des Reaktionsraums, den Walzen und/oder den darauf ausgebildeten oder angeordneten Elektroden zu minimieren, sind bevorzugt an oder in den Walzen und/oder den Wänden des Reaktionsraumes Kühlvorrichtungen vorgesehen. Diese Kühlvorrichtungen sind vorzugsweise als in der Reaktionsraum-Doppelwand angeordnete Kühlmittelleitungen ausgebildet. Weiterhin bevorzugt sind die Wände des Reaktionsraums und/oder die Walzen, zumindest im Bereich der Elektroden, mit einer hochtemperaturbeständigen Ausstattung, bspw. Beschichtung, versehen. Gesonderte Kühlvorrichtungen sind für die Elektroden vorgesehen, die vorzugsweise selbst Kühlmitteldurchflossen ausgebildet sind und/oder mittels geeigneter Gaszuleitungen mit Kohlendioxid beaufschlagt werden können. Das Kohlendioxid sorgt aufgrund der endothermen Boudouard-Reaktion für eine lokale Abkühlung an der Elektrodenoberfläche.
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Weiterhin bevorzugt ist im Reaktionsraum ein Überdruckventil zusätzlich zum mindestens einen Gasabzug angeordnet. Somit können Druckanstiege im Pyrolysegas, bspw. aufgrund von Inhomogenität der Kohle, abgeleitet und somit die Gefahr von Beschädigungen oder Explosionen minimiert werden.
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Die Spannungsquelle oder die Spannungsquellen sind bevorzugt als Gleichstromquellen ausgebildet, da Gleichstrom, bezogen auf die elektrische Leistung, vorteilhaft eine bessere Wärmeausbeute ermöglicht als Wechselstrom.
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Weiterhin Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Kohletrocknung und zur Kohlepyrolyse. Besonders bevorzugt ist die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Kohletrocknung und zur Kohlepyrolyse im erfindungsgemäßen Verfahren.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und einer Abbildung näher erläutert, ohne darauf beschränkt zu sein. Dabei zeigt:
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1: eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Kohletrocknung und Pyrolyse mittels Widerstandserwärmung.
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In der in 1 gezeigten Vorrichtung wird feuchte Rohkohle 1 über eine trichterförmige Feststoffschleuse dem Reaktionsraum 2 zugeführt. In einer durch elektrische Widerstände abgetrennten Zone wird die Kohle anschließend getrocknet und pyrolysiert. Das hierfür verwendete Verfahren nutzt ohmsche Erwärmung durch Gleichstrom. Die Erwärmung erfolgt im Spalt zwischen den mit Elektroden besetzten Walzen, da dort der geringste elektrische Widerstand zu erwarten ist. Der Abstand zwischen den Walzen kann an Einsatzstoff-spezifische Größen z. B. Korngröße angepasst werden. Die entstehenden Pyrolyseprodukte werden unmittelbar oberhalb der rotierenden Walzen 3 abgezogen. Die Geschwindigkeit, mit der sich die Kohle dabei durch die Walzen 5, 6 bewegt, wird durch die Drehzahl der Walzen 5, 6 bestimmt. Durch die Schwerkraft wird die pyrolysierte Kohle 7 zum Auslasstrichter 8 in einen Koksauffangbehälter 10 befördert. Um Entweichen von Pyrolysegasen mit dem Koks zu vermeiden, befindet sich unterhalb des Auslasstrichters eine Feststoffschleuse 9. Ein elektrischer Isolator umgibt die Elektroden und grenzt diese zu elektrisch leitenden Bauteilen des Reaktors ab.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- feuchte Rohkohle
- 2
- Reaktionsraum
- 3
- Gasabzug
- 4
- Rohkohle
- 5
- walzenförmige Kathode
- 6
- walzenförmige Elektrode
- 7
- pyrolysierte Kohle
- 8
- Auslasstrichter
- 9
- Feststoffschleuse
- 10
- Koksauffangbehälter
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 92/05393 A1 [0005]
- WO 92/14803 A1 [0005]
- EP 0302849 A1 [0005]
- WO 2012/110236 A1 [0005]
- DE 102008007354 A1 [0006]
- WO 2012/0043194 A1 [0006]
- WO 2007/133228 A2 [0006]
- EP 1291076 B1 [0007]
- EP 1558709 B1 [0007]
- US 2007/01962549 A1 [0008]
- US 8199790 B2 [0008]
- WO 2004/041974 A1 [0008]
- US 7622693 B2 [0008]
- US 2012/0210645 A1 [0008]
- US 3924680 B [0009]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Martin, J. S.; Löffler, S., Krautz, H. J.: Druckaufgeladene Dampfwirbelschichttrocknung grubenfeuchter Braunkohle – Innovatives Verfahren zur Erhöhung des Kraftwerkswirkungsgrades und Reduzierung der Stromgestehungskosten. 21. Deutscher Flammentag, VDI-Berichte 1750,VDI-Verlag, Düsseldorf, September 2003, ISBN: 3-18-091750-4 [0004]
- Leidich, F. U.; Breitenfelder, R., Mandel, H.; Krautz, H. J.; Gniazdowski, M.: Development of a lignite-fired power plant concept with integrated pressurised fluidised-bed drying and fuel cells. Int. J. Energy Technology and Policy, Vol. 3, Nos. 1/2, Februar 2005, ISSN (Online): 1741-508X-ISSN (Print): 1472–8923 [0004]
