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Verfahren zur Erzeugung eines Kohlenoxyd und Wasserstoff enthaltenden
Gases Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Kohlenoxyd und Wasserstoff
enthaltenden Gasen, wobei als Brennstoff gleichzeitig stückiger, entgaster und staubförmiger,
vorzugsweise bituminöser Brennstoff verwendet wird. Die Vergasung des stückigen
Brennstoffes erfolgt dabei in einem Schachtofen, der von oben begichtet wird und
dem die Vergasungsmittel im unterer, Teil zugeführt werden. Die Vergasung des staubförmigen
Brennstoffes findet in einem Schwebevergaser statt, d. h. einer Vergasungseinrichtung,
in der sich Brennstoff und Vergasungsmittel im wesentlichen in gleicher Richtung
und mit gleicher Geschwindigkeit bewegen.
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Es ist bekannt, die heißen gasförmigen Produkte der Staubvergasung
in ein Bett aus stückigem, entgastem Brennstoff, z. B. Koks, zu leiten, wobei die
in den heißen Produkten enthaltene fühlbare Wärme dazu dient, den Wärmebedarf zusätzlich
endothermer Vergasungsprozesse in dem Schachtofen zu decken.
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Bei dem bekannten Verfahren arbeitet man sowohl in dem Schachtofen
als auch in dem Staubvergaser mit Schlackenverflüssigung, wobei die im Staubvergaser
anfallende flüssige Schlacke unmittelbar in den Schlackensumpf des Schachtofens
einläuft. Wenn auch durch die Ausnutzung der fühlbaren Wärme des Nutzgases der Staubvergasung
in dem Schachtofen eine an sich vorteilhafte Zuordnung dieser beiden Vergasungssorten
erreicht wird, so hat sich doch herausgestellt, daß die für die vollständige Verflüssigung
der Asche im Staubvergaser erforderliche Sauerstoffmenge je kg Brennstoff bzw. je
Kubikmeter Nutzgas so groß ist, daß der wirtschaftliche Vorteil, der aus der Ausnutzung
der fühlbaren Wärme dieses so erzeugten Nutzgases an sich gezogen werden kann, praktisch
vollständig wieder aufgehoben wird. Zudem bereitet der Abzug der flüssigen Schlacke
aus einer Staubvergasungseinrichtung unter Umständen, insbesondere bei Brennstoffen
mit hohem Aschenschmelzpunkt, apparative und betriebsmäßige Komplikationen.
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Die Erfindung hat die Überwindung der vorstehend beschriebenen Schwierigkeiten
zum Ziele und besteht im wesentlichen darin, daß die Staubvergasung unter solchen
Bedingungen durchgeführt wird, daß die Vergasungsrückstände im wesentlichen fest
bleiben, und daß außer den gasförmigen Reaktionsprodukten der Staubvergasung auch
deren feste Rückstände unten in das Brennstoffbett des Schachtvergasers eingeleitet
werden.
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Der im Staubvergaser nicht umgesetzte Brennstoff und Wasserdampf vermischen
sich in dem Schachtvergaser mit dein dort vorhandenen Brennstoff, beispielsweise
Koks oder Holzkohle. Infolge der hohen Kohlenstoffkonzentration im Zweitvergaser,
der vergrößerten Reaktionsoberfläche und der verlängerten Berührungszeiten zwischen
Wasserdampf und Kohlenstoff wird die Wasserdampf-Kohlenstoff-Reaktion beträchtlich
verbessert.
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Durch den verringerten Bedarf an Sauerstoff, Wasserdampf und Brennstaub
je Einheitsmenge Nutzgas, wie er durch die Erfindung erreicht wird, können die Kosten
des Verfahrens unter Umständen beträchtlich verringert werden. Da insbesondere die
spezifische Leistung des Staubvergasers erhöht ist, ergibt sich - bezogen auf dieselbe
Gasleistung - ein Absinken der Ausgaben für die Einrichtung und den Arbeitsaufwand.
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Man kann die Berührungszeit zwischen dem festen Brennstoff in dem
Festbettvergaser und den heißen Reaktionsprodukten des Staubvergasers sowohl durch
die Geschwindigkeit, mit der sich diese beiden Stoffmengen gegeneinander bewegen,
als auch durch die Länge der Brennstoffsäule einstellen. Dabei kann man Verhältnisse
so wählen, daß nur ein Teil des stückigen Brennstoffes in dem Festbettvergaser vergast
wird, während der Rest als Rückstand aus, dem Festbettvergaser abgezogen wird. In
diesem Falle würde keine reine, flüssige Schlacke entstehen, vielmehr würde die
Schlacke in dem kohlenstoffhaltigen Rückstand sozusagen enthalten sein und mit diesem
zusammen abgezogen werden. Vorzugsweise jedoch werden die
Strömungsgeschwindigkeit
in dem Festbettvergaser und die Länge der Brennstoffsäule so eingerichtet, daß praktisch
der gesamte Kohlenstoff vergast wird, so daß eine reine Schlacke aus dem Festbettvergaser
abgezogen werden kann.
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In dem Festbettvergaser kann natürlich nur ein im wesentlichen teerfreier
bzw. verkokter Brennstoff verwendet werden. Im anderen Falle würde der Brennstoff
zusammenbacken und den Gasdurchgang erschweren. Außerdem würde das Nutzgas nicht
mehr teerfrei sein.
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Die Zeichnung zeigt einen schematischen Schnitt durch eine Einrichtung
zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Eine Anzahl von Staubvergasern 40 ist im Kreis um den Festbettvergaser
44, und zwar an dessen unterem Ende, angeordnet. Die heißen Reaktionsprodukte aus
dem Staubvergaser gelangen unmittelbar in das Festbett 45 aus festem Brennstoff,
z. B. stückigem Koks, und strömen darin aufwärts. Am Kopf des Vergasers 44 befindet
sich die Begichtungseinrichtung 46, die mit einem Verschluß 51 versehen ist. Während
der Bewegung der Reaktionsprodukte durch das Festbett findet die endotherme Reaktion
des nicht umgesetzten Kohlenstoffes aus dem Staubvergaser und des Kohlenstoffes
aus dem Festbettvergaser mit Kohlendioxyd und nicht umgesetztem Wasserdampf statt.
Das Nutzgas verläßt den Vergaser mit einer Temperatur von etwa 800° C durch die
Leitung 47. Die flüssige Schlacke und gegebenenfalls Eisen werden bei 48 bzw. 49
aus dem Festbettvergaser abgezogen. Durch Leitung 50 kann gegebenenfalls zusätzlich
Sauerstoff eingeführt werden, um die Verflüssigung der Schlacke und des Eisens bzw.
das Abstechen derselben zu erleichtern.
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Beispiel Eine bituminöse Kohle mit einem hohen Gehalt an flüchtigen
Bestandteilen wird, nachdem sie auf einen Wassergehalt von 2,5% getrocknet ist,
so gemahlen, daß 62% durch ein 200-Maschen-Sieb (lichte Maschenweite etwa 0,08 mm)
hindurchgehen. Dieser Brennstaub -,wird in Suspension mit Sauerstoff, und zwar in
einem Verhältnis von 0,499 m3 Sauerstoff je kg Kohle in den Staubvergaser 40 in
Form eines Strahles eingeblasen. Der Vergaser 40 ist vorher auf Zündtemperatur des
Brennstaub-Sauerstoff-Gemisches erhitzt worden, so daß sich das Gemisch sofort nach
dem Einblasen entzündet. Ferner wird überhitzter Wasserdampf von etwa 800° C in
einer Menge von etwa 0,3 kg je kg Kohle in den Staubvergaser eingeblasen. Die in
dem Staubvergaser auftretende Temperatur liegt bei etwa 1680° C. Es entstehen 1,82
m3 Synthesegas je kg Kohle. Die Zusammensetzung des entstandenen Gases ist folgende:
C o2 ............................. 3,1% C O .............................. 63,9%
H, ............................... 30,4% N, ............................... 2,0%
H, S ............................. 0,4% C k4 .............................
0120/0 82% des Kohlenstoffgehaltes der zugeführten Kohle vrerden vergast. Der Rest
wird von dem Gas in den unteren Teil des Schachtes 44 eingeleitet, der mit einem
festen Bett 45 aus grobstückigem Koks ausgerüstet ist. Das Koksbett besteht aus
900 kg Koks je kg dem Staubvergaser pro Sekunde zugeführten Erennstoffes. Die laufend
dem Schachtofen 44 durch die Degichtungseinrichtung 51 zugeführte Koksmenge beträgt
0,12 kg je kg der auf den Staubvergaser aufgegebenen Kohle. Die Temperatur von 1670°
C im Unterteil des Koksbettes 45, die durch die heißen Reaktionsprodukte der Staubvergasung
verursacht wird, ist ausreichend hoch, um die Asche, nachdem der Kohlenstoff aufgezehrt
ist, abzuschmelzen. Im Schachtofen entstehen je kg auf den Staubvergaser aufgegebener
Kohle 0,736 m3 Kohlenoxyd und Wasserstoff. Die Temperatur des Nutzgases bei 47 beträgt
etwa 850° C. Die kleinen Reste von Staub, die mit dem Nutzgas ausgetragen werden,
enthalten nur 5°/o des Kohlenstoffes, der in Form von Kohlenstaub und Koks der Einrichtung
zugeführt wird, so daß also eine Kohlenstoffumsetzung von 95% erfolgt ist. Die gesamte
Gasproduktion, bezogen auf 1 kg insgesamt umgesetzten Brennstoffes (0,89 kg Kohlenstaub
und 0,11 kg Koks) beträgt 1,036 m3 mit folgender Zusammensetzung C 02 .............................
4,1% C O .............................. 56,1% H2 ...............................
37,4% N2 ................................. 1,80/0 H2S .............................
0,40/0 C H4 ............................. 0,2% Es ist gegebenenfalls auch möglich,
zusätzlich Wasserdampf oder andere Vergasungsmittel als Sauerstoff unmittelbar in
den Schachtofen einzuführen.
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Im Falle der Einführung von Wasserdampf unmittelbar in den Schachtofen
kommt eine Menge von 0,1 bis 0,6 kg Dampf je kg im Staubvergaser umgesetzter Kohle
in Frage.
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Der unmittelbar in den Staubvergaser eingegebene Wasserdampf beträgt
etwa 0,1 bis 1,5 kg je kg im Staubvergaser durchgesetzter Kohle. Wenn Dampf unmittelbar
in den Schachtvergaser eingeführt wird, kann die dem Staubvergaser zugeführte Dampfmenge
entsprechend verringert werden.
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Der Wasserdampf kann gesättigt sein. Er ist jedoch vorzugsweise überhitzt,
und zwar zweckmäßig durch Wärmetausch mit dem Nutzgas oder heißen Verbrennungsgasen.
Gegebenenfalls kann man ihm auch heiße Verbrennungsgase beimischen.
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Hohe Dampfvorerhitzungstemperaturen sind vorteilhaft, weil dadurch
der Bedarf an Sauerstoff verringert wird. Der Vorerhitzung des Wasserdampfes ist
aber nach oben eine Grenze gesetzt dadurch, daß die Kosten für die Vorerhitzung
schließlich die für die Erzeugung des Sauerstoffes übersteigen. Im allgemeinen beträgt
die Temperatur des Wasserdampfes etwa 420 bis 1100° C, vorzugsweise 550 bis 850°
C.
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Die Gasaustrittstemperatur liegt im allgemeinen unter 1000° C, vorzugsweise
unter 800 bis 900° C. Wenn die Bildung von Methan vermieden werden soll, insbesondere
wenn höhere Drücke angewendet werden, ist jedoch eine Gasaustrittstemperatur zwischen
1000 und 1100° C vorteilhaft.
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Die Verweilzeit im Staubvergaser muß genügend groß sein, um eine vollständige
Umsetzung des Sauerstoffes mit dem Brennstoff zu ermöglichen. Eine Verweilzeit von
weniger als 1,2 Sekunden, vorzugsweise weniger als 0,5 bis 0,8 Sekunden und mehr
als 0,06 bis 0,1 Sekunden, ist als ausreichend ermittelt worden. Diese Zahlen
gelten für die Vergasung unter normalem Druck. Man kann das Verfahren vorteilhafterweise
auch bei höheren Drücken, etwa bis zu 40 atü, vorzugsweise bei 5 bis 20 atü, ausführen.
In diesem Falle braucht aber die Verweilzeit innerhalb des Staubvergasers nur wenig
mit dem Druck erhöht zu werden.
Im allgemeinen soll die Verweilzeit
der Gase im Schachtofen in Anpassung an das gesamte Volumen des Vergasers zwischen
0,2 und 3 Sekunden, vorzugsweise zwischen 0,4 und 1 Sekunde, liegen, Der Betrag
Kohlenstoff im Zweitvergaser beträgt je kg der je Sekunde in den Staubvergaser eingeführten
Staubkohle mehr als 50 kg, vorzugsweise 200 bis 1500 kg oder noch mehr.
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Bei der beschriebenen Ausführungsform der Erfindung bewegt sich das
Kohlenstoffbett in dem Zweitvergaser abwärts. Diese Bewegungsrichtung ist zwar bevorzugt.
Sie kann jedoch durch jede andere Bewegungsrichtung ersetzt werden, wenn nur eine
Relativbewegung (Gegenströmung) zwischen den heißen Reaktionsprodukten aus dem Staubvergaser
und dem Brennstoffbett in dem Zweitvergaser stattfindet.
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Die Zahl der Staubvergaser, die man mit einem Zweitvergaser koppelt,
ist an sich beliebig, vorzugsweise sind es jedoch zwei oder mehr.
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Die Temperatur des Festbettes an der Stelle des Eintrittes der Reaktionsprodukte
aus dem Staubvergaser soll mehr als 1200° C, vorzugsweise mehr als 1450° C, betragen.