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Verfahren zur Aktivierung kohlenstoffhaltiger Materialien in der
Wirbelschicht Zur Erzeugung von Aktivkohle wird bekanntlich kohlenstoffhaltiges
Material mit Wasserdampf, Kohlensäure usw. einzeln oder im Gemisch mit anderen Aktivierungsgasen
bei Temperaturen von 800 bis 1000°C behandelt. Als wohlfeiles Aktivierungsmittel
wird hierbei hauptsächlich Wasserdampf, und zwar in relativ hohen Konzentrationen,
angewandt. Man hat sich auch schon bemüht, die Aktivierung von kohlenstoffhaltigen
Stoffen in der Wibelschicht vorzunehmen, um durch den guten Wärme- und Stoffaustausch
bei der Behandlung von feinkörnigem Gut in der Wirbelschicht zu größeren Reaktionsgeschwindigkeiten
zu kommen. Es hat sich aber gezeigt, daß die auf diese Weise hergestellte Aktivkohle
sehr weich und damit wenig abriebfest ist. Diese Produkte mögen wegen ihrer guten
Mahlbarkeit für bestimmte Zwecke sehr gut geeignet sein, z. B. für die Herstellung
von Entfärbungskohle.
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Es war aber bisher nicht möglich, in der Wirbelschicht eine stückige
Aktivkohle herzustellen, die für die Gasadsorption verwendbar ist. Insbesondere
gilt dies für Aktivkohlen für die verschiedenartigen Gastrennverfahren mit wanderndem
Adsorptionsmittel, an die naturgemäß wegen des ständigen Umlaufs extrem hohe Anforderungen
hinsichtlich der Abriebfestigkeit gestellt werden.
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Es wurde nun gefunden, daß man auch in der Wirbelschicht abriebfeste,
stückige Produkte herstellen kann, wenn man im Gegensatz zu den bekannten Verfahren
die Wasserdampfkonzentration weitgehend reduziert, und zwar soll durch die Zugabe
des Wassers zum Treibgas ein Wassergehalt von 0,65 kg Dampf/Ncbm Treibgas, vorzugsweise
0,60 kg/Ncbm Treibgas, nicht überschritten werden. Hierbei wird unter Dampf die
Summe aus Zusatzdampf und dem bei der Verbrennung gebildeten Wasserdampf, unter
Treibgas die übrigen zur Aufrechterhaltung des Wirbelbettes einzuleitenden Gase,
wie z. B. N2, CO2, CO, H2 usw., verstanden.
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Nach einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird die Güte der Aktivkohle noch weiter gesteigert, wenn man eine neutrale, besser
aber eine reduzierende Atmosphäre im Wirbelschichtreaktor einhält.
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Unter normalen Verhältnissen läßt sich die erfindungsgemäße Wasserdampfkonzentration
nur einhalten, wenn ein Gas mit geringem Heizwert als Brenngas bzw. Treibgas eingesetzt
wird. Schwachgas steht aber in den wenigsten Fällen zur Verfügung. Demgegenüber
reicht bei Verwendung von in der Regel zur Verfügung stehenden Gasen mit hohem Heizwert,
im Koksofengas die erfindungsgemäß zugesetzte geringe Dampfmenge nicht aus, um die
Eintrittstemperatur am
Boden des Wirbelbettes auf eine Temperatur von 800 bis 1000"C
zu senken, falls, wie erwünscht, ein stöchiometrisches Gasluftgemisch oder ein solches
mit geringem Sauerstoffüber- oder -unterschuß in den Aktivierungsofen eingeführt
wird.
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Die einfachste Lösung besteht darin, daß man den Verbrennungsraum
kühlt, z. B. dadurch, daß er nicht isoliert wird. Ein solches Verfahren ist aber
nicht wirtschaftlich. Nach einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird daher durch Einspritzen von Wasser an Stelle von Wasserdampf in
den Verbrennungsraum die Temperatur gesenkt, ohne daß die oben angegebenen Dampfkonzentrationen
überschritten werden.
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Die erfindungsgemäße Verdünnung der sonst üblichen Wasserdampfkonzentration
wird in jedem Fall erreicht, wenn man zur Abführung der Uberschußwärme ein Aggregat
zur Dampferzeugung in den Verbrennungsraum einbaut. Damit kann der Eigenbedarf an
Zusatzdampf gedeckt und auch Dampf für anderweitige Zwecke produziert werden. Auch
ist es möglich, die Abwärme des Reaktors auszunutzen und ein Aggregat zur Dampferzeugung
in den Abgasstrom einzubauen.
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Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens besteht darin, daß zur Einstellung der Dampfkonzentration auf den erforderlichen
Wert ein Teil des Abgases mit Hilfe eines Injektors in die Brennkammer zurückgeführt
wird. Als Treibmittel benutzt man das Brenngas, die Luft oder am besten den Zusatzdampf.
Man kann natürlich auch
Abgase einer anderen Feuerung einsetzen,
vorausgesetzt, daß sie den Anforderungen entsprechen. Durch Rückführung der Abgase
in die Brennkammer verringert sich die Zufuhr von Heizgas, und damit vermindert
sich die Gefahr einer Überhitzung des Ofens.
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Ein zu weitgehender Verzicht auf die Zufuhr von Heizgas erschwert
jedoch eine solche Steuerung des Aktivierungsprozesses und ist daher zu vermeiden.
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Besonders günstig wirkt sich das Verfahren im Sinne der Erfindung
bei der Herstellung von Aktivkohle aus mit Luft voroxydierten Steinkohlen aus.
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Unter mit Luft voroxydierter Steinkohle - kurz Oxykohle genannt -
werden im Sinne des erfindung gemäßen Verfahrens Steinkohlen verstanden, die mit
Luft oder sonstigen sauerstoffhaltigen Gasen bis zu einer Steigerung des Sauerstoffgehaltes
der Kohle um wenigstens etwa 40/, behandelt wurden. Hierzu wird die Ausgangskohle
mit einer Korngröße von unter 0,2, vorzugsweise unter 0,1 mm, wenigstens 4 Stunden
in der Drehtrommel oder wenigstens 1 Stunde in der Wirbelschicht bei etwa 200 bis
300"C mit einem lebhaften Luftstrom behandelt, so daß im Abgas des Reaktors stets
noch Sauerstoff in merklichen Mengen nachzuweisen ist. Die aus Oxykohle unter Verwendung
von Pech hergestellten und thermisch gehärteten Formkörper erhalten bei der bisher
üblichen Behandlung in der Wirbelschicht eine rauhe Oberfläche sowie Risse und Spalten,
die zum Kornzerfall Anlaß geben, insbesondere deshalb, weil bei dieser Art der Aktivierung
ein weiches Produkt entsteht. Wird demgegenüber die Aktivierung nach der Erfindung
durchgeführt, so behält der Formkörper seine glatte, harte Schale; Risse und Spalten
fehlen vollkommen.
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Das Verfahren sei an Hand der nachfolgenden Beispiele näher erläutert.
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Beispiel 1 Aus Fettkohle gewonnene voroxydierte Steinkohle mit einem
Sauerstoffgehalt von 10,2 0/o wird mit 200/o Pech zu Formlingen von 4 mm $ verformt
und nach Erhitzen auf 500"C in einen Wirbelschichtreaktor mit mehreren Böden eingeführt.
Die Formlinge durchlaufen den Ofen von oben nach unten im Gegenstrom zum Aktivierungsgas
und werden kontinuierlich vom unteren Boden abgezogen. Zur Verbrennung der bei der
Aktivierung gebildeten Schwelgase wird Luft in die oberste Aktivierungskammer eingeleitet.
Die heißen Abgase durchströmen vor Austritt aus dem Ofen einen Abhitzekessel.
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Der Ofen wird über einen Brenner mit Stadtgas (4300 kcal/cbm) geheizt,
welches eine mittlere Zusammensetzung von 500/o Wasserstoff, 80/o CO, 350/o CH4,
30!o CnHmn 2 O/o CO2 und 2 0/, N2 besitzt.
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Dieses Gas wird mit der 4,5fachen Volumenmenge Luft vermischt. Das
bei der Verbrennung sich bildende Gasgemisch enthält nur 0,225 kg Dampf/Nm3 Treibgas.
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Zur Steigerung des Wasserdampfgehaltes des Treibgases auf 0,55 kg
Dampf/cbm Treibgas werden aus dem Abhitzekessel über einen Injektor 0,325 kg Dampf,tcbm
Treibgas in die Brennkammer eingeführt.
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Der Injektor zieht zur Kühlung des Treibgases gleichzeitig etwa 0,25
Nm3 Abgas/Nm3 Treibgas in die Brennkammer. Für die Aktivierung von 1000 kg Formlingen-Produkt
werden im ganzen 10 000 cbm Treibgas und 4500 kg Wasserdampf verbraucht. Die Ausbeute
beträgt 380/o. Ihr Adsorptionsvermögen für Benzol beträgt 40 g Benzol/100 g Kohle,
bezogen auf eine Benzolbeladung 1:10.
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Zur Prüfung der Abriebfestigkeit werden 100 g der aktivierten Formlinge
auf einem Rütteltisch mit einem 1,5 mm Sieb aufgegeben. Der Abrieb beträgt nach
einstündigem Rütteln 4 °/O der aufgegebenen Formlinge. Werden zum Vergleich über
den Injektor 2 kg Dampf/cbm Treibgas in die Brennkammer eingeführt, so beträgt die
Abriebmenge einer auf den gleichen Abbrand aktivierten Kohle 120/o.
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Beispiel 2 Getrockneter Torf wird mit 15 01o Weichpech (EW 45°) zu
Formlingen verpreßt und bei 500"C geschwelt.
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Diese vorgeschwelten Formlinge werden in einen Aktivierungsofen eingeführt
und über einen Auslauf kontinuierlich entnommen. Die heißen im Ofen aufsteigenden
Abgase durchströmen vor Verlassen des Ofens einen Abhitzekessel, der zur Erzeugung
von Wasserdampf für andere Zwecke dient. Die Beheizung des Ofens erfolgt über einen
Brenner. Als Heizgas dient Koksofengas (4600 kcal/cbm), dem die 5fache Volumenmenge
Luft zugesetzt wird. Das bei der Verbrennung sich bildende Gasgemisch enthält 0,23
kg Dampf/cbm Treibgas.
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Zur Steigerung des Wasserdampfgehaltes des Treibgases auf 0,6 kg
Dampf/cbm Treibgas werden aus einem Dampfkessel 0,37 kg Dampf/cbm Treibgas über
einen Injektor in die Brennkammer übergeführt. Zusätzlich zieht der Injektor zur
Einsparung von Koksofengas 0,4 cbm Abgas/cbm Treibgas in die Brennkammer. Für die
Aktivierung von 1000 kg Formlingen-Produkt werden im Ganzen 8000 cbm Treibgas und
4500 kg Wasserdampf verbraucht. Die Ausbeute beträgt 25°/o Ihr Adsorptionsvermögen
für Benzol beträgt 40 g Benzol/100 g Aktivkohle, bezogen auf eine Benzolbeladung
1:10.
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Zur Prüfung der Abriebfestigkeit werden 100 g der Aktivkohleformlinge
mit einem 1,5-mm-Sieb aufgegeben. Der Abrieb beträgt nach lstündigem Rütteln 7,0
0/o der aufgegebenen Formlinge.
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Werden zum Vergleich über den Injektor 2 kg Dampf/cbm Treibgas in
die Brennkammer eingeführt, so beträgt die Abriebmenge der auf den gleichen Abbrand
aktivierten Torfkoksformlinge 21 0/o.
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Beispiel 3 Eine Steinkohle mit 43,2 0/o flüchtigen Bestandteilen
wird auf 2 bis 4 mm gebrochen und innerhalb 4 Stunden bei einer Temperatursteigerung
von 300 auf 700"C abgeschwelt.
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Dieser Schwelkoks wird nach Beispiel 1 mit Gasen der gleichen Gaszusammensetzung
behandelt. Bei der Herstellung von 1000 kg A-Kohle mit 10 000 Ncbm3 Treibgas und
4500 kg H2O wird ein Adsorptionsvermögen von 33 g Benzol/100 g Aktivkohle erreicht,
bezogen auf eine Benzolbeladung 1:10. Die Ausbeute beträgt 23 °/o.
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Abriebfestigkeit: 4,3 0/o bei 0,55 kg H2O/Nm3 Treibgas.
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Abriebfestigkeit Vergleichskohle: 8,1 0/o bei 2,0 kg H2O/Nm3 Treibgas.