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Verfahren zur Erzeugung eines CO- und H2 haltigen Brenngases
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines CO- und H2 haltigen
Brenngases durch Vergasen eines staubförmigen festen Brennstoffes in der Schwebe
mit einem exotherm reagierenden Vergasungsmittel, wie Luft, mit Sauerstoff angereicherterer
Luft oder reinem Sauerstoff, und einem endotherm reagierenden Vergasungsmittel,
wie Wasserdampf und/oder C 0z, bei dem das exotherm reagierende Vergasungsmittel
getrennt von dem in dem endotherm reagierenden Vergasungsmittel als Traggas suspendierten
Brennstoff in den Reaktionsraum eingeführt wird.
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Gasgemische der genannten Art, die hauptsächlich aus Kohlenmonoxyd
und Wasserstoff bestehen, sind technisch wichtig als Brenngase, als Wasserstoffquelle
für verschiedene Reaktionen und als Ausgangsstoffe für Synthesen, beispielsweise
für die Herstellung von Kohlenwasserstoffen, sauerstoffhaltigen organischen Verbindungen
und Ammoniak.
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Als staubförmige feste Brennstoffe kommen für diese Verfahren zur
Herstellung der Brenngase vorzugsweise Braunkohle, Anthrazit, Fettkohle und Koks
in Frage.
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In der britischen Patentschrift 734 914 ist bereits ein Verfahren
zur Herstellung solcher Brenngase beschrieben worden, bei dem feste kohlenstoffhaltige
Brennstoffe durch Umsetzung mit Wasserdampf und einem sauerstoffhaltigen Gas vergast
werden, indem ein Strom des feinen, vorteilhaft pulverigen festen Brennstoffes in
Wasserdampf suspendiert und so in eine langgestreckte zylindrische Reaktionszone
an einer Stelle nahe deren einem Ende in einer Richtung etwa tangential zur Peripherie
dieser Zone eingeführt wird, während ein gesonderter Strom des sauerstoffhaltigen
Gases ebenfalls tangential in diese Zone all einer Stelle in der Nähe der Brennstoffeinführungsstelle
eingeblasen wird. Hierdurch erhalten die Reaktionsteilnehmer eine Wirbelbewegung
in der Reaktionszone.
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Nach der vorliegenden Erfindung wird nur die Suspension des festen
Brennstoffes in dem Wasserdampf oder dem Kohlendioxyd in Wirbelung versetzt, und
zwar durch tangentiales Einleiten in eine nach Art eines Zyklonabscheiders ausgebildete
Wirbelkammer, die der eigentlichen Reaktionskammer vorgeschaltet ist. Der in der
Wirbelkammer erzeugte wirbelnde Strom geht dann durch eine vom Ende dieser Kammer
in deren Achsrichtung abgehende Leitung in den Reaktionsraum, während das exotherm
reagierende Vergasungsmittel unmittelbar durch eine Leitung in diesen Reaktionsraum
gelangt, die die den festen Brennstoff führende Leitung umgibt. Durch diese Art
der Einführung der Reaktionsteilnehmer gelingt es, eine besonders gute Durchmischung
in der Reaktionskammer zu erreichen und doch die Wände dieser Kammer keinen so starken
Erosionen durch die auftretenden Flammen auszusetzen, wie dies bei der tangentialen
Einleitung aller Reaktionsteilnehmerströme nach der britischen Patentschrift 734
914 der Fall ist. Durch die starke Verwirbelung der kohlenstoffhaltigen Ausgangsstoffe
in der Wirbelkammer werden außerdem Flammenrückschläge in diese Kammer von der Reaktionskammer
aus unmöglich gemacht, weil der Brennstoff mit dem Sauerstoff erst in Berührung
kommt, wenn beide die Eintrittsstelle in die Reaktionskammer erreicht haben.
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An dem übergang von der Wirbelkammer in die Reaktionskammer breitet
sich der wirbelnde Suspensionsstrom kegelig aus. Es kann vorteilhaft sein, aus der
Wirbelkammer einen Teil des den Brennstoff suspendierenden Traggases nach Trennung
von dem Brennstoff durch ein in der Nähe des Einlasses der Suspension abgehendes,
in die Wirbelkammer axial hineinragendes Rohr abzuleiten.
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Eine geeignete Vorrichtung für die Durchführung der Erfindung besteht
aus einer zylindrischen, an einem Ende in einen Kegelstumpf auslaufenden Wirbelkammer,
aus der der entstehende Wirbelstrom fester Brennstoffteilchen axial durch eine Rohrleitung,
die zweckmäßig einen kleineren Durchmesser hat als die Wirbelkammer, unmittelbar
in die Reaktionskammer eintritt. Die Leitung für diesen Wirbelstrom aus festen Teilchen
von der Wirbelkammer in die Reaktionskammer hat zweckmäßig einen gleichmäßigen
Durchmesser.
Eine zweite Leitung, die konzentrisch zu der erwähnten Leitung angeordnet ist, führt
den Strom des freien Sauerstoff enthaltenden Gases in die Reaktionskammer, Die Zeichnung
erläutert die vorliegende Erfindung; sie stellt einen Aufriß, teilweise im Schnitt
dar. Die Vorrichtung nach der Erfindung besteht aus einer zylindrischen Reaktionskammer
1, die mit einem feuerbeständigen Futter 2 ausgekleidet und frei von Füllkörpern,
Einbauten oder Katalysatoren ist. Vorzugsweise hat diese Kammer eine Innenfläche,
deren Ausdehnung nicht mehr als 1,5mal so groß ist wie die einer Kugel gleichen
Rauminhalts. Eine zylindrische Kammer, deren Länge mindestens gleich, aber nicht
mehr als dreimal so groß wie der Durchmesser ist, wird im allgemeinen vorzugsweise
angewendet.
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An einem Ende der Kammer befindet sich axial ein mit einem Flansch
4 versehener Stutzen 3, in den ein Brenner eingesetzt ist. Ein entsprechender Flansch
7, der am Gehäuse 8 angebracht ist, bildet zusammen mit dem Flansch 4 eine gasdichte
Abdichtung zwischen dem Brenner und der Reaktionskammer. Die Reaktionsprodukte werden
am entgegengesetzten Ende durch einen Auslaßstutzen 6 abgelassen.
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Pulverförmiger fester kohlenstoffhaltiger Brennstoff, etwa Kohle,
der in einem gasförmigen Träger, vorzugsweise Wasserdampf, mitgeführt wird, tritt
durch die Rohrleitung 20 tangential in eine zylindrische Wirbelkammer 21 ein, die
einen Teil des Brenners bildet. Infolge der tangentialen Einführung der Suspension
in die zylindrische Wirbelkammer erhält die Suspension eine wirbelnde Bewegung.
Die Kohlenteilchen werden dabei durch die Zentrifugalkraft von innen gegen den Mantel
der Kammer 21 geschleudert. Die Kammer 21 hat die Form eines Zentrifugalabscheiders
(Zyklonentstauber).
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Der Querschnitt der in die Wirbelkammer führenden Rohrleitung
20 geht zweckmäßig von der Kreisform in eine rechteckige Form über. Beispielsweise
geht der Übergang von einem runden 13-mm-Rohr aus und endet in einer rechteckigen
Leitung mit einer inneren Querschnittsfläche von 38-13 mm. Diese Leitung tritt in
die Wirbelkammer mit der längeren Seite tangential zur Innenwand der Kammer ein.
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Wasserdampf, der praktisch frei von Kohleteilchen sein soll, kann
durch die Rohrleitung 22 abgezogen werden, die von oben in die Wirbelkammer 21 bis
etwas unterhalb der Eintrittsstelle der Kohle und des Wasserdampfes durch die Leitung
20 hinabreicht. Ein Ventil 23 in der Rohrleitung 22 dient zum Einstellen der Menge
des durch die Rohrleitung 22 abgezogenen Wasserdampfes.
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Die pulverförmige Kohle gelangt zusammen mit mindestens einem Teil
des Wasserdampfes in die Reaktionskammer, während sie noch mit relativ hoher Geschwindigkeit
wirbelt. Die den Kohlenteilchen in der Wirbelkammer 21. erteilte Wirbelbewegung
bleibt während der Umsetzung der Kohle in der Reaktionskammer, erhalten.
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Wie aus der Zeichnung ersichtlich, tritt der wirbelnde Kohlenteilchenstrom
aus der Wirbelkammer durch die innere Leitung 11. aus, während das freien
Sauerstoff enthaltende Gas durch den zwischen den Rohrleitungen 10 und 11 befindlichen
ringförmigen Kanal 13 strömt.
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Zweckmäßig umgibt eine Kühlschlange 17 die Wand der äußeren Leitung
13, zum Schutz der Leitungen gegen Überhitzung. Ein flüssiges Kühlmittel, etwa Wasser,
fließt der Kühlschlange 17 durch die Rohrleitung 18 zu und durch die Leitung 19
aus ihr ab. Die innere Leitung 11, die zweckmäßig eine Länge von mindestens dem
zehnfachen ihres Durchmessers hat, kann an ihrem Auslaßende nach außen erweitert
sein. Wie hier gezeigt, enden die Leitungen 10 und 11 in einer gemeinsamen Ebene,
die senkrecht zur Achse der Leitungen liegt. Die innere Leitung kann aber auch ein
kurzes Stück oberhalb der äußeren Leitung enden. In diesem Falle muß das Auslaßende
der inneren Leitung in bezug auf das Auslaßende der äußeren Leitung so liegen, daß
eine von der Achse der Leitungen ausgehende Gerade, die die Innenflächen beider
Leitungen an ihren Enden berührt, einen Winkel von mindestens 45° mit der Achse
bildet. Bei einem Grenzwinkel von 90° enden die Düsen in einer gemeinsamen Ebene.
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Die Eintrittsgeschwindigkeit des durch die Leitung 20 in die Wirbelkammer
eintretenden Suspensionsstroms soll mindestens 30,5 m/s betragen und vorzugsweise
noch höher sein. 1m allgemeinen ist es wünschenswert, daß die Wirbelkammer einen
möglichst kleinen Durchmesser hat, um eine möglichst starke Verwirbelung zu erreichen.
Hohe Geschwindigkeiten in der Wirbelkammer können auch zu einer beträchtlichen Nachzerkleinerung
der Kohleteilchen führen.
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Der übergang von der Wirbelkammer in die Auslaßleitung 11 soll möglichst
allmählich sein. Der kegelstumpfförmige übergang soll 15° einschließen.
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Wenn auch Dampf, der praktisch frei von pulveriger Kohle ist, aus
der Wirbelkammer durch die Leitung 22 abgezogen werden kann, so bleibt zumindest
ein Teil des Dampfes vermischt mit der Kohle zurück und tritt mit ihr aus der Wirbelkammer
in die Reaktionskammer über.
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Beispielsweise führt man eine Suspension, bestehend aus gleichen Gewichtsteilchen
Dampf und pulverförmiger Kohle, einem Brenner nach der Zeichnung zu, dessen Wirbelkammer
100 mm Durchmesser hat. Bis zu 90 % des Dampfes können dabei oben aus der Wirbelkammer
praktisch vollständig frei von Kohleteilchen abgezogen werden.
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Die Menge der Kohleteilchen in dem bei 22 abgezogenen Dampf kann von
etwa 0,1 Gewichtsprozent, wenn 10% des vorhandenen Dampfes dort entnommen werden,
schwanken bis zu etwa 10 Gewichtsprozent, wenn man 90 % des Dampfes so abzieht.
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Wenn kein freien Sauerstoff enthaltendes Gas durch die äußere Leitung
fließt, breitet sich die den Brenner verlassende Suspension von Kohle in Wasserdampf
in Form eines Kegels mit einem Scheitelwinkel innerhalb eines Bereiches von 60 bis
100° aus. Vergleichsweise ist der entsprechende Raumwinkel eines ähnlichen Stroms,
der ohne die erteilte Wirbelung aus einem geraden Rohr abgelassen wird, kleiner
als 10'.
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Die Verbrennungstemperatur in der Reaktionskammer kann je nach den
besonderen Arbeitsbedingungen eingestellt werden, etwa zwischen 1090 und 1930° C;
vorzugsweise liegt sie bei etwa 1200 bis 1540° C.
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Die Reaktionszone hat eine möglichst gedrungene Form. Man kann die
Reaktion sowohl bei normalem wie auch unter erhöhtem Druck verlaufen lassen, z.
B. unter 7 bis 42 kg/cm2 oder noch höherem Druck.
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Bei der Vergasung kann mit Luft gearbeitet werden, wenn das erzeugte
Gas Stickstoff enthalten soll;
in anderen Fällen nimmt man reinen
Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereicherte Luft.
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Das Verhältnis von Sauerstoff zu Wasserdampf oder Kohlendioxyd wählt
man gewöhnlich so, daß sich die gewünschte Reaktionstemperatur von selbst einstellt.
Statt Wasserdampf oder Kohlendioxyd oder neben diesen kann man auch reduzierbare
Metalloxyde, z. B. solche des Eisens, Kupfers oder Zinks, in die Reaktionskammer
mit einfügen.
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Ferner kann es zweckmäßig sein, einen oder mehrere der Reaktionsteilnehmer
in vorgewärmtem Zustande einzuführen.