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Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines mindestens angenähert
kohlendioxydfreien Kohlenmonoxydgases durch Vergasung von Koks mittels Sauerstoffs
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines mindestens angenähert
kohlendioxydfreien Kohlenmonoxydgases durch Vergasung von Koks mittels Sauerstoff
und ein zur Durchführung des Verfahrens dienender Gaserzeuger. Bekanntlich läßt
sich im Laboratorium und auch noch im halbtechnischen Maßstab aus trocknem, aschearmem
Koks unter Verwendung trocknen, reinen Sauerstoffes als Vergasungsmittel ein praktisch
kohlendioxydfreies Vergasungsgas erzeugen, wenn man für eine genügend hohe Vergasungstemperatur
sorgt. Ein bei Temperaturen oberhalb 1600° C auf diese Weise gewonnenes Vergasungsgas
enthält nach Abscheidung der mitgerissenen Feststoffe (Flugstaub) nur noch aus dem
Koks stammende gasförmige Verunreinigungen, nämlich Wasserstoff, Stickstoff und
Schwefel bzw. Verbindungen dieser Stoffe, und unverbraucht gebliebenen Sauerstoff.
Diese gasförmigen Verunreinigungen lassen sich nach bekannten Verfahren praktisch
restlos entfernen, wozu aber eine recht umfangreiche und verwickelte Apparatur erforderlich
ist.
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Im technischen Großbetrieb ist es bisher nicht gelungen, ein Vergasungsgas
mit einem höheren Kohlenmonoxydgehalt als etwa 95 Volumprozent zu erzeugen. Die
vergleichsweise besten Ergebnisse hat man bisher dadurch erzielt, daß der als Vergasungsmittel
dienende, möglichst reine und trockene Sauerstoff mit hoher Geschwindigkeit und
in scharfem Strahl durch die zu vergasende Kokssäule geführt wird. Es bildet sich
dann eine kegel- oder birnenförmige Vergasungszone, die nach den Seiten und nach
oben hin durch Koksschichten niederer Temperatur abgedeckt ist. Innerhalb der Vergasungszone
läßt sich ohne weiteres eine Temperatur oberhalb 1600° C aufrechterhalten und damit
der für die Kohlendioxydbildung günstigste Temperaturbereich zwischen etwa 600 und
1600° C mit Sicherheit überschreiten. Während innerhalb der eigentlichen Vergasungszone
ein praktisch kohlendioxydfreies Gas entsteht, tritt, wenn das Gas die umgebenden
Koksschichten niederer Temperaturen durchstreicht, ein gewisser Zerfall des Kohlenmonoxyds
zu Kohlendioxyd und Kohlenstoff ein. Infolge der verhältnismäßig hohen Strömungsgeschwindigkeit
des erzeugten Gases liegt dieser Zerfall zwar unter dem theoretischen Gleichgewicht,
beträgt aber immerhin einige Prozente des primären Kohlenmonoxydgehaltes. Nur bei
sehr sorgfältiger Überwachung der Vergasungsvorgänge, verbunden mit einer vergleichsweise
geringen Belastung des Gaserzeugers von höchstens 200 kg Koks je Quadratmeter Heizfläche
ist mit den bisher bekannten Gaserzeugern bzw. der bekannten Betriebsweise solcher
Apparate die Erzeugung eines Gases mit etwa 95 Volumprozent Kohlenmonoxyd möglich.
Abgesehen davon, daß die Gasgewinnung wegen der geringen Belastbarkeit des Gaserzeugers
sich recht kostspielig gestaltet, ist der angegebene Kohlenmonoxydgehalt für manche
Verwendungszwecke ungenügend, insbesondere für Gassynthesen.
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Es besteht somit die Aufgabe, einen Gaserzeuger zur Koksvergasung
mit Sauerstoff derart zu betreiben, daß er bei wesentlich höherer Belastbarkeit
als bisher ein mindestens angenähert kohlendioxydfreies Kohlenmonoxydgas liefert.
Zur Lösung dieser Aufgabe haben sich Gaserzeuger mit einem senkrechten und mittelbar
gekühlten Vergasungsschacht von kegelstumpfförmigem Längsschnitt als besonders geeignet
erwiesen. Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung wird ein Gaserzeuger benutzt, bei
dem die Höhe des Vergasungsschachtes höchstens das Dreifache des mittleren lichten
Schachtquerschnittes beträgt. Bei den bekannten, in der Regel einen wesentlich höheren
Vergasungsschacht aufweisenden Gaserzeugern wird der Sauerstoff durch eine einzige
zentrale Düse dem Schachtunterteil zugeleitet. Demgegenüber schlägt die Erfindung
vor, den Sauerstoff in mehreren Strahlen durch im Schachtunterteil in Abständen
vom Schachtmantel gleichmäßig auf den Schachtumfang verteilt und zweckmäßig höhenverstellbar
angeordnete Düsen od. dgl, in solcher Menge und mit solchem Druck einzublasen, daß
sich im Innern der Koksfüllung des Schachtes eine bis nahe an die Oberfläche der
Brennstoffschicht reichende Vergasungszone bildet. Es entstehen
dabei
Brennkugeln, die ihrer Zahl nach der Anzahl der Düsen entsprechen und sich zu einer
gemeinsamen gleichmäßigen Verbrennungszone vereinigen. Als besonders zweckmäßig
hat sich die Anordnung von drei zur Zuführung von Sauerstoff dienenden Düsen erwiesen,
deren Mittelpunkte in den Ecken eines gleichseitigen Dreiecks liegen und deren Abstände
voneinander gleich groß oder kleiner sind als die Durchmesser der entstehenden Brennkegel.
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Die Größe der einzelnen Brennkegel hängt zunächst von der Körnung
des zu vergasenden, möglichst aschearmen, trockenen und reaktionsträgen Kokses ab,
die unterhalb 60 mm und vorzugsweise zwischen etwa 20 und 40 mm liegen soll.
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Selbstverständliche Voraussetzung ist die Verwendung eines möglichst
völlig entgasten Kokses, der höchstens 1% und vorzugsweise wesentlich weniger flüchtige
Bestandteile enthalten soll. Sodann wird die Form und Größe der Brennkegel durch
die Strömungsgeschwindigkeit des Sauerstoffes bestimmt, die auf etwa 100 bis 150
m/sec zu bemessen ist. Mit diesen Voraussetzungen kommt man bei der Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem Vergasungsschacht aus, dessen Höhe nur
etwa doppelt so groß wie sein mittlerer lichter Querschnitt zu sein braucht. Die
praktische Erfahrung hat ergeben, daß man einen solchen Gaserzeuger mit einer Heizflächenbelastung
bis zu etwa 600 kg/m - h fahren kann. Die einzelnen von der Beschaffenheit des zur
Verfügung stehenden Kokses abhängenden Betriebsbedingungen müssen so aufeinander
abgestimmt werden, daß man entsprechend der Vorschrift der Erfindung eine bis nahe
an die Oberfläche der Brennstoffschicht reichende gleichmäßige und im ganzen kegelförmige
Vergasungszone erhält.
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Unter Beachtung der vorstehend angegebenen Bedingungen gelingt es,
ein Vergasungsgas mit einem Kohlenmonoxydgehalt von etwa 97 bis 99 Volumprozent
zu erzeugen. Die Erfindung erzielt somit einen sehr wesentlichen technischen Fortschritt
mit Hilfe scheinbar unbedeutender Abänderungen bekannter Gaserzeuger und deren Betriebsweise.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung läßt sich die Güte des erzeugten
Gases noch dadurch verbessern, daß unabhängig von dem Sauerstoff vorzugsweise gekühlte
Kohlenoxydgase durch getrennte Düsen od. dgl. in regelbarer Menge in den Schachtunterteil
eingeblasen werden. Hierzu verwendet man mit Vorteil einen Teilstrom des erzeugten
Vergasungsr gases, der vor Eintritt in den Vergasungsschacht, gegebenenfalls nach
vorhergehender Vorkühlung, vorzugsweise durch im Kühlmantel des Schachtes angeordnete
Rohrschlangen geleitet wird. Die Zahl und Anordnung der Kohlenoxyddüsen, d. h. der
zur Einleitung der Kohlenoxydgase dienenden Düsen, hängt naturgemäß von der Zahl
und Anordnung der Sauerstoffdüsen ab, während die Mengen der Kohlenoxydgase und
des Sauerstoffes aufeinander abgestimmt und der vorgegebenen Durchsatzleistung des
Gaserzeugers angepaßt sein müssen.
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Es ist zwar an sich bekannt, bei der Koksvergasung mit Sauerstoff
zusätzlich Kohlenoxydgase in den Vergasungsschacht einzuleiten. Jedoch erfolgt dabei
die Zuführung dieser Gase gemeinsam mit dem Sauerstoff, der dadurch verdünnt wird.
Infolgedessen vermindert sich der Teildruck des Sauerstoffes, was sich in einer
vermehrten Kohlendioxydbildung bemerkbar macht. Bei der erfindungsgemäßen Zufuhr
der Kohlenoxydgase durch getrennte Düsen behält dagegen der Sauerstoff seinen vollen
Druck, so daß in der Vergasungszone ein praktisch kohlendioxydfreies Kohlenmonoxyd
entsteht. Die um die Vergasungszone eingeblasenen Kohlenoxydgase schützen das gebildete
hochwertige Vergasungsgas vor einem Kohlenoxydzerfall beim Durchstreichen der umgebenden
Koksschichten. Die Schichten werden nämlich durch die vergleichsweise kalten Kohlenoxydgase
unterhalb des für die Kohlendioxydbildung günstigen Temperaturbereiches zwischen
etwa 600 und 1600° C gehalten. Es bilden sich im Vergasungsschacht zwei scharf getrennte
Zonen, nämlich die eigentliche Vergasungszone mit einer oberhalb 1600° C liegenden
Temperatur und eine die Vergasungszone umgebende Kühlzone, deren Temperatur unterhalb
600° C liegt. Lediglich eine ganz schmale Grenzschicht weist die für den Kohlenmonoxydzerfall
günstige Temperaturspanne zwischen diesen beiden Temperaturen auf.
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Wie bereits vorstehend erwähnt wurde, ist für die Erzeugung eines
besonders hochwertigen Vergasungsgases die Verwendung möglichst trockenen Sauerstoffes
und Kokses Vorbedingung, um einer Wasserstoffbildung durch Zersetzung des im Sauerstoff
oder Koks enthaltenen Wassers vorzubeugen. Eine weitere Wasserstoffquelle stellt
aber der im Koks chemisch gebundene Wasserstoff dar, der durch Kokstrocknung nicht
entfernt werden kann und bei der Koksvergasung frei wird. Ferner enthält praktisch
jeder Koks, insbesondere jeder Steinkohlenkoks, auch Stickstoff und Schwefel, die
je nach den Vergasungsbedingungen in Form unterschiedlicher Verbindungen bzw. als
freier Stickstoff anfallen. Diese unvermeidbaren gasförmigen Verunreinigungen müssen
möglichst weitgehend aus dem Vergasungsgas entfernt werden, wenn dieses beispielsweise
zu Synthesezwecken dienen soll. Wegen der bekannten Wechselbeziehungen zwischen
Kohlendioxyd, gasförmigen Schwefelverbindungen und Alkalien ist eine angenähert
vollständige Kohlendioxydwäsche erst nach praktisch restloser Entfernung dieser
Schwefelverbindungen aus dem Gas möglich, wobei, umgekehrt, bei nasser Schwefelwäsche
die Gegenwart von Kohlendioxyd den Wirkungsgrad dieser Wäsche ungünstig beeinfiußt.
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Ein weiterer wesentlicher Nachteil der bekannten praktisch ausgeführten
Gasreinigungsverfahren besteht in einer starken Verschmutzung der Apparatur und
Waschflüssigkeiten durch den vom Vergasungsgas mitgerissenen Flugstaub. Wenn man
berücksichtigt, daß sich höhere Wirkungsgrade der Gasreinigung nur bei möglichst
gleichbleibenden Betriebsverhältnissen erzielen lassen, muß man jede Verunreinigung
der Reinigungsmassen und/oder Waschflüssigkeiten durch Flugstaub und jede Erhöhung
des Strömungswiderstandes in der Reinigungsapparatur durch Flugstaubablagerungen
nach Möglichkeit vermeiden. Die einschlägige Technik hat bisher diesem Problem zu
wenig Beachtung geschenkt. Ausgedehnte Betriebsuntersuchungen haben ergeben, daß
im Vergasungsgas beim Austritt aus dem Gaserzeuger durchschnittlich etwa 2 gims
Flugstaub enthalten sind. Bei der üblichen nassen Staubreinigung läßt sich diese
Staubmenge nur etwa zur Hälfte aus dem Gas entfernen. Man hat zwar versucht, das
Vergasungsgas vor Eintritt in die Schwefelreinigung durch einen Zentrifugalwäscher
mit hohen Drehzahlen noch weiter vom Flugstaub zu reinigen oder bei Verwendung einer
trockeneu Schwefelreinigung dieser einen Filter aus Säge-oder
Hobelspänen
vorgeschaltet. Diese Maßnahmen haben sich jedoch im Dauerbetrieb nicht bewährt.
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Da die Entfernung des Flugstaubes und der gasförmigen Verunreinigungen
in der Regel für die Verwendung des erzeugten Vergasungsgases von ausschlaggebender
Bedeutung ist, erstreckt sich die Erfindung weiterhin auch auf eine betriebssichere
Entfernung dieser Stoffe aus dem hochwertigen Vergasungsgas in einfacher Weise.
Zu diesem Zweck schlägt die Erfindung vor, das aus dem Gaserzeuger abziehende heiße
Gas zunächst durch ein Heißfilter, vorzugsweise durch keramische oder aus gesinterten
Metallen bestehende, poröse Filterkerzen zu leiten. Die Filterkerzen halten den
mitgerissenen Flugstaub praktisch vollkommen zurück und verhindern, daß der Flugstaub
in die nachgeschalteten weiteren Reinigungsapparate gelangt.
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Nach dem Durchgang durch das Heißfilter wird vorzugsweise ein Teilstrom
des flugstaubfreien Gases abgezweigt und in der vorbeschriebenen Weise in den Vergasungsschacht
zurückgeführt. Der andere, als Nutzgas dienende Teilstrom wird erfindungsgemäß zunächst
einer kombinierten Naßwäsche zur Entfernung von Ammoniak, Gasschwefel und Kohlendioxyd
durch Berieseln mit Frischwasser in einem mit Kalkstein besetzten Turm unterworfen,
sodann einer Kohlendioxyd-Feinreinigung mittels einer alkalischen Flüssigkeit, z.
B. Natronlauge, und/oder mittels eines organischen Absorptionsmittels, z. B. einer
alkalischen Methanollösung. Diese Feinreinigung kann gegebenenfalls bei tiefen Temperaturen
und unter erhöhtem Druck durchgeführt werden. Dabei lassen sich auch diejenigen
gasförmigen Verunreinigungen mit einem höheren Tau- bzw. Gefrierpunkt als Kohlenmonoxyd
zum großen Teil abscheiden.
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Sofern das auf diese Weise gereinigte Nutzgas noch Schwefel- und Stickstoffverbindungen
in störenden Mengen erhält, kann man diese Stoffe in einer nachgeschalteten Trockenreinigung,
z. B. mit reiner oder alkalisierter Eisenoxydmasse, entfernen. Für die erfindungsgemäße
Feinreinigung des Nutzgases sind im Vergleich zu den bisher bekannten Feinreinigungsanlagen
nur wenige, verhältnismäßig einfache und betriebssichere Apparaturen erforderlich.
Trotzdem erhält man ein praktisch kohlendioxydfreies Nutzgas mit einem Kohlenmonoxydgehalt
von 99,6 Volumprozent und mehr. Vorbedingung für eine so weitgehende, bisher unerreichte
Feinreinigung des Nutzgases ist selbstverständlich die Erzeugung eines wesentlich
besseren Vergasungsgases, als es bisher möglich war, nämlich eines Vergasungsgases
mit einem Kohlenmonoxydgehalt bis zu etwa 99 Volumprozent. Die Feinreinigung des
Nutzgases gewinnt ihre praktische Bedeutung somit erst im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen
Erzeugung eines hochwertigen Vergasungsgases.
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In der Zeichnung ist ein Gaserzeuger zur Durchführung des Vergasungsverfahrens
schematisch dargestellt. Sowohl der Boden 10 des Gaserzeugers als auch der kegelstumpfförmige
Mantelll desselben sind als wassergekühlte Hohlräume ausgebildet. Die Kühlwasserzuführung
erfolgt durch die Rohre 12 und 13, der Kühlwasserablauf durch die Rohre 14 und 15.
Das Mannloch 16 ist durch einen Deckel 17 verschlossen. Mit 18 ist der in der Vergasung
befindliche Brennstoff bezeichnet, der über die Schleusen 19 und 20 und den Zwischenbehälter
21 dem Dom des Gaserzeugers zugeführt wird. Sowohl in der Mitte als auch in einem
Kranz um die Mitte verteilt befinden sich am Boden Düsen zur Einführung des Sauertoffs;
daneben sind Düsen zur Einführung von Kohlenoxyd vorgesehen. Mit 22 ist eine Düse
zur Einführung von Sauerstoff bezeichnet, mit 23 Düsen zur Einführung von Kohlenoxyd.
Das Kohlenoxyd wird aus dem Gasabgang 24 über die Leitung 25 und den Sauger 26 entnommen,
seine Menge mittels der Ventile 27 geregelt. Die Düsen sind mit Kühlmänteln versehen;
die Rohre 28 dienen zur Zuführung des Kühlmittels. Mit 29 sind die von den Düsen
beaufschlagten Räume bezeichnet. Man erkennt, daß die Vergasungszone, in der eine
Temperatur von wenigstens 1600° C herrscht, bis nahe an die Oberfläche der Brennstoffschicht
reicht und daß sich dieselbe aber auch bis in Bereiche erstreckt, die nicht weit
von dem wassergekühlten Mantel entfernt liegen.