DE2134755A1

DE2134755A1 - Verfahren und Einrichtung zur Durch fuhrung endothermer Reaktionen in einer Wirbelschicht

Info

Publication number: DE2134755A1
Application number: DE19712134755
Authority: DE
Inventors: Albert Paris Godel
Original assignee: Compagnie Industrielle de Procedes & dApphcations S A , Neuenburg (Schweiz)
Priority date: 1970-08-14
Filing date: 1971-07-12
Publication date: 1972-02-17
Also published as: NL7109406A; DE2134755C2

Description

Verfahren und Einrichtung zur Durchführung endothermer Reaktionen in einer Wirbelschicht Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durchführung endothermer Reaktionen mit körnigen Beststoffen in einer Wirbelschicht bei erhöhter Temperatur in Gegenwart eines Reaktionsgases, welches die Feststoffe in der Wirbelschicht schwebend hält. Insbesondere eignet sich das Verfahren zur Herstellung von Aktivkohle durch partielle Vergasung verschiedener kohlenstoffhaltiger Stoffe mit einem aktivierenden Gas, vorzugsweise Wasserdampf hoher Temperatur. Weiterhin können für Synthesen verwendbare brennbare Gase durch vollständige Vergasung verschiedener kohlenstoffhaltiger Stoffe mit einem solchen Gas bzw. Wasserdampf hergestellt werden. Die Erfindung hat auch eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens zum Gegenstand.
Es werden also kohlenstoffhaltige' körnige Beststoffe in einer Wirbelßchicht durch ein Aktivierungsgas bei hoher Temperatur vergast, um Aktivkohle und/oder brennbare Gase zu erzeugen, wobei endotherme Reaktionen ablauten.
Die Aktivierung und Vergasung mittels eines aktivierenden Gases, beispielsweise Kohlensäuregas oder Wasserdampf, sind bekannt.
Bei Einwirkung von Wasserdampf hoher Temperatur auf glühenden Kohlenstoff laufen bekanntlich die folgenden fundamentalen Reaktionen ab, deren Gleichgewichtsbedingungen von der Temperatur und dem Druck abhängen: 1.) C + H20 = CO+H2 - 28,8 Ealorien/Mol 2.) 0 + 2H2O = C02 + 2112 - 14,8 Ealorien/Mol.
Von 100000 ab dominiert die unter Ziffer 1 angegebene Reaktion, auf welcher die wichtigsten Verfahren zur industriellen Erzeugung von Aktivkohle und wasserstoffreichen brennbaren Gasen für Synthesezwecke beruhen.
Der wesentliche Unterschied zwischen der Herstellung von Aktivkohle einerseits und von brennbaren Gasen andererseits besteht darin, daß bei der industriellen Erzeugung von Aktivkohle die Vergasung von Kohlenstoff nicht bis zum Schluß durchgeführt und von Stoffen ausgegangen wird, welche besonders reaktionsfreudig sind und einen geringen Aschegehalt aufweisen, wie beispielsweise Holzkohle Niet, Torfkoks, Steinkohlenagglomeraten, wobei das notwendigerweise anfallende Gas im allgemeinen zur Beheizung von Ofen und gegebenenfalls zur Erzeugung von Dampf verwendet wird, während bei der einfachen Herstellung von Wassergas im allgemeinen von solchen kohlenstoffhaltigen Stoffen ausgegangen wird, wie Steinkohle, Lignit oder Steinkohlekoks üblicher Qualität, und die Vergasung bis zum Schluß durchgeführt, also eine vollständige Vergasung vorgenommen wird.
Die oben unter Ziffer 1 und 2 angegebenen Reaktionen, insbesondere die Reaktion unter Ziffer 1, laufen auf Grund des stark endothermen Charakters nur dann bei der optimalen Temperatur ab, wenn von außen eine beträchtliche Wärmemenge zugeführt wird. Dieses Problem der Wärme zufuhr von außen ist bisher nicht zufriedenstellend gelöst worden.
Es sind Verfahren zur Herstellung von Aktivkohle bekannt, wobei mit Festbett oder mit Fließbett, d. h. mit einer Wirbelschicht, gearbeitet wird, bei denen eine Wärmezufuhr dadurch zustande gebracht wird, daß man dem auf eine hohe Temperatur überhitzten Wasserdampf einen geringen Anteil an Verbrennungsluft zugibt. Dies hat nicht nur eine beträchtliche Minderung der Ausbeute bezogen auf die Ausgangsstoffe zur Folge, sondern auch eine Verringerung des Heizwertes vom erzeugten Gas. Bei anderen bekannten Verfahren wird die Wärmezufuhr dadurch zustande gebracht, daß man den Durchsatz des auf eine noch höhere Temperatur überhitzten Dampfes steigert, was die Kosten erhöht und die Ausbeute an Aktivkohle vermindert, da wegen der Steigerung der Menge freigesetzten Gases der Abflug sich erhöht. Auch ist es bekannt, die kohlenstoffhaltigen Ausgangsstoffe vorzuwärmen, doch ist dies sehr kompliziert und wird daher wenig praktiziert.
Bei allen diesen bekannten Verfahrensweisen kann lediglich ein kleiner Bruchteil (in der Größenordnung von 1/10) derjenigen Wärmemenge zugeführt werden, welche für die endotherme Vergasungsreaktion aufzubringen ist bzw. dabei verbraucht wird.
Bei anderen Verfahren findet die Behandlung in Behältern statt, deren Außenwände durch Verbrennungsabgase erwärmt werden. Deren Dichtheit gegenüber unter Druck stehenden Gasen hoher Temperatur ist nur schwer zu verwirklichen. Liegen die kohlenstoffhaltigen Ausgangsstoffe in den Behältern im Festbett vor, dann ist außerdem die Wärmezufuhr durch die Wände äußerst unbedeutend, und zwar auf Grund der geringen thermischen-leitfahigkeit dieser Schicht. Werden demgegenüber die kohlenstoffhaltigen Ausgangsstoffe in den Behältern in einer Wirbelschicht gehalten, dann ist zwar der Gesamtwärmeübergang durch die Wände größer, jedoch immer noch zu unzureichend, um die endotherme Reaktion aufrechterhalten zu können, und zwar wegen des großen Unterschiedes der Wärmeübergangskoeffizienten zwischen der Wirbelschicht und der Innenwand einerseits und den Heizgasen sowie der Außenwand andererseits. Wird die Aktivierung der kohlenstoffhaltigen Stoffe auf kontinuierlichem Wege durchgeführt, wie bei bestimmten Aktivierungsverfahren mit Wirbelschicht der Fall, dann ist eine weitere Minderung der Aktivierungsausbeute dadurch gegeben, daß die Vermischung von rohen Ausgangsstoffen und aktiviertem Produkt in der Wirbelschicht unvermeidlich ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu beheben. Dies ist mit einem Verfahren der eingangs angegebenen Art erreicht, welches erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß die körnigen Feststoffe zur Iiompensation des Warmeverbrauches und Aufrechterhaltung einer optimalen Temperatur während der Reaktion in unmittelbare Berührung mit feststehenden, feuerfesten und wärmespeichernden Massen gebracht werden, welche zuvor durch Beaufschlagung mit Verbrennungsabgasen auf eine Temperatur höher als die Reaktionst-emperatur erwärmt worden sind. Die in einem Reaktor angeordneten feststehenden, feuerfesten und wärmespeichernden Nassen wer den abwechselnd durch Hindurchleiten von Verbrennungsabgasen durch den Reaktor unter Speicherung der zur Kompensation des Wärmeverbrauches der endothermen Reaktion erforderlichen Wärmemenge auf eine Temperatur höher als die Reaktionstemperatur erwärmt und anschließend mit den körnigen, kohlenstoffhaltigen Ausgangsfeststoffen unmittelbar in Berührung gebracht, welche in einer Wirbelschicht unter der Wirkung des Reaktionsgases umgesetzt werden.
Die Erhitzung der feststehenden, feuerfesten und wärmespeichernden Massen kann auf jegliche bekannte Art und Weise erfolgen. Fallen bei der endothermen Reaktion brennbare Gase an, dann kann ihre vollkommene oder partielle Verbrennung direkt oder indirekt dazu benutzt werden, die feststehenden, feuerfesten und wärmespeichernden Massen aufzuheizen. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn kohlenstoffhaltige Stoffe der Umsetzung unterworfen werden, insbesondere wenn das aktivierende Gas bzw. das Reaktionsgas Wasserdampf ist.
Die Wiedererwärmung der feststehenden, feuerfesten und wärmespeichernden Massen durch Verbrennungsabgase hoher Temperatur kann erfindungsgemäß einfach dadurch zustande gebracht werden, daß die Abgase durch den die Massen enthaltenden, entleerten Reaktor hindurchgeleitet werden. Stattdessen kann die Wiedererwärmung auch mittelbar erfolgen, indem die Abgase hoher Temperatur durch eine Hilfswirbelschicht aus feingekörnten feuerfesten Stoffen in dem die wärmespeichernden Massen enthaltenden Reaktor hindurchgeleitet werden, welche Stoffe dazu in den Reaktor vor jeder Wiedererwärmung wieder eingegeben und danach abgezogen werden. Mit dem letzteren Vorgehen ist der Vorteil verbunden, daß eine schnellere und gleichmäßigere Wiedererwärmung der feststehenden, feuerfesten und wärmespeichernden Nassen gewahrleist et ist, was die Vergasungs- und Wiedererwärmungsperioden ins Gleichgewicht zu bringen erleichtert. Bei Anwendung einer Hilfswirbelschicht müssen die erwärmenden Verbrennungsabgase hoher Temperatur aufsteigend durch den jeweiligen Reaktor strömen.
Mit Vorteil können als feingekörnte feuerfeste Stoffe für die Hilfswirbelschicht entschwefelnde Substanzen verwendet werden.
Vorzugsweise wird beim Arbeiten mit mindestens zwei Reaktoren so vorgegangen, daß zur zyklischen Wiedererwärmung der feststehenden, feuerfesten und wärmespeichernden Massen jedes Reaktors jeweils diejenigen Abgase verwendet werden, welche von der Verbrennung der aus den kohlenstoffhaltigen Stoffen bei deren Vergasung in dem anderen bzw. einem anderen Reaktor freigesetzten Gase herrühren, Auch hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die körnigen Ausgangsfeststoffe in einem Reaktor in stark expandierter Wirbelschicht ohne definierte freie Grenzfläche gehalten und zu einem Zyklon zur Trennung der Gase und der körnigen Feststoffe bewegt werden, aus welchem die körnigen Feststoffe vollständig wieder in den Reaktor gelangen.
Die körnigen Feststoffe können vorteilhafterweise in einer Gasatmosphäre in der Schwebe gehalten werden, in welcher ein Ueberdruck aufrechterhalten wird.
Die erfindungsgemäße Aktivierung von Sohle erfolgt diskontinuierlich, d. h. es wird jeweils eine bestimmte Chargenmenge behandelt. Dadurch ist jede Vermischung zwischen den rohen Ausgangsstoffen, welche vor der Aktivierung in den jeweiligen vergasenden Reaktor gegeben werden, und der erzeugten Aktivkohle vermieden, welche nach dieser Behandlung daraus entfernt wird. Ferner ist jede Vermischung zwischen dem aktivierenden Gas, insbesondere Wasserdampf, und den Verbrennungsabgasen vermieden.
Die erfindungsgemäße Einrichtung zur Durchführung des vorstehend charakterisierten Verfahrens ist gekennzeichnet durch mehrere senkrecht und parallel zueinander in einem Reaktor angeordnete, die feststehenden, feuerfesten und wärmespeichernden Massen bildende Platten, oder durch einen in einem Reaktor angeordneten, die feststehenden, feuerfesten und wärmespeichernden Massen bildenden Block mit einem dem Reaktorquerschnitt entsprechenden Querschnitt und mehreren senkrechten, durchgehenden Bohrungen.
Es hat sich herausgestellt, daß die Vergasung und Aktivierung lediglich etwa 10 Minuten bei sehr reaktionsfreudigen kohlenstoffhaltigen Stoffen dauert, Jedoch auch beträchtlich mehr Zeit beanspruchen kann, wenn wenig reaktionsfreudige Stoffe behandelt werden, wie beispielsweise Agglomerate, Koks oder Anthrazit. Dies ist bei der Dimensionierung und der Verteilung der feststehenden, feuerfesten und wärmespeichernden Nassen zu berücksichtigen, wenn man erreichen will, daß die Vergasungsvorgänge und die Wiedererwäritrungen gleich lange dauern. Dabei können zwei miteinander verbundene Reaktoren vergasen. Wenn dagegen ein derartiges Vorgehen nicht erwünscht ist, daß nämlich die Vergasungen und Wiedererwärmungen gleich lange dauern, dann können erfindungsgemäß mehr als zwei Reaktoren vorgesehen sein, welche so miteinander verbunden sind, daß das während der Vergasung erzeugte brennbare Gas eines dieser Reaktoren die Wiedererwärmung der anderen Reaktoren gewährleistet, Die feststehenden, feuerfesten und wärmespeichernden Massen müssen so bestimmt sein, daß die thermischen Variationen zwischen den Vergasungen und Wiedererwärmungen gering sind und in denjenigen Grenzen bleiben, welche für den Vergasungs/Aktivierungs-Prozeß geeignet sind.
Art und Form der feuerfesten, wärmespeichernden Massen, welche in den Reaktoren der erfindungsgemäßen Einrichtung als Stapel oder Blöcke vorliegen, hängen nicht allein von ihrem Wärmespeichervermögen und ihrer thermischen Beitfähigkeit ab, sondern auch von ihrer Feuerfestigkeit und dem Nichthaften an Schlacken. Die Auswahl derartiger feuerfesten Massen in Abhangigkeit von der Art und der Schmelzbarkeit der Aschen ermöglicht das Arbeiten entweder mit geschmolzenen oder nicht geschmolzenen Aschen. Mit Rücksicht darauf hat sich die Verwendung von feuerfesten Platten auf der Basis von Siliziumkarbid als vorteilhaft herausgestellt.
Bei indirektem edererwärmen eines Reaktors mit feingekörnten feuerfesten Materialien, welche in einer Hilfswirbelschicht schwebend gehalten werden, sind die Bedingungen anders. Ihr Wärmespeichervermögen und ihre Wärmeleitfähigkeit sind nicht wesentlich, doch müssen sie hochfeuerfest sein und eine verminderte Dichte aufweisen. Wie erwähnt, können vorteilhafterweise als körnige feuerfeste Materialien entschwefelnde Stoffe verwendet werden.
Wird bei den einzelnen Vergasungsvorgängen Dampf verwendet, so kann zu dessen Erzeugung ein Kessel vorgesehen sein, welcher entweder mit den in den vergasenden Reaktoren erzeugten brennbaren Gasen befeuert oder von den von den gerade wiedererwärmten Reaktoren kommenden Verbrennungsabgasen beheizt wird, also einen Abhitzekessel darstellt.
Nachstehend ist die Erfindung an Hand der beigefügten Zeichnungen beispielsweise beschrieben. Darin zeigen: Fig. 1 bis 3 jeweils eine von drei verschiedenen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung, und zwar in schematischer Wiedergabe; Fig. 4 und 5 die Ansicht eines senkrechten bzw.
waagerechten Schnittes durch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung, namlich durch deren beide nebeneinander angeordnete, als eine Baueinheit ausgebildete Reaktoren; Fig. 6 und 7 die Ansicht eines senkrechten bzw.
waagerechten Schnittes durch die beiden nebeneinander angeordneten, gesonderten Reaktoren einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung; Fig. 8 die perspektivische Darstellung zweier nebeneinander angeordneter, gesonderter Reaktoren einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemaßen Einrichtung, wobei ein Reaktor der besseren Deutlichkeit wegen aufgeschnitten ist.
Bei der Ausfühungsform gemäß Fig. 1 sind zwei Reaktoren A und B vorgesehen. Ein Teil des vom Reaktor A periodisch produzierten brennbaren Gases wird dem Reaktor B kopfseitig zugeführt, um diesen durch Verbrennung wieder aufzuheizen, wozu Luft zugegeben wird. Die von der Verbrennung herrührenden Abgase werden vom Reaktor B fußseitig abgezogen und einem Abhitzekessel D zugeführt, welcher den für die Vergasung erforderlichen Dampf erzeugt. Es wird zyklisch umgeschaltet, so daß abwechselnd der Reaktor A vergast, während der Reaktor B wieder aufgeheizt wird, und umgekehrt der Reaktor B vergast, während der Reaktor A wieder erwärmt wird.
Uberschüssiges, bei der Vergasung entstehendes, brennbares Gas steht kopfseitig am Reaktor A bzw. B zur Verfügung.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 sind zwei Reaktoren A und B vorgesehen, ferner ein gasbefeuerter Kessel D. Ein Teil des in dem Jeweils gerade vergasenden Reaktor A bzw. B erzeugten brennbaren Gases gelangt kopfseitig zum anderen, auf Wiedererwärmung geschalteten Reaktor B bzw. A sowie zum Kessel D. Zusätzlich zum brennbaren Gas wird dem åeweils gerade wiedererwärmten Reaktor B bzw. A und dem Kessel D Luft zugeführt, so daß dieser Reaktor B bzw. A wieder aufgeheizt und der Kessel D beheizt wird. Die abgase der Verbrennung werden dem Reaktor B bzw. A fußseitig abgezogen und gehen aus dem Kessel D über einen Kamin ab. Gegebenenfalls kann im Wege der Abgase ein Lufterhitzer angeordnet sein.
Ein Ueberschuß an brennbarem Gas steht kopfseitig am gerade vergasenden Reaktor A bzw. B zur Verfügung.
In Fig. 3 ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung mit drei Reaktoren A, B und a für die Vergasung und Aktivierung dargestellt. Ist beispielsweise der Reaktor A auf Vergasung geschaltet, dann wird das darin erzeugte brennbare Gas zu gleichen Teilen den beiden Reaktoren B und C aufgegeben, und in diesen kopfseitig verteilt. Zusätzlich gelangt in die Reaktoren B und C Verbrennungsluft. Durch die in den Reaktoren B und C stattfindende Verbrennung werden diese wieder aufgewärmt. Die Verbrennungsabgase werden aus den Reaktoren B und C fußseitig abgezogen und einem Abhitzekessel D zugeführt, welcher denjenigen Dampf erzeugt, der zur Vergasung im Reaktor A erforderlich ist. Uberschüssiges, im vergasenden Reaktor A erzeugtes, brennbares Gas steht kopfseitig am Reaktor A zur Verfügung.
In Jedem Reaktor A, B und C wechseln sich Vergasung und Wiedererwärmung periodisch ab, indem alle drei Reaktoren reihum nacheinander auf Vergasung geschaltet werden, also nach dem Reaktor A der Reaktor B und danach der Reaktor C, wobei die Reaktoren B und C bzw. C und A bzw. A und B währenddessen wiedererwärmt werden.
In Fig. 1, 2 und 3 ist der Dampfweg durch ausgezogene Linien, der Brenngasweg durch gestrichelte Linien, der Verbrennungsabgasweg durch punktierte Linien und der liuftweg durch strichpunktierte Linien wiedergegeben.
Wenigstens drei Reaktoren können zur vollstänligen Vergasung von Brennstoffen verwendet werden. Da dabei die Erzeugung von Aktivkohle nicht in Betracht kommt, kann während einer Arbeitsphase ein Reaktor mehrere Male oder kontinuierlich ohne Nachteil beaufschlagt werden, und es kann sogar von Vorteil sein, während ein- und demselben Vergasungsvorgang das halb behandelte Produkt von einem Reaktor in einen gleichfalls vergasenden zweiten Reaktor wirbelschichtartig, d. h. in der Schwebe, zu übertragen.
Die Brenngas-, Dampf-, Luft und Verbrennungsabgasventile sowie die Ventile zur Speisung und zum Abzug der behandelten Materialien können gemäß einem vorgegebenen Programm automatisch betätigt werden, was bei der praktischen industriellen Anwendung von Vorteil ist.
Die innere Ausgestaltung der Reaktoren selbst ist erfindungsgemaß unterschiedlich. Drei Ausführungsformen sind beispielsweise und schematisch in den Fig. 4 bis 8 wiedergegeben, in welchen gleiche bzw. gleichwirkende Bauteile- mit denselben Bezugsziffern versehen sind.
Bei der Ausführungsforin gemäß Fig. 4 und 5 sind zwei identische Reaktoren A und B vorgesehen, welche nebeneinander beiderseits einer Trennwand 22 angeordnet sind.
Die Zwillingsreaktoren A und B bilden so eine einzige Baueinheit mit rechteckigem Querschnitt. Jeder Reaktor A bzw.
B weist im oberen Teil einen Satz paralleler, senkrechter Platten 1, 6 bzw. 1', 6' auf, welche feststehende, feuerfeste, wärmespeichernde Massen bilden und oberhalb eines Gitters 2 bzw. 2' angeordnet sind, auf welchen die Wirbelschicht 3 ruht, welches so in unmittelbarer Berührung mit den Massen steht. Im unteren Teil unterhalb des Gitters 2 bzw. 2' sind in jedem Reaktor A bzw. B weitere feuerfeste, wärmespeichernde Massen 4 bzw. 4' vorgesehen, welche als Cowper wirken und der Uberhitzung des vom nicht dargestellten Kessel kommenden, nicht überhitzten oder nur halbwegs überhitzten Dampfes auf hohe Temperatur dienen. Der Dampf wird in den gerade vergasenden Reaktor A fußseitig über eine Leistung 5 eingeblasen. Das im vergasenden Reaktor A freigesetzte brennbare Gas steigt über die Trennwand 22 und tritt in den anschließenden Reaktor B ein, aus welchem zuvor über eine Leitung 8 tivkohle entleert worden ist. Das Gas verbrennt im Reaktor B in Beruhrung mit Verbrennungsluft, welche über eine Leitung 7' eingeführt wird. Die Verbrennungsabgase hoher Temperatur durchströmen den Satz von Platten 1', 6' des Reaktors B sowie die Cowper-Steine 4' desselben, welche so wieder auf hohe Temperatur erwärmt werden. Die Abgase werden über eine Leitung 12' abgezogen und dienen der Beheizung eines nicht dargestellten Abhitzekessels.
Die Reaktoren A und B werden abwechselnd mit kohlenstoffhaltigen Stoffen beschickt, welche vor Jeder Vergasung bzw. jedem Vergasungsvorgang über eine Leitung 9 bzw.
9' fluidisiert, d. h. wirbelschichtartig, also in der Schwebe, zugeführt werden. Nach der Vergasung bzw. am Schluß des Vergasungsvorganges werden die Stoffe ebenfalls fluidisiert über die Leitung 8 bzw. 8' abgezogen. Uberschüssiges brennbares Gas wird bei jeder Vergasung bzw. Jedem Vergasungsvorgang über eine Leitung 10 bzw. 10' aus dem Reaktor A bzw. 3 abgezogen.
Bei Inbetriebnahme der Reaktoren A und B werden diese gleichzeitig und leer mittels Gas- oder Heizölbrennern 11 bzw. 11' bis auf Betriebstemperatur erwärmt. Die Verbrennungsabgase durchströmen Jeweils den Satz von Platten 1, 6 bzw. 1 1, 6' von oben nach unten sowie die Cowper-Steine 4 bzw. 4', um dann über die Leitung 12 bzw. 12' zum nicht dargestellten Abhitzekessel zu gelangen. Sobald in den Reaktoren A und B die gewünschte Betriebstemperatur erreicht ist und der Kessel unter Druck steht, werden die Brenner 11 und 11' stillgesetzt und die Reaktoren A und B zyklisch auf die beschriebene Art und Weise über die Leitung 9 bzw. 9' abwechselnd mit eingeblasenen kohlenstoffhaltigen Stoffen beschickt, bevor die Vergasung beginnt. Dampf wird fußseitig über die Leitung 5 bz;w, 5' von Beginn an während der gesamten Dauer Jedes Vergasungsvorganges eingeblasen. Die behandelten Produkte werden nach Jedem Vergasungsvorgang über die Leitung 8 bzw. 8' abgezogen.
Das in dem einen oder dem anderen Reaktor A bzw. B auf Grund der zyklischen Betriebsweise abwechselnd erzeugte brennbare Gas gewährleistet die thermische Selbständigkeit der Reaktoren A und B von nun-an, wobei brennbares Gas im Uberschuß anfällt.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 6 und 7 sind zwei identische Vergasungs- und Aktivierungsreaktoren A und B von rechteckigem Querschnitt vorgesehen. Jeder Reaktor A bzw. B weist im oberen Teil einen Satz paralleler, senkrechter Platten 1, 6 bzw. 1', 6' aus feuerfestem, wärmespeicherndem Material auf. Unterhalb davon ist ein zweiter Satz paralleler, senkrechter Platten 4 bzw. 4' aus feuerfestem, wärmespeicherndem Material angeordnet. Der obere Satz von Platten 1, 6 bzw. 1', 6' ist während der Vergasung bzw. des Vergasungsvorganges in. die Wirbelschicht 3 eingetaucht, welche auf einem Gitter ruht, das vom oberen Teil 2 bzw. 2' der Platten 4 bzw. 4' unterhalb des oberen Plattensatzes vom Reaktor A bzw. B gebildet ist. Die Platten 4 bzw. 4' sind am oberen Teil 2 bzw. 2' verbreitert und so ausgebildet, daß sie als Gitterstäbe wirken, wie aus Fig. 6 besonders deutlich ersichtlich.
Wie bei der Ausführungsform gemaß Fig. 4 und 5 wirken die Platten 4 bzw. 4' als Cowper zur Uberhitzung dessen nigen Dampfes, welcher über die Leitung 5 bzw. 5' dem Reaktor A bzw. B fußseitig zugeführt wird. Arbeitet der Reaktor A vergasend, dann wird das darin erzeugte brennbare Gas über eine Leitung 13 einem Zyklon 18 zugeführt, um von dort nach Entstaubung teilweise über eine Leitung 14' zum wieder zu erwärmenden Reaktor B zu gelangen. Uberschüssiges brennbares Gas wird über eine Leitung 10 abgezogen. Das dem Reaktor B zugeführte brennbare Gas wird in dessen unterem Teil unter Zufuhr von Luft über die Leitung 7' verbrannt. Die Verbrennungsabgase werden kopfseitig über die Leitung 12' abgezogen und gelangen zum nicht dargestellten Abhitzekessel. Der im Zyklon 18 gesammelte Abflug wird diesem fußseitig über eine Leitung 23 entnommen.
Wird bei der Aùsführungsform gemäß Fig. 6 und 7 eine Kilfswirbelschicht aus feinkörnigen feuerfesten Stoffen bei der Wiedererwärmung verwendet, dann ist keine weitere Abwandlung erforderlich, als lediglich die zusätzliche Anordnung eines vom Speicher kommenden Speise- und Abzugskreises für die feinkörnigen feuerfesten Stoffe. Da dieser Leitungskreis demJenigen für die körnigen kohlenstoffhaltigen Rohstoffe bzw. für die Aktivkohle in allen Punkten ähnelt, ist er in den Fig. 6 und 7 nicht dargestellt. Was den Weg der Abgase der Verbrennung zur Wiedererwärmung anbetrifft, so ist er im Reaktor B bzw. A von unten nach oben gerichtet, so daß die Anwendung einer Hilfswirbelschicht möglich ist.
Die Reaktoren A und B werden abwechselnd über die Leitung 9 bzw. 9' zu Beginn Jedes Vergasungsvorganges mit fluidisiert, d. h. wirbelschichtartig zugeführtem Ausgangsmaterial beschickt. Desgleichen wird Aktivkohle am Schluß des Vorganges über die Leitung 8 bzwa 8 | fluidisiert, d.h.
schwebend abgezogen.
Die Reaktoren A und B werden bei Inbetriebnahme der Einrichtung wie bei der Ausführungsform gemäß 4 und 5 zunächst leer mittels eines Brenners 11 bzw. 11' auf Betriebstemperatur gebracht. Sobald diese erreicht ist und die Reaktoren A und B abwechselnd vergasend arbeiten, sind beide Reaktoren A und B thermisch selbstandi.g und liefern sogar einen Überschuß an brennbarem Gass welches über die Leitung 10 abgeht.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 8 sind zwei identische, zylindrische Vergasungs- und Mftivierungsreaktoren A und 3 vorgesehen. Jeder weist im oberen Teil einen zylindrischen Block 1, 6 aus feuerfestem, wärmespeicberndem Material auf, der vollständig von mehreren senkrechten, zueinander parallelen Bohrungen durchsetzt ist, welche zur Aufnahme der körnigen, kohlenstoffhaltigen Stoffe dienen, die beispielsweise mit großem Dampfdurchsatz in einer sogenannten stark expandierten Wirbelschicht gehalten werden. Diese ruht auf einem Gitter, das von der oberen F1a che eines zweiten Blockes 2, 4 gebildet wird, welcher im unteren Teil des jeweiligen Reaktors Ä bzw. B angeordnet ist und mehrere senkrechte, zueinander parallele, durchlaufende Bohrungen aufweist. Diese sind am oberen Ende Jeweils verengt, um die StrömungsgeschlfindigReit des über die Leitung 5 bzw. 5' zugeführten Dampfes zu erhöhen und so Jedes Absinken der körnigen Stoffe aus der Wirbelschicht 3 zu verhindern.
Das so gebildete Gitter stützt die stark eTpandierte Wirbelschicht 3, da Dampf während der gesamten Dauer des Vergasungsvorganges eingeblasen wirt. Dies ist jedoch nicht der Fall während des Wiedererwärmungsvorganges, da nach Abzug der Wirbelschicht 3 die Strömung.srichtungen umgekehrt werden. Beim Wiedererwärmungsvorgang tragen die Gase hoher Temperatur, welche nach unten gerichtet sind, im Gegenteil dazu bei, daß durch die Bohrungen des unteren Blockes 2, 4, welche am oberen Ende jeweils nur geringfügig verengt sind, feste oder geschmolzene Ascherückstände mitgenommen werden, welche sich gegebenenfalls auf der oberen Fläche vom unteren Block 2, 4 im Reaktor A bzw. B abgelagert haben.
Bei einer nicht dargestellten weiteren Ausführungsform der Einrichtung nach der Erfindung kann der untere, zylindrische Block 2, 4 aus feuerfestem Material in jedem Reaktor A bzw. B fehlen. Um dann die Wirbelschicht 3 im oberen zylindrischen Block 1, 6 aus feuerfestem Material zu halten, werden dessen Bohrungen jeweils am unteren Ende derart verengt ausgebildet, daß die Mündungsöffnung zwar den am Boden der Wirbelschicht eingeführten Reaktionsdampf durchläßt, nicht jedoch die Kohle. Die Aktivkohle kann bei dieser Ausführungsform einfach dadurch dem jeweiligen Reaktor A bzw.
B fußseitig entnommen werden, daß man die Dampfzufuhr sperrt.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 8 weist die Wirbelschicht 3 keine definierte freie Grenzfläche auf, da es sich um eine stark expandierte Wirbelschicht handelt, d. h.
eine solche mit großer Turbulenz. Sie erstreckt sich daher durch eine Leitung 17 hindurch bis zu einem oberhalb des gerade vergasenden Reaktors A angeordneten Zyklon 16. In diesem wird die stark expandierte Wirbelschicht zentrifugiert, und es werden die Gase von den Feststoffen getrennt. Letztere fallen auf Grund ihrer Dichte bis auf den Boden des Bettes, und zwar durch ein Rohr 15 und einen Kanal 20, welcher im Block 1, 6 vorgesehen ist. Die im Zyklon 16 gesammelten Gase werden kopfseitig über eine Leitung 19 abgezogen und einem zweiten Zyklon 18 zugeführt, in welchem eine zusätzliche, verstärkte Entstaubung stattfindet. Uberschüssiges brennbares Gas wird über eine Leitung 10 abgezogen, wahrend die zur Wiedererwärmung des in Fig. 8 als wiederzuerwärmend dargestellten Reaktors B erforderliche Gasmenge diesem kopfseitig über eine Leitung 14' zugeführt wird. Das Gas verbrennt dort bei Berührung mit der Luft, welche über die Leitung 7' zuströmt. Die Verbrennungsabgase werden aus dem Reaktor B über die Leitung 12' abgezogen, um zu einem nicht dargestellten Abhitzekessel zu gelangen. Der sehr feine, im Zyklon 18 anfallende Abflug wird über eine Leitung 23 entnommen.
Die Ausführungsform mit stark expandierter Wirbelschicht großer Turbulenz ermöglicht eine beträchtliche Steigerung der Produktion von Aktivkohle durch Intensivierung der Vergasung bzw. des Vergasungsvorganges auf Grund der Erhöhung des eingesetzten Dampfvolumens. Sie ermöglicht darüber hinaus das Arbeiten mit sehr feinkörnigem Material. Auch kann unter Druck gearbeitet werden, und zwar auf Grund der zylindrischen Ausgestaltung der Reaktoren, so daß eine erhöhte Produktionskapazität der Reaktoren gewährleistet ist.
Abwandlungen der geschilderten Ausführungsformen sind möglich. Beispielsweise können die Dampfüberhitzer vom Cowper-Typ statt unterhalb auch seitlich von den Reaktoren angeordnet oder ganz weggelassen werden. Auch können Cowper dazu verwendet werden, die Verbrennungsluft vorzuwärmen.
Die Erfindung vermittelt zahlreiche Vorteile. Einmal ist eine außerordentlich gesteigerte Produktion je qm Reaktorquerschnittsfläche gewährleistet, und somit eine entsprechende Minderung der Investitionskosten, und zwar auf Grund dessen, daß die Vergasung in Wirbelschicht stattfindet, welche durch Übergang von Wärmeenergie aus den Reaktionsgasen, insbesondere aus reinem Wasserdampf, auf hoher Temperatur gehalten wird, wobei die Reaktionsgase bzw. der Wasserdampf selbst auf hohe Temperatur überhitzt werden bzw.
wird. Die Wirbel schicht kann stark expandiert oder nicht stark expandiert vorliegen. Weiterhin läßt sich durch Vergasung ein von Stickstoff sowie von Kohlensäure freies, an Wasserstoff und Kohlenmonoxyd reiches Gas erzeugen, welches für die Verwendung bei verschiedenen organischen Synthesereaktionen geeignet ist. Bei 11000 C, welche Temperatur beim erfindungsgemäßen Verfahren gewöhnlich erreicht wird, werden bei Atmosphärendruck die Gleichgewichtsbedingungen der Vergasungsreaktionen mit Kohlenstoff etwa erreicht, so daß ein Gas folgender Zusammensetzung erzielt wird: 49,7 % Kohlenmonoxyd; 49,7 % Wasserstoff; 0,6 % Kohlensäuregas. Der Anteil an nicht zerlegtem Dampf beträgt lediglich 0,8 % bezogen auf die Gesamtmenge. Da dieses Gas stark reduzierend ist, kann es nach klassischen Verfahren verhältnismäßig leicht entschwefelt werden. Insbesondere kann Schwefel nach dem bekannten Klaus-Verfahren wiedergewonnen werden.
Wird mit Wasserdampf vergast, dann ergibt sich weiterhin der Vorteil, daß das erzeugte, wasserstoffreiche Gas eine sehr viel geringere Dichte als die mit den üblichen Aktivierungsverfahren gewonnenen Gase aufweist, welche Stickstoff enthalten, was eine beträchtliche Verminderung des Abfluges und eine bemerkenswerte Steigerung der Aktivierungsausbeute bedeutet. Aus demselben Grund ermöglicht die Erfindung, wobei nur ein geringer Abflug auftritt, die Aktivierung kohlenstoffhaltiger Stoffe sehr feiner Granulumetrie, welche billig, Jedoch mit anderen Verffilren nicht zu verarbeiten sind.
SchlieBlich ergibt sich eine zusätzliche Steigerung der Ausbeute dadurch, daß das Aktivierungsverfahren diskontinuierlich ist.
Bei vollständiger Vergasung und Herstellung des Reaktionsgases unter Druck auf die erfindungsgemäße Art und Weise kann, wenn das Reaktionsgas unter Wiedergewinnung des Schwefels entschwefelt worden ist, das erfindungsgemäße Verfahren einen neuen Weg zur Energieerzeugung und -versorgung im Wege eines Mischzyklusses auf der Basis von festen Brennstoffen eröffnen, wobei keinerlei verunreinigende Gase emittiert werden, selbst wenn der verwendete Brennstoff reich an Schwefel ist.

Claims

Ansprüche

1. Verfahren zur Durchführung endothermer Reaktionen mit körnigen Feststoffen in einer Wirbelschicht bei erhöhter Temperatur in Gegenwart eines Reaktionsgases, welches die Feststoffe in der Wirbelschicht schwebend hält, insbesondere für die Herstellung von Aktivkohle und/oder von brennbaren Gasen zu Synthesezwecken durch partielle bzw. vollständige Vergasung von kohlenstoffhaltigen Stoffen mit einem gegebenenfalls aktivierenden Gas, vorzugsweise Wasserdampf hoher Temperatur, dadurch gekennzeichnet, daß die körnigen Feststoffe zur Kompensation des Wärmeverbrauches und Aufrechterhaltung einer optimalen Temperatur während der Reaktion in unmittelbare Beruhrung mit feststehenden, feuerfesten und wärmespeichernden Massen (1, 6; 1', 6') gebracht werden, welche zuvor durch Beaufschlagung mit Verbrennungsabgasen auf eine Temperatur höher als die Reaktionstemperatur erwärmt worden sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß den feststehenden, feuerfesten und wärmespeichernden Nassen (1, 6; 1', 6') bei den zyklischenWiedererwärmungen jeweils unmittelbar Wärme von den Verbrennungsabgasen hoher Temperatur übertragen wird, welche durch den die Massen (1, 6; 1', 6') enthaltenden, entleerten Reaktor (A; B) hindurchgeleitet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß den feststehenden, feuerfesten und wärmespeichernden Nassen (1, 6; 1, 6') bei den zyklischen Wiedererwärmungen jeweils mittelbar Wärme von den Verbrennungsabgasen hoher Temperatur übertragen wird, welche durch eine Hilfswirbelschicht aus feingekörnten feuerfesten Stoffen in dem die Nassen (1, 6; 1', 6') enthaltenden Reaktor CA; B) hindurchgeleitet werden, welche Stoffe dazu in den Reaktor (A; B) vor Jeder Wiedererwärmung eingegeben und danach abgezogen werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als feingekörnte feuerfeste Stoffe für die Hilfswirbelschicht entschwefelnde Substanzen verwendet werden.

5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei mit mindestens zwei Reaktoren gearbeitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur zyklischen Wiedererwärmung der feststehenden, feuerfesten und wärmespeichernden Massen (1, 6; 1', 6') Jedes Reaktors jeweils diejenigen Abgase verwendet werden, welche von der Verbrennung der aus den kohlenstoffhaltigen Stoffen bei deren Vergasung in dem anderen bzw.

einem anderen Reaktor freigesetzten Gase herrühren.

6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die körnigen Feststoffe in einem Reaktor (A; B) in stark expandierter Wirbelschicht ohne definierte freie Grenzfläche gehalten und zu einem Zyklon (16) zur Trennung der Gase und der körnigen Feststoffe bewegt werden, aus welchem die körnigen Feststoffe vollständig wieder in den Reaktor CA; B) gelangen.

7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die körnigen Feststoffe in einer Gasatmosphäre in der Schwebe gehalten werden, in welcher ein Ueberdruck aufrechterhalten wird.

8. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mehrere senkrecht und parallel zueinander in einem Reaktor (A; B) angeordnete, die feststehenden, feuerfesten und wärmespeichernden Massen bildende Platten (1, 6; 1', 6').

9. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch einen in einem Reaktor CA; B) angeordneten, die feststehenden, feuerfesten und wärmespeichernden Nassen bildenden Block (1, 6) mit einem dem Reaktorquerschnitt entsprechenden Querschnitt und mehreren senkrechten, durchgehenden Bohrungen.