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Zusammensetzung für Fest-Bett zur Vergasung von Kohle Es sind bereits
Kohlevergasungsanlagen mit Fest-Bett verwendet worden. Es tt bekannt, daß der erfolgreiche
Betrieb dieser Anlagen abhängig ist von der Verwendung von Kohle oder Koks, welche
nicht verkokend sind (non-coking), um die Vergasung zu erreichen. Wenn nicht sorgfältig
darauf geachtet wird, die Zusammensetzung für das Fest-Bett auf diese Weise zu beschränken,
dann unterbricht das Anschwellen der Kohle die erforderliche Porosität des Bettes
und die Aufwärtsbewegung der Gase kann nicht stattfinden, Es wurde berichtet, daß
die Ausdehnungsfähigkeit einer Kohlensorte vermindert wird durch Zusatz von Mengen
eines inerten Materials zur Kohle, wie beispielsweise Abfallkoks, Holzkohle oder
feine Asche. Ascheklumpen (pulk ash) wurden einer 11Pittsburgh-Flöz-Kohle11 (seam
coal) zugesetzt mit dem Ergebnis einer hohen Indexzahl für das Anschwellen
und
Verkoken oder Zusammenbacken, welche benötigt wurde zur Einführung der Kohle in
eine Vergasungsanlaße mit Fest-Bett. Während eines kurzen Betriebes wurden dabei
zufriedenstellende Ergebnisse erzielt, Die vorliegende Erfindung umfaßt Mittel zur
Lösung des Problems des Anschwellens und Verkokens oder Zusammenbackens von Kohle
bei der Fest-Bett-Vergasung von Kohle, Ein Mittel hierzu ist ein Verfahren, bei
dem eine Extrusion verwendet wird, um ein Gemisch von Kohle, Asche und Pech oder
Teer in Brikettform zu bringen und in die Vergasungsanlage einzubringen. Das zweite
Mittel ist ein Verfahren, durch das hohle Feuerfest-Zylinder, welche eine ähnliche
Form wie "Raschig-Ringe" besitzen, bei der Kohlezuführung zugesetzt werden. Auf
diese Weise wird das Anschwellen der Kohle berücksichtigt und das Bett erhält dadurch
eine zusätzliche Porosität, Wie nachstehend erläutert, können diese Mittel auch
kombiniert werden, um in wirtschaftlicher Weise die Kohle so auszunutzen (ohne Sortierung),
wie sie bei der bergmännischen Gewinnung anfällt (run-of-mine coal).
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Die Aufgabenstellung der Erfindung besteht darin, die öglichkeit zu
schaffen zur Verwendung von Kohle in der Form, wie sie bei der Gewinnung im Bergbau
anfällt, für Kohlevergasungsanlagen mit Fest-Bett, und zwar unabhängig von den Schwell-
und Verkokungse igenschaften der Kohle, Im Gegensatz zu Kohlevergasungsanlagen mit
Fließbett besitzt die Anordnung mit Festbett ausgeprägte Vorteile wegen der Gegenstrombewegung
des erzeugten Gases relativ zur Bewegung der Kohle in der Vergasungsanlage, Eine
größere Menge von Wärme verbleibt in der Vergasungsanlage und tritt nicht mit dem
erzeugten Gas aus und die Kohle wird entflüchtigt (devolatilized) bevor sie vergast
wlrde Dadurch können die flüchtigen Bestandteile einen Teil des Produktgases bilden.
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Bei dem xohlevergasungsverfahren mit Fest-Bett tritt die Kohle in
die Vergasungsanlage oben ein und fällt oben auf die Charge oder das Einsatzgut-,
Dabei nimmt sie von dem sich nach oben bewegenden Produktgas Wärme auf, Da der Verbrennungsprozeß
in der Nähe des Bodens der Vergasungsanlage einen Teil der Kohle aufbraucht und
der Rest der Kohle vergast wird, bewegt sich die Kohle oben auf der Charge allmählich
nach unten und durchläuft dabei eine Reihe von Behandlungsstufen: eine erste Aufheizung,
eine EntflUchtigung und Verkokung, eine Vergasung und eine Oxydation von Kohlenstoff.
Es treten dabei eine große Zahl chemischer Reaktionen auf und es ist eine Mindesttemperatur
von etwa 930 bis 10400C (1700 bis 19000F) erforderlich, Wenn Luft und Wasserdampf
in die Verbrennungszone eingeleitet werden, ergibt sich als Endprodukt Generatorgas,
Wenn Sauerstoff und Dampf verwendet werden, ist das Endprodukt Synthesegas, Wenn
das Produktgas in einer Gasturbine verbrannt wird, müssen die erosiven Teile (Ascheteilchen),
die korrosiven Bestandteile (beispielsweise Natrium und Kaliumverbindungen) und
Ammoniak durch Waschen entfernt werden Die Erfindung wird veranschaulicht durch
die beigefügten Abbildungen, Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Kohlevergasungsanlage,
welche als Brennstoff extrudierte briketts gemäß. der Erfindung erhält.
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Fig. 2 ist eine schematische Darstellung einer Kohleergasungsanlage
mit Fest-Bett , die zur Aufnahme eines Einsatzgutes gemäß der Erfindung mit Anteilen
von Kohle und verdünnenden Stoffen eingerichtet ist.
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Fig. 1 zeigt eine Vergasungsanla.e iO mit einem GaserzeuX gungsraum,
der mit Feuerfestmaterial ausgeRleide ist und
ausgestattet ist zur
Aufnahme eines eingesetzten Brennstoffes in Form von stabhnlichen Briketts aus einem
Extruder 11. Die Kohle, welche eine Abmessung von weniger als etwa 3,0 mm (kleiner
als etwa 6 mesh) und einen niedrigen Feuchtigkeitsgehalt besitzt, Asche(mit einer
Teilchenröße von weniger als 2 mm und mehr als 0,15 mm) (weniger als 10 meshund
mehr als 1rnnh) mit niedrigem Feuchtigkeitsgehalt und Pech (oder Teer) (mit einer
Teilchengröße von weniger als etwa 1,2 mm) (unter 16 mesh) treten in den ,xtruderzylinder
12 aus der Schütte 13 ein. Unter der Wirkung der xtruderschraube 14 und einer nicht-gezeigten
Heizvorrichtung zur Aufheizung des Extruderzylinders werden die Bestandteile im
richtigen anteiligen Verhältnis in ein stabförmiges Extrudat ausgeformt, das eine
im wesentlichen gleichförmige Zusammensetzung besitzt. Das erhitzte Pech benetzt
und überzieht die Teilchen der Kohle und der Asche und verbindet sie miteinander
zu einer festen Masse Beim Durchgang durch die Wand 16 wird der Extrudatstab periodisch
getroffen durch einen hin- und hergehenden !resserarm 17, der durch eine Magnetspule
18 oder eine andere Antriebsvorrichtung bewegt wird, Diese Schlagwirkung führt zu
einem Abbrechen kurzer Stücke des zusammengesetzten Stabes. Diese hallen in die
sich drehende Verteilereinrichtung 19 und von dort aus werden die Stabstücke (Briketts)
gleichfömig über die Charge 21 verteilt.
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Wenn dies bevorzugt wird, kann der Teerbestandteil des Einsatzgutes
für den Extruderzylinder 12 vorgeheizt werden. In diesem Falle ist er dann weich
genug, so daß eine Heizung des Extruderzylinders nicht erforderlich ist, Es kann
anstelle der Schütte 13 zur Beschickung des Extruderzylinders 12 jede geeignete
bekannte Einrichtung verwendet werden, Die gemäß dieser Erfindung richtig hergestellten
Briketts sind bei Zimmertemperatur (etwa 21 bis 240C) (etwa 70 bis
750F)
hart, jedoch nicht spröde. Vorzugsweise können diese Briketts ihre Form beibehalten
und ihr eigenes Gewicht tragen im vollen Bereich der Temperatur (bis zu etwa 1094°C)
(etwa 20000F) unter den auftretenden Belastungen, Die Mindestanforderung besteht
Jedoch darin, daß die Briketts ihre Form bis zu einer Temperatur von etwa 3700C
(etwa 7000F) beibehalten, Bei dieser Temperatur erfolgt die Entflüchtigung und es
bleibt bei Jedem Brikett eine verkohlte Masse zurück. Diese verkohlte Masse darf
bei ihrem Weitergang durch die Temperaturzonen, deren Temperatur oberhalb der Verflüchtigungsstufe
liegt, nicht anschwellen. Es wurde gefunden, daß die Verflüchtigung der Briketts
von außen nach innen erfolgt.
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Obwohl vorstehend ein Extrudat in Form eines festen Stabes beschrieben
wurde, kann auch ein Extrudat in Form eines Hohlstabes vorteilhaft verwendet werden,
besonders bei Durchmessern oberhalb von etwa 5 cm. Die Herstellung von Briketts
in Form eines Hohlstabes kann dadurch vorgenommen werden, daß die Extruderschraube
14 so abgeändert wird, daß sie eine zentrische stabförmige Verlängerung (nicht gezeigt)
zur Ausbildung des Hohlraums besitzt, Briketts mit einem Außendurchmesser bis zu
etwa 2,5 cm ergeben eine befriediSndeArbeitsweise und erfordern nicht die Vergrößerung
der Oberfläche, welche man durch einen solchen mittleren Hohlraum erhält, Mit der
Bewegung des Einsatzes oder der Charge in die Verbrennungszone 37 und ihrer Verbrennung
sammelt sich über dem Rost 22 ein Aschebett 38 an. Es wird dann über den Rost 22
abgegeben und weiterhin entfernt, beispielsweise durch ein Förderteil 23. Teile
der anfallenden Asche werden selbstverständlich als Beschickung des Extruders 11
wieder in das System zurückgefUhrt, Luft und Dampf, welche der Vergaseranlage bei
B zugeführt werden, können entweder vorgemischt werden oder können in
das
Verteilerteil 24 getrennt eingebracht werden. Diese Gaszufuhr in Kombination mit
der Kohle führt zu einer Zusammensetzung des Produkt gases mit dem folgenden angenSherten
Analyseergebnis: Gas Volumen-% H2 15 CO 25 CH4 5 CO2 10 N2 45 100 % Das Produktgas
wird bei A abgezogen und anschließend durch eine Wasser-Waschanlage geführt (nicht
gezeigt), in welcher der Teer- und Pechgehalt kondensiert wird, Dieser kann im Kreislauf
geführt werden, um entsprechend der Kohlequelle wieder das Bindematerial für Briketts
abzugeben, Es wurde gefunden, daß vorteilhafterweise die folgende Zusammensetzung
der Briketts anzustreben ist: Bestandteil Gew,-% Pech oder Teer (neben dem in den
Kohleteilchen vorhandenen Teer) 6'bis 12 Ascheteilchen 20 bis 60 Kohleteilchen 28
bis 74 100 % Für das Extruderverfahren kann Jedes als Kohle gekennzeichnete Material
verwendet werden, vorausgesetzt, daß es unterhalb einer Temperatur von etwa 930C
(etwa 2000F) praktisch keine flüchtigen Bestandteile abgibt (beispielsweise Torf,
bitumenreiche Kohle, usw,). Die Teilchengröße sollte dabei unterhalb etwa 3,cjmm
(6 mesh) liegen und größere Stücke können leicht durch eine Hammermühle zerkleinert
werden. Fs kann ein Trockenvorgang erforderlich sein, um den Feuchtigkeitsgehalt
auf einen geringen Wert zu vermindern, Die vorgenannten Sieb größen beziehen sich
auf die Standardsiebe nach "Tyler",
Zusätzlich zur Beherrschung
des Anschwellens der Kohle ist die Anwesenheit von Asche oder irgendeinem verdünnenden
Bestandteil günstig vom thermischen Standpunkt, da sie die Möglichkeit ergibt, durch
Verminderung der Austrittstemperatur des Produktgases mehr Wärme in der Vergasungsanlage
zurückzubehalten.
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Es wurde gefunden, daß Gemische mit 50 Gew,-% Kohle, 40 Gew.-% Asche
und 10 Gew.-% Asphaltbinder den Schwellindex von etwa 7,5 für die Kehle allein auf
etwa 2,5 für das extrudierte Produkt vermindern, Eine brauchbare Zusammensetzung
des Extrudats enthält(auf Gewichtsanteile korrigiert errechnet) 50 % bitumenhaltige
Kohleteilchen, 50 % Kohlenasche in Teilchenform und 8% Asphaltpechbinder.
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Das Pech wurde gemahlen zum Durchgang durch ein Sieb mit einer Maschenweite
von etwa 1 mm (vyler-Sieb,. Nr. 16). nie Kohle wurde auf eine Teilchengröße von
etwa 3 mm (Sieb Nr. 6) und die Asche auf eine Teilchengröße von etwa 0,8 mm (Sieb
Nr. 20) gemahlen, Diese Zusammensetzung wurde extrudiert und vergast in einer Vergasungsanlage
mit einer Atmosphäre und einem Innendurchmesser von etwa 30 cm (12 Zoll) und zwar
mit einer Betriebsdauer von etwa 10 Stunden, Die vorstehend angegebenen Bereiche
für den Aschezusatz sind unter Ausschluß des Aschegehaltes der Kohleteilchen zu
verstehen, da der Aschegehalt der bergmännisch gewonnenen Kohle bereits in der Kohle
vorhanden ist, wenn die Schwellprüfungen vorgenommen werden , Wenn daher bei der
Prüfung eine Kohlensorte ein besonders starkes Anschwellen ergibt, dann geschieht
dies mit dem bestimmten bereits in der Kohle vorhandenen Aschegehalt0 Dieser Achegehalt
trägt daher nicht zu einer Verminderung des SheIIvhaltens dieser bestimmten Kohlensorte
bei0
Die Verdünnungskörper können aus Siliciumcarbid, Aluminiumoxid,
Zirkonoxid, Magnesiumoxid usw. hergestellt werden, wenn die Zusammensetzung sinterbar
ist und der erhaltene Körper eine ausreichende strukturelle Integrität besitzt.
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Die Zylinder sollten mindestens eine Länge von etwa cm mit einem Außendurchmesser
von etwa mindestens 3,8 cm besitzen, Die Bohrung soll einen merklichen Hohlraum
ergeben unter Beibehaltung einer ausreichenden Wanddicke, so daß der Zylinder noch
eine genügende Festigkeit besitzt, Die Bohrung soll mindestens einen Innendurchmesser
von etwa 1,8 cm besitzen, Es wurden beispielhafte Hohlzylinder aus Siliciumcarbid
hergestellt, und zwar aus mit Ton gebundenem Siliciumcarbidpulver (erhältlich unter
der Typenhezeichnung Carbofrax Nr, 4, gießbares oder Stopfgemisch, Carborundum Co.).
Das Pulver wurde mit einer kleinen Menge von Wasser gemischt und unter hohem Druck
verpreßt. Es war nicht notwendig, gemäß den Anweisungen für die Verwendung dieses
Materials die Körper zu erhitzen, da sie eine ausreichende Festigkeit zum Einsatz
zusammen mit der Kohle besaßen und anschließend in der reduzierenden Atmosphäre
der Vergasungsanlage selbst erhitzt wurden. Die Körper waren etwa 5 cm lang mit
einem Außendurchmesser von etwa 3,8 cm und einem Innendurchmesser von etwa 1,8 cm.
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Es wurde bereits vorstehend ausgeführt, daß die beiden Verfahren gleichzeitig
in vorteilhafter Weise verwendet werden kennen. Beispielsweise kann bergmännisch
gewonnene Kohle bis zu etwa 30 Vol,-« Grus enthalten (die kleinste Abmessung beträgt
dabei weniger als 3 mm). Dieser Grus stellt ein bedeutungsvolles Problem dar, denn
die sehr kleinen Teilchen werden beim Einsetzen einer solchen Kohle in die Vergasungsanlage
im Produkt mit aufgenommen und mitgeführt, wenn die Gasgeschwindigkeit im System
nicht beträchtlich verringert wird. Hierdurch wird dann aber die Gasmenge
verringert,
welche bei einer vorgegebenen Kapazität der Vergasungsanlage erzeugt werden kann.
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Durch einen Trennvorgang der Kohle in der Vergasungsanlage können
die größeren Kohlestücke in die Vergasungsanlage mit feuerfesten Verdünnungskörpern
eingesetzt werden und der Grus kann über das Extruderverfahren eingesetzt werden.
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In ähnlicher Weise kann das Extruderverfahren gekoppelt werden mit
einer Vergasungsanlage mit bewegtem Fest-Bett, bei der die bei der bergmännischen
Gewinnung anfallende Kohle zur Entfernung von Grus einem Trennvorgang unterworfen
wird. Die größeren Kohlestücke werden unmittelbar in die Vergasungsanlage eingebracht
und der Grus wird als Zusammensetzung von Kohle, Asche und Bindemittel eingesetzt,
Ein wassergekühlter Rührteil besitzt zwei Bewegungsfreiheitsgrade und zerbricht
zusammengebackene Gebilde 5 welche sich sonst ausbilden könnten, Auf diese Weise
wird zusammen mit dem Beitrag durch die Brikett ein gleichförmiges leeres Volumen
von 30 % oder mehr in der Charge aufrechterhalten, welche für einen zufriedenstellenden
Betrieb der Vergasungsanlage erforderlich ist,
Als Asche für das
Extruderverfahren ist Kohlenasche im Teilchengrößenbereich von etwa 1;6 bis etwa
0,15 mm (10 bis 100 mesh) brauchbar. Ascheteilchen mit einer geringeren Teilchengröße
(beispielsweise Flugasche) besitzen eine zu große Oberfläche und erfordern die Verwendung
eines zu hohen Anteils von Pech. Wie bei den Kohleteilchen sollen auch die Ascheteilchen
höchstens nur einen geringen Feuchtigkeitsgehalt besitzen, Es wird umso mehr Asche
zugefügt, Je größer die Neigung einer Kohlesorte zum Anschwellen, ist, Als Binder
oder Bindemittel für das Extruderverfahren wurde ein Teerpech (auf Petroleumbasls)
als geeignet befunde wie es für Dachanstriche verwendet wird. In Abhängigke t von
der Kohlequelle und der Darstellungsmethode kann P,ch aus Kohlenteer verwendet werden.
Das verwendete Pech sollte einen Erweichungspunkt um bereich zwischen etwa 77 und
820C (etwa 170 bis 180°F) besitzen und sollte bei Erhitzen um etwa 16°C (etwa 30°P)
über seinen Erweichungspunkt ute Benetzungseigenschaften bezüglich der Kohle und
der Asche teilchen besitzen.
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Eisenoxid (Fe203) verändert in vorteilhafter Weise Schwelleigenschaften
von Kohle und gewünschtenfalls können geringe engen dieses Materials (beispielsweise
5 Gew.!S) der Zusammensetzung zugefügt werden, welche dem Extrudlfr zugeführt wird.
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Die Fähigkeit des Bindemittels zur Benetzung der Teilchen der Kohle
und der Asche zur Verbindung dieser Teilchen miteinander ist wichtig für das Extruderverfahren
selbst (neben der Ausbildung der Briketts), da eine gute inne e Adhäsion die Ausbildung
von Rissen am Extrudat verhind rt, welche sonst die Aufrechterhaltung eines Differenzdruckes
zwischen der Vergasungsanlage und der Umgebung verhindern wUrde (Dlfferenzdruck
etwa 21 kg/cm2) (etwa 300 psi>.
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Die Anordnung nach Fig. 2 zeigt das erfindungsgemäße Verfahren mit
Verwendung geformter Verdünnungskörper1', nämlich mit hohlen Feuerfest-Zylindern,
Solche Verdünnungskörper müssen eine -strukturelle Integrität besitzen und während
des ganzen Temperaturverlaufs beibehalten, um eine Stütze für das Bett zu erhalten,
bei dem das Zusammenpressen oder Aufbrechen des Bettes auf ein Minimum reduziert
ist, da diese Verdünnungskörper sich während des Vergasungsverfahrens mit dem Bett
nach unten bewegen, Der Hohlraum in dem Verdünnungskörper muß groß genug sein, um
das Anschwellen der Kohle aufzunehmen und au ßerdem zu einer Erhöhung der Porosität
des Bettes beizutragen zwecks Förderung des Kontaktes zwischen Gas und Kohle, Weiterhin
müssen diese Verdünnungskörper aus Fe er-Se t-Material in der Lage sein, einen wiederholten
Durchetng durch die Vergasungsanlage und die Transporteinrichtungen zu überlegen.
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Der Vergasungsanlage 30 werden über die Schütte 31 bei D die bergmännisch
gewonnene Kohle und bei E die Verdünnungskörper aus Feuerfest-Material im richtigen
Anteil zugeführt beispielsweise 50 Vol.-% Verdünnungskörper und 50 Vol.C% Kohle.
Mit der Abwärtsbewegung der Masse 39 der Kohle uind der Verdünnungskörper zur Verbrennungszone
37 bleibt eine Masse 40 von Asche und Feuerfest-Verdünnungskörpern auf dem Ibst
22 liegen, Asche und Feuerfest-Verdünnungskörper jerden vom Rost 22 entfernt, fallen
auf das Förderteil 23 und Werden von ihm weggeführt, In dem Sieb 34 wird die Asche
von den Feuerfest-Körpern getrennt und bei J ausgebracht.
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Die Feuerfest-Körper wurden dann, wie bei K weder zurück nach oben
zu der Beschickungsstation geführt, um dort mit Kohle gemischt zu werden, Luft wird
bei G und Dampf bei H zugeführt. Bei F wird das Produktgas abgezogen und einer Waschanlage
zugeführt.