DE2556732A1

DE2556732A1 - Verfahren zur energiegewinnung aus kohlenstoffhaltigen, festen brennstoffen durch ueberfuehrung der festen brennstoffe in andere aggregatzustaende in verbindung mit der thermischen erzeugung und der anlagerung von wasserstoff sowie stickstoff, sauerstoff und wasser

Info

Publication number: DE2556732A1
Application number: DE19752556732
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Wissing
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1975-12-17
Filing date: 1975-12-17
Publication date: 1977-06-30

Description

kennzeichnender Teil: dadurch gekennzeichnet, daß in einem Stufenverfahreii in der 1. Stufe Starkgas aus festen, kohlenstoffhaltigen Breiinstoffen wie Steinkohle, Braunko;ile, Torf, neben Koks dadurch erzeugt wird, daß diese Brennstoffe in eine gedeckte Wanne oder Ringwailne eingebracht werden, die etwa 20 cm bis 50 cm hoch mit einer glutflüssigen Schmelze aus Metall, Salz, Mineralien oder Glas gefüllt ist, die nicht mit Kohlenstoff reagieren, je nachdem ob geschwelt oder verkokt wird mit Temperaturen von etwa 400 bis 7000D, 700 bis 900 0C und über 9oo bis 12000C gefahren wird. Diese Wanne oder Ringwanne ist versehen mit einer Austrageinrichtung für Koks und absaugung für Starkgas. Beide können miteinander auch zu einer Koksabsaugvorrichtung mit nachträglicher Separation versehen sein. Ferner ist die Wanne oder Ringwalme mit einer Heizeinrichtung, mit einer Auslaßschleuse für Aschenanfall, mit einer Explosionsklappe und einer allseitigen Wärmedämmung versehen. Angegliedert ist der 1. Stufe ein sog. Windkessel zur Aufnahme komprimierten Starkgases mit den erforderlichen Kompressionsgeräten und Sicherheitseinrichtungen.
Ferner ist dieses Verfahren dadurch gekennzeichnet, dalS in der 2. Stufe Wasserstoff und / oder Kohlendioxid in einem Kreislaufverfahren thermisch freigesetzt wird und als Synthesegas zur Herstellung gasförmiger, flüssiger und fester Kohlenwasserstoffe und Ammoniumverbindungen getrennt, miteinander oder mit anderen Stoffen und dem Starkgas, und auch mit dem aus dem glühenden Koks erzeugten Synthesegas in Reaktion gebracht werden.
Diese 2. Stufe besteht aus einem gedeckten Ringofen, in dem ein erhitztes Metalloxid, z.B. e63O4 oder Je203 oder ein anderes, leicht reduzierbares und ixidierbares Oxid in einer Hin- und Rückreaktion mit Kohlengas oder Kohlenmonoxid reduziert und mit Wasserdampf oxidiert wird, zum Beispiel

Fe 4 + CO -s 3 Fe + 02

5 Fe 4 112 0 Dampfes Fe 304 + 112

= Hinreäktion = Rüekreaktion Der Ringofen ist völlig geschlossen, damit keine Luft ungewollt hinzutreten kann, zur Vermeidung von Knallgas. Er ist mit feuerfester StampfmaHse ausgekleidet.
Dieser Ringofen hat getrennte Kammern für die Reduzierung und Osidierung. Nur das geschmolzene Eisen fließt durch die Wanne des Ringofens im gleichförmigen Sinne.
Seine wesentliches Merkmal ist die getrennte Erzeugury von Wasserstoff und Kohlendioxid.
Unteranspruoh dadurch gekennzeichnet, daß in der 2. Stufe Eisenspäne in einem Drehrohrofen geglüht, umgelenkt und in einem zweiten gegenläufigen Drehrohrofen reduziert und ausgetragen werden, wobei das Kohlendiorid und der Wasserstoff getrennt aufgefangen werden. In diesem Fall kann pulverisierter Abbrand abgesiebt werden und als Eisenovidsohwarz Verwendung finden, während die mit Eisen(III)-oxid behafteten Späne und Schrotteile in den 1. Drehrohrofen zurüokbefördert werden und der Kreislauf neu beginnt. Mit dem Kohlendioxid mitgerissener Eisenstaub kann separiert und in der Pulvenmetallurgie Verwendung finden.
Die 3. Stufe ist dadurch gekennzeichnet, daß Starkgas aus der 1. S@ glühender Koks aus der 1. Stufe mit Wasserstoff aus at 2. Stufe und / oder Kohlendioxid aus der 2. Stufe und weiteren Stoffen zu im voraus geplanten Kohlenwasserstoffen in Gasform, flüssiger Form oder fester Form und au Ammoniumverbindungen in diesen Aggregatzuständen zur Reaktion gebraaht werden, sei es drucklos oder unter Druck.
Die dabei freigesetzten Wärmemengen, die wesentlich größer sind als ei normaler Kohlenstoffverbrennung, werden in Gasturbinen direkt oder, nach Umwandlung in Wasterdaapt, in Dampfturbinen in Energie umgesetzt. Bei den festen Ammoniumverbindungen ist noch die Aufarbeitung zu Kunstdüngern Teil dieser Energie-Nutzung.
~Citel: (Technische Bezeichnung) Verfahren zur Energiegewinnung aus kohlenstoffhaltigen, festen Brennstoffen durch Überführung der festen Brennstoffe in andere Aggregatzustände in Verbindung mit der thermischen Erzeugung und der Anlagerung von Wasserstoff sowie Stickstoff, Sauerstoff und Wasser A n w e n d u n g 5 ge b i e t e Umwandlung von Steinkohlen, Braunkohlen, Torf und anderen organisch entstandenen festen Brennstoffen in Kohlenwasserstoffe verschiedenster Art und / Oder Ammoniumverbindungen, wobei die Energie-Nutzung der Kohlenwasserntoffe nicht nur inWärmeabgabe durch Verbrennung, sondern in der Nutsung der chemischen Energie zur Herstellung von Kunststoffen, Lacken, Lösungsmitteln etc. und die Herstellung von Ammoniumverbindungen der Darstellung von Kunststoffen, Düngemitteln, Sprengstoffen und vor allem bei der Darstellung von Ammoniumkarbonat (NH4)2CO3 gleichzeitig auch der Erzeugung hoher Wärmemengen dient.
Zweck: Die weitgehend umweltfreundliche Erzeugung von Koks, Alkanen, Alkenen, Alkine, Diene u.a. Kohlenwasserstoffe, ferner vor allem eine Energiegewinnung ohne hohe Abga8- bezw. Rauohgaamengen und status Ausstoß von Kohlendioxid die Darstellung sehr Bnergiearmer Ammoniumverbindungen, die auf Kunstdünger verarbeitet werden können. Außerdem die äußerst billige Herstellung großer Mengen Wasserstoff aus Wasser auf thermischem Wege in einem Kreialåufverfahren.
Stand der Technik: Es ist bekannt die goksereeugung, Kokereigaserzeugung in Kokereien und Gaswirken, die Kohlevergasung zu Methan im Kernkraftwerk Jülich und anderato, die Synthesen nach Haber-Bosch etc., die Synthesen nach Bergius, Pischer-Tropsch etc,; außerdem die Verbrennungsvorgänge in modernen Kohlekraftwerken.
Kritik des Standes der Technik: Keine der vorhandenen Kokereien arbeitet kontinuierlich, abgasfrei, staubfrei. Keine Kokerei gewinnt die Wärme rentabel zurück oder vermag glühenden Koks etwa an ein chemisches Werk oder Kraftwerk oder einen Stahl- oder Metall-Schmelz- oder Verarbeitungsbetrieb zu liefern.
Kein Kraftwerk auf Kohlebasis vermag bis heute durch gezielten Einsatz von Luft, Wasserstoff, Wasser und Kohle zu wesentlich höherer Energieausbeute zu kommen als die Verbrennung von Kohlenstoff und Sauerstoff hergibt, nämlich rd. 94 kcal/Mol C02 nach der Gleichung C + 02 CO2 @ # # = - 94 kcal.
Obwohl jedermann vom Fach weiß, daß die Verbrennung von Wasserstoff mit Sauerstoff sehr hohe Temperaturen, aber nur rd. 67 koal/ Mol H20 als Verbrennungswärme ergibt, hingegen Kohlenwasserstoffe mit Verbrennungswärmen von 21o,9 keal/Mol für MethanCE4 und 1435 kcal/Mol für CgH20 oder anders ausgedrückt CH4 13.145,9 kcal/kg; C9H2O U immer noch 11.188,2 kcal/kg Verbrennungswärme erbringt, gibt es bis heute kein Kraftwerk auf Steinkohle- oder Braunkohlebasis, das eine thermische Wasserstoff-Erzeugungsanlage besitzt und durch Umwandlung von Wasser in Wasserstoff eine Brennstoffveredelung zu Kohlenwasserstoffen vornimmt , oder auch nur einen Zweistoffverbrennungsvorgang, geschweige denn eine Mehratoffverbrennung in diesem Kraftwerk vornimmt. Auch gibt es kein Kraftwerk, in welchem aus den Elementen, d.h. dem Kohlenstoff der Kohle, dem Stickstoff der Luft, dem Sauerstoff der Luft, aus Wasser gewonnenem Wasserstoff und Wasser etwa den unter 580C festen Stoff "Ammoniumkarbonat" (NH*)2CO) dargestellt hat. Aus den Elementen hergestellter Ammoniumkarbonat nach der Formel C°2 + N2 + 3 H2 + H20 (NH4)2CO3 |## = - 221,6 koal/mol setzt pro kg erzeugtes Ammoniumkarbonat 23o8,3o kcal in Freiheit, aber umgerechnet auf den Kohlenstoffanteil per kg Kohlenstoff 18466,4 kcal. Nur der Kohlenstoff und das Wasser kosten in erster Linie Geld. Da der Kohlenstoff in der Kohle gebunden ist, Sauerstoff und Stickstoff der Luft aber ein Gemenge daratellen und die thermische Trennung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff endotherm ist, kann nur mit einem geringeren Wärmegewinn gerechnet werden.
Aufgabe: Höhere Verbrennungawärmen erwirtschaften durch Kohleveredelung in geeigneten Anlagen unter weitgehender Vermeidung su hoher Anlagekosten. Kohleveredelung durch Vergasung, Verflüssigung, Verfestigung von Abfallprodukten in Wärmekraftwerken unter weitgehendem Schutz der Umwelt.
Lösung: Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Stufen-Verfahren gelöst, in dessen 1. Stufe Steinkohle oder Braunkohle in einem hocherhitzten flüesigen Bad unter Luftabschluß verkokt wird zum Zwecke der Koks- und Kohlegaserzeugung mit dem Ziel der weiteren Verarbeitung in hocherhitztem Zustand. Die Separierung von Koks und Starkgas erfolgt durch Absaugung, Trennung von Koks und flüssiger Schmelze und Rückführung der Schmelze in's Sohmelzbad. Der Koks kann mit Luftsauerstoff, Luftstickstoff, Wasserstoff und Wasser in einer Verbrennung.-anlage im weitgehend stöchiometrischen Verhältnis nach der Gleichung abzügl. Äfl13 für H# 0 verbrannt, unter Druckerhöhung gekühlt und unter Abscheidung des überschüssigen Stickstoff. zu festem Ammoniumkarbonat verarbeitet werden. Uberschüssiger Stickstoff wird gesammelt und als Kreislaufgas in den Prozeß zurückgefüht bei gleichzeitiger Erhöhung der Wasserstoffmenge nach der Formel Eine solch hohe Verbrennungswärme ist mit der einfachen Verbrennung von Kohle oder Braunkohle nicht ersielbar, weil die chemische Reaktion - und eine solche ist jede Verbrennung - mit der Darstellung von CO und C02 immer für den Kohlenstoff enden muß und die Bildungaenthalpie aus den Elementen bei 20° G in k¢al/mol - 9X,o) erreicht bei Vollendung der Reaktion. Da ¢03 für sich nicht beständig ist, habe ich die Verbindung gewählt, die 003 angelagert an (NH*)2 enthält: Ammoniumkarbonat (NH+)2 ao) Diese Lösung set&t das Vorhandensein billigen Wasserstoffes vorausl Erfindungsgemäß wird der Wasserstoff in einer 2. Stufe erzeugt.
Diese 2. Stufe basiert auf folgender tberlegung: Der Sauerstoff aus 4 Molekülen Wasser vermag 3 Moleküle Eisen zu Eisen (III)-oxid zu oxidieren, sofern das Eisen gluhend ist: In Umkehrung müssen Energien aufgewendet werden, um aus Eisen (III)-oxid Pew 0A wiederum Eisen zu erschmelzen: Bei der Verbrennung 4 CO + 4 0 werden nach der Gleichung =4. -67,7 keal/mol = -290,8 koal frei. Diese Verbrennungswärme reicht aus, um die Rückreaktion dauernd im Gang zu halten.
Sowohl bei der Hinregaktion, als auch bei der Rückreaktion wird Wärme durch die freigesetzten Gase (Wasserstoff + Kohlendioxid) abgeführt.
Diese Prozeßwärme oll nicht verloren gehen. Beide Gase bleiben ungektihlt und werden wie folgt genutzt: a) ds Kohlendioxid: nach der Gleichung

4 C°2 + 8 H20 (Dampf)--e 4 CH4 + 8 02 1H = -65,16 koal

wird Methan hergestellt im Gemisch mit Sauerstoff. Weil aber Methan im Gemisch mit dem doppelten Sauerstoff -(oder lofachen Luft volumen) aofort explodiert und in Kohlenstoff und Wasser zerfällt, kann es zum Betrieb einer Gasturbine genutzt werden, oder die Druckerhöhung wird zur Verschmelzung von Stickstoff, Wasserstoff, Sauerstoff, Kohlenstoff und Wasser zu Harnstoff (NH2)2 Co + H2 O oder Ammoniumkarbonat (NH4)2 C03 genutzt.
b) der Wasserstoff: ist zu schade, als Bfennstoff zu Wasser verbrannt zu werden. Seine Anlagerung an Kohlenstoff aus dem Starkgas der Stufe 1 ist empfehlenswert und fthrt zu wertvollen Kohlenwasserstoffen. Aber auch die Anlagerung an Stickstoff - wie schon aufgeführt - ist wertsteigernd und führt zu gefragten Massengütern.
Beispiele: Methanerzeugung aus Starkgas der Stufe 1 und Wasserstoff der Stufe 2 bezogen auf 2000. Methanol nach fischer-Tropscht: bei 200 bis 225 at und 380 bis 450°C in Gegenwart eines Chromoxid-Zinkoxid-Mischkontaktes.
Methan aus Kohlenoxid ao und Wasserstoff mit Nickel als Katalysator bei 250°C: Äthinerzeugung durch unvollständige Verbrennung von Methan mit einem Untersohuß von Sauerstoff: So könnte man# die Beiepiele endlos fortsetzen.
Funktionsbeschreibung zur Patentanmeldung Stufe 1: Brennstoffvergasung Aus dem Bunker 1 fällt der Brennstoff in die Kopfkammer 2, wird durch die Schmelze 3 getragen und in dieser Schmelze durch den Düker 4 in die Starkgaskammer 5 geschwemmt. In der hocherhitzten Schmelze verkokt der Brennstoff, das Starkgas (Kokereigas) wird abgesaugt. (6).
Der Koks am Düker 7 umgelenkt und in die Vergasungskammern 8 beschwemmt, wo er vollständig zu ao vergast und bei 9 entnommen wird.
Die Vergasungskammer kann auch mit einer Verbrennungskammer verbunden sein, um die Temperatur der Schmelze regulieren zu können.
Die Vergasung kann wahlweise erfolgen durch Einblasen der stöchiometrischen Mengen Luft, Sauerstoff, Wasserdampf u.a.m., Je nach dem gewünschten Synthesegas. Fast die gesamte erzeugte Wärme verbleibt in den Prozeßgasen und ist so nutzbar zu machen.
Funktionsbeschreibung zur Patentanmeldung Stufe 2: Wasserstofferzeugung Durch die Axidationskammer 1 fließt in einer Ringwanne eine Metalschmelze 2. Durch Einblasen von Wasserdampf wird Wasserstoff erzeugt, wobei sich das Metall zu Metalloxid teilweise umwandelt. Ein Geieh Gemisch aus Metallstaub, Waseerdampf und Wasserstoff wird aus der Oxidationgkammer 1 in die Vorlage 3 gepreßt. Der restliche Wasserdampf wird hierbei in Wasserstoff umgewandelt und der Metallstaub verbleibt in der Schmelze. Uber der Vorlage wird der Wasserstoff bei 4 durch ein Filter hindurch abgesaugt.
Die Schmelze besteht jetzt aus einem Gemisch von Metall und Metalloxid und wird durch den Düker & ( b - b) in die Reduktionskammer 5 eingeschwemmt. In diese Reduktionskammer wird Prozeßgas aus der Stufe 1 ohne und mit Zusätzen (z.B. Kohlenstaub) eingeblasen. Das Metalloxid wird zu Metall reduziert, durchfließt eine zweite Vorlage 6 und gelangt über den Düker (a - a) in den Kreislauf zurück. Die mit dem Sauerstoff aus dem Metalloxid aufgereicherten Prozeßgase gelangen aus der Reduktionskammer unter Druck ebenfalls in die Vorlage 6 und werden über ein Filter 7 zur Verarbeitungsstufe 3 geleitet. Funktionsbeschreibung zur Patentanmeldung Stufe 3: Verarbeitungsstufe In dieser Verarbeitungsstufe werden Prozeßgase aus den Stufen 1 und 2 so verarbeitet, daß keine oder nur geringste Anteile an Gasen oder Flüssigkeiten und im wesentlichen die gesamte Wärme, soweit sie nicht durch Abstrahlung verloren geht, in Energie umgewandelt wird.

Claims

Patentansprüche: Oberbegriff: Verfahren zur Energiegewinnung aus kolilenstoffhaltigen, festen Brennstoffen durch Überführung der festen Brennstoffe in andere Aggregatzustände in Verbindung mit der thermischen Erzeugung und Anlagerung von Wasserstoff, sowie Stickstoff, Sauerstoff und Wasser,