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Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffs
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Zusatz zu Patentanmeldung P 25 48 509.0 Die Erfindung betrifft ein
Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffs in Form einer Dispersion aus feinverteilter
Kohle und Wasser sowie Öl, indem man Kohleteilchen mit einer Teilchengröße von weniger
als 100 /u zuerst in Wasser unter Bildung einer Aufschlämmung suspendiert, die Suspension
anschließend mit Öl versetzt und das erhaltene Gemisch dann kräftig vorzugsweise
unter Anwendung von Schall mit einer Intensitätsdichte von über 11,625 Watt pro
cm2 in Bewegung hält, wodurch man eine stabile Dispersion erhält, aus der man einen
sich eventuell in Form einer getrennten Phase abscheidenden Ölüberschuß abtrennt,
wodurch man eine Kohle-Wasser-Ol-Emulsion erhält, die lagerungsstabil ist und mit
einer Flamme verbrennt, die einer Öl flamme und keiner Kohlenstaubflamme entspricht,
nach Patentanmeldung P 25 48 509.0, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man eine
Kohle mit einem Wassergehalt verwendet, der der Wassermenge in der fertigen Suspension
entspricht oder nurmehr die Ergänzung durch eine geringere weitere Wassermenge hierzu
erforderlich macht, und dieses Ausgangsmaterial dann vor oder nach Zusatz des benötigten
Öls unter Bildung der für das Gemisch erforderlichen Teilchengröße der Kohleteilchen
vermahlt.
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Die Verbrennung von Kohle erfolgt gewöhnlich entweder in einem Kohlebett
oder, falls diese pulverisiert und atomisiert ist, in Form feiner Teilchen. Enthält
die Kohle wesentliche Mengen Schwefel, dann wird dieser während der Verbrennung
in Schwefeloxide, vorwiegend Schwefeldioxid, überführt. Diese Schwefeloxide führen
oft zu einer starken Luftverunreinigung. Es wurden deshalb in den letzten Jahren
in den Vereinigten Staaten und auch anderen Ländern einschneidende Vorschriften
erlassen, welche Konzentrationen an Schwefeloxiden in die Amosphäre abgeführt werden
dürfen. Man braucht daher entweder eine Kohle mit niedrigerem Schwefelgehalt, etwa
einem Schwefelgehalt von 1 % oder darunter, oder man muß die Kohle zur Entfernung
von überschüssigem Schwefel entsprechend behandeln. Beides ist mit großen Nachteilen
verbunden. Es wurde daher bereits vorgeschlagen, feinverteilten Kalk oder Kalkstein
mit der Kohle zu vermischen, wobei dann während des Verbrennungsverfahrens, das
stets mit Sauerstoffüberschuß durchgeführt wird, eine ziemliche Menge Schwefeldioxid
oxydiert wird und so Calciumsulfat entsteht. Das dabei erhaltene stückige Calciumsulfat
kann in üblicher Weise abgetrennt werden, beispielsweise auf elektrostatischem Weg.
Die Verbrennung ist jedoch nicht so vollständig, wie man dies haben möchte. Bei
Verwendung einer Kohle mit hohem Schwefelgehalt braucht man einen sehr großen Überschuß
an Kalk, da sonst die Schwefeloxide nicht ausreichend entfernt werden.
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Gegenstand der Erfindung ist daher die Schaffung eines verbesserten
Kohlebrennstoffs der eingangs genannten Art. Es sollen damit vor allem die Probleme
einer Explosionsgefahr bei Kohlestaub-Verbrennungsanlagen vermieden werden, zu denen
es kommt, wenn man diese Anlage nicht extrem sauber führt.
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Die erfindungsgemäß als Ausgangsmaterial verwendete Rohkohle
mit
einem hohen Wassergehalt wird zur Bildung des zum kräftigen Bewegen oder vorzugsweise
Beschallen erforderlichen Gemisches gegebenenfalls unter Zusatz von weiterem Wasser
und dem benötigtem Öl, beispielsweise gewöhnlichem Heizöl, so vermahlen, daß sie
über eine Teilchengröße von unter 100 /u verfügt, wobei ein ziemlicher Teil hiervon
normalerweise viel feiner ist, nämlich bis zu einer Teilchengröße von 1 /u reicht.
Dies entspricht etwa der gleichen Kohleform, die auch bei der Kohlepulververbrennung
verwendet wird. Die wasserhaltige Kohle kann vor oder nach Zusatz von weiterem Wasser
und gewünschtenfalls auch zusammen mit dem benötigten Öl auf die erforderliche Teilchengröße
vermahlen werden. Die auf diese Weise erhaltene Aufschlämmung wird dann kräftig
gerührt, was vorzugsweise durch Beschallen erfolgt. Die Frequenz beim Beschallen
liegt normalerweise im Ultraschallbereich, beispielsweise zwischen 20 000 und 30
000 Hertz, oder auch bei höheren Frequenzen. In der Praxis erfolgt die Durchmischung
zwar häufig mit Ultraschall, es können jedoch auch Hochschallfrequenzen eingesetzt
werden, beispielsweise Frequenzen von 15 000 bis 20 000 Hertz. Unter der allgemeinen
Angabe Schall werden daher vorwiegend hörbare Frequenzen und auch Ultraschallfrequenzen
verstanden. Eine intensive Durchmischung, die zu einer starken Hohlraumbildung führt,
ist unbedingt notwendig, und dieses Verhalten wird als Intensität und nicht als
Kraft gemessen. Beim erfindungegemäßen Verfahren sollte die Intensität wenigstens
11,625 Watt pro cm2 betragen. Normalerweise wird bei 2 Intensitäten von etwa 38,75
bis 54,25 Watt pro cm oder etwas darunter gearbeitet. Es gibt zwar eine definierte
untere Grenze für die Schallintensität, unterhalb der keine zufriedenstellenden
Brennstoffe gebildet werden, eine scharfe Obergrenze besteht je-2 doch nicht. Bei
einer Intensität von über 54,25 Watt pro cm kommt es jedoch nicht mehr zu einer
besonderen Verbesserung, und
bei höheren Intensitäten erhöhen sich
lediglich die Kosten bei der Brennstoffherstellung, ohne daß dies mit einer wesentlichen
Verbesserung verbunden ist. Die obere Intensitätsgrenze ist somit keine scharfe
physikalische Grenze, sie wird jedoch von wirtschaftlichen Überlegungen automatisch
vorgegeben.
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Wenn die obigen Bedingungen der Energiedichte erfüllt sind, dann spielt
es keine Rolle, wie die Schallenergie erzeugt wird, und die Erfindung ist daher
auch auf keine besondere Vorrichtung beschränkt. Ein sehr praktischer Schallgenerator
ist eine sogenannte Schall- oder Ultraschallsonde. Longitudinalschwingungen werden
in üblicher Weise durch eine piezoelektrische oder durch eine magnetostriktive Vorrichtung
erzeugt. Der geeingete Schallgenerator wird dann mit einem festen Geschwindigkeitstransformator
gekoppelt, der gelegentlich auch als akustischer Transformator bezeichnet wird,
der sich zum Ende hin verjüngt, und zwar vorzugsweise exponentiell, und in einer
Fläche endet, die wesentlich kleiner ist als die mit dem Schallgenerator gekoppelte
Fläche. Nach dem Gesetz der Erhaltung der Energie bewegt sich die Oberfläche durch
die Verteilung der Schwingungen über die kleinere Oberfläche dann wesentlich rascher.
Dies führt zu einer wesentlich höheren Energiedichte. Da die Gesamtkraft von einer
größeren Oberfläche auf eine kleinere Oberfläche übertragen wird, bezeichnet man
eine derartige Vorrichtung in Analogie zu elektrischen Transformatoren, mit denen
sich eine Spannung erhöhen läßt, ebenfalls als Transformator. Schallsonden der oben
beschriebenen Art sind im Handel erhältlich, und ein Gerät dieser Art wird beispielsweise
von Branson Instruments unter der Bezeichnung Sonifier vertrieben. Mit dieser Apparatur
zur Erzeugung von Schall mit hoher Energiedichte (dieser Ausdruck sollte nicht mit
Schallkraft verwechselt werden) läßt sich die erforderliche Schallenergieintensität
äußerst wirtschaftlich und befriedigend produzieren. Ein derartiges Gerät
wird
beim erfindungsgemäßen Verfahren daher bevorzugt eingesetzt.
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Der Gegenstand der Erfindung unterscheidet sich vom Stand der Technik
jedoch natürlich nicht durch die genaue Art und Weise, wie die schwingende Oberfläche
mit Energie gespeist wird.
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Durch das Durchmischen mit Schall hoher Intensität dürfte Wasser in
die Poren der porösen Kohleteilchen getrieben und dann eine Wasser-in-Ol-Emulsion
gebildet werden. Es handelt sich dabei jedoch um keine wirkliche Emulsion, da man
es sowohl mit einer Suspension der feinen Kohleteilchen als auch einer Disperion
aus Öl und Wasser zu tun hat. Das auf diese Weise erhaltene Produkt, bei dem es
sich um eine etwas viskose Flüssigkeit handelt, verhält sich jedoch nicht so wie
eine typische Emulsion. Bei einer typischen Wasser-in-Ol-Emulsion läßt sich die
kontinuierliche Ölphase unter Bildung einer stärker verdünnten Emulsion mit weiterem
Öl verdünnen. Beim erfindungsgemäßen Verfahren kommt es bei Verwendung eines Ölüberschusses
jedoch zur Abtrennung von Öl in Form einer separaten Phase, und in diesem Fall einer
überstehenden Phase. Unter Einsatz eines genauen Verhältnisses aus Kohle, Wasser
und Öl läßt sich theoretisch zwar ein Produkt herstellen, bei dem sich überhaupt
keine ölphase abscheidet, in der Praxis ist ein derartiges Vorgehen jedoch nicht
zweckmäßig, da die Abscheidung zu kritisch ist. Es ist daher viel besser, mit einem
geringen Ölüberschuß zu arbeiten und die überstehende Phase abzutrennen und rückzuleiten.
Das beim erfindungsgemäßen Verfahren erhaltene Produkt ist, wie oben angeführt,
technisch gesehen zwar keine Wasser-in-Öl-Emulsion, es verfügt jedoch über Eigenschaften,
die denen einer solchen Emulsion ähneln. So bleibt beispielsweise nach Entfernen
einer überstehenden ölphase das zurückbleibende Gemisch aus Öl und Wasser in und
um die Kohleteilchen herum stabil, und man kann das Produkt über eine ausreichende
Zeit lagern, ohne daß es zu einer weiteren Abscheidung
der Bestandteile
kommt. Das Produkt wird aus diesem Grund daher auch als eine Emulsion bezeichnet,
obwohl es technisch gesehen eigentlich keine wirkliche Emulsion ist. Es handelt
sich dabei jedoch um eine Dispersion aus den Kohleteilchen und winzigen Wassertröpfchen,
die, wie oben angeführt, stabil ist. Verbrennt man den erfindungsgemäß hergestellten
Brennstoff, dann verbrennt dieses Material sehr sauber mit einer Flamme, deren Farbe
und Charakteristiken eher einer ölflamme als einer Pulverkohleflamme entsprechen.
Während der Verbrennungsvorgänge kommt es offensichtlich zu keiner physikalischen
Bildung von Kohleteilchen. Der genaue Verbrennungsmechanismus wurde jedoch nicht
völlig untersucht.
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Das genaue Verhältnis aus Kohle, Wasser und Öl ist nich kritisch,
was sich als vorteilhaft erweist. Es hängt etwas von der Dichte des Öls und dem
Wassergehalt der jeweiligen Kohle ab. Ein hervorragendes praktisches Verhältnis
besteht aus etwa 20 Teilen Kohle auf wasserfreier Basis, 15 Teilen Öl und 10 Teilen
Wasser.
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Bei diesem Produkt setzt sich als überstehende Flüssigkeit nur eine
geringe Menge Öl ab, und man erhält eine sehr stabile Dispersion. Man kann jedoch
auch etwas mehr Öl verwenden, und dies empfiehlt sich gelegentlich sogar, da sich
die abgeschiedene ölphase ohne weiteres rückleiten läßt. Das oben angegebene Verhältnis
aus den einzelnen Bestandteilen stellt daher ein Beispiel für ein typisches geeignetes
Produkt das. Falls ein Überschuß an Wasser vorhanden ist, dann kann sich als getrennte
Phase auch eine bestimmte Menge Wasser abscheiden. Zweckmäßigerweise soll jeder
Überschuß jedoch in Form von Öl vorliegen.
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Die kräftige Bewegung durch Schall dient auch noch einer weiteren
Funktion. Es wird nämlich hierdurch die Teilchengröße der Kohle herabgesetzt, was
möglicherweise darauf zurückzuführen ist, daß sich die Kohleteilchen während des
kräftigen Rührens aneinander
reiben. Das genaue Ausmaß der Teilchengrößenverringerung
hängt sowohl von der Energiedichte der Schalldurchmischung als auch vom Charakter
der jeweiligen Kohle ab. Eine stärker brüchige Kohle wird natürlich stärker zerkleinert,
der am Ende erhaltene Teilchengrößenbereich liegt jedoch immer zwischen etwa 1 /u
und etwa 100 /u.
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Die erhaltene Dispersion ist zwar ziemlich viskos, jedoch immer noch
leicht fließfähig. Sie muß daher vor der Einspeisung in den Brenner nicht erhitzt
werden. Dies bietet einen Vorteil gegenüber dem Verbrennen hochviskoser Brennölrückstände,
die vor ihrer Atomisierung in einem Brenner durch Dampf erhitzt werden müssen. Hierin
liegt ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens. Man kann bei ihm
nämlich ohne eine Heizvorrichtung auskommen, und erhält trotzdem das gleiche Ergebnis.
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Für die tatsächliche Atomisierung in einem Brenner kann jeder geeignete
bekannte Brenner verwendet werden. Eine derartige Brennerform ist eine Schallsonde,
an deren Ende die Brennstoffdispersion atomisiert wird.
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Verwendet man eine Kohle mit niedrigem Schwefelgehalt, dann hält sich
die Schwefeloxidemission aus dem Ofen innerhalb der zulässigen Grenzen. Der erfindungsgemäße
Brennstoff kann in diesem Fall lediglich aus pulverisierter Kohle, Öl und Wasser
bestehen.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren läßt sich in sehr einfacher und
wirtschaftlicher Weise die Bildung großer Mengen an Schwefeloxiden unterdrücken.
Dies ermöglicht den Einsatz von Kohle mit hohem Schwefelgehalt, was sonst aufgrund
der zu starken Umweltverschmutzung nicht möglich wäre. Möchte man die Schwefeloxidemission
noch weiter herabsetzen, dann dispergiert man in dem Wasser
vorzugsweise
feinpulverisierten Kalk oder Kalkstein. Solche Materialien werden im allgemeinen
als Kalk bezeichnet und können beim erfindungsgemäßen Verfahren entweder vor oder
nach Zugabe des Öls eingesetzt werden. Vorzugsweise erfolgt der Kalk zusatz praktisch
gleichzeitig mit der Einspeisung in das Schallemulgiergerät. Gewöhnlich pulverisierter
Kalk wird normalerweise in Form einer Wasseraufschlämmung eingespeist, und die hierdurch
eingeschleuste Wassermenge muß daher bei der Gesamtwassermenge im Endprodukt berücksichtigt
werden. Der zugeführte pulverisierte Kalk bildet einen Teil der Suspension, ist
stabil und setzt sich beim Stehen nicht ab. Hierdurch werden normalerweise weitere
zusammenhängende Probleme unterbunden, und dies stellt einen zusätzlichen Vorteil
des erfindungsgemäßen Verfahrens dar, bei dem die Menge an Schwefeloxiden herabgesetzt
werden soll.
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Bei der Verbrennung von Kohle mit hohem Schwefelgehalt ist Kalk das
bevorzugte Alkali. Der Einsatz von Kalk bietet eine Reihe praktischer Vorteile,
wie der geringen Gestehungskosten und der Tatsache, daß das in der Flamme entstandene
Calciumsulfat in Wasser nur sehr begrenzt löslich ist. Es können jedoch auch andere
Alkalien verwendet werden, wie beispielsweise Natriumcarbonat. Die meisten dieser
anderen Alkalien bilden jedoch Sulfate, die in Wasser ziemlich löslich sind. Bei
der Verbrennung von Brennstoff entsteht immer Wasserdampf, und dieser kann zu Problemen
führen. Insbesondere kann es hierdurch an einer bestimmten Stufe der Gasbehandlung
zu einer Temperaturerniedrigung kommen, wodurch flüssiges Wasser kondensiert. In
einem solchen Fall kann das Wasser dann mit Alkalien, deren Sulfate in Wasser verhältnismäßig
gut löslich sind, etwas pastenartige Massen bilden.
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Hierdurch wird eine elektrostatische Abscheidung erschwert, da hierbei
die zu entfernenden Teilchen normalerweise trocken sein müssen. Die Möglichkeit
einer Abscheidung pastenartiger Sulfate
besteht auch in anderen
Teilen der Vorrichtung zur Behandlung des Verbrennungsgases. In diesem Fall ist
die Reinigung mit weiteren Kosten verbunden, und dies ist einer der Gründe, warum
Kalk als Alkali bevorzugt wird. Wie bereits oben angegeben, können jedoch auch andere
Alkalien verwendet werden, und die Erfindung ist daher insgesamt gesehen nicht auf
den Einsatz von Kalk beschränkt, obwohl dieser das bevorzugte Material darstellt.
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Die Entfernung von Schwefeloxiden hängt von der Mange an Kalk oder
sonstigem Alkali ab. Der Kalk sollte normalerweise im Überschuß gegenüber dem auf
den Schwefelgehalt der Kohle bezogenen stöchiometrischen Wert eingesetzt werden.
Je mehr Kalk verwendet wird, umso weiter wird der Schwefeloxidgehalt herabgesetzt.
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Durch einen Kalküberschuß von 50 % lassen sich beispielsweise 50 %
der vorhandenen Schwefeloxide in Form von Calciumsulfat entfernen oder binden. Bei
Verwendung von mehr Kalk wird der Schwefeloxidgehalt weiter herabgesetzt. Eine Kalkmenge
von etwa 80 % entspricht dem zweifachen stöchiometrischen Verhältnis. Die weitere
Schwefelentfernung mit noch mehr Kalk verläuft langsamer, da die diesbezügliche
Kurve dann asymptotisch wird. Ein über dem doppelten stöchiometrischen Verhältnis
liegender Kalküberschuß ist daher nicht wirtschaftlich. Bei Verwendung einer Kohle
mit einem ziemlich hohen Schwefelgehalt ergibt eine etwa 80-prozentige Verringerung
der Schwefelmenge einen Brennstoff, der den gesetzlichen Vorschriften einer zulässigen
Umweltverschmutzung genügt.
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Kalk ist zwar kein sehr teures Material, die Kosten des Verfahrens
werden jedoch hierdurch trotzdem erhöht. Bei Einsatz einer Kohle mit niedrigerem
Schwefelgehalt führt daher gelegentlich eine Entfernung von 50 % Schwefel bereits
zu einem Brennstoff, der den Bedingungen einer zulässigen Umweltverschmutzung genügt,
und in einem solchen Fall kann man auch einen geringeren Überschuß an Kalk verwenden.
Die diesbezüglichen Fragen hängen von wirtschaftlichen Überlegungen ab, und es gibt
keine scharfe obere Grenze. Theoretisch läßt sich Calciumsulfat (Gips), das durch
elektrostatische
Abscheidung oder sonstwie gewonnen wird, verkaufen. Die Kosten zur Erzeugnung des
gewonnenen Gipses können jedoch höher sein als der eingentliche Verkaufspreis, so
daß der Einsatz eines geringeren Kalküberschusses immer dann wirtschaftlicher ist
und natürlich auch angestrebt wird, wenn dies die Bestimmungen der Umweltverschmutzung
zulassen.
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Die Erfindung wird anhand der Zeichnung weiter erläutert.
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In ihr zeigen: Figur 1 eine graphische Darstellung einer Kohledispersion
in einem Bett mit einem Ofen.
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Figur 2 eine Kurve, die die Schwelfeldioxidentfernung bei verschiedenen
Kalkmengen bis zu einem Überschuß von 50 % zeigt.
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Figur 3 ein Fließbild einer Anlage zur Atomisierung der Kohledispersion
unter Bildung einer Flamme.
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Figur 4 eine halbgraphische Darstellung einer Ultraschallsonde.
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In den Figuren 1 und 2 wird eine Versuchsapparatur beschrieben, bei
der die Kohledispersion in einem Bett verbrannt wird. Die Herstellung der Kohledispersion
erfolgt durch Vermahlen eines Gemisches aus 30 Teilen Kohle mit einem Wassergehalt
von 50 % unter Zugabe von 15 Teilen Öl, beispielsweise Heizöl Nr. 2, auf den für
Kohle erforderlichen Teilchengrößenbereich und nachfolgendes Behandeln des dabei
erhaltenen Gemisches durch kräftiges Ultraschallrühren bei einer Energiedichte zwischen
38,75 und 2 54,25 Eltt pro cm . Für eine rasche Dispergierung spielt die Stärke
der mit der schwingenden Oberfläche in Berührung stehenden Flüssigkeit eine Rolle,
und hierzu wird beispielsweise eine Ultraschallsonde verwendet, wie sie zusammen
mit Figur 4 beschrieben
wird. Die Stärke der Flüssigkeitsschicht
bildet keine scharfe kritische Grenze, diese Schicht sollte normalerweise jedoch
wesentlich dünner sein als der Durchmesser der schwingenden Oberfläche. Wird die
Flüssigkeitsschicht wesentlich stärker, dann wird der Durchsatz geringer, obwohl
man auch bei ausreichender Zeit eine zufriedenstellende Dispersion bei einer ziemlich
starken Flüssigkeitsschicht erhält. Ein derartiges Vorgehen ist jedoch nicht wirtschaftlich.
Die Stärke der Schicht der Suspension zwischen der schwingenden Oberfläche und dem
Behälter muß natürlich selbstverständlich größer sein als die Abmessung des größten
Kohleteilchens. Der Teilchengrößenbereich für die Kohleteilchen beträgt, wie oben
angegeben, etwa 1 /u bis etwa 100/u. Eine exakte Messung läßt sich in der Praxis
zwar nicht durchführen, die Dispersion erscheint jedoch ziemlich gleichförmig.
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Die Erfindung ist auf keine besondere wasserhaltige Kohle beschränkt.
Typische geeignete Kohlen sind eine bituminöse Kohle aus dem Osten der Vereinigten
Staaten mit einem Schwefelgehalt von 1 bis 2 % und eine West-Kentucky-Kohle mit
einem etwas höheren Schwefelgehalt.
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Zur Herstellung einer Kohledispersion, bei deren Verbrennung es zu
einer geringeren Schwefeloxidbildung kommt, führt man etwa gleichzeitig mit dem
Öl eine Aufschlämmung von pulveresiertem Kalk in Wasser ein. Die in dieser Aufschlämmung
enthaltene Wassermenge muß natürlich auch bei der Gesamtwassermenge berücksichtigt
werden. Verwendet man eine Kohle mit sehr niedrigem Schwefelgehalt, dann kann man
mit einem Kalküberschuß von etwa 50 % der stöchiometrisch erforderlichen Menge arbeiten.
Bei Einsatz einer Kohle mit höherem Schwefelgehalt für die das erfindungsgemäße
Verfahren besonders geeignet ist, sollte der Kalküberschuß etwa das Zweifache der
stöchiometrisch erforderlichen Menge betragen.
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In Figur 1 ist mit 1 der Versuchsofen angegeben, der, wie gezeigt,
über in einem elektrischen Heizmantel befindliche Drähte geheitzt wird. Für diesen
Versuch wird als Ofen ein zylindrischer Ofen mit etwa 3,5 cm Durchmesser verwendet.
Die Kohledispersion wird in den Ofen eingebracht und bildet auf einem geeigneten
Verbrennungsrost 2 ein Bett. Der Ofen wird mit Luft gespeist, wobei die Luftmenge
etwa der entspricht, wie sie für die wirtschaftlichste Verbrennung erforderlich
ist, was für einen geringen Luftüberschuß gilt. Die aus dem Verbrennungsbett kommenden
Gase gehen über eine entsprechende Leitung zunächst in ein mit Glaswolle gefülltes
Testrohr 3. In diesem Rohr werden einige Feststoffe und sonstige Verunreinigungen
entfernt, worauf die Gase in einen Wasserwaschturm 4 weitergeleitet werden, der
beim vorliegenden Versuch Wasser mit etwa 3 % Wasserstoffperoxid enthält. Die Gase
gelangen anschließend in eine Falle 5 und dann in eine Wasserfalle 6, wobei es sich
in beiden Fällen um mit Seitenleitungen versehene Kolben handelt. Die Falle 6 enthält
Glaswolle. Die Gase werden durch ein Teilvakuum, das von irgendeiner nicht gezeigten
Vorrichtung stammt, durch die Anlage gezogen. Der Gasstrom wird über ein Rotameter
7 gemessen. Die bei diesen Versuchen erhaltenen Ergebnisse gehen aus der folgenden
Tabelle I hervor.
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T a b e l l e I Entfernung von SiO2 durch Kalkstein aus einer Kohle-Öl-Wasser-Suspension
16n Versuch Art der Kohle¹ Öl H2O² Kalkstein Verbrannter NaOH Prozentuale Nr. Verbrennung
(g) (g) (g) (g) Brennstoff (SO2-Ti- SO2-Ent-(g) trat, ml) fernung 1 Bett 20 20 5
0 9,5 6,3 0 20 20 5 0,48 10,0 4,4 33 2 Bett 20 20 10 0 8 7 0 20 20 10 0,48 7 4,5
26 3 Bett 20 20 10 0 10 9 0 20 20 10 1,5 10 4,9 44 4 Bett 20 20 10 0 6 4,8 0 20
20 10 1,5 6 2,5 50 5 Atomisierte 20 15 10 0 6,9 4,8 0 20 20 10 1,5 6 2,4 50 sprühung
1 auf wasserfreier Basis 2 Wasser aus der wasserhaltigen Kohle, gegebenenfalls zugesetztem
Wasser und gegebenenfalls zugesetzter Kalkaufschlämmung
In der
Tabelle I ist eine Reihe von Versuchen angegeben, die unter Verwendung verschiedener
Mengen Öl, wasserhaltiger Kohle und gegebenenfalls weiterem Wasser durchgeführt
werden und jeweils entweder keinen feinverteilten Kalk oder die in Tabelle I angegebene
Menge an Kalk enthalten. Ferner gehen aus dieser Tabelle die jeweils verbrannten
Brennstoffmengen hervor, wobei die Menge an Schwefeloxiden durch Titration mit einer
Natriumhydroxidlösung bestimmt wird.
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Bei den ersten vier Versuchen erfolgt eine Verbrennung in einem Bett.
Beim fünften Versuch wird der Brennstoff am Ende einer Ultraschallsonde atomisiert.
Die prozentual entfernte Menge an Schwefeldioxid, die bis zu 50 % reicht, ist im
Verhältnis zur eingesetzten Kalkmenge in Figur 2 angegeben. Wird der Kalküberschuß
größer als es der zweifachen stöchiometrisch erforderlichen Menge entspricht, dann
flacht die Kurve ab und wird bei einer Entfernung von etwa 80 % asymptotisch. Die
Kurve ist somit bei eimem derartigen Bereich eine S-Kurve.
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Figur 3 ist eine graphische Darstellung eines teilweisen Fließbildes
einer technischen Anlage. Die Verbrennung erfolgt hierbei durch Atomisierung des
Brennstoffes mit einer Ultraschallsonde. Die wasserhaltige Kohle wird, wie in der
Zeichnung gezeigt, in einer Kugelmähle und einem Pulverisiergerät 8 zerkleinert
und auf eine Teilchengröße von weniger als 100 /u gebracht, wobei einige Teilchen
auch nur 1 /u groß sind. Anschließend wird die Kohle über einen Vibrationsförderer
9 in einen zusätzlichen Wasserstrom eingespeist, der mit gesteuerter Geschwindigkeit
in einen Schlammtank 10 fließt. Die weitere Aufschlämmung erfolgt mit einem herkömmlichen
Flügelrührer, wobei eine entsprechende Entlüftungsleitung ins Freie führt. Der Schlamm
wird dann über eine mit einem Regler versehene Leitung aus dem Schlammtank 10 abgezogen
und über eine mit einem Regler 11 versehene Leitung mit Öl vermischt, wobei nach
der Ölzuleitung ebenfalls über eine
mit einem Regler 11 versehene
Leitung ein Kalkschlamm zugesetzt wird. Das Mengenverhältnis aus Kalk und Schwefel
in der Kohle beträgt etwa das Zweifache der stöchiometrisch erforderlichen Kalkmenge.
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Der auf diese Weise erhaltene Schlamm wird dann in einem Vormischer
16 gerührt, in dem eine Ultraschallsonde der in Figur 4 beschriebenen Art bei 20
000 bis 22 000 Hertz betrieben wird, wobei das Ende der Sonde von der Vorderseite
des Reaktors 13 in einem solchen Abstand angeordnet ist, daß man eine Flüssigkeitsstärke
erhält, die wesentlich geringer ist als der Querschnitt des Endes der Sonde. Eine
kräftige Schallbewegung unter Hohlraumbildung führt zu einer Energieintensität von
etwa 38,75 bis 54,25 2 Watt pro cm . Die auf diese Weise entstandene stabile Dispersion
strömt dann in einen Separator 14, der mit einer Trennwand 15 versehen ist. Diese
Trennwand erlaubt das Überfließen einer bestimmten Menge an überstehendem Öl in
eine Kammer, aus der es über eine Rückleitung 16 in einen Vormischer 12 geführt
wird.
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Das Gemisch aus Kohle-Wasser-Ol-Kalk strömt dann in ein weiteres Ultraschallgerät
17, und wird durch dieses vom Ende der Ultraschallsonde in einen Brenner 18 atomisiert.
Es wird darin verbrannt, und die dabei erhaltenen Rauchgase werden zur Abtrennung
der Feststoffe in einen Trockner, Gips- und Aschesammler 19 auf elektrostatischer
Basis geleitet. In diesem elektrostatischen Abscheider wird feinverteiltes Calciumsulfat
abgetrennt, das man gewinnen und verkaufen kann. Ausgehend von einer Kohle mit einem
Schwefelgehalt von 2 bis 3 % erhält man eine Schwefeldioxidentfernung von etwa 80
%, wodurch die Rauchgase solchen Bedingungen entsprechen, daß sie in die Atmosphäre
entlassen werden dürfen.
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Figur 4 ist eine halbschematische Darstellung einer typischen Ultraschallsonde
20. Die Ultraschallschwingungen mit 20 000 bis 22 000 Hertz stammen von einem elektrischen
Strom mit der gleichen
Frequenz, der über die gezeigte Leitung
eingespeist wird. Die Schwingung wird in einer piezoelektrischen Anordnung 21 erzeugt,
mit der das breite Ende 22 eines aus Stahl bestehenden Geschwindigkeittransformators
gekoppelt ist, der sich in seinen Abmessungen exponentiell auf ein Endstück 23 mit
kleinem Durchmesser verringert. Durch dieses Endstück wird die Dispersion im Ultraschallreaktor
13 bei Figur 3 in Bewegung gehalten. Mit einer ähnlichen Sonde kommt es zu einer
Atomisierung im Ultraschallatomisator 17 bei Figur 3.
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Durch Verbrennung des atomisierten Brennstoffes entsteht eine Flamme,
die klar ist, zu einer völligen Verbrennung führt und nicht aussieht wie die von
einer Verbrennung pulverisierter Kohle herrührende Flamme. Die Qualität der Flamme
und die vollständige Verbrennung rührt möglicherweise von der Gegenwart von Wasser
in der Brennstoffdispersion her. Die Verbrennung läuft so vollständig ab, daß es,
wenn überhaupt, nur zu einem äußerst geringen Heizverlust durch das vorhandene Wasser
kommt, das beim Brennen der Dispersion natürlich in Dampf verwandelt wird.
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Die oben beschriebene Rührart ist natürlich die bevorzugte Rührung
unter Einsatz von Schallreaktoren. Eine zufriedenstellende Rührung läßt sich jedoch
auch durch andere Mittel als durch Schall erreichen. Hierzu eignen sich beispielsweise
auf dem Scherprinzip beruhende Maschinen, wie Kolloidmühlen und sonstige Homogenisatoren,
und auch andere Vorrichtungen, bei denen sich Oberflächen, die entweder glatt oder
rauh sind, in engem Abstand voneinander gegenseitig bewegen, Pumpen mit engen Pumpflächen,
Zentrifugalmaschinen, Zerkleinerungsmühlen, Schlagmühlen und dergleichen. In jedem
Fall muß, wie oben im Zusammenhang mit der bevorzugten Schallrührung beschrieben,
die Schalldichte hoch sein, wobei sich die Energiedichte jedoch bei einigen nicht
auf Schall beruhenden Vorrichtungen nur schwer direkt messen läßt. Wie bei der bevorzugten
Schallrührung braucht man auch hier im wesentlichen
keine oberflächenaktiven
Mittel oder Emulgiermittel zusetzen. Sind nämlich größere Mengen oberflächenaktiver
Mittel vorhanden, dann verteilt sich in dem Öl ständig eine überschüssige Menge
der feinen Wassertröpfchen, so daß es in der Flamme nicht zu der gewünschten Serie
von Mikroexplosionen kommt. Für solchen Mikroexpolsionen braucht man Tröpfchen im
Bereich von etwa 2 /u bis 20 /u. Teilchen die wesentlich kleiner sind als 2 explodieren
nich. Sind solche Teilchen daher in überschüssiger Menge vorhanden, dann reduziert
sich hierdurch die Qualität der Flamme und die Effizienz des Brennvorgangs. Auf
den Zusatz von oberflächenaktiven Mitteln wurde nur deshalb hingewiesen, weil einige
Öle, wie Rückstandsbrennöle, geringe Mengen oberlächenaktiver Materialien enthalten,
und solche Öle können natürlich auch beim erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt
werden.
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L e e r s e i t e