DE2646723A1

DE2646723A1 - Verfahren und vorrichtung zur behandlung von kohle

Info

Publication number: DE2646723A1
Application number: DE19762646723
Authority: DE
Inventors: Porter R Ryason
Original assignee: California Institute of Technology CalTech
Current assignee: California Institute of Technology CalTech
Priority date: 1975-10-17
Filing date: 1976-10-15
Publication date: 1977-04-28
Also published as: JPS5268206A; US4206713A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Behandlung von Kohle gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs und des ersten Vorrichtungsanspruchs.

Die Voraussetzungen einer Plastifizierung von Kohle sind bekannt. Sie werden beispielweise beschrieben in einer Veröffentlichung des Bureau of Mines, Bulletin 661, Wu et al, "Coal Composition, Coal Plasticity and Coke Strength", 1971. Kohle schmilzt nicht bei einer genau definierten Temparatur. Vielmehr besteht für jeden Kohletyp ein enger Temparaturbereich, innerhalb dessen in ausreichendem Maße flüssiges Material entsteht, das dazu führt, daß die gesamte Masse der

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Kohleteilchen treibt und plastisch wird. Soweit bekannt ist, ist bisher kein praktischer Gebrauch von Kohle in ihrem plastischen Zustand gemacht worden. Vielmehr wird die Plastizität der Kohle häufig als Nachteil angesehen.

Es ergeben sich zahlreiche Vorteile bei der Hochdruckbehandlung von Kohle und ähnlichen, kohlenstoffhaltigen Materialien. Die Materialverteilung, die Größe der Anlagen und deren Investitionskosten werden im allgemeinen günstig beeinflußt durch erhöhten Betriebsdruck bei Kohlebehandlungsanlagen. Das kontinuierliche Einführen von Kohle in einen Druckbehälter ist jedoch allgemein als Problem bei der Kohlebehandlung bekannt. Zwei Systeme werden in größerem Umfange verwendet, um Kohle in Hochdrucksysteme einzubringen, nämlich Druckschleusentrichter und Schlammfördersysteme. Bei Schlammfördersystemen wird Kohle, üblicherweise in Abhängigkeit von dem Verfahren, mit öl oder Wasser zu einem Schlamm verarbeitet und durch eine geeignete Art einer Zwangsverdrängungspumpe in den Druckbehälter gepumpt. Druckschleusentrichter sind in ihrer Größe auf den maximalen Öffnungsdurchmesser begrenzt, der abgedichtet werden kann. In der Praxis wird gegenwärtig angenommen, daß diese Grenze bei etwa 3,6 bis 3,9 Metern und entsprechenden Drücken im Bereich von 21,1 bis 28,1 atü liegt. Es sind jedoch nach wie vor Vorteile eines er-.,-höhten Betriebsdruckes, beispielsweise eine erhöhte Methan-Produktion bei Sauerstoff-beschickten Gaserzeugern in Kohleverarbeitungsanlagen bekannt. Das Problem besteht darin, Kohle in Hochdruckbehälter einzubringen, und zwar vorzugsweise kontinuierlich.

Die Erfindung befaßt sich somit mit einem Verfahren und einer Vorrichtung zum Fördern und/oder zum Behandeln von Kohle, insbesondere zum kontinuierlichen Extrudierern von Kohle.

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Die Reserven der USA an Kohle betragen etwa 3 Billionen Tonnen. Obwohl Kohle derjenige Brennstoff ist, der in den USA und den anderen Ländern im größten Umfange vorhanden ist, entspricht es dem gegenwärtigen Verbrauchsverhalten, daß der Brennstoffbedarf der USA zu 8o% durch Erdöl-Brennstoffe und zu weniger als 2o% durch Kohle gedeckt wird. Ein wesentlicher Grund dafür, daß die umfangreichen Kohlereserven nicht genutzt werden, liegt in dem Fehlen eines wirtschaftlichen Verfahrens zur Überführung von Kohle in eine leicht umwandelbare Form. Während vom Erdöl abgeleitete Rohmaterialien ohne weiteres bei jeder gewünschten Verfahrenstemparatur und jedem Druck zur Verarbeitung gepumpt und gefördert werden können, hat es sich nicht als möglich erwiesen, große Kohlemengen in einer steuerbaren und zuverlässigen Weise durch herkömmliche, brennstoffverarbeitende Reaktoren hindurch zu bewegen.

Das Fehlen hoher Strömungsdurchsätze und der Möglichkeit, den Gesamtdurchsatz zur Anpassung an spezielle Anforderungen bei bekannten Ümwandlungsvorgängen einzustellen, hat die Entwicklung der Kohleverarbeitung und der Einrichtungen zur Überführung von Kohle oder anderer Kohlenstoffmaterialien aus dem festen Zustand bei Umgebungsdrücken unmittelbar in Behälter mit erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck zur kontinuierlichen Verarbeitung beeinträchtigt. Eine wirksame Anlage zur direkten Überführung von Kohle und ein entsprechendes Verfahren sind lange Zeit angestrebt worden. Es ist erwünscht, Rohkohle direkt mit beliebigem Durchsatz und beliebigem Druck zu verwenden. Das Schmelzen von Kohle an offener Luft durch Anwendung von Hitze ist in Kohle-Fachzeitschriften beschrieben worden, beispielweise 1971 durch den oben erwähnten Artikel von Wu et al. Wenn die Temparatur einer kleinen Menge Kohle langsam angehoben wird, entwickeln sich Gase und Dämpfe bis zur Er-

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weichungstemparatur der jeweiligen Kohle. Wie bereits erwähnt wurde, schmilzt Kohle nicht bei einer bestimmten Temparatur, sondern jeder Kohletyp weist einen engen Temparaturbereich auf, in dem ausreichend flüssiges Produkt erzeugt wird, daß die gesamte Masse der Kohle oder der Kohleteilchen zusammenwächst und ausreichend schmilzt, um plastisch zu werden. Diese Erscheinung ist bei Verfahren und ' Vorrichtungen zur Behandlung von Kohle in begrenztem Maße angewendet worden, hat jedoch in jedem vorgeschlagenen oder berichteten Anwendungsfall zu außerordentlichen Betriebsschwierigkexten und kommerziell nicht vertretbaren Verfahren geführt. Dies mag darauf beruhen, daß bei Aufrechterhaltung der Kohle auf Schmelztemperatur die Viskosität zunächst abfällt und dann ansteigt, bis Teer und feste Stoffe gebildet werden, die sich in der Anlage ablagern.

In der Fachliteratur befinden sich zahlreiche Hinweise auf Schwierigkeiten durch Verklumpen und Absetzen beim Zuführen von Rohkohle in ein System, das mit erhöhter Temparatur und erhöhtem Druck arbeitet. Beispielsweise wird in der US-PS 2 519 34o in Spalte 1 angegeben, daß beim direkten Einführen von bituminöser Rohkohle in einen thermischen Umwandlungsprozeß Teile der Kohle schmelzen und eine hochviskose, geschmolzene Teermasse bilden. Dieser Teer in dem beschiebenen Brennstoffbett füllt nach und nach die Hohlräume aus und verhindert einen erforderlichen freien Strom von Verbrennungsluft und Dampf. Weiterhin wird angegeben, daß eine mechanische ..Beseitigung der Klumpen keine Lösung des Verklumpungsproblems bringt, das bei druckfreier Kohleförderung in Schmelzsystemen auftritt.

In jüngerer Zeit ist in einem Artikel von A.H. Furman mit dem Titel "Pressurized Feeding on the Gegas System", das

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auf der 81. AICHE-Conference, Kansas City, Missotlry vorgelegt worden ist, angegeben worden, daß die direkte Erwärmung und Erweichung von Kohle bei etwa 4oo°C liegt in einem elektrisch geheizten, belüfteten Extrusionsapparat für plastische Extrusionen eines angegebenen Typs zu festen Produkten mit teerförmiger Konsistenz und Gasbildung während der Erweichung geführt hat, die so sehr als unkontrolierbar angesehen wurden, daß weitere Experimente mit einer direkten Extrusion abgebrochen wurden, und die Kohlezufuhr wurde durchgeführt durch Mischen der Kohle mit einem Binder Schmiermittel wie etwa Kohleteer oder -asphalt und durch Extrudieren des Gemisches mit niedriger Temperatur von etwa 95° C, die unterhalb des Erweichungspunktes der Kohle liegt.

In der Vergangenheit hat es zahlreiche Systeme zum Zuführen bzw. überführen von Kohle gegeben. Diese reichen von Abwandlungen einer einfachen Schaufel bis zu großen, komplizierten Kohlefördersystemen, die in Anlagen für synthetischen Brennstoff verwendet werden. Mit dem zunehmenden Interesse an der Herstellung von synthetischem Gas und öl aus Kohle und den wirtschaftlichen Vorteilen großer Hochdruck- Vergasungsanlagen ist das Problem einer kontinuierlichen Zufuhr von Kohle in Druckbehälter mit hohem Durchsatz zunehmend wichtiger geworden. Über mehrere Jahre ist es als ernsthaftes technisches Hindernis bei der Kommmerzialisierung von Anlagen für synthetischen Brennstoff angesehen worden.

Es gibt mehrere Verfahren zum Zuführen von Kohle in Reaktoren, die in der Nähe des Umgebungsdruckes arbeiten, jedoch wird die Auswahl schnell geringer, wenn der Druck steigt. Wie bereits erwähnt wurde, sind Druckschleusentrichter nur für geringere Drücke, allenfalls bis 35,2 ata geeignet. Es laufen Entwicklungen, die darauf abzielen,

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diesen Bereich bis etwa 7 ο ata zu erhöhen, obgleich bei diesen Drücken die Energieanforderungen zur Gaskompression hoch werden. Außerdem sind Druckschleusentrichter bei der Verwendung im Zusammenhang mit Öffnungsdurchmessern beschränkt, die bei etwa 3,6 bis 3,9 Metern liegen, wie bereits erwähnt wurde. Sie ermöglichen keine optimale Behandlung von pulverförmigen Erzen, und es ist schwierig, die Trichteröffnung während und zwischen den Ladezyklen abzudichten. Es sind wesentliche Verbesserungen der Trichtertechnik erforderlich, wenn in Bezug auf Wirtschaftlichkeit und Zuverlässigkeit die Anforderungen fortschrittlicher Verfahren erfüllt werden sollen, die heute entwickelt werden. Eine Abwandlung der Druckschleusentrichter liegt in der Verwendung eines Kolbenforders, von dem es heißt, daß er die Energieanforderungen für die Gaskomprimierung erheblich reduziert und den Druckbereich auf etwa 70ata erhöht.

über 70 ata besteht das einzige in der Praxis verfügbare Verfahren in dem Schlammpumpverfahren, bei dem pulverisierte Kohle zu etwa gleichen Teilen mit Wasser oder leichtem öl gemischt durch eine geeignete Zwangsverdrängungspumpe in den Druckbehälter gepumpt wird. Dieser Weg erfordert, das die Trägerflüssigkeit vo$i der Kohle bei hohem Druck, ausgenommen bei Verflüssigungsverfahren, getrennt wird, so daß zusätzliche Anforderungen an die Ausrüstung und die Energie des Prozesses gestellt werden. Weitere Neuerungen sind entwickelt worden in Bezug auf ein Fördern von Kohle bei Drücken von weniger als /70 ata wie etwa das Breiförderverfahren, jedoch sind diese Verfahren im allgemeinen nicht für höhere Drücke geeignet.

Die Erfindung ist daher vor allem darauf gerichtet, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Zufüh-

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ren von Kohle unter hohem Druck in eine Verarbeitungsvorrichtung zu schaffen. Im übrigen sollen ein Verfahren und eine Vorrichtung, insbesondere zur kontinuierliche Verarbeitung von Kohle unter hohen Drücken vorgeschlagen werden.

Die Erfindung ergibt sich im wesentlichen aus dem kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs und des ersten Vorrichtungsanspruchs.

Entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung wird Kohle in dem Zylinder einer Extrusionsschraube erwärmt und plastifiziert und anschließend durch eine Matrize extrudiert. Der extruäierte Kohlestrahl, der sich in plastischem Zustand befindet, kann kontinuierlich mit einem oder mehreren Strahlen eines Oxydationsmittels beaufschlagt werden, äo daß diese Reaktionsprodukte intensiv gemischt werden. Die injizierte Kohle wird auf diese Weise schnell verbraucht, während sie sich über eine relativ kurze Strecke bewegt. Da die Extrusionsdrücke hoch sind, kann der Reaktor mit hohen Drücken betrieben werden. Durch Einstellung des Kohle/Oxydationsmittel-Verhältnisses entsprechend den gegenwärtig bekannten Vergasungsverfahren und durch Zugabe von Wasser kann dieser Reaktor zur kontinuierlichen Vergasung von Kohle verwendet werden.

Alternativ kann die Scherwirkung der Extrusionsschraube verwendet werden, um eine Reaktion zwischen Kohle und Wasser (plus Katalysatoren) im Extrusionsbereich einzuleiten. Wasser befindet sich unter diesen Bedingungen oberhalb seines kritischen Druckes und seiner kritischen Temparatur. In Anwesenheit von Katalysatoren (in dem Wasser gelöstes Salz) erfolgt bei Zugabe des Wassers zu der plastischen Kohle in einem Bereich unmittelbar vor der

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Extrusion unter der Scherwirkung der Extrusionsschraube eine Verflüssigung in der Matrize und eine Sulfurisierung der Kohle.

Es kann zugelassen werden, daß die Kohle beim Austritt aus der Matrize in gewünschtem Grade verdampft. Der Verdampfungsgrad hängt ab von der Temperatur an der Matrize und dem Druck in Sammelbehälter bei der Extrusion. Es kann sich dadurch ein Nebel aus feinverteilten, flüssigen Koks- und Kohleteilchen ergeben, die getrennt gesammelt und weiter verwendet werden.

Eine derartige Weiterverwendung kann darin liegen, daß die flüchtigen Produkte, die sich mit hoher Geschwindigkeit bewegen, in einen Ofen eingeleitet werden, in dem sie verbrannt werden.

Erfindungsgemäß sollen verschiedene Kohlearten kontinuierlich mit hohem Durchsatz gefördert und/oder behandelt werden können und eine hoch reaktive Reaktion ermöglichen. Die Form der behandelten Kohle kann sich ändern von einem zersteubten Nebel zu einem ausgedehnten, porösen Band oder Stab, je nach den Parametern des Verfahrens.

Erfindungsgemäß wird die Kohle in einen heißen Raum gefördert und unter Druck auf eine Temparatur erwärmt, bei der die Viskosität ausreichend gering ist,daß die Kohlemasse leicht und mit geringer Energie extrudiert werden kann. Die Kohle wird kontinuierlich ohne statische Zonen vorwärtsbewegt und durch eine Matrize mit verringertem Durchmesser extr udiert^ und zwar im allgemeinen direkt in einen Reaktorbehälter, in dem sie mit Oxydations- oder Hydrierungsmitteln reagiert.

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Die erfindungsgsmäße Vorrichtung umfaßt einen Kohleextruder mit einem Förderbereich und einem Kompressionsbereich, der unmittelbar in die Matrizenöffnung überleitet, deren Durchmesser kleiner als derjenige des Extruderzylinders ist, eine Einrichtung zum Komprimieren der Kohle in dem Zylinder und einer Einrichtung zum Heizen der Kohle in dem Zylinder, beispielsweise eine Heizeinrichtung für den Zylinder und für die Kompressionseinrichtung. Der Extruder kann eine Kolbeneinrichtung sein, ist jedoch vorzugsweise eine Extrusionsschraube, da die Vortriebswirkung der Schraube eine besser gesteuerte, zuverlässige, kontinuierliche Förderung aufgrund einer wirksameren Durchmischung, einer besseren Wärmeübertragung und dem Auftreten von Scherkräften ermöglicht, die auf die bewegliche fluidförmige Masse der komprimierten Kohle übertragen werden.

Die Parameterdes Verfahrens müssen genau gesteuert werden, so daß der gewünschte kontinuierliche Strom des fluidförmigen Kohleproduktes entsteht. Jeder Vorschub der Kohle erfolgt bei einer Temperatur, bei der diese plastische Eigenschaften aufweist. Erfindungsgemäß reicht eine Erweichung aus, da mechanische Kräfte durch die Kompressions- und Scherwirkung den fluidförmigen Zustand der Kohle unterstützen. Die Temperatur kann als diejenige Temperatur angegeben werden, bei der die Viskosität der Kohle geringer als 5 χ 10³ . Poise ist. Die Temperatur beträgt üblicherweise wenigstens 325° C. Extrem hohe Temperaturen sollten jedoch vermieden werden, da die Kohle schnell und irreversibel durch Polymerisation oder andere Verfahren in einen festen Zustand überführt wird, bei dem sie sich ablagert und das Verfahren behindert. Temperaturen oberhalb der Verkokungstemperatur, die üblicherweise bei 5oo° C liegt, müssen vermieden werden. Die bevorzugte Temperatur liegt innerhalb eines Abstands von-5o°C von der Erweichungstemperatur.

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-Vh-

Selbst wenn in der Nähe der bevorzugten Erweichungstemperatur gearbeitet wird, kann eine irreversible Kohleverfestigung bei einem langsameren Durchsatz und insbesondere in Bereichen oder Zonen größerer Erwärmung oder Stauung eintreten, wie etwa im Zwischenraum der Schraubengänge und innerhalb der Matrize. Daher sollte die Zeit zwischen der Erweichung und der Extrusion durch die Matrize relativ kurz sein und üblicherweise unterhalb 15 Min., insbesondere zwischen drei und zehn Minuten je nach Art des Kohlevorschubs, des Extruderdruckes und des Extrusionsdurchsatzes liegen.

Die Kohle sollte in die Nähe der Erweichungstemperatur gebracht werden, wenn sie den Kompressionsbereich des Extruders erreicht. Daher sollte der Förderbereich erwärmt werden, und bei bestimmten Fördervorgängen kann es wünschenswert sein, die Kohle in dem Trichter vorzuerwärmen, bevor sie in den Zylinder des Extruders gelangt. Außerdem kann es wünschenswert sein, die Matrize zu erwärmen, um Ablagerungen und Verklumpungen in der Öffnung zu vermeiden, insbesondere wenn die Matrize eine langgestreckte Öffnung aufweist.

Der Druck innerhalb des Druckbereiches muß wenigstens 35,2 ata betragen. Dieser Druck reicht aus, um das fluidförmige Kohleprodukt aus der Matrize herauszudrücken und flüchtige Bestandteile in einem überkritischen Zustand gelöst in Kohlemasse zu halten. Es ist anzunehmen, daß sich dadurch die Fließfähigkeit erhöht. Bei bekannten Kohleextrusionsverfahren bei Umgebungsdruck oder niedrigem Druck war es vorgesehen, diese Gase abzuziehen, indem beispielsweise eine belüftete Schraube oder Kohle verwendet wurde, die zur Entfernung von flüchtigen Bestandteilen vorbehandelt war.

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-Vl-

Bei dem erfindungsgemäßen System werden die flüchtigen Bestandteile in der Kohlemasse gehalten. Die flüchtigen Bestandteile können stromabwärts des Abgabeendes der Vorrichtung abgelassen werden. Es ist jedoch vorzuziehen, die Vorrichtung ohne Belüftung zu betreiben. Zusätzlich zu der erhöhten Fließfähigkeittragen die flüchtigen Bestandteile dazu bei, sich zusammenzuschließen und als Blasen durch die Kohlemasse aufzusteigen, wenn sie die Matrize verläßt, so daß eine Zerstäubung der Kohleteilchen hervorgerufen oder Hohlräume in der Kohle entstehen, die zu einem leichteren, schwammförmigen, sehr reaktiven Produkt führen.

Die Form des Extruders hängt ab von dem Druckverlust über die öffnung. Der Druckverlust sollte wenigstens 35 ata betragen, damit das Material wirksam ausgestoßen wird, insbesondere als zerstäubter Nebel. Wenn der Druck in dem Aufnahmebehälter unterhalb von 56 ata liegt, ist es notwendig, ein Fluid mit hohem kritischen Druck, wie etwa Wasser zu der Kohlemasse in dem Zylinder oder im Hochdruckbereich der Matrize hinzuzufügen. Der kritische Druckbereich des.Wassers beträgt 225 ata. Wenn daher der Druck in dem Aufnahmebehälter bei 225 ata oder darüber liegt, ist es notwendig, das Extrudat durch Aufsprühverfahren zu brechen. Der ausgesprühte Strom kann ein flüssiges Oxydationsmittel sein, das innerhalb einer kurzen Distanz, ähnlich wie bei Flüssigkeitsvortriebsmotoren, zu einer Zerstäubung, Mischung und Reaktion führt. Die Zugabe von Wasser im richtigen Verhältnis führt zu einer kontinuierlichen Vergasung der Kohle.

Wasserlösliche Reaktionbestandteile wie etwa Katalysatoren oder Entschwejäungsmittel können hinzugefügt werden zu dem Zerstäubungswasser oder zu der geförderten Kohle.

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Die zugeführte Kohle kann ebenfalls kleine Mengen anderer Zusätze, wie etwa Schaummittel, Schmiermittel, Dispersionsmittel, Katalysatoren und dergleichen oder reduzierbare Reaktionsbestandteile wie Metallerz enthalten.

Die Kohle ist vorzugsweise feinkörnig, so daß sie schnell auf Erweichungstemperatur erhitzt werden kann. Außerdem sollte die Größe der Kohleteilchen so gewählt sein, daß sie leicht durch den Apparat hindurchgehen. Wegen der Möglichkeit, daß Kohle harte Gesteinsverunreinigungen enthält, sollte der Durchmesser kleiner als 1/2 des minimalen Abstandes zwischen der Schraube und dem Zylinder oder des Durchmessers der Matrizenöffnung sein. Die Kohle hat üblicherweise einen Maximaldurchmesser von 2mm (Mesh 1o) und kann pulverförmig sein. Sie kann unterschiedlichen Ursprungs und verschiedener Art sein. Harte Kohlen mit über 85% festem Kohlenstoff und wenigen flüchtigen Bestandteilen sollten ausgeklammert werden, da sie nur schwierig zu erweichen und zu extrudieren sind. Bevorzugte Kohlen sind bituminöse und subbituminöse Kohlen mit 35 bis 85% Kohlenstoff, üblicherweise mit 65 bis 85% Kohlenstoff und wenigstens 15 % flüchtigen Bestandteilen.

Zum Pumpen der Kohle kann der Förderbereich eine konstante Teilung aufweisen, und der Druckbereich kann eine veränderliche Teilung aufweisen. Meß- und Dosierbereiche sollten vermieden werden, da ein Stau der fließfähigen Kohle eintritt, der zu übermäßigen lokalen Scherkräften, einer Erhitzung und einer Ablagerung fester KOhIe führt. Ebenso ist die öffnung so bemessen und gestaltet, daß eine kontinuierliche Vorwärtsbewegung der fließfähigen Kohle gewährleistet ist. Der Abstand zwischen den Gängen der Schraube und dem Zylinder muß ausreichen, um einen Rückstrom der fließfähigen Kohle entlang dem Zylinder zu ver-

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hindern, jedoch ausreichen, um übermäßigen Verschleiß auszuschließen. Der Abstand liegt üblicherweise bei 0,025 bis 0,075, insbesondere bei 0,05 mm.

Die Form des Extrudats wird gewählt in Abhängigkeit von den Anforderungen der weiterverarbeitenden Vorrichtung. Selbstzerstäubende Nebel werden als Kohlepumpe für Vergasungsanlagen mit mitgerissenem Strom oder Fließbett verwendet. Der Extruder kann ohne weiteres betrieben werden bei 352 ata bis 1056 ata und darüber, so daß es sich um eine zuverlässige, kontinuierlich arbeitende Fördereinrichtung für die Hochdruck-Kohleverflüssigung, Verbrennung oder Reaktion handelt.

Schließlich kann pulverförmiges Metallerz intensiv mit der Kohle gemischt werden, gegebenenflalls mit unter Umständen notwendigen Flußmaterialien. Das Gemisch kann sodann in einen kontinuierlichen Extruder eingeleitet und erwärmt werden. Der abgegebene plastische Strahl wird beispielsweise mit einem Oxydationsmittel, beispielsweise mit flüssigem Sauerstoff mit hohem Druck beaufschlagt. Es tritt eine Reaktion ein, und geschmolzenes Metall und Schlacke fallen zum Boden des Behälters, in den die Mischung eingeleitet worden ist. Flüssiges Metall wird am Boden des Behälters abgezogen und Schlacke kann in einem mittleren Bereich entnommen werden.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.

Figur 1 ist eine schematische Querschnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Extrusionsvorrichtung zur kontinuierlichen Extrusion von Kohle;

Figur 2 veranschaulicht einen Querschnitt einer anderen Extrusionsvorrichtung;

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Figur 3 zeigt einen schematischen Schnitt zur Veranschaulichung der Anwendung der Erfindung zum Zünden eines Ofens;

Figur 4 zeigt einen schematischen Schnitt zur Veranschaulichung der Anwendung der Erfindung auf ein Pyrolyseverfahren;

Figur 5 ist ein schematischer Schnitt zur Ver anschaulichung der Anwendung der Erfindung auf ein Entschwefelungs- und/ oder Verflüssigungsverfahren;

Figur 6 zeigt einen schematischen Schnitt zur Veranschaulichung der Verwendung der Erfindung für einen Kohlereaktor;

Fig. 7u.8 sind eine schematische Aufsicht und Ansicht zur Veranschaulichtung der Anwendung der Erfindung auf die Erzreduktion.

Figur 1 veranschaulicht ein erfindungsgemäßes Verfahren zur kontinuierlichen Kohleextrusion in einer bevorzugten Ausführungsform. Ein Antriebsmotor 1o treibt eine Welle 12, die mit einer Schraube 14 gekuppelt ist. Die Schraube und die Welle sind in bekannter Weise gelagert und abgestützt durch ein Lager 16, so daß die Schraube in einem Zylinder 18 gedreht werden kann. Das Ende des Zylinders, das der Welle des Antriebsmotors gegenüber liegt, weist eine öffnung auf, die durch eine Matrize 2o verengt ist, die an einem Ende des Zylinders angebracht ist. An dem Zylinder liegen in Abständen Heizorgane 22 und 24, denen von einer Energiequelle 26 Heizleistung zugeführt wird.

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Kohle wird in den Zylinder 18 unmittelbar oberhalb des ersten Ganges 30 der Extrusionsschraube mit Hilfe eines Kohletrichters 32 eingeleitet.

Bei Durchführung des Verfahrens wird gemahlene Kohle, wie etwa bituminöse Kohle in den Kohletrichter 3.2 eingeleitet und durch den ersten Gang 30 bei Drehung der Schraube 14 mitgenommen. Die Kohle wird zerstoßen und vorgeschoben und durch die sich drehende Schraube wird Druck in Richtung der Matrize 20 ausgeübt. Die Heizotgane 24 erhöhen die Temperatur der Kohle auf 39o bis 490° C, so daß die Kohle in einen plastischen Zustand.umgewandelt wird. Bei weiterer Drehung der Schraube wird die plastische Kohle durch die öffnung der Matrize 20 in einem kontinuierlichen Strom oder Strahl extrudiert.

Figur 2 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform einer Vorrichtung zur Extrusion von plastischer Kohle, die jedoch weniger vorteilhaft ist. In diesem Falle weist die Matrize 36 eine öffnung 38 auf, die anfangs beispielsweise durch einen geeigneten ausstoßharen Stopfen oder ein Ventil verschlossen sein kann. Der Hohlraum der Matrize ist mit Kohle 40 gefüllt, die zuvor zerstoßen worden ist. Elektrische Heizorgane 42 und 44 erwärmen die Kohle auf ihren plastischen Zustand. Anschließend wird ein Stempel 46, der aus Graphit bestehen kann, durch einen Kolben 48 gegen die plastische Kohle gedrückt. Die Temperatur und der Druck werden ausreichend erhöht, damit der Stopfen herausgedrückt oder das Ventil geöffnet werden kann, und die plastische Kohle wird herausgedrückt. Diese Anordnung ist deshalb weniger zweckmäßig, da sie nicht kontinuierlich arbeitet. In denjenigen Anwendungsfällen, in denen ein kontinuierliches Extrudieren von plastischer Kohle nicht erforderlich ist, kann jedoch diese Anordnung ver-

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wendet werden. Außerdem kann eine Anzahl derartige*- Vorrichtungen nacheinander zur Erzielung einer im wesentlichen kontinuierlichen Zufuhr von plastisnher Kohle eingesetzt werden.

Figur 3 zeigt eine einfache Anwendung für die erfindungsgemäße kontinuierliche Zufuhr von plastischer Kohle in einen Ofen 50, der bei Drücken in der Nähe des Umgebungsdruckes betrieben wird. Der Ausstoß der Matrize 20 verflüchtigt sich teilweise als Kohle- oder Kokspartikel und Gase und gelangt in einen Zündkasten 52 des Ofens. Luft aus einer nicht gezeigten Luftquelle wird mit Hilfe eines Rohres 54 in den Zündkasten 52 eingeleitet, geht durch Verwirbelungsflügel 55 hindurch und wird mit dem extrudierten Strahl der plastischen Kohle vermischt.

Viele Kohlearten werden bei Erwärmung in einen Bereich von 390 bis 490° C plastisch. Innerhalb dieses Bereiches weisen viele Kohlen einen Temperaturbereich maximaler Fließfähigkeit auf. Für die Anwendung der Erfindung sollte der Bereich der maximalen Fließfähigkeit für eine bestimmte, zu verwendende Kohlesorte zuvor durch bekannte Verfahren bestimmt werden, und die Temperatur der Heizorgane an dem Zylinder des Extruders sollte so gewählt werden, daß dieser Temperaturbereich für die extrudierte, plastische Kohle vorliegt, so daß die erforderliche Extrusions-Arbeit auf ein Minimum gebracht und sichergestellt wird, daß die Kohle plastisch wird. Eine Extrusion ist unter diesen Temperaturbedingungen möglich bei Drücken im Bereich von 140,6 bis 843,6 atü. Das Kohleextrudat verdampft beim Drücken durch die Matrize in einen Bereich niedrigeren Druckes teilweise schlagartig, da die höher siedenden Bestandteile ausfallen, so daß der Strahl oder Strom in einen Nebel aus einem Pulver,vermischt mit Verdampfungsprodukten desintegriert wird. '

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-Vf-

In seiner Wirkung erreicht dieses Verfahren das gewünschte Ziel einer Einleitung von Kohle in einen Ofen in einer abschließend unterteilten und sehr reaktiven Form. Obgleich Schraubenextrusxonen und Extrusionen durch einen Kolben verwendet werden können, ist Schraubenextrusion, die ein kontinuierliches Arbeiten ermöglicht, vorzuziehen, da alle Kohlegrößen unterhalb einer bestimmten Maximalgröße, vorzugsweise zur Aufrechterhaltung eines Abstands zwischen dem kleineren Schraubendurchmesser und dem Zylinder und unterhalb der Größe der Öffnung der Matrize verwendet werden können. Bei der Kolbenanordnung gemäß Figur 2 ist eine ähnliche Anforderung wünschenswert.

Obwohl Figur 3. die Verwendung der Erfindung zum Zünden oder Heizen eines Heizkessels mit Atmosphärendruck zeigt, ist sie nicht auf die Brenner beschränkt, die mit Atmosphärendruck arbeiten. Vielmehr kann sie auch zum injizieren von Kohle in öfen und Vergasungsanlagen verwendet werden, die mit höherem Druck arbeiten. Bei Reaktordrücken über etwa 28,1 ata besteht die zunehmende Tendenz des Extrudats, einen zusammenhängenden Strahl zu bilden, und bei Reaktordrücken über 56,2 ata entsteht üblicherweise ein zusammenhängender Strahl, wenn die jeweilige Kohle frei von Feuchtigkeit ist.

Unter diesen Bedingungen kann jedoch nach wie vor eine Zerstäubung der Kohle bei der Extrusion erzielt werden, wenn flüssiges Wasser in den Extruder gemäß Figur 5 eingeleitet wird, und zwar entweder am Ende der Schraube oder in die Matrize. Dieses Verfahren ist auf Reaktordrücke unterhalb 225 ata beschränkt. Oberhalb dieses Druckes kann eine Zerstäubung erreicht werden durch Aufblasen eines Strahls, wie es hier ebenfalls beschrieben wird. Daher bewirkt bei Reaktordrücken unterhalb 56,2 ata das erfindungsgemäße Verfahren zum Injizieren von Kohle, daß

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ein Strahl zerstäubter Kohle in einen Brenner oder eine Vergasungsanlage eingeleitet wird. Wenn der Reaktordruck zwischen 56,2 und 225 ata liegt, kann Wasser mit der Kohle zur Unterstützung der Zerstäubung bei der Injektion vermischt werden. Bei Reaktoren, bei denen diese Druckgrenzen überschritten werden, können stoßartig auftreffende Strahlverfahren (Strahl auf Strahl oder Strahl auf feste Körper) zur Zerstäubung der Kohle verwendet werden.

Figur 4 zeigt einen vereinfachten Querschnitt durch eine Vorrichtung zur Durchführung einer kontinuierlichen Pyrolyse der Kohle. Die Kohle wird in plastischem Zustand aus der Matrize 2o in einen Kanal, beispielsweise eine zylindrische Bohrung, in einem schweren Block 56 aus Metall extrudiert, dessen Abmessungen und Materialfestigkeit so gewählt sind, daß die plastische Kohle bei Extrusionsdrücken sicher begrenzt wird. Ein Temperaturgradient wird über die Länge des Kanals aufrechterhalten, und es werden Heizorgane 58, 59, 6o verwendet, durch die die Temperatur von der Temperatur der maximalen Fließfähigkeit der jeweiligen Kohle oder eines anderen Kohlenstoffhaltigen Materials, beispielweise Erdölrückständen, am Einlaß des Kanals auf einen höheren Wert an der Auslaßöffnung des Kanals erhöht werden kann. Eine wesentliche Anforderung liegt darin, daß die Kombination des Temperaturgradienten und des Bewegungsdurchsatzes der Kohle so geregelt werden, daß eine Verkokung vor dem Erreichen der Auslaßöffnung nur in geringem Maße eintritt. Wenn zugelassen wird, daß in größerem Maße eine Verkokung eintritt, wird der Strom unterbrochen, da Koks keine ausreichende Plastizität oder Fließfähigkeit in dem Temperaturbereich von 390 bis 490° C und bei Drücken von 140,6 bis 843,6 atü aufweist, wie sie bei der Extrusion von Kohle verwendet werden. Beispielsweise sollte bei Verwendung von bituminö-

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ser Utah-Kohle mit einer Temperatur des Plastifizierungsbeginns von 38o°C bei einer Temperatur von 38o°C an der Matrize 2o und 42o°C an der Auslaßöffnung 61 des Kanals die Verweilzeit zur Vermeidung einer Verkokung 1o Minuten nicht überschreiten. Bei kürzeren Verweilzeiten unterhalb einer Minute können noch höhere Temperaturen an der Auslaßöffnung bis hin zu 7oo bis 800⁰C verwendet werden. Unter diesen Umständen sollte der Matrizenkörper jedoch auf einer Temperatur unterhalb 49o°C zur Vermeidung einer frühzeitigen Verkokung gehalten werden.

Die erhitzte plastische Kohle wird durch die Auslaßöffnung 61 des Blockes 96 in eine Kammer 62 extrudiert, die als Kollektor bezeichnet werden kann und einen geringeren Druck aufweist, beispeilweise einen Druck zwischen dem Atmosphärendruck und 35,2 atü, je nach dem Verarbeitungszug hinter der Pyrolyseeinheit. Der Kohlestrahl, der Anteile mit Dampfdrücken enthält, die über dem Aufnahmedruck liegen, zerfällt, wenn die Anteile mit höherem Dampfdruck ausfallen. Es entsteht ein Nebel aus fein zerteilten Kohle- oder Koksteilchen und flüchtigen Bestandteilen der Kohle. Diese können getrennt durch bekannte Einrichtungen gesammelt und weiter verwendet werden. Der Kollektor kann ein Zyklon sein oder ein mehrstufiger Zyklon. Er weist ein Abgasrohr 64 auf, das die flüchtigen Kohlebestandteile abführt. Der Nebel aus fein verteiltem Koks (char= HoIz₇, Knochenkohle), der zum Boden des Kollektors herabfällt, kann durch eine geeignete Einrichtung abgezogen werden. Die Temperatur der Kohle an der Auslaßöffnung 61 hängt ab von der Kohleart, sollte jedoch nicht unter 490° C, einer üblichen Verkokungstemperatur ■ liegen.

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- 3β -

Λ*

Eine Regulierung des Extrusionsdurchsatzes, der Extrusionstemperatur, des Extrusion- Temperaturgradienten, der Größe und Form der Matrize und der Auslaßöffnung und der Temperatur und des Druckes des Aufnahmebehälters sind zur Anpassung an die Eigenschaften einer bestimmten Kohle, eines Kohlegemisches oder anderer kohlenstoffhaltiger Materialien, die extrudiert werden, erforderlich. Daduch dann jeder gewünschte Grad der Verflüchtigung der Kohle erzielt werden. Es ist bekannt, daß eine rasche Verflüchtigung die Flüssigkeitsausbeute fördert. Wenn eine hohe Flüssigkeitsausbeute gewünscht ist, werden die Matrize und der Kanal auf einer etwas höheren Temperatur gehalten, als sie für die Kohle erforderlich ist, und der Kohledurchsatz wird entsprechend einer Verweilzeit von 1 bis 5 Sekunden eingestellt. Dieses Verfahren liefert einen sehr reaktionsfähigen Koks (char) sowie Pyrolyse-Öl und Gase.

Figur 5 ist eine schematische Querschnittsdarstellung einer Vorrichtung zur Entschwefelung von Kohle gemäß der vorliegenden Erfindung. Bei der praktischen Anwendung der Erfindung werden verdünnte wässrige Lösungen von Natriumoder Kaliumsalzen, wie Acetaten, Formaten, Carbonaten, Bicarbonaten, Haliden oder dergleichen (z.B.KCl, K₃COo, KHCO₂, KCH₃CO₂, NaCl, Na₂CO₃,Na₂HCO₃, NaHCO₂, oder NaCH₃, CO₂, KHCO₃, CHO₂K, CH₃CO₂K, CHO₂Na oder CH₃CO₂Na) mit Hilfe einer Pumpe 66 aus einem Behälter 68 für eine Katalysatorlösung in den Bereich der Extrusions-Schraube 14 injiziert, der unmittelbar vor dem letzten Gang der Schraube oder unmittelbar vor dem Einlaß der Matrize liegt. Die Scherwirkung in diesem Bereich und im Einlaß der Matrize ist bekannt zum Abbauen der Hochpolymere durch Brechen der chemischen Bindungen. Im Falle von Kohle, Erdölrückstand, Asphalt oder ähnlichen Materialien in Anwesenheit von überkritischem Wasser werden die Bedingungen im Ex-

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- 24 -

trusionsbereich so geregelt, daß der kritische Druck von 225 ata und die kritische Temperatur von 374° C des Wassers überschritten werden. Durch diesen chemischen Vorgang wird eine Reaktion der Kohlemoleküle mit Wasser eingeleitet, die dazu führt, daß Wasserstoff zu den Kohlemole külen hinzutritt, die Bindungen, die Schwefel festhalten, gelöst werden, H₃S gebildet und die. Kohle verflüssigt wird

Die Reaktionszeit, die zwischen wenigen Sekunden und 15 Minuten in Abhängigkeit von der Art der Kohle liegen kann, wird bei diesem Verfahren geregelt durch den Injektionsdurchsatz und die Länge des Extrusionskanals, des Schergrades angesichts der Eigenschaften der Kohle und der Extrusionsschrauben der Temperatur durch beliebige Einrichtungen und des Druckes durch die Injektionsdurchsätze und die Öffnungabmessungen. Die Extrusionsbedingungen werden so eingestellt, daß Temperaturen über der Temperatur der maximalen Fließfähigkeit der Kohle, beispielsweise im Bereich der maximalen Scherwirkung, und Drücke im Bereich von 246 bis 844 atü erreicht werden. Zur Erzielung der gewünschten Temperaturen und der Verweilzeit kann die Matrize 20 verlängert werden, und Heizorgane 21, 23, 25 können entlang der Matrize zusätzlich zu den Heizorganen 22, 24 auf dem Zylinder der Extrusionsschraube angeordnet werden.

Wenn Erdölrückstände in den Extruder eingeleitet werden, werden die Rückstände durch Entfernen von Schwefel und die Zugabe von Wasserstoff auf einen höheren Grad gebracht. Sauerstoff in dem Wasser wird schließlich zu CO und CO-umgewandelt, obgleich er Stadien durchlaufen kann, bei denen es in organische Materialien wie die Alkoholgruppen oder Carbonylgruppen oder beide eingebettet sein kann.

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Das entstehende Produkt wird in einen Kollektor 70 extrudiert, in dem H₂S und alle leichten Wasserstoff- Kohlenstoff- Gase gesammelt werden, und H₂S wird auf bekanntem Wege entfernt. Das flüssige Produkt wird vom Boden des
Kollektors abgezogen und kann sodann raffiniert oder auf andere bekannte Weise verwendet werden.

Frisch abgebaute Kohle kann auf diese Weise im Bergwerk
umgewandelt/ an die Oberfläche gefördert als Flüssigkeit verteilt werden.

Figur 6 veranschaulicht einen schematischen Schnitt einer Ausführungsform der Erfindung, die als Kohlereaktor für hochintensive Reaktionen verwendet wird. Kohle wird in plastischem Zustand in einen Druckbehälter 72 mit relativ hohem Druck (197 bis 352 ata) in der Form eines zusammenhängenden Strahl eingeleitet. Dieser Strahl trifft auf einen oder mehrere Strahlen eines Oxydationsmittels, das durch eine Düse 74 zugeführt wird. Das Oxydationsmittel kann flüssiger Sauerstoff, flüssige Luft, gasförmiger Sauerstoff, gasförmige Luft oder flüssiges N₂O, oder ein anderes in der Verbrennungstechnik bekanntes Oxydationsmittel sein. Als Ergebnis des Zusammentreffens der Strahlen tritt bei der Berührung der heißen Kohle in plastischem Zustand und des Strahls aus flüssigem Sauerstoff eine Zündung bei Berührung ein, das heißt, die Verbrennung ist hypergol. Der Druck wird in dem Druckbehälter durch Einrichtungen aufrechterhalten,die in der Raketentechnik bekannt sind, das heißt, der Druck wird in dem Druckbehälter bestimmt durch den Massenstrom der Reaktionsmittel in dem Reaktionsbehälter, die Thermochemie der reagierenden Mischung und die Fläche der Austrittsöffnung (Engstelle) der Reaktionskammer.

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3ο

Der Vorteil dieses Verfahrens des Zusammenführen von Kohle und Oxydationsmittel liegt in dem ausgezeichneten Mischprodukt, das durch die beiden Strahlen gebildet wird, wenn die dynamischen Eigenschaften der Strahlen in geeigneter Weise zur optimalen Vermischung nach Grundsätzen ausgewählt werden, die bei der Injektortechnik von Flüssigkeitsraketen bekannt sind. Insbesondere ist die Verwendung einer Anzahl von auftreffenden Brennstoffstrahlen (beispielsweise Kohle) und Oxydationsmitteln (beispielsweise flüssiges O₂), wie es bei Flüssigkeitsantrieben bekannt ist, geeignet für die Herstellung von Reaktoren beliebiger Größe. Der Effekt einer intensiven Vermischung und einer wirksamen Zerstäubung der Reaktionsteilnehmer liegt darin, daß die Reaktion gefördert wird, während der Verbrennungsprozeß in einer kurzen Zeit im Vergleich zu üblichen Verfahren der Verbrennung von Kohle und anderen viskosen Kohlenstoffmaterialien abgeschlossen wird. Es können daher wesentlich kleinere Anlagen verwendet werden, die mit wesentlich höheren Drücken arbeiten, als es bisher in der Praxis üblich ist, wenn das erfindungsgemäße Verfahren angewendet wird.

Dieses Verfahren ist sowohl auf Brenner- als auch auf Vergasungsanlagen anwendbar. Im Falle von Vergasungsanlagen muß Wasser zu der Kohle oder einem anderen kohlenstoffhaltigen Brennstoff hinzugegeben werden, und die Stöchiometrie muß so eingestellt werden, daß die Bildung von H₂ und CO begünstigt wird, wie es bei der Vergasung von Kohle üblich ist. Wasser kann entweder als zusätzlicher Fliudstrahl im Auftreffpunkt der Strahlen hinzugegeben oder in die Extrusions-Matrize gemäß Figur 5 am Eintritt der Extrusionsöffnung eingespritzt werden. Synthesegas oder Gas mit niedrigem Heizwert (BTU) kann in Vergasungsanlagen hergestellt werden, die die vorliegende Erfindung anwenden. Dies hängt ab von der Verwendung von reinem O₂ oder Luft bei der Vergasungsreaktion.

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- TA -

Ein weiterer nützlicher Anwendungszweck der Erfindung ist schematisch in Figur 7 und 8 veranschaulicht. Dieser Fall ist für die kontinuierliche Reduktion von Erzen vorgesehen. Figur 7 ist eine teilweise geschnittene Draufsicht und Figur 8 zeigt einen senkrechten Schnitt. Hier wird nicht nur Kohle in den Kohletrichter 32 eingeführt, wie es im Zusammenhang mit Figur 1 angegeben wurde, sondern pulverförmiges Metallerz wird intensiv mit der Kohle und einem notwendigen Flußmittel vermischt, und das Gemisch wird durch den Kohletrichter in den Extruder überführt und in der beschriebenen Weise erwärmt. Der Strahl dieses Gemisches trifft auf einen Strahl eines Oxydationmittels, beispielsweise flüssigen Sauerstoff, der durch eine Düse 74 aus einer nicht gezeigten Quelle in eine Kammer 76 eintritt. Die Kammer 76 ist in bekannter Weise mit einem hitzebeständigen Material ausgekleidet. Figur 7 zeigt nur eine Injektionsdüse, die so angeordnet ist, daß der resultierende Momentenvektor im Punkt des Zusammentreffens der Strahlen tangential zu der Kammer verläuft. Es liegt auf der Hand, daß eine Anzahl derartiger Injektoren radial und axial verteilt in der Kammer 76 verwendet werden können. Es tritt eine Reaktion ein, und geschmolzenes Metall und Schlacke fallen in Richtung des Bodens der Kammer. Ein Anstich 78 zwischen dem Boden der Kammer und dem Reaktionsbereich wird verwendet zum Abziehen der Schlacke. Das flüssige Metall kann vom Boden der Kammer in bekannter Weise abgezogen oder periodisch entnommen werden.

Der in Figur 7 und 8 schematisch gezeigte Reaktor mit aufeinandertreffenden Strahlen ist bei Flüssigkeits antrieben in Raketen bekannt, wie es auch bei dem Verfahren der optimalen Vermischung und Zarstäubung von aufeinandertreffenden Strahlen der Fall ist. Dieses Prinzip kann bei

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der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung zur Erzielung einer maximalen Reaktionsrate angewendet werden.

Die Erfindung beschreibt daher ein Verfahren und Vorrichtungen zun Plastifizieren von Kohle oder Kohlenstoffprodukten und zur Verwendung der plastifizierten Kohle nach dem Extrudieren aus einer Matrize.

Die Erfindung schlägt somit vor, Kohle durch Erwärmung in den plastischen Zustand zu überführen und kontinuierlich, beispeilsweise mit Hilfe einer Extrusionsschraube zu extrudieren. Anschließend kann die Kohle kontinuierlich in Behälter oder brenner mit beliebigem Druck bis zu dem Maximaldruck der Extrusionseinrichtung injiziert werden. Die Kohle kann mit anderen Materialien innerhalb des Extruders in plastischem Zustand vermischt werden, bevor sie extrudiert wird, so daß während der Extrusion Reaktionen eintreten, durch die beispielsweise die Kohle entschwefelt wird. Alternativ kann die Kohle nach der Extrusion behandelt und zur Reaktion gebracht werden, beispielsweise mit Oxydationsmitteln, so daß ein Kohlereaktor entsteht. Eine weitere Anwendung der Erfindung liegt darin, eine kontinuierliche Pyrolyse der Kohle durchzuführen oder die extrudierte Kohle in öfen zu extrudieren, die im Bereich des Umgebungsdruckes arbeiten.

Beispiel 1

Die Fließfähigkeit der extrudierten Kohle wurde in einem kleinen Kolben-Matrizen-Extruder entsprechend Figur 2 bestimmt. Die zylindrische Kammer wies einen Durchmesser von 7,6 mm und einen Boden mit einem Kegelwinkel von 30⁰C sowie eine öffnung mit einem Durchmesser von 1,3 mm auf,

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-JW-

die durch ein kleines Stück Zink verstopft war. Die Kammer, der Kolben und die Matrize wurden auf 377° C mit einer Bandheizung erwärmt. Bituminöse Utah-Kohle wurde hinzugegeben, ein Graphitstempel wurde eingesetzt und der Kolben wurde eingefügt. Die Druckkraft wurde auf 454 bis 9o8 kg (352 bis 7o4 ata) eingestellt, während die Matrize auf eine höhere Temperatur durch Steigerung der Spannung der Bandheizung erwärmt wurde. Bei etwa 400 bis 420° C wurde der Zinkstopfen geschmolzen oder herausgedrückt und die plastische Kohle an die Atmosphäre extrudiert, so daß ein Nebel pulverförmiger und teilweise flüchtiger Kohle aus der Matrizenöffnung austrat.

Wenn das Experiment ohne Anwendung von Wärme durchgeführt wurde, ließ sich die Kohle nicht extrudieren. Es war nicht zu erwarten und durchaus überraschend, daß die flüchtigen Bestandteile in der plastischen Kohle dazu beitragen würden, einen verteilten, versprühten Kohleteilchennebel herzustellen. Vielmehr war anzunehmen, daß ein kontinuierliches, zylindrisches, plastisches Kohleextrudat entstehen würde.

Beispiel 2

Ein weiterer Versuch wurde durchgeführt in einer Kolben-?- einrichtung mit einer seitlichen öffnung von 0,5 mm gemäß Figur 2 und einem inneren Kammerdurchmesser von 25 mm. Bituminöse Utah-Kohle wurde auf 39o° C und 352 ata gebracht, und es entstand ein flüchtiger Nebel aus feinen Kohleteilchen, der aus der öffnung an der Seite der Matrize austrat. Offensichtlich waren flüchtige Bestandteile, die während der Erwärmung der Kohle entstanden, zu Blasen zusammengedrückt, und sie traten unter Verdampfung aus,

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als der plastische Strom durch die Matritze mit hohem Druck an die Atmosphäre extrudiert wurde. Die Sammlung des Dampfes und das Wachstum der Blasen trat mit ausreichend hoher Geschwindigkeit zum Zerstäuben der Kohle ein.

Die Ausgangsdaten der rheologischen Eigenschaften der Kohle wurden mit einem Capillar-Rheometer vom Fabrikat JPL gemessen. Es wurden Capillare mit kurzem L/B-Verhältnis verwendet, und es waren erhebliche Korrekturen gegenüber den errechneten Scherspannungen erforderlich. Diese Daten zeigen an, daß die Fließfähigkeit der Utah-Kohle mit der Erwärmungszeit stark abnimmt. Kohle, die 2o bis 3o Minuten vor der Extrusion erwärmt wird, ist extrem viskos (Scherrate von etwa 0,4 see für Scherspannungen von-22,5 ata). Dies ist um Größenordnungen viskoser als übliche thermoplastische Stoffe. Qualitative Ergebnisse einer abgewandelten Form des Rheometer zeigten wesentlich höhere Scherraten bei niedrigeren Seherspannungen bei kürzeren Erwärmungszeiten von 5 bis 1o Minuten. Diese Ergebnisse stehen in qualitativer Übereinstimmung mit dem beobachteten Leistungsbedarf des Extruders bei vergleichbaren Kohleverweilzeiten.

Empirische Untersuchungen der Extrusionstemperaturen wurden durchgeführt unter Verwendung der Capillar - Rheometrie durch Extrudieren von platischer Kohle durch eine Capillare mit kleinem L/D-Verhältnis bekannter Abmessungen bei feststehendem Druck und feststehender Erwärmungsrate. Geschätzte Extrusionstemperaturen sind in der folgenden Tabelle gezeigt.

	Tabelle 1	Extrusionstemperatur
Kohle	Geschätzte	88o ⁰F
Utah	415 ⁰C	775-784
Elkhorn-Hazard	413-418	748
Kentucky No.9	398	739
Milburn No.4	393

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Sodann wurde eine Schraubenextrusion von plastischer Kohle mit einem herkömmlichen Extruder für thermoplastische Materialien unter Verwendung einer herkömmlichen 8ocm-Polyaethylenschraube mit Meß- und Dosierbereich von 27,7cm.am Ende (Beispiel 6) und einer 84cm-Schraube ohne Meßbereich und zunehmende Kompression (Beispiel 3,4 und 5) versucht. Das Kompressionsverhältnis (C.Ri ist das Verhältnis der Ringfläche der Förderung zu den Kompressionsabschnitten:

CR. = Ringfläche zwischen dem Zylinder und der Schraubenwurzel im Förderbereich

Ringfläche zwischen dem Zylinder und der Schraubenwurzel am Punkt maximalen Schraubenwurzeldurchmessers

Der Extruder (Centerline Machinery Co., Santa Ana, Calif.) hatte einen Zylinder mit einem Innendurchmesser von 38mm mit einer Auskleidung aus hochlegiertem Stahl Xaloy 1o1. Der Außendurchmesser des Zylinders betrug 89mm, und der Zylinder bestand aus 414o-Stahl. Die öffnung hatte einen Durchmesser von 4,8mm und verlief konisch. Der Zylinder und die Matritze waren mit Hilfe von zw ei hydraulisch betätigten Klammern zusammengespannt.

Die analytischen Daten der verwendeten Kohlesorten und ein Extrudat sind in Tabelle 2 wiedergegeben.

Alle Kohlen enthielten Pulver und waren luftgetrocknet, ausgenommen diejenige des· Beispiels 5, in dem Kentucky-Kohle Nr. 9 in Luft bei 121⁰C vorgetrocknet wurde. Der Klemmdruck betrug 281 bis 352 ata, und stromabwärts der Matritze herrschte Atmosphärendruck. Die anderen Variablen sind in Tabelle wiedergegeben.

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Tabelle 2

Analyse

Utah

Elkhorn Kv.#9

Hasard (Ky.) (Ky.)

Ibu rn (W.Va.)*

Kilbum #4

Extrudate(W.Va)

Näherungsanalyse
(beim Enpfang)

Feuchtigkeit, Gew.-%
Asche, Gew.-%
Flüchtige Teile, Gew.-%
Fester Kohlenstoff, Gew.
Heizwert, BTU

Schwefel, Gew.-%

Abschluß-Analyse
(beim Enpfang)

Wasserstoff, Gew.-%
Kohlenstoff, Gew.-%
Stickstoff, Gew.-%
Sauerstoff, Gsw.-%

2.SS	2.90	3.58
5.82	4.10	8.93
45.83	38.59	40.36
45.65	54.41	47.13
13220	13377	12783
ft IA	0.95	3.22

6.41

73.22

1.48

12.33

5.75

75.37

1.67

11.15

3.45

10.13

32.20

54.16

13233

2.59

5.25

77.56

1.19

3.23

2.9C

8.86

31.30

56.94

13587

. 2.25

5.2S

73.54 cv 1.27 «* 8.79

Kohle-Plastizität
(Giesler Plastometer)

Max.Fließfähigkeit (D.D.P.M.) 5.3

Temp.bei max. Fließfähigk. 429·* C

Temp.bei Beginn (1D.D.P.M.) 407«» C

Temp.am Ende (1D.D.P.M.) 44l* C

Temperaturbereich 34* C

Index f.freies Quellen

2.0

luftgekühlt

615	795	28,000+	1845	K3
441^eC	426^eC	432-456°C	447⁰C	CJ?
4Q4^eC	386«C	377⁰C	352^eC	cn
4S6^eC	451^eC	483⁸C	4S5^eC	K)
62^CC	75°C	lll'C	133⁰C	GO
6.0	5.5	8.5	8.0

Kortpressionsverhältnis
Schraube

Milburn # 4
(W. Va.)

(-10 mesh)

6,5 kg/h

f 14o°C

Tabelle

3

(010 mesh)

6,5 kg/h

149⁰C

Kentucky '9
(Ky)

Utah
(Mine

unbekannt)

gesamt

Kohlegröße

3.2

58

343

Elkhorn-Hazard
Gemisch (Ky)

12o

399

2.6

3.2

Förderdurchsatz

2nm

421

3.2

427

2mm (-10 mesh)

o,84mra (-20mi

Schraubendrehzahl
U/min

421

2ππι

427

4,5 kg/h

3oocc

Temperatur (°F/°C)

3oo°F j

421

3oo°F /

427

12o

32

' 15,6°C

65o

7,9kg/kwh

75o

4kg/kwh

221

-J
O

Vorheizung

79o

8oo

338

co

Förderbereich

79o

8oo

5oo°F / 26o°C

6o°F /

388

OO

Anfang
Kornpressionszone

79o

8oo

65o 343

43o

382

Ende
Kornpressionszone

17,4

8.9

8oo 427

64o

0765

Matrize

8oo 427

73o

Ausstoß lb/kw hr

8oo 427

72o

(-5o) 22,7kg/kwh

CD -F-CJ)

Die Utah-Kohle des Beispiels 6 wurde extrudiert als zerstäubter Nebel. Es lagerten sich jedoch Feststoffe aufgrund übermäßiger Scherwirkung und Verweilzeit der plastischen Kohle in dem Meß- und Dosierbereich ab, und eine kleine Kohlemenge (3oocm³) und damit weniger als 1/2kg wurde intermittierend über einen Zeitraum von 15 bis 2o Minuten extrudiert. Es entstand der Eindruck, daß die Temperatur zu niedrig war. Die Extrudate der Beispiele 3,4 und 5 traten kontinuierlich und zuverlässig aus, und es entstand ein poröser, schwammförmig aussehender Stab. Bei Verwendung einer kleineren Matritzenöffnung und eines höheren Druckes im Kompressionsbereich ergab sich ein feinzerstäubter Nebel beim Austreten der flüchtigen Bestandteile aus dem Extrudat.

- Patentansprüche -

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum kontinuierlichen Verarbeiten und Fördern von Kohle in eine Verbrauchsvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß man die Kohle unter Aufbringung von Druck auf eine Temperatur erwärmt, bei der die Kohle plastisch wird, und daß man die plastifizierte Kohle in die Verbrauchsvorrichtung extrudiert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man auf die plastifizierte, extrudierte Kohle einen oxydierenden Strahl auftreffen läßt und den Druck derart einstellt, daß die Kohle vergast wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die extrudierte, plastifizierte Kohle im wesentlichen bei Atmosphärendruck sich verflüchtigen läßt, daß man die verflüchtigte, plastifizierte Kohle mit Luft mischt und daß man das Gemisch zündet.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die extrudierte, plastifizierte Kohle

in einen Bereich überführt, in dem der Druck geringer als der Druck der extrudierten, plastifizierten Kohle ist, daß man den Druck der plastifizierten Kohle im wesentlichen auf dem Wert hält, bei dem sie extrudiert wird, während sie in dem Bereich niedrigeren Druckes überführt wird, daß man die Temperatur der extrudierten, plastifizierten Kohle bei der Überführung in dem Bereich geringeren Druckes auf einen Wert erhöht, der unterhalb der Verkokungstemperatur liegt und daß man die plastifizierte Kohle beim Eintreten in den Bereich geringeren Druckes auf diese Weise in flüchtige Kohlebestandteile und fein verteilten Koks ( char =Holzkohle, Tierkohle) zerfallen läßt.

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ORIGINAL INSPECTED

(Xr

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man eine wässrige Lösung aus einem Salz der Gruppe der Natrium- und Kalium-Salze unter Druck in die plastifizierte Kohle vor der Extrusion injiziert und auf diese Weise die Kohle bei der Extrusion verflüssigt und entschwefelt.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Kohle mit einem pulverförmigen Metallerz und Flußmaterialien vor der Erwärmung vermischt und eine Mischung aus plastifizierter Kohle und Erz extrudiert, und daß man das Gemisch aus extrudierter, plastifizierter Kohle und Erz in einem Strahl mit einem Oxydationsmittel zusammenpressen läßt und die plastifizierte Kohle oxydiert und das pulverförmige Metallerz in eine Mischung aus flüssigem Metall und Schlacke umwandelt.

7. Verfahren zum Verarbeiten und Fördern von teilchen-

förmiger Kohle, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Kohle bei hohem Druck in dem Zylinder eines Extruders komprimiert und gleichzeitig auf eine Temperatur erwärmt,, bei der die Kohle mit geringer Energie extrudierbar ist und daß man die erwärmte, komprimierte Kohle durch eine Matritze extrudiert, deren Durchmesser kleiner als der Durchmesser des Zylinders ist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Extruder eine Schraube zur kontinuierlichen Verschiebung der Kohle durch den Zylinder und die Matrize aufweist.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die öffnung der Matrize einen Durchmesser aufweist, der höchstens 1/4 des Durchmessers des Zylinders beträgt.

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1ο. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressionsdruck, der auf die Kohle ausgeübt wird, wenigstens 35,2 ata beträgt.

11. Verfahren nach Anspruch 1o, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressionsdruck 562 bis 1o5o ata beträgt.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß man die Extrusionstemperatur auf den Wert einstellt, bei dem die Kohle eine Viskosität von weniger als 5ooo poise aufweist.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß man die Temperatur auf einen Bereich von 325 bis 5oo°C einstellt.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß man die Kohle innerhalb des
Kompressionsbereiches des Zylinders und der Matrize wenigstens auf die erforderliche Temperatur erwärmt.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß man die Kohle unbelüftet in dem Zylinder hält.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß man die flüchtigen Kohlebestandteile beim Extrudieren aus der Matrize austreten läßt.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch g e k e η η ζ e ic h ne t, daß man durch Austritt der flüchtigen Bestandteile ein poröses Kohleextrudat bildet.

18. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß man durch Austreten der flüchtigen Bestandteile einen zerstäubten Nebel aus ^T Me-

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teilchen bildet.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß, man der Kohle vor der Matrize eine Flüssigkeit mit hoher kritischer Temperatur hinzufügt.

20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit Wasser ist.

21. Verfahren nach Anspruch 2o, dadurch gekennzeichnet, daß das Wasser in Lösung ein lösbares Reaktionsmittel enthält.

22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktionsmittel ein die Kohle entschwefelndes Mittel ist.

23. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die geförderte Kohle ein Material enthält, das durch die Kohle unter den Extrusionsbedingungen reduzierbar ist.

24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß das Material ein Metallerz und ein Flußmittel ist.

25. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 24, dadurch gekennzeichn et, daß man die Kohle direkt in einen Hochdruck-Reaktionsbehälter extrudiert.

26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch g e k e η η -

ζ eichnet, daß der Reaktionsbehälter ein Kohlevergasungs-Reaktor ist.

27. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckabfall über die Matrize ze beim übergang in den Behälter wenigstens 35,2 ata beträgt und daß das Extrudat in den Behälter als Neb^i

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aus Kohleteilchen injiziert wird.

28. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck in dem Aufnahmebehälter zwischen 56,2 und 252 ata liegt und daß man der Kohle vor der Matrize Wasser zusetzt.

29. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck in dem Aufnahmebehälter über 225 ata liegt und daß man das Extrudat durch einen auftreffenden Strahl zerbricht.

30. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch g e k e η η -

ζ eichnet, daß man das Extrudat durch Auftreffen eines Stromes eines flüssigen Oxydierungsmittels zerbricht.

31. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 3o, dadurch gekennz eichnet, daß man den Zylinder und die Matrize frei von Stauzonen hält und die Kohle kontinuierlich vorwärtsbewegt.

32. Verfahren nach Anspruch 31, dadurch g e k e η η zeichnet, daß die erwärmte und komprimierte Kohle einen beweglichen Fluidstrom bildet, der kontinuierlich und frei von Ablagerungen durch den Zylinder und die Matrize hindurchgedrückt wird.

33. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß das Kohleextrudat einen zerstäubten Nebel aus Kohleteilchen darstellt und daß man die Teilchen durch Luft mitnimmt und das Gemisch zündet.

34. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (18,22,24...) zum Plastifizieren der Kohle und eine Einrichtung

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(14,2ο) zum Extrudieren der plastifizierten Kohle in eine Verbrauchseinrichtung (56,62...).

35. Vorrichtung nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Plastifizieren der Kohle eine Heizeinrichtung (22,24...) zur Erwärmung der Kohle auf Plastifxzxerungstemperatur umfaßt und daß die Einrichtung zum Extrudieren der Kohle eine Matrize (2o, 36...) einschließt, sowie durch eine Einrichtung (14,48...) zum Aufbringen von Druck auf die plastifizierte Kohle und zum Extrudieren der Kohle durch die Matrize.

36. Vorrichtung nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Extrudieren der plastifizierten Kohle in die Verbrauchsvorrichtung eine Extrusionsschraube (14) mit einem Zylinder (18), einer Matrize (2o) an einem Ende des Zylinders, eine Einrichtung (32) zum Einleiten von Kohle am anderen Ende und eine Schraube (14) umfaßt, die derart ausgelegt ist, daß sie die Kohle fördert und gleichzeitig einen zunehmenden Druck zum Ende der Matrize ausübt.

37. Vorrichtung nach Anspruch 34, dadurch g e k e η η -

ζ e i ch η e t, daß die Einrichtung zum Extrudieren der plastifizierten Kohle eine Kammer, in die die zu extrudiernde Kohle (4o) eingebracht wird und die eine Matrizenöffnung (38) in einer Wand aufweist, und einen Kolben (48) zum Aufbringen von Druck auf die Kohle in der Kammer zum Extrudieren der Kohle umfaßt.

38. Vorrichtung nach Anspruch 34, dadurch g e k e η η ze i chne t, daß die Verbrauchsvorrichtung einen Druckbehälter (72) zur Aufrechterhaltung des Druckes der extrudierten Kohle und eine Einrichtung zur Einleitung eines Strahles eines Oxydationsmittels auf die extrudierte, plastifizierte Kohle zur Erzeugung von Verbrennung umfaßt.

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39. Vorrichtung nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet/ daß die Verbrauchsvorrichtung einen Behälter (52), der eine Verflüchtigung der Kohle und eine Erzeugung von Koks (char) und flüchtigen Bestandteilen gestattet, eine Einrichtung zum Mischen der Koksteilchen und der flüchtigen Bestandteile mit Luft, einen Brenner und eine Einrichtung zum Einleiten des Gemisches aus Luft, flüchtigen Bestandteilen und Koks in den Brenner umfaßt.

40. Vorrichtung nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrauchsvorrichtung eine Kammer (62,7o) mit niedrigerem Druck als die extrudierte, plastifizierte Kohle, einen Kanal zur Aufnahme der extrudierten, plastifizierten Kohle und zur überführung in die Kammer und eine Einrichtung (21,23,25,58, 59,6o) zur Erhöhung der Temeperatur der plastifizierten Kohle bei der Überführung durch den Kanal auf einen Wert unter die Verkokungstemperatur umfaßt.

41. Vorrichtung nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (66,68) zum Injizieren einer wässrigen Lösung aus Salzen der Gruppe der Natrium- und Kaliumsalze in die plastifizierte Kohle unter Druck vor der Extrusion vorgesehen ist.

42. Vorrichtung nach Anspruch 34, wobei man die Kohle vor der Einleitung in die Plastifizierungseinrichtung mit pulverförmigem Metallerz und Flußmitteln vermischt, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrauchsvorrichtung (76) eine Einrichtung zum Einleiten eines Strahls eines oxydierenden Gases auf das extrudierte Gemisch aus Kohle, Metallerz und Flußmittel und zur Umwandlung des Erzpulvers in flüssiges Metall und Schlacke und eine Einrichtung (78) zum Trennen des flüssigen Metalls von der Schlacke umfaßt.

709817/0765