DE2715929B2 - Verfahren zur Schnellentgasung von zu Staub gemahlener Kohle - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Schnellentgasung von zu Staub gemahlener Kohle während der pneumatischen Förderung, wobei in einer ein- oder mehrstufigen Schnellentgasung zur Gewinnung von Produkten unterschiedlicher Zusammensetzung in jeder Stufe als Einblasemittel für den zu entgasenden Kohlenstaub und als Einblasemittel für den heißen, als Wärmeträger dienenden Koksstaub aus der Schnellentgasung und/oder einer gegebenenfalls angeschlossenen Schnellvergasung das gereinigte, aus der gleichen Stufe gewonnene und hoch vorgewärmte Gas zugeführt wird.

Bei der Schnellentgasung stehen für den Ablauf der Reaktionen im Gegensatz zur normalen Verkokung von stückiger Kohle nur Sekunden oder Bruchteile von Sekunden zur Verfügung. Während bei der normalen Verkokung langsam ablaufende, bei der Umwandlung der Kohle auftretende Reaktionen vorherrschen, bestimmen bei der Schnellentgasung die schnellablaufenden Reaktionen den gesamten Verlauf der Kohleumwandlung. So unterscheiden sich die bei der Schnellentgasung aus dem Reaktionsraum austretenden Produkte in Menge, Art und Zusammensetzung ganz erheblich von denen bei der normalen Kammerverkokung.

Neben der Entgasungstemperatur spielen dabei der Zeitfaktor und die Art der Wärmeübertragung eine wesentliche Rolle.

Es ist ein Verfahren bekannt, bei dem zur Entgasung gemahlener Kohle die Deckung des Wärmebedarfes durch Übertragung der Wärme von hocherhitzten Steinen in einem Cowper auf die Kohle erfolgt, wobei die Steine im Cowper diskontinuierlich durch Gasverbrennung aufgeheizt und durch Wärmeentzug durch den Kohlenstaub abgekühlt werden. Für den Einsatz backender Kohlen ist dieses Verfahren nicht geeignet.

Bei einem bekannten Verfahren zur Voroxidation, die der Entgasung vorgeschaltet ist, werden als günstigste Beladung 10 kg Kohle je kg Sauerstoff angegeben. Dieser Wert steht nur im Zusammenhang mit der Sauerstoffübertragung bei Temperaturen um ca. 400⁰C und nicht mit der Wämeübertragung zur Schnellentgasung von Kohlenstaub.

Bei einem anderen bekannten Verfahren wird Koksstaubwärme auf Gas übertragen, das im Entgasungsprozeß benötigt wird, d.h. der Koksstaub wird abgekühlt und das Gas auf eine relativ geringe Temperatur aufgewärmt

Bei einem weiteren bekannten Verfahren erfolgt die Deckung des Entgasungs-Wärmebedarfes durch Teilverbrennung des Kohlenstaubes mit niedrig vorgewärmter Luft, was u.a. zur Verschlechterung des Heizwertes des Entgasungsgases führt

ίο Es sind Verfahren bekannt bei denen die zu entgasende Kohle in Körnungen bis zu Millimeter-Größe mit durch Teilverbrennung erhitztem Koks gleicher Korngröße in mechanischen Apparaturen gemischt wird und aus diesen Apparaturen die ausgetriebenen flüchtigen Bestandteile der Kohle abgeführt werden. Der Nachteil dieser Verfahren besteht darin, daß bei Verwendung backender Kohlen diese mit dem Koks verklumpen und unter erheblichem mechanischem Aufwand in der Mischeinrichtung wieder zerkleinert werden müssen. Weiter müssen die ausgetriebenen flüchtigen Bestandteile durch eine mehr oder weniger große Koksschicht hindurch zur Abzugsstelle strömen, wodurch Spaltungs- und Zersetzungsvorgänge der flüchtigen Bestandteile erfolgen, die nicht immer erwünscht sind. Beispielsweise ist es dabei möglich, daß der mit dem Wasserstoff aus der Kohle aus dieser entnommene und in Form von Schwefelwasserstoff abtransportierte Schwefel auf dem Weg durch diese Koksschüttung wieder abgespalten und erneut dem Koks angelagert wird. Dieser Punkt ist für die Bestimmungen zur Reinhaltung der Luft bei der Verwendung des Kokses als Brennstoff von besonderer Bedeutung.

Es sind auch Verfahren bekannt, bei denen man die zu entgasende Kohle einfach in eine sehr heiße Koksschüttung einführt, wobei die Kohle auf dem Weg zur Abzugsstelle des Kokses entgast wird. Auch hier ergeben sich die gleichen Nachteile wie bei dem vorgenannten Vorschlag, bei backenden Kohlen ist ja allerdings keine Möglichkeit gegeben, die Verklumpungen wieder zu zerkleinern.

Es sind ferner Verfahren bekannt, bei denen durch Zuführung heißer Heizgase der Kohlenstaub während der pneumatischen Förderung entgast wird. Als Heizgas dient dabei in der Regel das in der Anlage selbst erzeugte und dann gereinigte Gas. Der Aufwärmung dieses gereinigten Gases in entsprechenden Wärmetauschern sind jedoch Grenzen gesetzt, die bei weitem nicht ausreichen, die entsprechende Wärmezufuhr zur Entgasung zu gewährleisten. Aus diesem Grund werden diese Heizgase durch Teilverbrennung hoch aufgeheizt und danach in den Reaktionsraum eingeführt. Diese Teilverbrennung vermindert aber den Heizwert dieses Heizgases, insbesondere dann, wenn nicht Sauerstoff sondern Luft zur Teilverbrennung benutzt wird. Die zu entgasende Kohlenmenge muß dann so groß sein, daß das aus ihr austretende Gas in der Lage ist, den Heizwert der Mischung zwischen Heizgas und Kohlenrohgas so aufzustocken, daß aus der Entgasungsanlage wieder ein Gas austritt, das dem Ursprungswert des Heizgases entspricht. Dieser Beladungsdichte, d. h. Kilogramm Kohlenstaub je Kubikmeter Heizgas, sind aber durch die erforderlichen Temperaturen zur Entgasung einerseits und die vertretbaren Heizgastemperaturen andererseits Grenzen gesetzt. Der Wandel in der Energiesituation hat in den letzten Jahren dazu geführt, daß die Kohle als Energieträger gegenüber öl und Erdgas wieder erheblich gewonnen hat. Neben dem

Einsatz zur Stromerzeugung in Kraftwerken gewinnt immer mehr an Beduetung die gleichzeitige Erzeugung von Gas und Strom im Kraftwerk und möglicherweise auch der entsprechenden Nebenprodukte der Kohle, wie Benzol, Teer etx. Das aus der Kohle gewonnene Gas soll nicht nur als Brenngas benutzt werden, sondern gegebenenfalls auch nach entsprechender Umwandlung — als Synthesegas der chemischen Industrie, als Reduktionsgas in der metallurgischen Industrie oder als erdgasähnliches Gas der allgemeinen Gasversorgung dienen. Aus diesem Grunde ist es erforderlich. Verfahren zu entwickeln, die diesen neuen Anforderungen der Energieversorgung gerecht werden.

Die vorliegende Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, ein Verfahren aufzuzeigen, das es ermöglicht, aus der Kohle Gas, kondensierbare und feste Bestandteile zu gewinnen, wie sie den jeweiligen Anforderungen der nachfolgenden Verwendungsstellen entsprechen.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren vorgeschlagen, das dadurch gekennzeichnet ist, daß je m³ Entgasungsgas bis zu 10 kg Kohlenstaub und Koksstaub in den Reaktionsraum eingebracht werden, wobei der Koksstaub aus dem Prozeß gewonnen und durch Teilverbrennung mit Luft auf dem Weg zur Einblasestelle auf eine höhere Temperatur aufgeheizt und vor Eintritt in die Schnellentgasung von den dabei entstandenen Rauchgasen getrennt wird.

Zur Aufheizung des gereinigten Gases kann Wärme aus den heißen, aus der oder den Stufen der Schnellentgasung austretenden Produkten übertragen werden.

Nach der Erfindung kann zunächst jede Art von Kohlen benutzt werden, backende wie auch nichtbakkende Kohlen. Bei backenden Kohlen kann es zweckmäßig sein, der Schnellentgasung eine Schnelloxidationsstufe vorzuschalten, bei der mit Hilfe eines Oxidationsmittels Sauerstoff auf die Kohle übertragen und diese dabei in den äußeren Schichten des Kohlekornes von der Backfähigkeit befreit wird. Diese Schnelloxidation erfolgt während der pneumatischen Förderung, wobei das Oxidationsmittel gleichzeitig das Fördermittel ist und sowohl Rauchgas als auch Luft, sauerstoffangereicherte Luft, Wasserdampf-, Sauerstoff-Gemische oder ähnliches sein kann. Die Schnelloxidation erfolgt bei Temperaturen zwischen 350° C und 450" C und dauert weniger als 4 Sekunden.

Nach der Erfindung ist es aber auch möglich, backende Kohlen ohne diese Vorstufe der Oxidation in die Schnellentgasung einzuführen, wenn an der Einführungsstelle bestimmte Strömungsverhältnisse eingehalten werden. Zur schnellen Wärmeübertragung der wärmetauschenden Medien, hier z. B. Einblasegas und Koksstaub gegenüber Kohlenstaub, ist eine rasche Mischung dieser Stoffe notwendig, was durch eine entsprechende Einführung mit Drall, d. h. Verwirbelung der Ströme, erfolgt. Diese Drallströmung bringt aber auch die Staubkörner sehr schnell an die Begrenzungswände der Reaktionskammer, und es ist daher bei dem Einsatz von backendem Kohlenstaub, der nicht voroxidiert ist, notwendig, daß eine bestimmte Wegstrecke von der Einblasestelle bis zur Reaktionswand sichergestellt ist. Während dieses Weges muß das Kohlenstaubkorn sehr schnell über den plastischen Bereich der Kohle aufgeheizt werden, möglichst auf Temperaturen in der Größenordnung über 700° C. Die Wegstrecke sollte ein Meter nicht unterschreiten. Um dies bewerkstelligen zu können, sind Aufheizgeschwindigkeiten in der Größenordnung von 2 χ 10*°C/Minute , möglichst mehr als 5 χ WC/Minute erforderlich. Zu in Vergleich sei hier angeführt, daß in der normalen Kammerverkokung die Aufheizgeschwindigkeit etwa drei Grad pro Minute beträgt. Das Einhalten dieser Vorbedingungen bei der Verwendung backender Kohien ist möglicherweise bei Betriebsanlagen nicht ausreichend, insbesondere dann nicht, wenn unt«:rschiedliche Kohlenarten mit unterschiedlichen Backlähigkeiten verwendet werden. Zweckmäßig dürfte es sein, in jedem Fall die Voroxidationsstufe bei der Verwendung backender Kohlen einzusetzen.

Bei der Schnellentgasung sind Temperatur und Zeit neben der Art der Kohle und der Korngröße des Kohlenstaubes die wesentlichsten Faktoren.

Im allgemeinen wird der Kohlenstaub auf Korngrößen <0,2 mm, vorzugsweise <0,l mm, gemahlen und dabei gleichzeitig getrocknet. Ist eine Schnelloxidiiitionsstufe vorgeschaltet, wird der Schnellentgasung der Staub mit Temperaturen von ca. 400⁰C zugeführt Ist das nicht der Fall, kann der Kohlenstaub mit dir Temperatur zur Schnellentgasung gelangen, mit der <;:r aus der Mahlanlage austritt, er kann aber auch durch Übertragung der Wärme der Entgasungsprodukte auf den Kohlenstaub auf diese 400°C direkt oder indirekt aufgeheizt werden. Wird beispielsweise eine Kohle miit 30% flüchtigen Bestandteilen in die Schnellentgasungsanlage eingeführt und z. B. 900°C entgast, so sind nach ca. 0,5 Sekunden bereits ²h dieser flüchtigen Bestandteile ausgetrieben. Diese flüchtigen Bestandteile enthalten dann ein hochkaloriges Gas, > 6000 kcal je Kubikmeter, das zu mehr als die Hälfte aus Methan und schweren Kohlenwasserstoffen besteht, der Rest aus Wasserstoff und geringerem Anteil an Kohlenmonoxid und Kohlendioxid. Die Menge der kondensierbaren Bestandteile, Teer, Benzol etc., kann größer sein als bei der langsam« η Verkokung, da hier höheren Zersetzungsvorgängen nicht genügend Zeit zur Verfügung steht. Der nach 0,5 Sekunden entstehende Hartkoks-Staub enthält noch etwa "Λ der flüchtigen Bestandteile. Wird dieser Hartkoks-Staub dann getrennt bei gleicher Temperatur weiter entgast, so tritt aus ihm ein Gas aus, das zu ³A etwa aus Wasserstoff besteht und Heizwerte in der Größenordnung von ca. 3000 kcal je Kubikmeter aufweist. Kondensierbare Bestandteile treten nicht mehr aus.

Je kürzer die Entgasungszeit ist — mindestens bis 2:11 einem Grenzwert — umso hochkaloriger ist das anfallende Gas und umso unverfälschter, d. h. im Ursprungszustand befindlicher, sind die kondensierbüiren Bestandteile. Mit steigender Entgasungstemperatur verringert sich der Anfall an kondensierbaren Bestandteilen, da diese dann stärker zersetzt werden. Im allgemeinen wird man Entgasungstemperaturen zwischen 800°C und 1200°C anwenden und Entgasungszeiten, die weniger als 6 Sekunden betragen.

Das genannte Beispiel zeigt, daß mit der Variation von Entgasungstemperatur und Entgasungszeit unterschiedliche Zusammensetzungen der ausgetriebenen flüchtigen Bestandteile erreicht werden, so daß die Schnellentgasung leicht an die Anforderungen angepaßt werden kann, die die Umwandlungs- oder Verwertungiistellen für die gasförmigen, kondensierbaren und festen Rückstände der Schnellentgasung stellen Der Koki:- staub wird in der Regel in angeschlossenen Dampferzeugern zur Dampf- und damit Stromerzeugung verbrannt werden, kann aber z. B. in Kokereien auch als Magerungsmittel zur Verkokung von an sich wenig geeigneten Kohlen eingesetzt werden, in der Chemie

und Metallurgie als Reduktionsmittel, als Aktivkoks und ähnliches verwandt werden. Ebenso kann der Staubkoks aus der Schnellentgasung natürlich unmittelbar nachfolgend einer Schnellvergasung zugeführt werden und dort ganz oder teilweise zur Erzeugung von Nutzgasen vergast werden.

Um in einer oder einzelnen Surfen der Schnellentgasung die gewünschten Produkte erzeugen können, ist es notwendig, daß diese Produkte nicht verfälscht werden, wie es z. B. durch die Zuführung von Heizgasen der Fall wäre, die durch Teilverbrennung hochvorgewärmt worden sind, oder durch Entgasung in einer Koksstaub-Kohlenstaub-Schüttung, wo sich unerwünschte Zersetzungsvorgänge abspielen. Aus diesem Grunde wird als Einblasegas für den zu entgasenden Kohlenstaub und den als Wärmeträger dienenden heißen Koksstaub Gas benutzt wird, das in dieser Stufe erzeugt wurde und nach der Gasreinigung wieder aufgeheizt worden ist Diese Aufheiztemperatur, wobei Wärme von in der Schnellentgasungsanlage erzeugten heißen Produkten auf das aufzuwärmende Gas übertragen wird, dürfte bei den heute zur Verfügung stehenden Materialien bei etwa 700^cC liegen. Das Einblasegas wird dabei so auf den einzublasenden Kohlenstaub und Koksstaub verteilt, daß die Beladungsdichte etwa 10 kg Staub je Kubikmeter Gas nicht überschritten wird. Bei einer Koksstaubtemperatur von z. B. 1350° C und einer Kohlentemperatur von z. B. 400⁰C und einer Einblase^astemperatur von z. B. 700⁰C sind zur Erreichung einer Entgasungstemperatur von 800° C etwa 0,8 kg je Kilogramm Kohle erforderlich, wobei ein Kubikmeter Einbla^egas zur Verfügung steht. Bei einer Entgasungstemperatur von 1000⁰C wären etwa 1,9 kg Koksstaub je Kilogramm Kohlenstaub notwendig, wobei auch hier ein Kubikmeter Gas zum Einblasen zur Verfügung steht. An der Einblasestelle würde also die Beladung etwa 10 kg Feststoff pro Kubikmeter Gas betragen, durch das bei der Entgasung entstehende Gas würde bei vollständiger Entgasung am Ende eine Beladung bei z. B. 800⁰C von ca. 3 kg je Kubikmeter Gas und bei 1000⁰C etwa 4,5 kg je Kubikmeter Gas vorliegen.

Bei einer Temperatur des Koksstaubes von 1250⁰C beispielsweise würde sich das Verhältnis von Koksstaub zu Kohlenstaub auf etwa 1,1 erhöhen, bei 1000⁰C auf etwa 3,2, entsprechend auch die Beladungsdichten am Ende des Entgasungsraumes.

Der Koksstaub, der als Wärmeträger benutzt wird, stammt entweder aus der Schnellentgasung oder einer gegebenenfalls angeschlossenen Schnellvergasung. Um die Temperatur des entnommenen Koksstaubes auf die Eintrittstemperaturen in die Schnellentgasung anzugleichen, wird dieser Koksstaub gegebenenfalls auf dem Förderweg, in der Regel pneumatisch, von der Entnahmestelle zur Zuführungsstelle durch Zugabe eines Oxidationsmittels, das gleichzeitig das Fördermittel ist, z. B. von Luft, auf die entsprechende Temperatur durch Teilverbrennung des Koksstaubes aufgeheizt.

Dies ist vor allen Dingen dann der Fall, wenn der Koksstaub der Schnellentgasung benutzt wird, da diese mit niedrigeren Temperaturen betrieben wird als die Schnellvergasung. Der aufgeheizte Koksstaub wird von dem Fördermittel getrennt und dann dem Einblasegas zugeteilt Die zuzuteilende Koksstaub-Menge als Wärmeträger ist umso kleiner je höher die Vorwärmtemperatur des Kohlenstaubes ist Die Grenze dieser Vorwärmtemperatur ist die untere Temperaturgrenze des plastischen Bereiches der Kohle. 1st der Kohlenstaub voroxidiert worden, so hat er sowieso Temperaturen von ca. 400⁰C erreicht bevor er dem Entgasungsteil zugeführt wird. Ist eine Voroxidation nicht durchgeführt worden, ist es zweckmäßig, den Kohlenstaub durch Wärmeaustausch mit den heißen, aus der Schnellentgasung austretenden Produkten auf diese Temperatur aufzuwärmen, beispielsweise durch direkte Wärmeübertragung von den aus der Schnellentgasung austretenden gas- und dampfförmigen Bestandteilen auf den Kohlenstaub. Im letzteren Fall werden diese Gase und Dämpfe oder Teile davon unmittelbar mit dem Kohlenstaub gemischt und nach dem Wärmeaustausch wieder voneinander getrennt.

Bei der Schnellentgasung von Kohlenstaub ist von besonderer Bedeutung, daß ein erheblicher Anteil des in der Kohle ursprünglich vorhandenen Schwefels durch den Wasserstoff der Kohle und den Wasserstoff von Schwefelwasserstoff der Gasreinigung zugeführt wird. Dieser Entschwefelungsvorgang ist ebenfalls temperatur- und zeitabhängig, da es einmal für jede Kohle eine bestimmte Temperatur gibt, bei der die Entschwefelung optimal erfolgt — 60 bis 75% — und zum anderen, insbesondere bei sehr hohen Entgasungstemperaturen bei Überschreitung bestimmter Zeitgrenzen und damit Anlagerung des Schwefels an den Koksstaub erfolgt.

Die Erzeugung bestimmter Gasqualitäten, bestimmter Mengen von Nebenprodukten bei gleichzeitig vorgegebener Entschwefelung hat deshalb in der Regel einen gewissen Kompromiß der Entgasungsbedingungen zur Folge, es sei denn, daß ein bestimmtes Ergebnis der Schnellentgasung vorherrschend ist.

Der Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß durch die Regelbarkeit von Entgasungstemperatur und Zeit in der Schnellentgasung bei den hier eingesetzten Wärmeträgern die Produkte aus der Kohle in ihrer Zusammensetzung in einer so großen Variationsbreite gewonnen werden können, daß sie den unterschiedlichsten nachfolgenden Wertungs- und/oder Umwandlungsschritten gerecht werden können.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Verfahren zur Schnellentgasung von zu Staub gemahlener Kohle während der pneumatischen Förderung, wobei in einer ein- oder mehrstufigen Schnellentgasung zur Gewinnung von Produkten unterschiedlicher Zusammensetzung in jeder Stufe als Einblasemittel für den zu entgasenden Kohlenstaub und als Einblasemittel für den heißen, als Wärmeträger dienenden Koksstaub aus der Schnellentgasung und/oder einer gegebenenfalls angeschlossenen Schnellvergasung das gereinigte, aus der gleichen Stufe gewonnene und hoch vorgewärmte Gas zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß je m³ Entgasungsgas bis zu 10 kg Kohlenstaub und Koksstaub in den Reaktionsraum eingebracht werden, wobei der Koksstaub aus dem Prozeß gewonnen und durch Teilverbrennung mit Luft auf dem Weg zur Einblasestelle auf eine höhere Temperatur aufgeheizt und vor Eintritt in die Schnellentgasung von den dabei entstandenen Rauchgasen getrennt wird.