DE2723457A1

DE2723457A1 - Verfahren und vorrichtung zur kohlehydrierung

Info

Publication number: DE2723457A1
Application number: DE19772723457
Authority: DE
Inventors: James Allison Gray; Carl Leonard Oberg; Jerry Earl Sinor
Original assignee: Rockwell International Corp
Current assignee: Boeing North American Inc
Priority date: 1976-05-24
Filing date: 1977-05-24
Publication date: 1977-12-15
Also published as: JPS6019349B2; AU506536B2; FR2352769A1; CA1100068A; ZA772537B; DE2723457C2; FR2352769B1; AU2444877A; GB1582547A; JPS52142703A

Description

1Ä-2021

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ROCKWELL INTERNATIONAL CORPORATION, El Segundo, California, U.S.A.

Verfahren und Vorrichtung zur Kohlehydrierung Zusammenfassung

Es wird ein Verfahren zur Kohlehydrierung geschaffen, bei dem Kohlenstoffmaterial, z. B. pulverisierte Kohle mit erhitztem Wasserstoff umgesetzt wird. Dabei werden Kohlenwasserstoffgase gebildet sowie Flüssigkeiten, welche in Brennstoffe und Treibstoffe umgewandelt werden können. Dabei wird pulverisierte Kohle zusammen mit einer geringstmöglichen Menge Gas injiziert und bei Umgebungstemperatur mit einer getrenn ten Quelle für erhitzten Wasserstoff vermischt. Der erhitzte Wasserstoff und die in dem Gas enthaltene Kohle werden durch eine Injektoreinrichtung vom Typ eines Raketentriebwerkes injiziert. Die Kohleteilchen werden mit dem Wasserstoff in einer Reaktionskammer stromab vom Injektor umgesetzt. Die Reaktionsprodukte werden beim Verlassen des Reaktors rasch abgeschreckt und nachfolgend aufgefangen.

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kohleumwandlung unter Bildung von Kohlenwasserstoffgasen und Kohlenvasserstoff-Flüssigkeit, welche in Treibstoffe umgewandelt werden können.

Insbesondere betrifft die Erfindung die Umsetzung von Kohlenstoffmaterial, z. B. pulverisierter Kohle mit erhitztem Wasserstoff unter Bildung von Kohlenwasserstoffgasen und Kohlenwasserstoff-Flüssigkeiten, welche in Treibstoffe oder Brennstoffe umgewandelt werden können oder als chemische Rohstoffe dienen können.

Das wesentliche Problem besteht darin, die Kohle direkt mit Wasserstoff umzusetzen, so daß die Ausbeute an flüssigen Produkten möglichst groß ist. Es konnte gezeigt werden, daß zu Beginn der Kohlepyrolyse eine Übergangsperiode von wenigen Zehntes Sekunden existiert, während der die Kohle hochreaktiv gegenüber Wasserstoff ist. Falls während dieser Periode überschüssiger Wasserstoff nicht zur Verfügung steht, entreißen einige der in Form freier Radikale vorliegenden pyrolytischen Fragmente den aromatischen Gruppen molekularen Wasserstoff, während andere Fragmente unter Bildung von nichtreaktiven Produkten polymerisieren. Dies führt daher zu einer geringen Ausbeute an flüssigen und gasförmigen Kohlenwasserstoffen und zu einer großen Ausbeute an nicht-reaktiven Verkohlungsprodukten. Wenn demgegeüber \7ährend der kritischen anfänglichen Übergangsperiode überschüssiger Wasserstoff vorhanden ist, so werden eine wesentlich größere Anzahl von hydrierten Fragmenten gebildet, die einer noch weiter gehenden Hydrierung zugänglich sind. Der gesamte Effekt einer solchen Pyrolyse in Wasserstoff besteht in erhöhten Ausbeuten an Flüssigkeiten und Gasen und in verringerten Ausbeuten an Rückständen. Es ist allgemein bekannt, daß die Umwandlung von Kohle in flüssige oder gasförmige Brennstoffe durch Zusatz von Wasserstoff erfolgt. Dies kann durch direkten Kontakt des Wasserstoffs mit der Kohle geschehen, wie bei dem Hydran-Verfahren unter Bildung von Methan (Bureau of Mines); durch katalysierte Reaktion in der flüssigen

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r'.iaso rvi t ','assevoto.f? winter bildung von flüssigen Produkten ,

wie bei dem Synthoil-Verfahren; oder indirekt durch Reaktion von Kohle mit Dampf. Eine Vielzahl verschiedenster Verfahren wurden vorgeschlagen und werden derzeit entwickelt. Alle diese Verfahren variieren hinsichtlich der Methode der Kontaktierung der Kohle mit dem Wasserstoff oder dem Dampf und in der Art der Kohleeinspeisung. Ein Feststoff, wie z.B. Kohle, kann mit einem Gas auf dreierlei grundsätzlich ver schiedene Weisen kontaktiert werden. Bei der ersten Methode wird das Gas durch ein Festbett oder ein sich langsam bewegendes Bett der Feststoffe getrieben.

Bei einem anderen Verfahren wird ein Fließbett für den Kontakt verwendet. Wenn die Feststoffteilchen genügend klein sind, und wenn das vertikal aufwärts strömende Gas eine genügend hohe Geschwindigkeit hat, so nähern sich die an den einzelnen Teilchen angreifenden luftdynamischen Sogkräfte den Gravitationskräften und die Teilchen werden beweglich. Die Eigenschaften der Gesamtmasse des Gasfeststoffgemisches entsprechen dann einer Flüssigkeit. Wegen der verbesserten Wärmeübertragungseigenschaften und Masseübertragungseigenschaften verwendet man bei den meisten Kohlevergasungsverfahren ein Fließbett anstelle eines Festbetts.

Bei einer weiteren grundlegenden Kategorie der Gasfeststoffkontaktierung arbeitet man mit einer die Feststoffteilchen mitführenden Strömung, wie bei dem Bigas-Verfahren. Bei dieser Technik sind die Gasgeschwindigkeiten genügend hoch und die Teilchengrößen sind genügend klein, so daß die Feststoffteilchen zusammen mit dem Gasstrom mitgeführt werden. Ein Vorteil dieses Strömungsverfahrens besteht darin, daß Kohle jeder Güte oder Klasse verwendet werden kann. Verkokende Kohlen agglomerieren und führen zu schwierigen Problemen bei Anwendung des Fließbett- oder Festbettsystems. Weitere Vorteile des Verfahrens unter Verwendung einer die Teilchen mitführenden Strömung bestehen in dem Betrieb bei hohen Temperaturen, so daß die Teerbildung auf einem Minimum gehalten wird. Ferner kann man dieses Ver-

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fahren an Schlackenbildungsbedingungen anpassen und es führt pro Volumeneinheit zu einer hohen Energiebildung. Die vorliegende Erfindung verendet diesen Typ der Kohleumwandlungsverfahren mit in einer Gasströmung mitgeführten Kohleteilchen. Bisher wurde diese Methode der direkten Hydrierung der Kohle nicht in großem Maßstabangewendet.

Das US-Patent 3 030 297 beschreibt ein Verfahren, bei dem trockene Kohleteilchen, welche in einem erhitzen Strom von Wasserstoff mit einem Gesamtdruck von etwa 35 bis 400 Atm (überdruck) mitgeführt werden von einer Temperatur unterhalb etwa 300 ⁰C auf die Reaktionstemperatur im Bereich von etwa 600 ⁰C bis etwa 1000 ⁰C erhitzt. Zwei Minuten sind erforderlich, um die Kohleteilchen auf etwa 600 ⁰C zu erhitzen und danach sind zwei bis zwanzig Sekunden Reaktionszeit bei der Hydrierungstemperatur erforderlich. Die langsame Aufheizung beruht darauf, daß der Hauptwasserstoffstrom dazu verwendet wird, die Kohle in den Reaktor zu überführen. Die Reaktionsprodukte werden sodann auf eine Temperatur unterhalb des Reaktionstemperaturbereichs abgekühlt und man erhält ein Produkt in Form eines in der Hauptsache aromatischen Leichtöls sowie Kohlenwasserstoffgase, vorwiegend Methan und Athan und Kohlenmonoxid.

Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß die in dem Wasserstoff mitgeführten Kohleteilchen vor der Einführung in die Heizkammer vorgeheizt werden, so daß die Reaktion stromauf von der Reaktionskammer gestartet wird. Diese führt zur Agglomerierung der Teilchen und zur Verstopfung der Rohrleitung für die die Kohleteilchen mitführende Gasströmung. Die vorliegende Erfindung überwindet dieses Agglomerierungsproblem durch Verwendung von zwei Gasquellen. Eine Gasquelle, z. B. Wasserstoff, dient zur Einspeisung der darin bei Umgebungstemperatur mitgeführten Kohle in einen Injektor. Eine davon getrennte Gasquelle dient zur Einführung von erhitztem Wasserstoff in den Injektor und dieser Wasserstoff

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kontaktiert die in Form einer dichten Phase mitgeführten Kohleteilchen stromab vom Injektor innerhalb einer Reaktionszone, so daß der HydrierungsprozeS innerhalb der Reaktionskammer gestartet wird und nicht stromauf von dieser Kammer.

Das bekannte Verfahren hat weiterhin den Nachteil, daß die mitgeführten Kohleteilchen durch die Rohrwandung hindurch aufgeheizt werden. Es muß angezweifelt werden, daß bei den im Beispiel angegebenen Massedurchsätzen eine genügende Wärmemenge durch die Rohrwandung hindurch über eine vernünftige Länge überführt werden kann, um die Kohle ausreichend aufzuheizen und daß gleichzeitig die Rohrwandung den Druck im System aushalten kann. Die Art des dort beschriebenen Reaktors kann nicht auf die erforderlichen großen Durchmesser vergrößert werden, welche bei einer industriellen Kohleumwandlung erforderlich sind, da dabei das für die Wärmeüberführung kritische Verhältnis Oberfläche zu Volumen mit zunehmender Größe rasch abnimmt.

Ferner hat das bekannte Verfahren den Nachteil, daß das Durchmischen und Aufheizen eine längere Zeit, nämlich Minuten und Sekunden in Anspruch nimmt, während bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Hydrierung der mitgeführten Kohle innerhalb von Millisekunden erfolgt. Wenn ein gleichförmiges Strömungsmuster aufrechterhalten werden kann, (zur Vermeidung einer Rückmischung, welche zu einer längeren Verweilzeit führt, sowie zur Bildung von Gasen anstelle von Flüssigkeiten) und wenn die Kohle selbst in einem mikroskopischen Maßstab gleichförmig verteilt werden kann, (um die Gasdiffusionsbeschränkungen auf ein Minimum zu drücken), und wenn rasche und effiziente Abschreckung erzielt werden kann (bei dem bekannten Verfahren werden die Hydrierungsprodukte durch eine Rohrleitung einer getrennten Abschreck- oder Kühlkammer zugeführt, während bei der Erfindung die Reaktionsprodukte unmittelbar bei Austritt aus der Reaktionskammer abgeschreckt werden), so ist es möglich, einen erheblichen Anteil der Kohle zu flüssigen Produkten zu hydrieren. Die Anwendung eines

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Injektors vom Raketentriebwerkstyp zur Kohleverflüssigung ist eines der wesentlichen Prinzipien der vorliegenden Erfindung und eröffnet auf diesem Gebiet eine grundlegend neue Entwicklungslinie.

Das US-Patent 3 152 063 beschreibt ein Verfahren, bei dem pulverisierte und mit Katalysator versetzte Kohle in Abwesenheit eines Anteigöls in Wasserstoff unter einem Druck von etwa 35 bis 270 Atm. (Überdruck) dispergiert wird.
Das Gemisch aus Kohle und Wasserstoff wird bei einer Temperatur im Bereich von etwa 450 bis 600 ⁰C bei einer Gasverweilzeit von weniger als etwa 200 see umgesetzt und die Reaktionsprodukte werden abgekühlt und die flüssigen und gasförmigen Kohlenwasserstoffprodukte werden abgetrennt. Bei diesem bekannten Verfahren werden die katalysierte Kohle und der Wasserstoff in einen Zweistufenreaktor überführt, welcher aus einer Vielzahl von sich axial im Reaktor erstreckenden parallelen Rohren besteht. Die Rohre werden
mit einer Heißgasquelle erhitzt, so daß die Reaktion innerhalb der Rohre startet. Verdampfte Ö'l produkte und Gasprodukte
werden zusammen mit dem unverbrauchten Wasserstoff abgezogen und gelangen in eine Kühleinrichtung. Das zurückbleibende schwerere Öl und die Teerprodukte sammeln sich am Boden
des Reaktors an und eine Wasserstoffquelle kann zusätzlich eingeführt werden, um diese schwereren Produkte weiter zu hydrieren. Dieses bekannte Verfahren hat den Nachteil, daß die pulverisierte Kohle einen Katalysierungsprozeß durchlaufen muß und sodann durch einen Trockner und eine Mühle
geschickt werden muß und schließlich zur Abtrennung der
feinen Teilchen gesiebt werden muß. Bei vorliegender Erfindung wird fein verteilte pulverisierte Kohle direkt ohne
Vorbehandlung eingesetzt. Ferner hat das bekannte Verfahren den Nachteil, daß der Trägerwasserstoff in den der Kohlezufuhr dienenden Rohrleitungen als Hauptwasserstoffquelle dient. Das Aufheizen erfordert eine beträchtliche Zeit im Vergleich zu vorliegender Erfindung, da das Trägergas vor dem Eintritt in die Reaktionskammer nicht vorgeheizt werden kann.

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Zusätzlich hat das bekannte Verfahren den Nachteil, daß die Kohleteilchen über eine Rohrwandung oder über die Wandungen einer Reihe von Rohren erhitzt werden müssen, wodurch die Übertragung dieses bekannten Verfahrens auf einen industriellen Maßstab mit erheblichen Schwierigkeiten verbunden ist. Bei der industriellen Durchführung muß man mit Durchsätzen von etwa 1000 t/h arbeiten. Die bekannten Verfahren arbeiten mit einem Massedurchsatz von etwa

710 kg/h.m , d. h. bei sehr geringen Durchsätzen. Zum Beispiel wären bei Anwendung des bekannten Verfahrens im industriellen Maßstab für einen Gesamtdurchsatz von 1000 t Kohle/h 82 Reaktoren mit je einem Durchmesser von 4,5 m erforderlich. Zusätzlich müßten wegen des geringen Verhältnisses Oberfläche/Volumen die Reaktoren eine Länge von etwa 30 m haben, um die erforderliche Wärme durch die Wandung auf die mitgeführten Kohleteilchen überführen zu können. Einer der wesentlichsten Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem man mit einem hohen Durchsatz von in Form einer dichten Phase mitgeführten Kohleteilchen

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arbeitet, (160 000 kg/h.m ), besteht in der einfachen Übertragung auf einen großtechnischen Maßstab. Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Prinzips kann man mit zwei Reaktoren von je 1,8 m 1000 t Kohle/h verarbeiten. Die erforderliche Wärmemenge wird direkt mit dem Wasserstoff zugeführt, so daß das Verhältnis Oberfläche/Volumen kein beschränkter Faktor ist.

Die Chemie der Kohlepyrolyse und der Kohlehydrierung wurde bereits vor langer Zeit untersucht. Dennoch existiert bis heute kein hinreichend entwickelter Reaktor, welcher von der Hochgeschwindigkeitsreaktion Gebrauch macht. Einer der Gründe hierfür scheint in dem Fehlen einer adäquaten Gas/Feststoff-Injektions- und -Mischtechnologie zu liegen, sowie in den Schwierigkeiten die chemischen Erfordernisse und die Erfordernisse hinsichtlich der Verweilzeit zu erfüllen und Agglomerierungen und Verstopfungen des Reaktors zu verhindern.

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Die Hydrierung von roher bituminöser Kohle führt gewöhnlich zu Agglomeraten, so daß die zuvor beschriebenen Verfahren unter Verwendung von Fließbettreaktoren oder Reaktoren mit beweglichem Bett nicht verwendet werden können. Darüber hinaus schränkt das Erfordernis einer kurzen Verweilzeit (weniger als 1 see) die möglichen Reaktortypen auf einen Reaktor mit einer die Kohleteilchen mitführenden Strömung ein. Durch Aufrechterhaltung einer raschen Durchmischung einer raschen Aufheizung und einer raschen Reaktion der Kohle in der Nähe des Injektionspunktes und an den heißen Reaktorwandungen, kann das Agglomerationsproblem gelöst werden. Eine gleichförmige und präzise Durchmischung bei extrem großen Durchsätzen und bei einer Verweilzeit von wenigen Millisekunden werden erreicht durch Verwendung von großen Raketentriebwerksinjektoren.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Umwandlung von in einem Gasstrom in dichter Phase mitgeführten Kohleteilchen in flüssige und gasförmige Kohlenwasserstoffe durch Hydrierung der Kohleteilchen zu schaffen. Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung, die bei Raketentriebwerken verwendete Injektions- und Mischtechnik bei einem Reaktor mit einer die Kohleteilchen mitführenden Strömung anzuwenden, um eine rasche Durchmischung und Umsetzung einer gesonderten Strömung von erhitztem Wasserstoff mit einer in Form einer dinten Phase vorliegenden Strömung von pulverisierter Kohle von Umgebungstemperatur unter Bildung von flüssigen und gasförmigen Kohlenwasserstoffen herbeizuführen. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, einen Hochtemperatur-Kohleverflüssigungsreaktor zu schaffen, bei dem sekundäre Zersetzungsreaktionen von Öl und Teer durch optimale Steuerung der Gasphasenverweilzeit auf einem Minimum gehalten werden und bei dem eine Verstopfung des Reaktors durch Agglomerierung der Kohleteilchen dadurch verhindert wird, daß man die Kohleteilchen äußerst rasch dispergiert und umsetzt, während die Innenwandung des Reaktors auf hoher Temperatur gehalten wird.

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Srfindun^sgem^ß wird ein Kohleverflüssigungsverfahren sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens geschaffen, wobei flüssige und gasförmige Kohlenwasserstoffe erhalten werden durch Hydrierung von pulverisierter Kohle mit Wasserstoff. Dabei werden die pulverisierten Kohleteilchen in der Strömung eines Gases, z. B. von Wasserstoff, in Form einer dichten Phase innerhalb einer Kohlerohrleitung bei Umgebungstemperatur geführt und gelangen in einen Injek tor, welcher einer Reaktionskammer benachbart ist. Ferner sind Heizvorrichtungen vorgesehen, mit denen eine getrennte Wasserstoffquelle aufgeheizt wird. Die in Form einer dichten Phase vorliegende pulverisierte Kohle wird durch einen Injektor in die Reaktionskammer eingeführt. Ferner wird die erhitzte gesonderte Wasserstoffquelle durch den Injek tor in die Reaktionskammer injiziert. Es sind Einrichtungen vorgesehen, um die in Form einer dichten Phase vorliegenden Kohleteilchen von Umgebungstemperatur von dem erhitzten Wasserstoff vor der Injektion in die Reaktionskammer getrennt zu halten, um eine verfrühte Hydrierung der pulverisierten Kohle zu verhindern. In Nachbarschaft zur Reaktionskammer ist eine Löscheinrichtung vorgesehen, in der der Hydrierungsprozeß nach einer vorbestimmten Zeitdauer rasch abgebrochen wird, und zwar sobald die Reaktionsprodukte die Reaktionskammer verlassen. Sodann werden die Reaktionsprodukte in einer Vorlage aufgefangen.

Die Kohle wird nahezu mit ihrem Schüttgewicht in den Reaktor eingeführt, so daß die Menge des mitgeführten Gases äußerst gering ist. Der separat eingeführte erhitzte Wasserstoff dient als Wärmequelle, welche die Kohle rasch auf die Reaktionstemperatur aufheizt.

Ein Strömungsreaktor auf der Grundlage der Injektions- und Mischtechnik, welche bei Raketentriebwerken üblich ist, wurde konstruiert, gebaut und betrieben. Dabei wird ein heißer Wasserstoffstrom mit einem Strom pulverisierter Kohle umgesetzt. Ein solcher Reaktor kann z. B. unter den folgenden typischen Reaktorbedingungen betrieben werden:

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68 Atm. (Überdruck), 590 ⁰C, etwa 150 Millisekunden Verweilzeit und 0,36 kg H₂/kg Kohle. Etwa 19 % des Kohlenstoffs der Kohle werden in synthetisches Rohöl mit einem Siedepunktsbereich von 200 bis 350 ⁰C und mit einem Heizwert von 8700 cal/kg umgewandelt. 9 % des Kohlenstoffs werden in gasförmige Produkte umgewandelt, v/elche Methan, Äthan und Kohlenoxide umfassen und 3 % in im Löschwasser enthaltene organische Verbindungen. Der Kohledurchsatz beträgt etwa

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160 000 kg/h.m des Reaktorquerschnitts oder etwa 170 000 kg/h.m des Reaktorvolumens. Die Reaktionsprodukte werden rasch in einem Abstand von 30 cm auf etwa 105 ⁰C abgeschreckt, wozu Sprühdüsen mit großen Wasserdurchsätzen verwendet werden.

Ein wesentlicher Vorteil gegenüber den herkömmlichen Vorrichtungen besteht somit in der Verwendung der Injektions- und Mischtechnik, welche bei Raketentriebwerken gebräuchlich ist, um die Ausgangsstoffe rasch zu durchmischen und umzusetzen. Hierbei wird eine Strömung von im Gas mitgeführter Kohle mit heißem Wasserstoff umgesetzt, wobei flüssige und gasförmige Kohlenwasserstoffprodukte erhalten werden. Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung gegenüber dein herkömmlichen Verfahren besteht darin, daß die sekundäre Zersetzung von Öl und Teer auf ein Minimum hrrabgedrückt ist, und zwar durch optimale Steuerung der Gasphasenverweilzeit und durch äußerst rasche Verteilung der Kohleteilchen und durch Umsetzung der Kohle unter Aufrechterhaltung einer hohen Temperatur der Reaktorinnenwandung. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß eine Agglomerierung der Kohleteilchen stromauf von der Reaktionskammer dadurch verhindert wird, daß man eine dichte Kohlenphase in einem Gas von Umgebungstemperatur einspeist. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß man für die Einspeisung der Kohleteilchen in Form einer dichten Phase in den Injektor ein anderes Gas als Wasserstoff verwenden kann, so daß die Explosionsgefahr im Kohleeinspeisungssystem herabgesetzt ist. Bei Verwendung von Wasserstoff kann eine Wasserstoffleckage an die Atmosphäre im Bereich sich bewegender Bauteile, z. B. von Ventilen, nicht ausge-

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schlo333H worden, 30 daß nit der Ansammlung von explosiven Vasserstovf-Luft-Gemischen in den kohlehaltigen Behältern gerechnet werden muß. Ferner kann auf diese Weise ein Wasserstoffverlust beim Lüften von verschlossenen Einspeisungstrichtern vermieden werden. Ein weiterer Vorteil gegenüber dem herkömmlichen Verfahren besteht in der raschen Löschung der hydrierten Kohleteilchen nach deren Austritt aus dem Ende der Reaktionskammer, wodurch die Produktausbeute an flüssigen und gasförmigen Kohlenwasserstoffen erhöht wird. Ein weiterer Vorteil besteht in der direkten Hydrierung der Kohleteilchen in der Reaktionskammer im Vergleich zu dem herkömmlichen Verfahren, bei dem die äußere Wandung einer den Wasserstoff und die Kohleteilchen führenden Rohrleitung erhitzt wird.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Fließdiagramm der erfindungsgemäßen Anlage zur Kohleverflüssigung;

Fig. 2 einen Schnitt durch wesentliche Bauteile der erfindungsgemäßen Anlage gemäß Fig. 1;

Fig. 3 einen vergrößerten Teilschnitt einer Einrichtung zur Kopplung des heißen Wasserstoffs und der Kohle stromauf vom Injektor;

Fig. 4 einen vergrößerten Schnitt des konzentrischen Injektors ;

Fig. 5 eine Ansicht eines Heißspulenelementes und der elektrischen Verbindung in Nachbarschaft zu der Reaktionskammer und den Kohleströmungsrohren;

Fig. 6 eine Ansicht einer abgewandelten Ausführungsform der Reaktionskammer mit Wandungen, welche von der Injektorstirnfläche zum Ausgang des Reaktors hin divergieren;

Fig. 7 eine abgewandelte Ausführungsform des Injektors mit einem 4:1-Injektionsmuster und

Fig. 8 einen Schnitt entlang der Linie 8-8 der Fig. 7.

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In folgenden v/irr¹, auf Fig. 1 Eesug genonrr.^n, welclio eins Kohleverflüssigungsanlage 10 zeigt. Diese umfaßt ein Stickstoffeinspeisungssystem 12, welches als Spülgasquelle und als Druckquelle für ein Löschwassertanksystem 14 dient. Ferner ist ein Hochdruckkohleeinspeisungssystem 16 vorgesehen, welches einen zylindrischen Behälter 18 umfaßt, der an einer Lastmeßzelle 20 aufgehängt ist. Das Kohleeinspeisungssystem 16 wird mit Kohle beschickt, welche von einem konischen Niederdrucktank 22 über eine Rohrleitung 24 einströmt. Zur Beschickung des Hochdruckkohleeinspeisers wird der konische Tank 22 mit Stickstoff der Stickstoffquelle 12 unter einen Druck von etwa 3,8 Atm. gesetzt. Ein Kugel ventil 26 am Ende des konischen Tanks 22 wird rasch weit geöffnet, so daß die Kohle in Form einer dichten Phase durch das Rohr 24 in den Kohleeinspeiser 16 überführt wird. Das überschüssige Stickstoffgas entweicht aus dem Kohleeinspeiser 16 über ein Staubfilter 23. TTach der Beschickung des Kohleeinspeisers 16 wird die Verbindung der Rohrleitung 24 gelöst und mit einer Kappe 27 verschlossen. Ferner wird das Staubfilter 28 entfernt und an dessen Stelle tritt Entlüftungsrohr 32. Für die nachfolgende Betriebsstufe wird die Zufuhrleitung 30 für die V/asserstoffzufuhr aus einer Wasserstoffquelle 48 oder für die Inertgaszufuhr aus einer Inertgasquelle 50 geöffnet. Die Lastmeßzelle 20 wird vor und nach der Beschickung abgelesen. Daraus wird die Menge der Kohle im Kohleeinspeiser 16 ermittelt. Der Boden 19 des Kohleeinspeisers 16 hat eine konische Gestalt mit einem einbeschriebenem Winkel von 30 °, so daß der Kohleaustritt glatt vonstatten geht. Durch Öffnung eines Kugelventile 34 wird die Kohle in den Reaktor überführt. Sie strömt in Form einer dichten Phase durch eine Rohrleitung 36. Der Wasserstoffgasdruck oder Inertgasdruck im Kohleeinespeiser 16 wird z. B. um etwa 4,1 bis 4,7 Atm. höher gehalten als in dem allgemein mit 38 bezeichneten Reaktor, so daß die für die Einspeisung der Kohle in den Reaktor erforderliche Treibkraft erhalten wird.Das Gewicht des V/asserstoffs, welcher zusammen mit der Kohle überführt λ/ird, beträgt etwa 0,5 % des

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Kohledarchsatzes, wenn der Reaktordruck 6S Atm. beträgt. Im Falle eines inerten Transportgases hängt dieser Gewichtsprozentsatz des Transportgases von der Gasdichte ab. Der Durchsatz der Kohle beträgt etwa 0,063 kg/sec und der Durchsatz des Wasserstoffs beträgt etwa 0,0034 kg/sec, wenn Wasserstoff als Trägergas verwendet wird. Die Lastzellen-Meßwerte werden während des Versuches ausgedruckt, so daß der Kohledurchsatz kontinuierlich überwacht wird. Wenn das Einspeisungskugelventil 34 geschlossen ist, so entweicht der Stickstoff der Stickstoffquelle 12, welcher über die Rohrleitung 40 einströmt, über die Rohrleitung 36, wodurch diese offengehalten wird und wodurch verhindert wird, daß das kohlenseitige Ende des Injektors (Fig. 4) überhitzt wird. Typischerweise besteht der Bereich der Kohleeinspeisungs-Rohrleitung, welcher sich durch den oberen Flansch 37 erstreckt, und Teil der Injektionsanordnung 92 (Fig. 3) ist, aus Edelstahl. Details der Injektoranordnung 92 sind in den Figuren 3 und 4 gezeigt.

Druckwasser aus einem allgemein mit 42 bezeichnete! Löschsystem wird aus einem, z. B. 600 1 fassenden, Druckwassertanksystem 14 eingespeist. Der Wasserdurchsatz kann während des TestVersuchs fortlaufend genau gemessen werden. Der Wasserdurchsatz kann geändert werden, indem man den Druck der Stickstoffgasquelle 12 auf den Wassertank ändert. Eine genaue Strömungssteuerung ist möglich, da der Druckabfall über die Sprühdüsen 106 (Fig. 2) normalerweise etwa 12 Atm. beträgt. Darüber hinaus besteht vor den Sprühdüsen ein weiterer Druckabfall von etwa 8,8 Atm. Man kann natürlich anstelle des Löschwassers auch ein anderes Kühlmedium zur Abkühlung der die Reaktionskammer verlassenden hydrierten Produkte verwenden, z. B. Dampf, Öl oder kaltes Gas (Wasserstoff).

Insgesamt sind drei Gaszuführsysteme vorgesehen, nämlich eines für Stickstoff, eines für Wasserstoff und eines für ein Inertgas. Aus dem Stickstoffsystem 12 wird abgezweigter Stickstoff über eine Rohrleitung 31 einem Vorheizer 39

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sowie den lieaktordruckmänteln 53 zugeführt. Ferner dient der Stickstoff zur Spülung der Kohleeinspeisungsleitung über die Rohrleitung 40. Die Durchsätze werden durch Verwendung von nicht gezeigten Schalldüsen gesteuert, sowie durch Änderung des Drucks stromauf von den Düsen zur Erzielung verschiedenster Durchsatzraten. Das Wasserstoffeinspeisungssystem 48 versorgt den Vorheizer 39 und den Kohleeinspeiser 16. Die Wasserstoffeinspeisung in den Kohleeinspeiser 16 erfolgt je nach Bedarf und wird lediglich mit einer nichtgezeigten Düsenöffnung gemessen. Als Gas für die Einspeisung in das Kohleeinspeisungssystem 16 muß man nicht unbedingt Wasserstoff der Wasserstoffquelle 48 verwenden. Man kann auch ein Inertgas, wie Stickstoff, Kohlendioxid oder eine Mischung derselben aus einer Inertgasquelle 50 einführen. Der Wasserstoffstrom zum Vorheizer 39 wird durch eine Schalldüse gesteuert sowie durch einen stromauf gelegenen nicht gezeigten Druckregler. Das Wasserstoffsystem kann derart aufgebaut sein, daß man zum Zwecke der Spülung und der Lecksuche Stickstoff anstelle von Wasserstoff verwendet.

Das Produktgas strömt aus einem kugelförmigen Vorlagetank 52 durch eine Rohrleitung 54 zu einem Flüssigkeitsabscheidertank 56 und sodann durch ein Gegendruckregelsystem. Nach der Druckminderung des Produktgases wird der Durchsatz unter Verwendung einer Düsenöffnung gemessen, worauf das Gas über eine Rohrleitung 60 in einen Verbrennungsschornstein 58 entweicht. Ein Gasproben-Flaschensystem 62 ist mit der Hochdruckseite über eine Rohrleitung 64 verbunden und stromab über eine Rohrleitung 66 mit dem Verbrennungsschornstein 58. Die Probenflaschen-Ventile 68 werden automatisch der Reihe nach geöffnet, und zwar alle 30 bis 60 see während eines Tests.

Die Entspannung der flüssigen Produkte wird durch ein Steuersystem 70 zur Steuerung des Tankflüssigkeitspegels gesteuert. Dieses betätigt ein Ein-Aus-Ventil 72. Das Ausströmen der Flüssigkeit aus dem Tank 52 wird mit einem linearen Hahn-

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schieber Ί ■'■. gesteuert. Dabei handelt es sich im wesentlichen um eine variable Düse, welche verhindert, daß die Flüssigkeit aus dem Vorlagetank 52 so rasch ausströmt, daß die Drucksteuerung im Reaktor 38 hierdurch gestört würde. Ein Verteiler mit drei Ventilen 76 dient zur Auswahl des je\\reils mit dem flüssigen Produkt zu füllenden Behälters 78.

Im folgenden wird der Wasserstoffvorheizer 39 sowie der Reaktor 38 anhand der Figuren 2 und 5 näher erläutert. Der Wasserstoffvorheizer ist in einem Druckmantel 41 untergebracht und die Vorheizerspule 43 besteht aus einem Edelstahlrohr, welches bei Wasserstoffdurchtritt äußerst intensiv elektrisch aufgeheizt wird. Die Heizspule 43 hat am Ende 45 eine dünne Wandung und einen kleinen Durchmesser und am Snde 47 eine dicke Vandunj und einen gro.°>on Durchmesser. Der in das Snde 45 eintretende Wasserstoff ist relativ kühl und wird beim Durchströmen der Ilelixspule 43 aufgeheist, wobei er sich expandiert. Der variable Innendurchmesser und die variable Wandungsdicke der Spule tragen der Wasserstoffexpansion Rechnung. Sieben Motorgeneratoren (nicht gezeigt) führen einer Reihe von Anschlüssen 76 bis 78 etwa 600 - 800 Ampere zu. Die Anschlüsse 76 bis 73 sind über eine Platte 80 mit der Wandung 49 der Spule 43 verbunden. Die Eingangsleistung beträgt etwa 150 kW. Der Wärmeübergang von der durch Widerstandsheizung aufgeheizten Spulenwandung 49 auf den über die Rohrleitung 30 in das Ende 45 der Vorheizerspule 43 eintretenden und unter Druck stehenden Wasserstoffs ist ausgezeichnet und beträgt etwa 99 %. Da die Festigkeit der Rohrwandung der Vorheizerspule 43 bei den Betriebsheiztemperaturen recht gering ist, (die Wandung ist um etwa 90 ⁰C heißer als der Wasserstoff am Ausgang 47 der Spule 43), v/erden besondere konstruktive Maßnahmen ergriffen. Die Rohrv/endel 43 ist in einem Druckmantel 41, z. B. einem Kohlenstoffstahlrohr und 300 kg Flanschen 32 und 84, enthalten. Der Innenrau::i des Druckmantels 36 ist z. B. mit einem Isoliermaterial 87 sehr geringer thermischer Leitfähigkeit angefüllt,

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ζ. 3. mit Fibrcfra:;, einem Produkt der Carborundum Corporation, Refractories and Insulation Division, Fibrefrax Branch, Niagara Falls, New York. Der Innenraum des Druckmantels 86 wird fortlaufend mit Stickstoff unter einem Druck von etwa 68 Atm. und mit einem Durchsatz von etwa 2,5 1/sec gespült. Die Kupferanschlüsse 76 bis 78, die Platte 80 und das Einladende 45 des Vorheizrohrs 43 sind elektrisch vom Druckmantel 41 isoliert und mit dem positiven Anschluß der Motorgeneratoren verbunden. Die Erdverbindung wird mit dem anderen Ende 51 des Rohrs 41 über einen blinden Edelstahlflansch 88 hergestellt. Letzterer findet sich zwischen zwei angeschweißten Flanschen 84 und 85 aus Kohlenstoffstahl. Ein Thermoelement 90 befindet sich in dem aus dem Vorheizer 39 austretenden Gas und ein nicht gezeigter Druckwandler ist in einer ähnlichen Öffnung des Flanschs vorgesehen.

In ähnlicher Weise befinden sich der Reaktor 38 und der Injektor 92 innerhalb eines Druckmantels 53 so daß die heißen Reaktorwandungen 94 bei der hohen Betriebstemperatur geringe Spannungen erleiden. Der Reaktor 33 v/ird von der Isolierung 87 unterstützt und sitzt mit Schiebesitz in einer Öffnung einer isolierenden Halteplatte 96, so daß eine thermische Dehnung des Reaktorrohres 93 möglich ist. Der Vorheizer 39 ist mit der Injektoranordnung 92 über eine EdelStahlrohrwendel 100 verbunden. Diese Rohrleitung ist gewendelt, so daß sie eine thermische Ausdehnung aufnehmen kann, ohne die Injektoranordnung 92 zu beanspruchen, und möglicherweise das Reaktorrohr 98 zu verbiegen. Der Reaktor kann leicht aus dem Druckmantel 53 genommen werden, indem man den oberen Flansch 37 entfernt,sowie eine kleine Menge der Isolierung 87. Mehrere Fühler 102 entlang der Seitenwandung des Druckmantels 53 erlauben Messungen entlang der Reaktoraußenwandung mit Hilfe von Thermoelementen, wobei eines eine direkte Messung innerhalb des unteren Teils des Reaktors 98 in der Nähe der Austrittswandung 99 erlaubt.

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JiJ Löseliiio::;-' bostchi ..:. 3. aus drei 3ioihc-n von je vier voll-konischen Sprühdüsen 1OS, welche in die Rohrwandung 108 der Löschzone von außen eingeschraubt sind. Die aus dem Reaktor 9C austretenden Reaktionsprodukte v/erden sofort mit Wasser gelöscht, welches mit etwa 11 bis 22 l/min ausgesprüht wird. Es wird genügend Sprühwasser verwendet, um die Produkttemperatur auf etwa 95 ⁰C herabzusetzen. Die flüssigen, gasförmigen und festen Reaktionsprodukte strömen abwärts und gelangen in den kugelförmigen Vorlagetank 52 (Fig. 1). Hier wird das Gas abgetrennt und entweicht. Ein spezielles Steuersystem 70 dient dazu, innerhalb des kugelförmigen Vorlagetanks 52 einen bestimmten Flüssigkeitsspiegel aufrechtzuerhalten. Die Produktaufschlämmung wird in Behälter 78 (Fig. 1) abgelassen. Eine Belüftungsleitung oder Druckausgleichsleitung 71 ist mit der allgemein mit 70 bezeichneten Pegelsteusreinrichtung verbunden.

Die Figuren 3 und 4 veranschaulichen im Detail die Injektoranordnung 92 und den Reaktor 9S. Ein Strom von heißem Wasserstoff (800 ⁰C bis 930 ⁰C) wird mit einem Strom pulverisierter Kohle umgesetzt. Die allgemein mit 92 bezeichnete Injektoranordnung besteht z. B. aus einem Gehäusekörper 110, welcher lösbar mit einer Kohleeinspeisungsanordnung 112 verbunden ist, sowie mit dem Reaktorrohr 98, und zwar mit Hilfe eines Paares von Muttern 114 bzw. 116, z. B. vom AN-Typ. Die Kohleeinspeisungsanordnung 112 besteht aus drei Rohrleitungen, einem äußeren Rohrmantel 130, einem Isolierungsrohr 118 und einem Innenrohr 120. Das Innenrohr 120 hat einen Außendurchmesser von 0,95 cm (Abmessung "D" der Fig. 4) und eine Wandstärke von 0,21 cm und besteht aus 321-Edelstahl. Das Innenrohr 120 weist einen Endbereich 121 mit einer Länge von 1,4 cm auf sowie einen Außendurchmesser von 0,65 cm (Abmessung "I" der Fig. 4) und eine Wandstärke von 0,05 cm. Die gesamte Injektoranordnung 92 ist in dem Druckgehäuse 53 untergebracht. Das Innenrohr 120 erstreckt sich durch den Flansch 37 über eine Stopfbüchsenpackung 105, ζ. B. eine 0,95 cm-Conax-3topfbüchse der Conax Corporation,

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Buffalo, New York und ist mit dem Kohleeinspeisun^srohr 35 außerhalb des Druckgehäuses 53 verbanden. Der EndbereLch 121 des Innenrohrs 120 erstreckt sich konzentrisch innerhalb eines davon getrennten konischen Bauteils 122, welches mit dem Gehäuse 110 mittels einer AN-Mutter 116 verbunden ist. Sin Ringspalt 124 (Fig. 4) besteht zwischen der Innenv/andung 123 des konischen Bauteils 122 und der Außenfläche 125 des Endbereichs 121 des Innenrohrs 120. Der Ringspalt 124 hat einen Außendurchmesser von O,89 cm und eine Spaltweite von 0,12 cm (Abmessung "G" der Fig. 4), gemessen bis zur Außenseite 125 des Endbereichs 121 des Innenrohrs 120. Der Sndbereich 121 endet an einer Stelle, welche um 0,54 cm rückwärts liegt (Abmessung "F" der Fig. 4). Drei Drahtabstandselemente 117 sind am Endbereich 121 eingeklemmt, um das Innenrohr 120 und den Endbereich 121 in dem Ringspalt 124 zu zentrieren. In die Platte 115 ist eine Conax-Stopfbüchse 135 (0,95 cm) eingeschraubt, durch welche sich das Innenrohr 120 erstreckt. Das Isolierrohr 110 hat einen Außendurchmesser von 2,5 cm und eine Wandstärke von 0,12 cm und besteht aus 321-Edelstahl. Es endet mit seinem Ende 110 in Form eines Konus, welcher zur Außenwandung des Innenrohrs 120 in der Nähe dessen Endbereichs 121 zusammenläuft, aber hiermit nicht verbunden ist. Das Ende 113 des Isolierrohrs 118 ist mit der Platte 115 verbunden. Der Ringspalt 126 ist mit isolierendem Material 87 gefüllt. Das Außenmantelrohr 130 beherbergt die konzentrischen Rohre 118 und 120 und ist mit seinem einen Ende 132 mit der Platte 115 verbunden und mit seinem anderen Ende 134 mit dem Gehäuse 110 mit Hilfe einer Mutter 114. Der Rohrmantel 130 hat einen Außendurchmesser von 3,8 cm und eine Wandstärke von 0,12 cm und besteht aus 321-Edelstahl. Der Ringspalt 136 ist definiert durch die Außenfläche 13S des Isolierrohrs 118 und die Innenfläche 140 des Gehäuses 110. Der Ringspalt 136 dient dazu, den heißen Wasserstoffstrom von der Einlaßöffnung 111 dem Ringspalt 124 und den Injektor 92 (Fig. 4) zuzuführen. Sin Ringspalt 131 ist durch die Außenfläche

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des Isolierrohrs Ho definier b, sov/i8 durch die Innenfläche 129 des Rohrmantels 130 und mit Isoliermaterial 87 gefüllt. Diese wird durch eine Hülse 133 daran gehindert, in den Ringspalt 136 zu fallen. Der Reaktor 93 (l^?ig. 3) hat einen Außendurchmesser von 3,S cm und eine Wandstärke von 1,2 cm (Abmessung "B") und besteht aus 321-Edelstahl. Ferner ist der Reaktor 93 90 cm lang (Abmessung "A") und mit dem Gehäusekörper 110 durch die Mutter 116 verbunden. Die Gesamtinjektoranordnung 92 hat eine Länge von etwa 30 cm (Abmessung "C").

Im folgenden soll die Arbeitsweise dieser Kohleverflüssigungsanlage beschrieben werden. Pulverisierte bituminöse Kohle z. B. Kentucky hvAb wird als Ausgangsmaterial eingesetzt. Andere Arten von pulverisierter Kohle, z. B. Lignit oder sub-bituminöse Kohle, können ebenfalls verwendet werden. Die Kohle hat typischerweise zu 70 % eine Teilchengröße von weniger als 74 u (200 Maschen/2,5 crn) und wird in den Einspeisungstrichter 116 gegeben. Die durchschnittliche Kohleteilchengröße beträgt 40 bis 50 u. Eine 0,6 cm-Leitung einer Länge von etwa 6 m führt eine dichte Kohlenphase vom Ventil 34 in das Innenrohr 120 und zwar an einer Stelle außerhalb des Flansches 37. Die Kohle strömt in die Injektionsanordnung 92. Die Druckgefäße 41 und 53 werden mit Stickstoff einer Stickstoffdruckquelle 12 unter einen Druck von etwa 63 Atm. gesetzt. Typischerv/eise wird eine Druckdifferenz von 4,8 Atm. zwischen dem Einspeisungstrichter 16 und den Druckgefäßen 41 und 53 aufrechterhalten, so daß ein Strom einer dichten Kohlephase durch die Rohrleitung in die Injektoranordnung 92 strömt. Der Druck innerhalb des Kohleeinspeisungssystems beträgt während des Betriebs etwa 72 Atm (Überdruck). Bei diesem spezifischen Beispiel wird der Wasserstoff der Wasserstoffquelle 48 über die Rohrleitung 30 zur Einspeisungsvorrichtung 16 geführt und das Verhältnis von Wasserstoff zu Kohle beträgt etwa 0,005 kg Wasserstoff pro 1 kg Kohle. Anstelle des Wasserstoffs kann natürlich ein Inertgat einer Inertgasquelle 50 der Sinsneisungsvorrichtung 16 zugeführt werden. Wasserstoff wird

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zusn.t^lich von dor '/asscr.stoffquelle IC über oino rohrleitung 29 der Wasserstoffvorheisvorrichtung 30 zugeführt. Der "/asserstoff wird in das ILnde 45 einer Spule 43 aus 321-Sdelstahl eingeführt. Die Spule 43 hai am Ende 45 einen Außendurchmesser von 0,64 cm und eine Wandstärke von 0,089 cm. Stromab geht die Spule in einen Außendurchmesser von 0,79 cm und eine Wandstärke von 0,12 cm über und schließlich weiterhin stromab in einen Außendurchmesser von 0,95 cm und eine Wandstärke von 0,21 cm. Der Wasserstoff tritt aus der Wendel 43 am Ende 47 aus und gelangt in die gewendelte Rohrleitung 100 und von dort tritt der heiße Wasserstoff in die Injektoranordnung 92 ein. Die Wasserstoffdurchflußrate beträgt 10 bis 50 % der Durchflußrate der dichten Kohlenstoffphase. Die Wendel ist bei diesem Beispiel etwa GCO cm lang. Der Wasserstoff wird typischerweise in die Wendel 43 mit einem Durchsatz von 0,011 kg/sec eingeführt. Beim Anfahren strömt die dichte Kohlenphase durch die Rohrleitung 36 in das Innenrohr und zwar in den Bereich außerhalb des Flansches 37 und dann in die Injektoranordnung S2, gefolgt von einer Einführung des heißen Wasserstoffs durch die Heizwendel 43. Der Wasserstoff verläßt die Heizv/endel mit einer Temperatur im Bereich von 810 bis 980 ⁰C, typischerweise 900 ⁰C in der Nähe der Injektoranordnung 92. Typischerweise beträgt bei dem vorstehenden Beispiel die Reaktionstemperatur innerhalb der Reaktionskammer 98 etwa 600 ⁰C, bei einer Verweilzeit der pulverisierten Kohle innerhalb des Hydrierungsreaktors 98 von etwa 150 Millisekunden, wobei der Durchsatz des heißen Wasserstoffs 0,36 kg Wasserstoff/1 kg Kohle beträgt. Die Reaktionszeit im Reaktor 98 liegt zwischen 10 und Millisekunden für den Hydrierungsprozeß.

Es ist erwünscht, eine möglichst gute Durchmischung herbeizuführen, um sicherzustellen, daß der heiße Wasserstoff innerhalb des Reaktors 98 relativ zu den Kohleteilchen bewegt wird. Zum Beispiel beträgt die Geschwindigkeit des heißen

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','/p.sssrsto.fs, v/olcher aus der Injektoranordnur.g 92 austritt, etwa 300 πι/sec, während die Geschwindigkeit der dichten kohleführenden Phase, welche den Injektor verläßt, etwa 210 cm/sec beträgt. Bei diesen Parametern werden etwa 19 bis 20 % des Kohlenstoffs der Kohle in synthetisches Rohöl mit einem Siedebereich von etwa 200 bis 350 ⁰C und mit einem Heizwert von 8780 cal/g umgewandelt. 9 % des Kohlenstoffs werden in Gase einschließlich Methan, Xthan und Kohlenoxide umgewandelt und etwa 3 % in in das Löschwasser eintretende organische Verbindungen. Der Kohledurchsatz beträgt etwa 160 0OO kg/h.m bezogen auf den Reaktor-

querschnitt oder 170 000 kg/h.m bezogen auf das Reaktorvolumen. Die Reaktionsprodukte werden rasch auf etwa 107 ⁰C abgekühlt, und zwar um eine Strecke von etwa 30 cm stromab vom Ende 99 der Reaktionskammer 98. Die an den Wassersprühdüsen 106 vorbeiströmenden Reaktionsprodukte werden daher unterhalb der Reaktionskammer gelöscht. Der Wasserdurchsatz durch die Vielzahl der Wassersprühdüsen beträgt etwa 7,6 bis 22,7 l/min. Sodann gelangen die Produkte in die Vorlage 52 und von dort in die verschiedenen Vorratsbehälter 78, wo die Feststoffe abgetrennt werden. Die gasförmigen Nebenprodukte gelangen in den Gasabscheider 56 und die verbleibenden Nebenprodukte werden in den Verbrennungsschornstein 58 abgeführt.

Man kann natürlich den Wasserstoff auch auf andere Weise aufheizen, \<relcher getrennt in die Injektoranordnung 92 eingeführt wird. Bei vorstehendem Ausführungsbeispiel fließt durch eine den Wasserstoff führende Wendel ein hoher elektrischer Strom, welcher die Wendel aufheizt. Man kann auch zur Aufheizung des Wasserstoffs eine den heißen Wasserstoff führende Rohrwendel mit einer herkömmlichen Heizvorrichtung, z. B. einem mit Brennstoff betriebenen Heizofen, aufheizen. Es kommen also eine Vielzahl weiterer Methoden zur Aufheizung des Wasserstoffs auf hohe Temperaturen in Frage.

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Im folgenden soli auf Fig. υ Bezug genoin..ien worden. Diese Figur zeigt eine abgewandelte Ausführunssform der Reaktionskammer 140. 3in Ende der Reaktionskammer ist mit der Injektoranordnung 92 am Ende 142 verbunden und hat eine divergierende Wandung, welche zu dem einer Platte 146 benachbarten Ende hin divergiert. Die divergierenden Wandungen definieren eine Kammer 150. Hierdurch wird verhindert, daß partiell hydrierte Produkte, welche durch die Reaktionskammer 140 treten, an der Wandung hängenbleiben, so daß Verstopfungen möglichst gering gehalten werden.

Im folgenden wird auf die Figuren 7 und G Bezug genommen. Diese beschreiben eine andere Art Injektor, v/elcher auf dem Gebiet der Raketentriebwerke als 4:1-Injektor bekannt ist. Dieser Injektor besteht aus einer mittleren Rohrleitung, welche die in einer dichten Phase vorliegenden ICohleteilchen 154 transportiert und in einer oberen Platte 56 und einer Bodeninjektorplatte 160 gehalten ist. Die Innenfläche 157 der Platte 156 und die Innenfläche 158 der Bodeninjektorplatte 160 definieren eine Ringkammer 162, welche den aus der Vorheizeranordnung über eine Rohrleitung 164 in die Kammer eintretenden heißen Wasserstoff.richtet. Ein Wärmeisolator 159 ist rund umdie Innenrohrleitung 154 vorgesehen, so daß die innerhalb der Rohrleitung 154 mitgeführten Kohleteilchen nicht vorzeitig erhitzt werden. In die Injektorplatte 160 sind vier öffnungen mit gleichem Abstand rund um den Injektor (Fig. 8) eingebohrt. Jede der Bohrungen hat einen Beaufschlagungswinkel in Bezug auf die Mittellinie der zentralen Rohrleitung 154 von etwa 30 °. Hierdurch wird eine bessere Durchmischung der feinen Kohleteilchen, welche die Rohrleitung 154 verlassen, mit dem auftreffenden heißen Wasserstoff stromab von der Injektorstirnplatte bewirkt. Fig. 8 zeigt die Beziehung zwischen den Bohrungen 166 und der mittleren Rohrleitung 154 deutlicher.

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ϊίο,η kann natürlich eino beliebige Anzahl von Gasströrnen rund um den zentralen Kohlestrom vorsehen, und zwar mit verschiedenen Beaufschlagunriswinkeln.

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Le e rs e11 e

Claims

j.iop.nzuicaiP tι:; temper atrs■ΰ!.ι T/as setoff ί A T C. .·' T Λ :'! '.; J' :l w J i-i. /j'

1. Verfahren :rur Koi^leiiydrierun^, daai.-c'i daß man pulverisierte KoItIe von I)^o¹Ii! innerhalb einer Reakt ions kanu:: or mi t h beaufschlagt und die Reaktionsprodukte nach. Austritt aus der Reaktionskammer löscht,

2. Verfahren zur Kohlehydrierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Reaktionskai.imer mit pulverisierter Kohle oder pulverisierter; Kohlenstoffmaterial beschickt und heißen l/asserstof f unter rascher gleichförmiger Durc'.urn se hung und Aufh^i'iung der Kohle auf Reaktionstcnperaturen in die :-ienktio:-!si;?.r.i.vier einführt, vroclurch die Kohle hydriert wird und eine verfrühte Pyrolyse verhindert vird, \jov^wl man die aus der Reaktionskarranor austretenden Reai'tion.^.produk. te :;ur rasnlien Unterbrechung des Kydrierurigsnroze^os löscht.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche \ oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man den "vassers to Z f in die iieakfcionskammer peripher ^rzuv Injektion der Kohle eindüst ur.i eine gleichförmige Durchniischung und rasche Aufheizung der Kohle zu erzielen.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man in Abwesenheit eines Katalysators arbeitet und einen Überschuß des heißen Wasserstoffs mit einem Strom der pulverisierten Kohle oder des pulverisierten Kohlenstoffmaterials vermischt, wobei der Wasserstoff zuvor auf eine Temperatur erhitzt wird, welche ausreicht, um die Kohle in weniger als 1/2 see umzusetzen.

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bis Ί, dadurch gekennzeichnet, clef, nan einen Injektor nit ko izontvischen Ilohre : für die Einspeisung der pulverisierten Kohle und d?:; hei'.CTi Wasserstoffs in die Reaktion;; kammer verwende t.

6. Kohlehydricrungsverfanron nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Innenrohr des Injektors zur Kohleeinspeisung verwendet wird und daß das Außenrohr zur Einspeisung des erhitzten Wasserstoffs verv/endet wird.

7. Kohlehydrierungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis ö, dadurch gekennzeichnet, daß nan eine Reaktionskanrner in Form eines langgestreckten Rohrs verwendet, welches einerseits mit einer Einrichtung zur Einspeisung pulverisierter Kohle und heißen Wasserstoffs verbunden ist und andererseits mit einer Löscheinrichtung.

8. Kohl oliydr ic i'ung:; verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß man zum Löschen der Reaktionsprodukte Wasser verwendet.

9. Kohlehydrierungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß man die Reaktionsprodukte mit einem kühlenden Strömungsmedium abschreckt.

10. Kohlehydrierungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß man die Reaktionsprodukte mit einem kalten Gas, wie Wasserstoff, abschreckt .

11. Kohlehydrierungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß man die Reaktionsprodukte mit Dampf abschreckt.

12. Kohlehydrierüngsvorfahrcn nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß man die Reaktionsprodukte mit einem ^: I abs 'hruckt.

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!•..1. T\o^Tilehyclriorun"3verfnhrcn r.r.c";: sir.civ: cor Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß man pulverisierte Kohle mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von etwa 40 bis 50 μ verwendet und in Gas in Form einer dichten Phase mitführt.

14. Kohlehydrierungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der pulverisierten Kohle v/esentlich unter der Reaktionstemperatur liegt, bevor die Kohle in die Reaktionskammer eintritt.

15. Kohlehydrierungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der erhitzte Wasserstoff eine Temperatur von etwa 800 bis 1100 ⁰C hat.

16. Kohlehydrierungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die pulverisierte Kohle mit dem erhitzten Wasserstoff in der Reaktionskammer während 10 bis 500 Millisekunden ungesetzt wird und dann sofort gelöscht wird.

17. Kohlehydrierungsverfahren nach einem der Ansprüche 1

bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur innerhalb der Reaktionskammer etwa 600 ⁰C beträgt.

18. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 17, gekennzeichnet durch eine Einspeisungsvorrichtung zur Einspeisung von pulverisierter Kohle in eine Reaktionskammer; eine Einspeisungsvorrichtung zur Einspeisung von heißem Wasserstoff in die Reaktionskammer mit einer derartigen Richtwirkung, daß die Kohle gleichförmig mit dem heißen Wasserstoff durchmischt wird und rasch auf die Reaktionstemperaturen innerhalb der Reaktionskammer erhitzt wird, so daß die Kohle hydriert wird, aber eine verfrühte Pyrolyse verhindert wird und durch eine Einrichtung zum Löschen der aus der Reaktionskammer austretenden Reaktionsprodukte zur raschen Unterbrechung des Hydrierungsprozesses.

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