DE2728197A1 - Verfahren zur gewinnung von kohlenwasserstoffbestandteilen aus feinkoerniger, agglomerierender kohle - Google Patents

Description

BOEHMERT & BOEIlMERT

AN WA LTSSOZIRTAT Boehmcrt & Hoeh.nv.-rt. Postfach 10 71 27. D 2800 Bremen

Deutsches Patentamt Zweibrückenstr. PATENTANWALT DK-ING. KARL BOEHMEKT (1933 1973) PAI ENTANWALT DIPL-ING.ALBERT BOEHMERT.BREMEN PATENTANWALT DR-ING.WALTER HOORMANN,BREMEN PATENTANWALT DlPL-PHYS. DR. HEINZ GODDAR. BREMEN PATENTANWALT DIPL.-ING. EDMUND F.ElTNER,MÜNCHEN

RECHTSANWALT WILHELM J. H. STAHLBERG, BREMEN

30OO München 2

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Our ret

O 157

Bremen, Feldstraßc24

Juni 1977

Occidental Petroleum Corporation, 10889 Wilshire Boulevard, Los Angeles, California 90024, USA

Verfahren zur Gewinnung von Kohlenwasserstoffbestandteilen aus feinkörniger, agglomerierender Kohle

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Postix Ii 10 7 i 27, Fcldstraßo 24

O Teii-ro«: IUtZl) *7 »0-W Telex :2-VtO>8btir.rd

709881/092T

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ROEMMERT & ΒΟΞΗΜ£Ρ.ϊ

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Gewinnung von Kohlenwasserstoffbestandteilen aus feinkörniger, agglomerierender Kohle, wobei die Agglomeration der zusammenbackenden Kohle derart gesteuert wird, daß die Kohle in einem kontinuierlichen Verfahren pyrolysiert werden kann, ohne daß der Pyrolysereaktor verstopft.

Der Einsatz von fluidisierten Systemen, in welchen ein fluidisierter Strom aus feinverteilten Kohlenpartikeln, erhitzten Kokspartikeln und einem Trägerstrom gebildet wird, um die Kohlepartikel zu pyrolysieren und die flüchtigen Stoffe hieraus zu extrahieren, ist bereits bekannt. Bei den herkömmlichen Verfahren wird zumindest ein Teil der für die Pyrolyse der Kohlepartikel erforderliche^ Hitze durch erhitzte Kokspartikel zugeführt, wobei durch die Pyrolyse der Kohle in dem System kontinuierlich ein Vorrat an Koks erzeugt wird.

Von agglomerierenden, feinkörnigen, bituminösen Kohlen ist dem Fachmann bekannt, daß sie bei niedrigen Temperaturen von etwa 205 bis 455° C plastifizieren und schmierig oder klebrig werden. Die Anwendung der herkömmlichen Verfahren auf agglomerierende, bituminöse Kohle führt zu Problemen, die auf der agglomerierenden Eigenschaft dieser Kohle beruhen. Wenn agglomerierende Kohlepartikel bis zu ihrem plastischen Stadium erhitzt werden, und die erhitzten Partikel eine Wand des Reaktors berühren, backen sie hieran fest und bilden eine blasige, kompakte Masse, die anschwillt und sich dann wieder verfestigt, wobei ein fester zusammenhängender Körper mit einer porösen Struktur, wie Koks, gebildet wird. Ein derartiges Zusammenbacken der Kohlepartikel an den Reaktorwänden führt zu schwerwiegenden Verstopfungen des Systems, die dieses betriebsunfähig machen.

Um die Verstopfungsproblerna zu überwinden, die in Pyrolyse-

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systemen unter Verarbeitung von agglomerierenden Kohlen auftreten, sind bereits verschiedene Verfahren vorgeschlagen worden. Nach den amerikanischen Patenten 2 955 077 und 3 375 175 wird die agglomerierende, feinkörnige Kohle in einem fluidisierten Bett bei Temperaturen im Bereich von 315 bis 440° C von einer bis 30 Minuten vorerhitzt, um zumindest einen Teil der flüchtigen Stoffe aus der Kohle zu entfernen, so daß die Kohle weiter pyrolysiert v/erden kann, um die flüchtigen Stoffe zu gewinnen. Das Erfordernis, die agglomerierenden, bituminösen Kohlen während langer Verweilzeiten zunächst vorzuerhitzen, legt diesen Verfahren starke wirtschaftliche Einschränkungen auf.

In der US-PS 3 736 233 wird ein kontinuierliches Verfahren zur Pyrolyse von agglomerierender, bituminöser Kohle beschrieben, wobei die feinkörnige Kohle mit einer Partikelgröße von weniger als 65 Mikron mit Koks erhitzt wird, worauf beide von einem Trägergas mitgeführt werden, mit einer Pyrolyseraaktorverweilzeit von unter 3 Sekunden. Dieses Patent schlägt auch vor, daß es nütäich sein kann, einen Reaktor mit porösen Wänden einzusetzen, durch welche ein Gas kontinuierlich eingeblasen wird, um ein Anhaften der Partikel an den Reaktorwänden zu verhindern.

Die US-PS 3 357 896 beschreibt die Erhitzung großer Partikel von zusammenbackender Kohle durch ihren plastischen Bereich in einem freien Fallsystem, um einen Kontakt mit den Reaktorwänden zu verhindern und nicht zusammenbackenden Kohlenkoks zu erzeugen. Das Patent beschreibt auch die Verwendung" von Sauerstoff innerhalb des Heizgases, um ein Zusammenbacken der Kohle zu verhindern, während sie durch den plastischen Bereich aufgeheizt wird. Eine derartige Sauerstoffbehandlung besitzt jedoch den Nachteil, daß sie die Ausbeute an Kohlenwasserstoffen während des Pyrolyseverfahrens erheblich herabsetzt.

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BOEHMERT & BCHFiMElU¹

Nach einem v/eiteren bekannten Verfahren v/ird Natriumkarbonat eingesetzt, um die Agglomeration der Kohle zu vermindern.

Andere Verfahren zur Herstellung nicht zusammenbackender Kohle und Koks aus stark zusammenbackenden Kohlen sind kompliziert und erfordern teure mechanische Anlagen, wie Drehrohrofen, Kettenkratzer, Rüttelkratzer und drehende Schnecken, um ein Zusammenbacken der Kohlen in eine feste Masse zu verhindern, während sie durch den plastischen Temperaturbereich hindurchgeführt v/erden. Derartige Ausrüstungen machen diese Verfahren äußerst kostenaufwendig.

Keines der bekannten Verfahren hat sich bislang als vollstäriig zufriedenstellend erwiesen, und nur sehr wenige dieser Verfahren befinden sich überhaupt im praktischen Einsatz.

Der Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, welches sich in einer wirkungsvollen, wirtschaftlichen und kontinuierlichen Weise durchführen läßt, wobei eine Pyrolyse agglome- ·. rierender Kohlen in einem Förderreaktor zur Gewinnung der flüchtigen Kohlenwasserstoffe unter Bedingungen ermöglicht wird, die ein Verstopfen des Reaktors verhindern.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß man einen feinkörnigen Kohlebeschickungsstrom aus zerkleinerter, agglomerierender Kohle und einem Trägergas bildet, das im wesentlichen keinen nachteiligen Einfluß auf die Pyrolyseprodukte ausübt, bildet und als turbulenten, divergierenden Strahlstrom von einer Öffnung in eine Mischzone eines länglichen Pyrolysereaktors mit einer inneren Oberfläche einführt, wobei die Mindestweite des Pyrolysereaktors größer ist als die maximale Weite der Öffnung. Gleichzeitig wird ein gasförmiges Medium, welches im wesentlichen keinen nachteiligen Einfluß auf die Pyrolyseprodukte ausübt, entlang der umlaufenden inneren Reaktoroberfläche injiziert, wobei der divergierende

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Beschickungsstrom aus feinkörniger Kohle und dem Medium sich in der Mischzone des Reaktors vor dem übergang in eine Pyrolysezone miteinander verbinden, wobei im wesentlichen die gesamte Kohle in der Beschickung aus Partikeln s.elektiv gebildet ist, die ihre Klebrigkeit vor dem Kontakt mit einer inneren Fläche des Pyrolysereaktors dicht an der Öffnung verlieren. Das Medium wird entlang der umlaufenden Wand des Reaktors freigegeben, während gleichzeitig der feinkörnige Kohlebeschickungstrom durch die Öffnung bei einer Temperatur, die geringer ist als die Temperatur, bei welcher die Kohle beginnt klebrig zu werden, in die Mischzone injiziert,um eine turbulente Mischung des Mediums, der festen, feinkörnigen Kohle und des Trägergäses in der Mischzöne zu bilden, wobei die Menge des zugeführten Mediums zumindest ausreicht, um einen Rückfluß der Kohle aus dem divergierenden Strom zu verhindern. Die sich ergebende turbulente Mischung wird dann aus der Mischzöne der Pyrolysezone des Pyrolysereaktors zugeführt, wo die feste, feinkörnige Kohle pyrolysiert wird und einen Pyrolyseproduktstrom ergibt, der als Feststoffe einen kohlehaltigen Feststoffrückstand und eine Dampfmischung aus dem Medium, dem Trägergas und pyrolytischen Dämpfen einschließlich der verdampften Kohlenv/asserstoffe enthält.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Kohlebeschickungsstrom,der aus feinkörniger, agglomerierender Kohle besteht, die in einem Trägergas geführt wird, welches im wesentlichen nicht nachteilig in bezug auf die Pyrolyseprodukte reagiert, von einer Beschickungsöffnung aus in einen länglichen Pyrolysereaktor injiziert. Die maximale Weite der Öffnung ist geringer als die minimale Weite des Reaktorinneren. Die Injektionstemperatur liegt unter derjenigen, bei welcher die Kohle beginnt klebrig zu werden, während der Injektionsstrahl eine turbulente Strömung darstellt, d. h. die Reynolds-Zahl bei mindestens 2 000. Gleichzeitig wird entlang der inneren, umlaufenden Fläche des Reaktors ein Medium in einer solchen Menge injiziert, die zumindest ausreicht, um ein Rückfließen

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der Kohlepartikel zu verhindern. Das mit einer Geschwindigkeit,die größer als gleich oder kleiner als diejenige der Kohle in den Reaktor eingeführte Medium besteht aus einem Gas, welches nicht nachteilig mit den Produkten reagiert und enthält vorzugsweise eine feinkörnige V/ärmequelle in einer Mange, die ausreicht, die gesamte, für die Pyrolyse erforderliche Wärme zuzuführen. Das Medium verbindet sich mit den Bestandteilen das divergierenden Strahles in einer Mischsor.e vor der Pyrolysensone und geht in die Pyrolysenzone über, wo bei einer vorbestimmten Temperatur, die großer ist, als der Erweichungspunkt der Kohle, die Kohle pyrolysiert wird, um verdampfte, rückgewinnbare Kohlenwasserstcffe und einen kohlenstoffhaltigen Feststoffrückstand der Pyrolyse zu bilden. Um einen störungsfreien Betrieb zu erzielen, besitzen die in dem Strahl eingeschlossenen Kohlepartikel eine geringe Größe, während sie das klebrige Stadium durchlaufen. Sie verlieren ihre Klebrigkeit beim Übergang, bevor sie mit einer festen inneren Oberfläche des Reaktors in einem Abstand von der Öffnung in Berührung kommen. Vorzugsweise ist die Geschwindigkeit des den Strahl umgebenden Mediums geringer als die Ausgangsgeschwindigkeit der Kohle von der Öffnung.

Um das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen und die Betriebsbedingungen zu steuern, wobei sichergestellt werden soll, daß ein Verstopfen ausgeschlossen ist, wurde die Betreibsdynamik beschrieben. Die maximale Weite der Öffnung in bezug auf die minimale Weite des Reaktors, die Injektionstemperatur der Flüssigkeit sowie die Injektionsgeschwindigkeit und -temperatur der Kohle bilden eine Konstruktionsvariable φ, die in Sekunden oder einem anderen Zeitäqur/alent ausgedrückt wird, wobei es sich um die minimal erforderliche Zeit für ein Kohlepartikel handelt, um von der Öffnung zur nächstgelegenen inneren, festen Oberfläche des Pyrolysereaktors überzugehen. Um ein Verstopfen des Reaktors au vermeiden, ist φ größer oder gleich G, der Klebrigkeitszeit

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für die Kohle. Ein Gesamtpyrolysebetrieb bei der Annäherung an die Verstopfung kann durch die folgenden Gleichungen ausgedrückt werden.

D² = 12K φ

C Cl η Γ( Tp-To)

Γ( Tp- L(Tp-

__ . -Tt) und

!/D² =S£— e ~^ot/Tt
T12K

dabei ist:

D der maximale Kohlenpartikeldurchmesser in Fuß (1 Fuß = 305 mm),

K die thermische Leitfähigkeit der Träger- und Fluidisierungsgase zusammen in Btu/s-Fuß- R ( 1 Btu = 1055 Joule, °R = °F + 460 =°K (5/9)),

φ die minimale Zeit, die für ein Kohlepartikel

erforderlich ist, um die Strecke von der Öffnung bis zu einem inneren festen Punkt auf der Oberfläche des Reaktors beim Betrieb zurückzulegen,

^. die scheinbare Dichte der Kohle in Pfund/Fuß ( 1 Pfund/Fuß³ » 16 kg/m³),

C die spezifische Wärme der Kohle in Btu/Pfund-°R, Tp die Pyrolysenremparatur in ⁰R,

To die Zuführungstemperatur der Kohle in R,

Tt die Temperatur der Kohle am Ende der Klebrigkeitsperiode der Kohle in ⁰R,

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BOEHMERT & ΒΟΗΗΜΗ:{Γ

die plastische Zeitkonstante für die

Kohle bei einem vorbestimmten Verhältnis

der Feststoffwärmequelle zur Kohle in Sekunden,

der Exponentialtemperaturfaktor für den Verlust der Klebrigkeit der Kohle in R,

) ist das Exponentialintegral von χ = (o£/Tt-i</Tp)

α. α.

E^(x ) ist das Exponentialintegral von x, =

E-(x ) ist das Exponentialintegral von χ =<X/Tt

E,j(x,) ist das Exponentialintegral von x, =uC/ To

E (x) = r^e~^q

x_/ dq, wobei χ ein bestimmter Wert und q eine

Scheinvariable ist und den Operator darstellt, der in "Handbook of Mathematical Functions, National Bureau of Standards AMS55", Seite 22, Definition 5.1.1. (1964) beschrieben ist.

Für die meisten Kohlen kannTsicher annäherungsweise be-

—9 stimmt werden und liegt in der Größenordnung von 2 χ 10

Sekunden und |_5 - 0,6 (Verhältnis von Feststoffwärmequelle zu Kohle)]]χ 1O~⁹ Sekunden und beträgt 25,54O°R (14189°K oder 13916°C).

Um einen ordnungsgemäßen Betrieb zu bestimmen, werden mit einer Ausnahme alle Variablen D, φ, To, Tp für den Reaktor festgelegt und die verbleibende Variable bestimmt. Wenn der Wert für D bestimmt ist, muß die Partikelgröße der größten Kohlepartikel geringer sein als D. Wenn To bestimmt ist, muß der tatsächliche Wert für To größer sein. Wenn Tp bestimmt ist, muß die tatsächliche Pyrolysentemperatur höher liegen. Für einen normalen Betrieb ist Tp festgelegt, da

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BOEHME-RT & BOEHMEFT

dieser Viert die Produktzusammensetzung steuert,und die anderen Vierte werden entsprechend festgelegt. Eine der Variablen, nämlich der Partikeldurchmesser läßt sich am leichtesten steuern und ist die normale Einstellungsvariable. Das Verhältnis von FeststoffwarmequelIe zu Kohle ist weniger variable, da bei einem bevorzugten Betrieb die Wärmequelle und die Menge durch Tp festgelegt ist. Bei einer ausgewählten Zusammenstellung von Betriebsbedingungen können die Gleichungen auch benutzt werden, um die Konstruktionskriterien für den Reaktor zu bestimmen, wobei zu diesem Zweck θ für φ in den Gleichungen eingesetzt v/ird, v/obei φ größer oder gleich & sein muß.

In Abhängigkeit von den zu gewinnenden Produkten liegt die ausgewählte Pyrolysentemperatür Tp oberhalb etwa 315° C und vorzugsweise zwischen etwa 315 und 1 Ο95 C. Der am stärksten bevorzugte Bereich liegt etwa zwischen 480 und 760 C. Wenn eine feinkörnige FeststoffwarmequelIe eingesetzt wird, um die ausgewählte Pyrolysentemperatur aufrechtzuerhalten, liegt das Gewichtsverhältnis der feinkörnigen Feststoff— wärmequelle zwischen etwa 2:1 und 20:1. Statt der durch die feinkörnige FeststoffwarmequelIe zugeführten Wärme kann auch Wärme von außen und/oder durch das entlang der inneren um~ laufenden Reaktorwand eingeführte Medium zugeführt werden.

Die Erfindung soll nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigt im einzelnen:

Fig. 1 ein schematisches Fließbild für ein Verfahren gemäß der Erfindung zur Pyrolyse agglomerierender Kohlen,

Fig. 2 einen Vertikalschnitt eines Pyrolysereaktors für agglomerierende Kohle gemäß der Erfindung,

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BOEMMERT Sr COF.HME3!

Fig. 3 eine experimentelle Vorrichtung zur Bestimmung der Werte cC und vonTäg'jlomerierter Kohle und

F'ig. 4 die Beziehung zwischen "£' und dem Gewichts—

verhältnis von feinkörniger Wärmequelle zu Kohle für eine agglomerierende Kohle.

Nach dem in Fig. 1 dargestellten Fließbild wird ein Beschikkungsstrom 10 aus agglomerierender Kohle in einer Zerkleinerungsvorrichtung 11 zerkleinert. Der Begriff "agglomerierende Kohle" bezeichnet eine zusammenbackende Kohle, bei welcher es sich im allgemeinen um eine bituminöse Kohle handelt. Der Begriff "Zerkleinerung" bezieht sich auf jede physikalische Durchführung einer Größenverringerung und ist nicht auf Zerhacken, Zerquetschen und Zermahlen durch geeignete Vorrichtungen beschränkt. Die Zerkleinerung der Kohle vergrößert das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen für eine wirkungsvolle Pyrolyse.

Die Kohle kann weiterhin für die Pyrolyse vor und/oder nach der Zerkleinerung vorbereitet werden, indem man die Kohle zumindest teilweise trocknet, um die Wärmebelastung in dem Pyrolysereaktor zur Verdampfung des in der Kohle befindlichen Wassers zu vermindern, und indem man die magnetischen Patikel entfernt. Die zerkleinerte Kohle wird in einen Pyrolysereaktor 12 eingeführt. Ein Trägergas 13, welches nicht in nachteiliger Weise in Bezug auf die Pyrolyseprodukte reagiert, kann eingesetzt werden, um die Kohle in den Pyrolysereaktor 12 zu fördern. Durch den Ausdruck "nicht in nachteiliger Weise reagiert" wird ein Träger— oder Transportgas bezeichnet, das im wesentlichen frei von freiem Sauerstoff ist. Gase wie Stickstoff oder Dampf und vorzugsweise Gase, die sich aus der Pyrolyse von Kohle ergeben, können als Trägergas eingesetzt werden. Weiterhin bevorzugt wird ein Wasserstoff ange-

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reichertes Trägergas, wobei der Wasserstoff durch die Reaktion des Dampfes mit dem kohlenstoffhaltigen Feststoffrückstand der Pyrolyse von Kohle erzeugt werden kann.

Die Kohle wird in dem Pyrolysereaktor 12 mit einer feinkörnigen Wärmequelle, vorzugsweise einem heißen Koksstrom zusammengebracht. Ein Fluidisierungsgas 17, das nicht nachteilig in Bezug auf die Pyrolyseprodukte reagiert, kann als Transportgas für die feinkörnige Wärmequelle in den Pyrolyse— reaktor eingesetzt werden. Um eine maximale Ausnutzung der feinkörnigen Wärmequelle zu erzielen, kann das Transportgas für die feinkörnige Wärmequelle eine Temperatur besitzen, die der Temperatur der feinkörnigen Wärmequelle angenähert ist.

Bei der feinkörnigen Wärmequelle handelt es sich um ein Material, das in der Lage ist, Wärme auf die Kohle zu übertragen, um die Pyrolyse in verdampfte Kohlenwasserstoffe und Koks zu bewerkstelligen. Bei der Wärmequelle handelt es sich vorzugsweise um ein Feststoffprodukt, das sich aus der Pyrolyse kohlenstoffhaltigen Materials ergibt, wie Holzkohle oder Koks. Der Koks dient dazu, eine Agglomeration zu verhindern und mindestens einen Teil der für die Pyrolyse erforderlichen Wärme zur Verfügung zu stellen. Die Auswahl des Massenverhältnisses von feinkörnigem, heißem Koks zu den Kohlepartikeln hängt von den Wärmeübergangsbedingungen des Systems, der Neigung der Kohlepartikel zu agglomerieren und der Pyrolysenwärmemenge ab, die durch das Trägergas zugeführt wird. Die Temperatur, die Strömungsgeschwindigkeit und die Verweilzeit innerhalb des Reaktors hängen von dem feinkörnigen System ab, das der Pyrolyse unterzogen wird. Im allgemeinen zieht man wegen der Wirtschaftlichkeit den Einsatz von Kokspartikeln als Hauptwärmequelle vor,die durch die Pyrolyse von Kohle erzeugt wurden.

In einer Mischzone 18 des Pyrolyse-reaktors 12 wird der Kohlebeschickungsstrom 16, der aus der feinkörnigen zerkleinerten

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Kohle 15 und dem Trägergas 13 besteht, der Koks 14 und dessen Fluidisierungsgas 17 zusammengeführt und bilden einen Pyrolysebeschickungsstrom, der in einer Pyrolysereaktionszone 20 des Pyrolysereaktors reagiert und einen Pyrolyseproduk tstronr. 22 ergibt, der als Feststoffe den Koks, der als feinkörnige Wärmequelle dient und den durch die Pyrolyse der beschickten Kohle erzeugten Koks sowie eine Dampfmischung enthält. Die Dampfmischung enthält die Träger- und Fluidisierungsgase, mit welchen der Pyrolysereaktor 12 beschickt wurde und die Pyrolyseprodukte wie Kohlenoxid, Wasserdampf, Wasserstoff und verdampfte Kohlenwasserstoffe.

Mit dem Begriff "verdampfte Kohlenwasserstoffe" sind Kohlenwasserstoffe bezeichnet, die Gase enthalten, welche durch die Pyrolyse von Kohle erzeugt worden sind. Im allgemeinen bestehen sie aus kondensierbaren Kohlenwasserstoffen in Dampfform, die rückgewonnen werden können, indem man einfach die verdampften Kohlenwasserstoffe mit einer Kondensiervorrichtung in Kontakt bringt und aus nicht kondensierbaren Gasen wie Methan und anderen Kohlenwasserstoffgasen, die durch normale Kondensationsvorrichtungen nicht rückgewinnbar sind.

Die Kohle wird bis zu ihrer Zersetzungstemperatur in dem Pyrolysereaktor 12 innerhalb eines Bruchteiles einer Sekunde, d. h. etwa 0,1 Sekunde oder weniger aufgeheizt.

Der Reaktor wird in Abhängigkeit von der Temperatur und der Art der feinkörnigen Wärmequelle in einem Temperaturbereich zwischen 315° C und der Einführungstemperatur des heißen Kokses betrieben. Die Reaktortemperatur wird im wesentlichen durch den heißen Koks aufrechterhalten.

Innerhalb des Pyrolysereaktors tritt der Wärmeübergang im wesentlichen durch einen Feststoff/Gas/Feststoff-Konvektionsmechanismus ein mit einem gewissen Anteil an Feststoff/Feststoff-Strahlung und Leitungswärmeübergang.

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BOEIIMERT St BOnHiVlEFT

Der Betriebsdruck des Pyrolysereaktors liegt normalerweise oberhalb des atmosphärischen Druckes. Wenn der Druck gesteigert wird, erfolgt eine Kompression des Trägergases und der verdampften Kohlenwasserstoffe. Hierdurch läßt sich eine Verringerung des Volumens der sich an den Reaktor anschließenden Trennungseinrichtung erzielen.

Im allgemeinen bevorzugt man einen hohen Feststoffgehalt in dem Pyrolysebeschickungsstrom, um die Größe der Einrichtung und die Kosten gering zu halten. Bevorzugt enthält jedoch der Pyrolysebeschickungsstrom hinreichend Trägergas, damit der

en

Beschickungsstrom ein realtiv niedrigen Feststoffgehalt aufweist, der zwischen O,l bis IO Vol. % bezogen auf das Gesamt volumen des Stromes liegt, um eine Turbulenz zu erzeugen für die rasche Aufheizung der Kohle und die Verdünnung der Kohlepartikel zur Verhinderung der Agglomeration zu unterstützen. Ein rasches Aufheizen führt zu hohen Ausbeuten und verhindert ein Verkleben der agglomerierenden Kohlen. Die Feststoffe innerhalb des Pyrolysebeschickungsstromes sind Kohle und Koks, wobei ein Koks zu Kohle Gewichtsverhältnis von etwa 2 bis etwa 20:1 vorliegt. Das hohe Verhältnis von Koks zu Kohle hilft zu verhindern, daß agglomerierende Kohlepartikel aneinanderkleben. Der feinkörnige Koks besitzt eine Temperatur, die auf die Erfordernisse der Pyrolysenzone abgestimmt ist, in Abhängigkeit von der Kohle- und Trägergastemperatur sowie den Massenverhältnissen von Kohle, Koks und Trägergas. Bei dam oben angegebenen Koks zu Kohle Verhältnis liegt die Temperatur des feinkörnigen Kokses etwa 56 bis etwa 278° C höher als die Temperatur in der Pyrolysenzone.

Die Temperatur in der Reaktionszone liegt im Bereich von mindestens 315 bis 1 O95 C. Es wurde herausgefunden, daß die Art des Produktes und die Gesamtproduktausbeute in starkem Maße von der Temperatur in der Reaktionszone abhängen. Wenn die Temperatur in der Reaktionszone über 76O° C ansteigt, ent-

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BOEHMERT Sr ΒΟΚΗΜΕΠΓ

halten die in der Pyrolysenreaktion verdampften Kohlenwasserstoffe einen höheren Anteil an nicht kondensierbarem Produktgas. Die feinkörnige Kohle wird auf eine Temperatur von etwa 480 bis 750° C und bevorzugt auf 580° C erhitzt,- um hohe Ausbeuten verdampfter Kohlenwasserstoffe zu erzeugen, die einen hohen Prozentsatz wertvoller Mitteldestillate entr halten. Mitteldestillate sind die im mittleren Siedebereich Kohlenwasserstoffe, d. h. C,--Kohlenwasserstoffe bis zu den Kohlenwasserstoffen, die einen Endsiedepunkt von etwa 510° C besitzen. Diese Kohlenwasserstoffe eignen sich für die Herstellung von Benzin, Dieselöl, Heizöl und ähnlichem. Die Maximal temperatur innerhalb des Pyrolysereaktors wird durch die Temperatur bestimmt, bei welcher der anorganische Teil der Kohle erweicht, was zum Schmelzen oder zur Schlackenbildung führt. Eine Pyrolysentemperatur von 1 095° C ist etwa die maximale Temperatur, die erzielt werden kann, ohne daß sich eine Schlacke mit der agglomerierenden Kohle bildet.

Die Pyrolysezeit in der Reaktionszone hängt von verschiedenen Faktoren ab, wie der Temperatur der Komponenten, der Art der Kohlebeschickung usw. Die Verweilzeit in der Reaktionszone ist vorzugsweise geringer als 5 Sekunden und liegt in stärkerem Maße bevorzugt zwischen etwa 0,1 bis etwa 3 Sekunden, um die Ausbeute an verdampften Kohlenwasserstoffen zu erhöhen, wobei längere Verweilzeiten bei niedrigeren Pyrolysetemperaturen gegeben sind. Längere Pyrolysezeiten können zum Kracken der verdampften Kohlenwasserstoffe führen, die durch die Pyrolyse erzeugt worden sind, wobei die Ausbeute an kondensierbaren Kohlenwasserstoffen vermindert wird.

Der hier verv/endete Ausruck "Pyrolysezeit" steht für die Zeit, in welcher die Kohle die feinkörnige Wärmequelle berührt, bis die pyrolytischen Dämpfe, die durch die Pyrolyse erzeugt worden sind, von der vebrauchten, feinkörnigen Wärmequelle abgetrennt sind. Ein zweckmäßiges Maß für die Pyrolysei'.eit ist die durchschnittliche Verweilzeit des Träqergases in dem Pyrolysebe-

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reich des Pyrolysereaktors und des Zyklonabscheiders im Anschluß an den Reaktor. Eine hinreichende Pyrolysezeit muß eingehalten werden, um die Kohle auf die Pyrolysetemperatur zu bringen.

Eine für die Zusammenführung des Kokses und der Kohle in dem Mischbereich eines Pyrolysereaktors geeignete Vorrichtung ist in Fig. 2 dargestellt. Verwendet man eine solche Vorrichtung, so wird der Koks- und Kohlestrom innig unter turbulenten Strombedingungen miteinander vermischt, um eine wirkungsvolle Pyrolysereaktion und einen guten Wärmeübergang von dem heißen feinkörnigen Koks auf den Kohlebeschickungsstrom sichergestellt, ohne daß sich Koks auf den Reaktorv/änden absetzt.

fc/ie in Fig. 2 zu erkennen ist, tritt der Kohlebeschickungsstrom, der von einem Trägergas geführt wird, in einem im wesentlichen senkrecht orientierten Mischbereich 100 eines im wesentlichen senkrecht orientierten, für eine abwärtige Strömung ausgelegten Pyrolysereaktors 102 über einen im wesentlichen senkrecht stehenden, rohrförmigen ersten Einlaß 104 ein, der innerhalb des Mischbereiches ausläuft und an seinem Ende 106 verjüngt ist und eine Düse bildet, so daß hierdurch ein Strahl geformt wird. Der Pyrolysereaktor 102 ist ringförmig ausgebildet und besitzt ein oberes Ende 108, das offen ist und einen größeren Durchmesser besitzt, so daß er die Düse umgibt und dabei einen ringförmigen Spalt 110 zwischen dem oberen Ende 108 des Reaktors und der Düse 106 bildet.

Eine ringförmige Flüdisierungskammer 112 wird durch einen rohrförmigen Bereich 114 mit einem umlaufenden Rand 116 gebildet, der eine Verbindung zur Wand des ersten Einlasses 104 oberhalb der Düse 106 herstellt. Die Kammer 112 umgibt den unteren Teil der Düse 106 sowie das obere Ende 108 des Reaktors.

Ein zweiter, im Querschnitt kreisförmiger Einlaß 120 ist im wesentlichen vertikal an die Fluidisierungskammer 112 zur Auf-

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BOEHMERT ** PCHHMFFT

nähme eines Stromes von Koks angeschlossen. Der zweite Einlaß führt den Koks in die Fluidisierungskarnmer unterhalb der Oberkante des Reaktors 1, so daß sich der eingeleitete Koks in der Fluidisierungskarnmer 112 aufstaut und mittels des durch das obere Ende 108 des Reaktors gebildete Wehr zurückgehalten wird, wodurch ein Feststoffver. chluß entsteht. Der Koks wird mittels eines Fluidisierungs- oder Belüftungsgases innerhalb der Kammer 12 in einem fluidisierten Zustand gehalten, wobei das Gas im wesentlichen nicht nachteilig in bezug auf die Pyrolyseprodukte reagiert, die durch den Einlaß 122 und ein umlaufendes Gitter 124 der Kammer zugeführt werden. Der Koks in der Kammer 112 strömt über die Oberkante des Wehres und durch den ringförmigen Spalt 110 zwischen dem Wehr und der Düse in den Mischbereich des Reaktors. Ein Vorteil dieser wehrartigen Ausbildung liegt darin, daß ein im wesentlichen gleichmäßiger Strom fluidisierten Kokses der Mischkammer zugeführt wird, da der durch die Oberkante des Reaktors zurückgehaltene Koks geringe Schwankungen in dem Koksstrom ausgleicht.

Der Koks wird zusammen mit dem Fluidisierungsgas dem Mischbereich des Reaktors zugeführt, um ein Entmischen der Kohle in dem Mischbereich zu verhindern, welches zu einem Anbacken der Kohle an den Reaktorwänden führen könnte.

In dem Mischbereich 100 des Pyrolysereaktors wird die feinkörnige, agglomerierende Kohle, die von dem Trägergas geführt wird, über die Düse als Strahl 130 freigegeben, der in Richtung auf die Reaktorwandung in einem divergierenden Winkel von etwa 20 oder weniger expandiert, wie dies durch die Linien 132 dargestellt ist, die den Strahlungskegel begrenzen. Nachdem die feinkörnige Wärmequelle sich innerhalb des Mischbereiches befindet, fällt sie in den Strahl 130 hinein und wird von diesem mitgerissen, woraus sich eine turbulente Mischung aus feinkörniger Wärmequelle Kohlebeschickung und Trägergas ergibt. Der Strahl besitzt eine aus Kohle bestehende

BOEHMERT & BOEHMERT

Kernregion 136, die durch die V-förmig gezeichneten Begrenzungslinien 138 dargestellt ist, welche sich in den Reaktor hineinerstreckt. In dem Außenbereich 140 zwischen den Reaktorwän-

eine den und dem Strahl 13O befindet sich noch nicht mitgerissene, feinkönrige Wärmequell«. Die feinkörnige Wärmequelle entlang der Strahlbegrenzungslinien 132 heizt die Kohle durch den klebrigen Status hindurch auf, bevor die Kohle die Reaktor-wände berührt, worin erfindungsgemäße Merkmale zu sehen sind. Diese Mischung der feinkörnigen Wärmequelle mit der Kohle in dem Mischbereich bewirkt einen Wärmeübergang von dem Koks auf die Kohle, so daß innerhalb des im wesentlichen senkrecht orientierten Pyrolysebereich 14O des Pyrolysereaktors die Pyrolyse eintritt.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Vorrichtung wird der durch den zweiten Einlaß eingeführte Koks bei einer Strömungsgeschwindigkeit unterhalb der turbulenten Strömung gehalten, während die Kohle und das Trägergas, die über den ersten Einlaß zugeführt werden, unter einer turbulenten Strömung bei einer Geschwindigkeit gehalten werden, die hinreichend groß ist, daß die sich ergebende Mischung durch den Kontakt von Koks und Kohle unter turbulenten Strömungsbedingungen steht. Der turbulente Strom erzeugt einen innigen Kontakt zwischen der Kohle und den Koksparikeln, wodurch ein rasches Aufheizen der Kohle durch den Koks eintritt und die Ausbeute verbessert wird. Eine "turbulente" Strömung bedeutet in diesem Zusammenhang, daß die Reynolds-Zahl über 2 000 liegt. Die Reynolds-Zahl basiert auf dem Trägergas bei Betriebsbedinungen. Eine laminare Strörmung in dem Pyrolysereaktor schränkt die Geschwindigkeit des Wärmeüberganges innerhalb der Pyrolysezone beträchtlich ein. Verfahrensparameter wie beispielsweise der Düsendurchmesser und die Massenstromungsgeschwindigke.it der feinkörnigen Kohle und deren Trägergas werden verändert, um die Strömungsgeschwindigkeit dar Kohle und des Trägergases, die durch den ersten Einlaß in die turbulente Mischregion eintreten, aufrechtzuerhalten,

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BOEHMERT & BOEHMFiIT

Vorzugsweise v;ird die Düse 106 vor Abnutzung durch eine feuerfeste Umkleidung geschützt,oder sie kann mit irgendeinem herkömmlichen Material wie vergütetem Edelstahl und Gußstahl oder ähnlichem überzogen sein.

Das Ende das Kohlebeschickungseinlasses ist vorzugsweise durch Wasser gekühlt, da der Einlaß bis oberhalb des Punktes erhitzt werden kann, bei welchem die Kohle infolge des Wärmeüberganges von dem das Ende des Feststoffeinlasses umgebenden Koks klebrig wird.

Obzwar in Fig. 2 am Ende des Kohlebeschickungseinlasses eine Düse vorgesehen ist, um die hohen Zuführungsgeschwindigkeiten in die Mischregion zu erzeugen, ist eine solche Düse nicht zwingend erforderlich. Die Kohle und ihr Trägergas kann auch mit einer hinreichend hohen Geschwindigkeit durch den Einlaß zugeführt werden, so daß die sichergebende Mischung unter turbulenten Strömungsbedingungen steht, ohne daß hierzu eine Düse erforderlich ist. ·

Der in Fig. 1 angegebene Pyrolyseproduktabstrom 22 aus der Pyrolysereaktionszone enthält Koks und eine Dampfmischung, die aus verdampften Kohlenwasserstoffen sowie Träger- und Fluidisierungsgasen zusammengesetzt ist. Zumindest der Hauptteil des Kokses 24 wird von der Dampfmischung 26 in einer Feststoff /Dampf -Trennstuf e 28, die aus einem oder mehreren in Reihe angeordneten Zyklonen besteht, abgetrennt. Zumindest ein Teil des abgeschieden Kokses 24 wird als Koksstrom 3O im Kreislauf geführt, um die feinkörnige Wärmequelle zu bilden. Der verbleibende Koks stellt das eigentliche aus der Kohle erhaltene Pyrolyseprodukt dar und wird als Koksprodukt abgezogen.

Der Koksstrom 30 wird zumindest einer tei.lv/eisen Oxydation in Gegenwart einer Sauerstoffquelle, wie Luft 48,in einem

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Brenner 50 ausgesetzt. Die exotherme Oxydation von Kohlenstoff aus dem Koks in dem Koksbrenner 50 erhöht die Koksternperatur entsprechend den Erfordernissen des Pyrolysereaktors. Der Äbstrom 52 aus dem Koksbrenner enthält heißen Koks, gasförmige Verbrennungsprodukte des Kokses und nicht reagierende Komponenten aus der Sauerstoffquelle, wie Stickstoff. Zumindest der wesentliche Teil des Kokses wird von diesen Gasen 56 in einer Gas/Feststoff-Trennzone 58, die aus einem oder mehreren in Reihe angeordneten Zyklonen bestehen kann, abgeschieden. Der abgetrennte Koksstrom wird dann als feinkörnige Wärmequelle 14 dem Mischbereich 18 in dem Pyrolysereaktor 12 zugeführt.

Zunächst wird das System in Betrieb gesetzt, indem man Koks verwendet, der außerhalb des Verfahrens als Koksstrom dem Koksbrenner zugeführt wird. Nachdem jedoch die flüchtigen Bestandteile aus den Kohlepartikeln entfernt worden sind, eignen sie sich als für das System erforderliche Kokspartikel. Koks wird in einem solchen Überschuß erzeugt, daß er leicht für den weiteren Verfahrensablauf verfügbar ist, wobei neue Materialien bereitgestellt werden, die die Gesamtwirtschaftlichkeit des Verfahrens erhöhen, wobei beispielsweise Brennstoffe für Kraftwerke oder Rohmaterial für die chemische Industrie erzeugt wird.

Die Dampfmischung aus der Feststoff/Dampf-Trennstufe 28, die verdampfte Kohlenwasserstoffe und Nicht-Kohlenwasserstoffgase wie Kohlenmonoxid, Wasserstoff, Kohlendioxid, Schwefelwasserstoff und Wasser enthält, wird einem Sammelsystem 34 zur raschen Kühlung zugeführt, um eine Zersetzung zu vermeiden. Die kondensierbaren, verdampften Kohlenwasserstoffe werden abgetrennt und als flüssiges Produkt 44 mittels herkömmlicher Trenn- und Rückgewinnungsvorrichtung gewonnen, wie beispielsweise Venturi-Wascher, indirekter Wärmetauscher, Waschtürme und ähnliches in einem Sammelsystem.

BOEHMERT & BOEHMERT

Nicht kondensierte Gase 42 aus dem Sammelsystem können durch herkömmliche Techniken weiterverarbeitet werden. Schwefelwasserstoff und Kohlendioxid können mittels herkömmlicher Einrichtungen, wie beispielsweise einem chemischen Wasche^ gewonnen werden. Die verbleibenden- Gase können als" Produktströme gewonnen v/erden. Der gesamte Gasstrom oder ein Teil des Gasstromes können zur Förderung der zerkleinerten Kohle zu dem Pyrolysereaktor Ί2 eingesetzt werden.

Nach dem erfjndungsgemäßen Verfahren kann ein Reaktor, wie beispielsweise der in Fig. 2 dargestellte, mit agglomerierender Kohle betrieben werden, ohne daß ein Anbacken der Kohle an den Reaktorwänden eintritt. Dies kann erreicht v/erden durch eine entsprechenden Auswahl der Reaktorgeometrie, der Temperatur und der Massenströmungsgeschwindigkeiten der in den Reaktor geführten Ströme, wie auch die maximale Partikelgöße der Kohlebeschickung, so daß die Zeit, die erforderlich ist, bis die größten Kohlepartikel ihre Klebrigkeit verlieren, nämlich Q geringer ist, als die Minimalzeit ώ , die benötigt wird, bis die jeweils eingeführten Kohlepartikel die innere Oberfläche des Reaktors von der Öffnung aus erreichen. Wenn dieses Kriterium erfüllt ist, tritt ein Anbacken der Kohle an den Wänden des Reaktors nicht auf.

Es soll nun erläutert werden, wie@ und ψ bestimmt werden können, und wie dieses grundlegende Prinzip auf die Auslegung und den Betrieb eines Pyrolysereaktors für agglomerierende Kohlen angewendet wird.

Die Kalkulation von φ :

Die kürzeste Zeit, die erforderlich ist, bis ein Kohleteilchen die Oberfläche des Reaktors berührt, ist gleich dem kürzesten Abstand zwischen dem Einlaß für den Kohlebeschickungsstrom und der dem Einlaß am nächsten liegenden Reaktoroberfläche, dividiert durch die durchschnittliche Geschwindigkeit eines

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lsweise unt

Kohleteilchens entlang diesem VJeg. Wenn beispielsweise unter Bezugnahme auf Fig. 2 die Kohle aus der rohrförmigen, vertikalen Düse 106 in einen vertikalen, rohrförmigen Pyrolysereaktor 102 konzentrisch zur Düse eingeführt wird, und der eintretende freie Kohlestrahl von der Düse in einem Winkel von β divergiert, wie dies durch die Linie 156 dargestellt ist, kann φ entsprechend der nachfolgenden Gleichung bestimmt v/erden:

3 3 1 R-R

^Tp 36 ν tan 0/2 R

Dabei ist:

ν = die Einlaßgeschwindigkeit der Kohle in den Reaktor,

β = der Divergenzwinkel des Kohlebeschickungsstromes von der Einlaßdüse aus,

R = die kürzeste Entfernung von der Achse der Düse am Düsenende bis zur innaren Wand des Reaktors,

R = der längste Abstand zwischen der Längsachse der Düse und der Innenwand der Düse an deren Ende,

To = die Einführungstemperatur des Kohlebeschickungsstromes in R und

Tp = die Pyrolysemischtemperatur in ⁰R.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Aufbau ist R gleich dem inneren Radius dos Reaktors und R gleich dem inneren Radius der Düse.

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Nach der Gleichung 1 vergrößert sich die Zeit für ein Teilchen, bis es die Wand des Reaktors errreicht, mit einer Steigerung der Temperatur der eintretenden Kohle und dem Durchmesser des Reaktors und nimmt ab mit einem Anwachsen der Temperatur des eingeführten Kokses, dem Durchmesser der Einlaßdüse und dem Divergenzwinkel.

Der Divergenzwinkel des Sprühkonus der Kohleteilchen kann im Bereich von etwa 10 bis etwa 20° liegen. Die Charakteristika des turbulenten freien Strahls sind in "Perry's Chemical Engineering Handbook',' 4. Ausgabe, auf den Seiten 5 bis 18 beschrieben, wo der Divergenzwinkel des freien Strahls mit etwa 20° angegeben ist. Für die meisten Anwendungen kann man ώ berechnen, indem man annimmt, daß β 20 ist. Wenn eine größere Genauigkeit erforderlich ist, kann man mit gefärbten Kohleteilchen und einem Fenster in der Reaktorwand experimentieren, wobei der Betrachter den Auftreffpunkt der Kohleteilchen auf der Reaktorwand ermitteln und hierdurch p bestimmen kann.

Die Gleichung 1 läßt die Einwirkung des hinzutretenden Kokses außer Acht, den dieser auf den Weg der Kohleteilchen in dem Reaktor haben kann. Der den Sprühkonus der Kohle umgebende Koks kann die Bewegung der Kohle in Richtung auf die Reaktorwand stören, mit dem Ergebnis, daß der Divergenzwinkel verriirgert und die durchschnittliche Geschwindigkeit der Kohlepartikel entlang der Begrenzungslinien 132 des Sprühkonus vergrößert wird. Dementsprechend ist der Wert von φ, der gemäß Gleichung 1 berechnet worden ist, insofern reichlich bemessen, als bei in dem Reaktor eingeführten Koks die Kohleteilchen eine längere Zeit als den durch die Gleichung 1 für <j> errechneten Wert benötigen, bis sie eine And des Reaktors erreichen. Dementsprechend besiezt ein Reaktor, der so aufgebaut und betrieben ist, daß θ geringer oder gleich <f) ist, wobei φ nach Gleichung 1 berechnet ist, einen wesentlichen Sicherheitsbereich, v;enn Koks in den Reaktor entlang dessen umlaufender Wand rund um

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den Sprühkonus der Kohle eingeführt wird. Die Berechnung von Θ:

Die Klebrigkeitszeit der Kohle &wird durch die gleichzeitige Lösung der folgenden beiden Gleichungen bestimmt:

_D2 12K0

<(Clη ΠTp-ToΠ (2)

ΠTp-ToΠ [(Tp-Tt)J

" ^El^(xb⁾⁾-^(El^(xc⁾ -

Dabei ist:

K die thermische Leitfähigkeit der Trägerund Fluidisierungsgase zusammen in Btu/s/Fuß- R,

O die scheinbare Partikeldichte der Kohle in Pfund/Fuß³, .

C die spezifische Wärme der Kohle in Btu/Pfund-°R, Tp die Pyrolysentemperatur in ⁰R,

To die Einführungstemperatur des Kohlebeschickungsstromes in R,

Tt die Temperatur der Kohle am Ende der Klebrigkeitsperiode der Kohle in ⁰R,

O~ die plastische Zeitkonstante der Kohle bei

einem vorbestimmten Verhältnis von Feststoff—

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wärmequelle zu Kohle in Sekunden,

der Exponentialtemperaturfaktor für den Verlust der Klebrigkeit der Kohle,

E. (x ) das Exponentialintegral von χ =»

Χα α

E₁(X,) das Exponentialintegral von ::,= (<xS/To-ei/Tp) E₁(X ) das Exponentialintegral von χ =a/Tt

XC G

E.(x.) das Exponentialintegral von x,=oC/To.

Das Exponentialintegral E^ stel.lt einen Operator dar, wie er in "Handbook of Mathematical Functions", (National Bureau of Standards AMS55), 1964, Seite 228, Definition 5.1.1 beschrieben ist. Dieses Exponentialintegral wird ausgedrückt als:

S₁(X) - Γ J 3

e"^qdq

(4)

wobei q eine Scheinvariable und

χ, χ , χ, , χ und χ,, wie oben definiert, darstellt.

Die Gleichungen 2 und 3 basieren auf einem physikalischen Modell für den Verlust der Klebrigkeit der Kohle, wobei angenommen wird, daß das plastische Material, das für die Agglomeration der Kohlenteilchen verantwortlich ist, ausgetrieben wird, oder die Klebrigkeitseigenschaften während der Pyrolyse mit einer Geschwindigkeit verliert, die der Konzentration des plastischen Materials in der Kohle proportional ist. Man nimmt an, daß die Geschwindigkeitskonstante für den Verlust der Klebrigkeit

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der Kohle von dor Temperatur der Kohle entsprechend der Arrhenius-Gleichung abhängt, wobei cL gleich der Aktivierungsenergie für den Verlust der Klebrigkeit, dividiert durch die Gaskonstante R ist, welche gleich 1,98Btu/Pfund Mol-°R(8,314 Joule/g HoI-⁰K) ist. Dabei repräsentiert ^₁ die plastische Zeitkonstante der Kohle, die Dauer in Sekunden des plastischen Stadiums eines Kohleteilchens, das plötzlich bis zu einer unendlich hohen Temperatur erhitzt wird. Um ein Verstopfen des Pyrolysereaktors zu verhindern, ist es erforderlich, daß φ größer oder gleich^ist, da es unmöglich ist, daß ein Kohleteilchen in einer kürzeren Zeit als % die Klebrigkeit verliert.

Die Analyse der Gleichungen 2 und 3 zeigt, daß die Klebrigkeitszeit θ der Kohle durch Verfahrensparameter gesteuert werden kann, wie die Zuführungstemperatur der Kohle, die maximale Teilchengröße der Kohle, die Pyrolysetemperatur, die Art der behandelten Kohle und das Verhältnis von Koks zu Kohle. Im allgemeinen gilt, daß je.größer die maximale . . Teilchengröße der Kohlebeschickung, je geringer die Pyrolysentemperatur, je geringer die Temperatur der zugeführten Kohle, und wie nachfolgend im einzelnen beschrieben wird, je geringer das Koks-zu-Kohlen-Verhältnis ist, um so langer ist die Klebri^gkeitsseit. Bei einer langen Klebrigkeitszeit ist ein großer Viert für <j) erforderlich, um ein Verstopfen des Pyrolysereaktors zu verhindern. Um jedoch einen großen Wert für <j> zu erhalten, kann ein Reaktor mit großen Durchmesser erforderlich werden, was zu einer Erhöhung der Kapital- und Betriebskosten für das Verfahren führt. Dementsprechend ist es irn allgemeinen erstrebenswert, den Wert 6 so niedrig wie möglich zu halten. . -

Eine niedrige Klebrigkeitszeit für die Kohle kann bewirkt werden durch Zerkleinerung der Kohle.auf eine kleine Teilchengröße, durch den Betrieb des Reaktors bei einer hohen Pyrolysetemperatur, durch eine Vorerhitzung der Kohlebeschickung, durch den einsatz eines großen Verhältnisses von Koks zu Kohle und durch die Auswahl einer Kohle, welche

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schnell ihre Klebrigkeit verliert, d. h. einer Kohle mit niedrigen Vierten für cC und "£ . Diese Verf ahrenspare.meter können jedoch nur mit gewissen Einschränkungen manipuliert werden. So muß beispielsweise die Zuführungstemperatur der Kohle T_Q geringer sein als die Temperatur, bei welcher die Kohle zu plastifizieren beginnt, da sonst die Kohle die Zuführungsdüse zum Reaktor verstopft. Die Pyrolysetemperatur T muß kleiner sein als die Temperatur, bei welcher Schlacke gebildet wird, die bei etwa 1 095° C liegt. Das Koks zu Konle Verhältnis ist beschränkt, da bei einem sehr hohen Verhall: is von feinkörniger Wärmequelle zu Kohle die Kosten für d.i. ^ Aufrechterhai tung eines Kreislaufs für die feinkörnige Feststoffwärmequelle unwirtschaftlich hoch sein können.

Wenn andererseits die Kohle auf eine sehr kleine Teilchengröße zerkleinert wird, wachsen die Kapital- und Betriebskosten für die Zerkleinerung stark an. Außerdem enthält die feinzerkleinerte Kohle einen wesentlichen Prozentsatz an Feinstoffen, die mit der Dampfmischung in dem Feststoff/Gasabscheider weitergeführt werden, wodurch eine Verunreinigung der Kohlenwasserstoffprodukte verursacht wird.

Dementsprechend werden alle Verfahrensparameter, die Einfluß auf den Viert θ besitzen, gesteuert, v/ie auch die Parameter, die den Wert von 6 beeinflussen, um ein Verstopfen des für die Pyrolyse von agglomerierender Kohle eingesetzten Reaktors zu verhindern.

Die Temperatur der Kohle am Ende ihrer Klebrigkeitsperiode T. kann nicht gemessen werden. Da es sich jedoch bei den Gleichungen 2 und 3 um simultane Gleichungen handelt, die nach T. oder jeder anderen Variablen aufgelöst werden können, ist es nicht erforderlich, daß man T, mißt, um sich diener Gleichungen bedienen zu können.

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Es wurde bereits erwähnt, daß mit dem Ansteigen des Viertes der Variablen Y, die das Gewichtsverhältnis der feinkörnigen Wärmequelle zur in den Pyrolysereaktor eingeführten Kohle darstellt, der Viert von ^ abnimmt. Da Q mit "^ansteigt, führt ein größeres Gewichtsverhaltnis von feinkörniger Wärmequelle zu Kohle zu einem schnelleren Verlust der Klebrigkeit einer agglomerierenden Kohle. Man glaubt, daß dies zu einem Schmiereffekt der feinkörnigen Wärmequelle beiträgt, wo ein flüchtiges Material, das für die agglomerierenden Charakteristika der Kohle verantwortlich ist, von der Oberfläche der Kohlenteilchen durch die umgebenden Teilchen der Wärmequelle abgewischt wird. Wie jedoch unten aufgezeigt wird, nähert sichΎ einem assymtotischen Viert, wenn Y wesentlich über 5 ansteigt. Man glaubt, daß dieses eintritt, da bei einem Wert von etwa 5 für Y jedes Kohleteilchen von Teilchen der Wärmequelle umgeben ist, so daß die Hinsufügung v/eiterer Teilchen der Wärmequelle wenig oder keine Auswirkung auf das Abwischen flüchtigen Materials von der Kohle durch die Wärmequelle hat.

Obwohl die Vierte für Ut und ^ von dem jeweiligen zu pyrolysiorenden Kohlentyp abhängen, wurde herausgefunden, daß die Gleichungen 2 und 3 für die Pyrolyse der meisten Kohlen anwendbar sind, wenn angenommen wird, daß <?6 13 916° C (25 54O°R)

—9 und ⁷^ in der Größenordnung von 2x10 Sekunden ist, wobei sich der Wert nach der folgenden Gleichung ermitteln läßt:

=5-0,6Y (5)

Dabei äst Y das Gewichtsverhaltnis der feinkörnigen Wärmequelle zu Kohle, wie dies bereits oben definiert wurde.

Wenn eine größere Genauigkeit erforderlich ist, können 06 und s£ für einen bestimmten Kohletyp unter Verwendung der in Fig. schematisch dargestellten Methode bestimmt v/erden.

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Nach der in Fig. 3 dargestellten Anordnung ist eine Quells für trockenen Stickstoff vorgesehen, von welcher aus der Stickstoff über ein Ventil 202, eine Druckreguliereinrichtung 204 und ein Durchflußmengenmeßgerät 2OG den Leitungen 208, 210 und 212 zugeführt wird, von denen jede mit einem Ventil 214, 216, 218 versehen ist. Diese Leitungen führen zu einem Vorerhitzer 220, einer Koksleitung 222 bzw. einer Kohleleitung 224. Die Strömungsgeschwindigkeit des Stickstoffes durch jede der Leitungen wird durch aufeinanderfolgendes Öffnen der Ventile für jede Leitung und Ermittlung des jeweils über das Durchflußmengenmeßgerät 206 angegebenen Zuwachses bestimmt.

Der Vorerhitzer 220 ist ein vertikal orientiertes 40-er-Rohr mit einem Durchmesser von 25,4 mm, das von fünf elektrischen Heizvorrichtungen 230 umgeben und in Aluminiumgranulat mit einem Korndurchmesser von 6 mm zur Unterstützung des Wärmetransports umgeben ist. Der Vorerhitzer besitzt an seinem oberen Ende einen Krümmer 232, der zu einem freien Horizontalrohr 234 des Vorerhitzers führt, das mit einer elektrischen Heizvorrichtung 236 versehen ist. Das Horizontalrohr 234 läuft in einer vertikalen, ringförmigen Fluidisierungskammer 238 aus, die aus einem 40-er-Rohr von 50 mm Durchmesser hergestellt ist. Durch den Boden der Fluidisierungskammer ist ein 40-er-Rohr von 3 353 mm Länge und 25 mm Durchmesser eingeführt, welches als Pyrolysereaktor 240 dient. Das Horizontalrohr 234 ist in einem Punkt an die Fluidisierungskammer 238 angeschlossen, der niedriger ist als die Oberkante 242 des Reaktors, Konzentrische Ringe 242 umgeben den oberen Bereich 242 des Reaktors oberhalb des Endes des Horizontalrohres 234, um eine Kanalisierung der Beschickungsströme zu verhindern, die von der Fliidisierungskammer 238 in den Reaktor übergehen. Auch die Fluidisierungskammer ist mit Heizvorrichtungen 243 versehen.

Der Reaktor 24O ist mit fünf elektrischen Heizvorrichtungen 250 ausgerüstet, um Wärmeverluste an die Umgebung während der

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Durchführung der Pyrolyse auszugleichen. Der Reaktor 240 besitzt an seinem unteren Ende einen Krümmer 252, der in ein Horizontal— rohr 254 überleitet, welches zu einem Zyklon 256 zur Trennung der Kohle- und Koksbeschickung von den Träger- und Heißgasströmen 253 führt. Die Gasströme von den Zyklon durchlaufen einen Filter 260,bevor sie an die Atmosphäre abgegeben v/erden, um mitgerissene Feinstoffe zu entfernen.

Wenn dem Reaktor Koks zugeführt werden soll, leitet man diesen über eine Feststoffbeschickungsvorrichtung 270 in die Leitung 220, durch welche er mittels eines aus Stickstoff bestehenden Fluidisierungsstromes weitertransportiert wird. Der Koks durchläuft dann das Horizontalrohr 234 der Heizvorrichtung bis in die Fluidisierungskammer 238, durch die konzentrischen Ringe 244 und über die Oberkante 242 des Reaktors in diesen hinein.

Zur Zuführung der Kohle in den Reaktor ist eine Feststoffbeschickungsvorrichtung 271 vorgesehen. Die Beschickungsvorrichtung 271 führt die Kohle der Leitung 224 zu, wo sie über die Leitung 212 mit Stickstoff als Trägergas zusammengebracht wird. Der kombinierte Strom aus Kohle und dem Stickstoffträgergas in der Leitung 242 wird einem vertikalen 20-er-Rohrstück 280 von 9,5 ram Durchmesser, das sich nach unten durch die Fluidisierungskammer 100 mm tief in den Pyrolysereaktor 240 hineinerstreckt, zugeführt. An dem in Fig. 3 durch ein X gekennzeichneten Punkt 282 werden die eintretende Kohle mit ihrem Stickstofffluidisierungsgas, das Heißgas von dem Vorerhitzer 220 und der Koks mit seinem Stickstoffträgergas zusammengeführt.

Kin (nicht dargestellter Druckmesser) ist vorgesehen, um den Druck in der Fluidisierungskammer und den zu dem Zyklon führen-rden Auslaß des Pyrolysereaktors zu bestimmen. Temperaturfühler (nicht dargestellt) sind zur Messung der Gastemperatur in dem Vorerhitzer und zur Messung der Oberflächen temperatur des Pyrolyscreäktors vorgesehen. Mittels eines zurückziehbaren

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Temperaturanzeigers 286 wird die Temperatur bei der Zuführung der Kohle durch den Beschickungseinlaß 280 im Mischpunkt 282 gemessen.

Die Verwendung dieser Vorrichtung zur Bestimmung der Werte von ^(jUnd O^ür eine agglomerierende Kohle wird durch die folgenden Beispiele demonstriert.

Beispiele 1 bis 9

Die Beispiele 1 bis 9 wurden durchgeführt, um die Werte für dj und *£ einer agglomerierenden, bituminösen Kentucky No. 9 Kohle aus der Hamilton No. 1 Zeche ohne die Anwesenheit einer feinkörnigen Wärmequelle unter Verwendung der in Fig. 3 dargestellten Vorrichtung zu ermitteln. Der Reaktor wurde mit Hilfe von Stickstoffgas nach dem Durchlaufen des Vorerhitzers 220 aufgeheizt. Die Heizvorrichtung 243 für die Fluidisierungskammer wurde nicht eingesetzt. Nachdem die gewünschten Temperaturen errreicht waren, wurde zerkleinerte Hamilton-Kohle mit ihrem Trägergas durch den Kohleeinlaß 280 eingeleitet und mit dem heißen Stickstoffgasstrom zusammengeführt. Der Durchlauf wurde fortgesetzt, bis der Druckabfall über den Reaktor 178 mn Wassersäule überstieg, womit angezeigt war, daß der Reaktor zumindest teilv/eise verstopft war. Am Ende eines Durchlaufes ließ man den Reaktor abkühlen, worauf das Innere des Reaktors inspiziert wurde, um den Bereich zu bestimmen, wo sich die Kohle an den Wänden des Reaktors abgesetzt hatte. Es zeigte sich, daß sich die Teilchen mit einem bestimmten Anfangspunkt und einem Endpunkt an den Reaktorwänden festgesetzt hatten. Der Abstand zwischen dem Kohleeinlaß und dem Endpunkt des Teilchenniederschlags an den Reaktorwänden, der in Fig. 3 mit Z bezeichnet ist, wurde mit einem Stahlband gemessen. Es wurde davon ausgegangen, daß dieser Abstand die Stelle angibt, an welcher die größten Kohleteilchen der Kohlebeschickung ihre Klebrigkeit verloren hatten.

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Die Verfahrensparameter für die Versuche 1 bis 9, wie auch die Ergebnisse dieser Versuche, sind in Tabelle 1 dargestellt. Alle Beschickungsgeschwindigkeiten und Temperaturen wurden direkt gernessen. Die Kohle und das Fluidisierungsgas für die Kohle besaßen die Umgebungstemperatur. Die Einlaßgeschwindigkeit des Gases ν bezieht sich auf die Einlaßgeschwindig-

H keit des kombinierten Stromes, bestehend aus dem eißgas und dem Kohletransportgas am Injektionspunkt 182 der Kohle. Diese Einlaßgeschwindickeit v/ird von der Beschickungsgeschwindigkeit des heißen Gases und des Kohleträgergases unter Verwendung der idealen Gasgleichung ermittelt, v/obei die Querschnitts-

2 fläche des Reaktors am Kohleeinlaßpunkt 557 mm betrug, während Umgebungsdruck herrschte und von der Temperatur die Pyrolysentemperatur angenommen wurde.

Um die Pyrolysentemperatur T zu bestimmen, wurde die Vorheiztemperatur des Heißgases mit dem Temperaturanzeiger 286 gemessen, bevor die Kohle und ihr Trägergas in den Reaktor eingeführt wurden. Dann wurde der Temperaturanzeiger 286 zurückgezogen, da sich zeigte, daß sich Kohle hieran absetzte, wenn er an seinem Platz gelassen wurde. Die Pyrolysentemperatur T wurde durch das Energiegleichgewicht der in den Pyrolyse eingeführten Ströme bestimmt, wobei angenommen wurde, daß ein adiabatischer Batrieb in dem Reaktor aufgrund der entlang des Reaktors 240 angeordneten Heizvorrichtungen vorlag.

Das prozentuale Feuchtigkeitsgewicht und das prozentuale Gewicht an flüchtigen Materialien wurde nach der ASTM-Methode D-271 bestimmt. Die scheinbare Teilchendichte ^ wurde nach der ASTM-Methode D167-73 bestimmt. Die Zuführungsgeschwindigkeit der Kohle ν wurde als Einlaßgeschwindigkeit des Kohletransportgases durch die ideale Gasgleichung bestimmt.

Die Kohleproben wurden erhalten, indem man die Kohle wiederholt zerkleinerte und absiebte, um eine Kohleprobe einer engen Korn-

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größenverteilung zu erhalten. Die maximale Teilchengröße der Kohle D wurde bestätigt, indem man die Kohleprobe durch einen elektronischen Teilchengrößenzähler hindurchführte, der von der High Accuracy Products Corporation of Claremeont, Kalifornien, V. St. A. als Modell No. PC-3O5-SS-TA hergestellt wurde.

Für jeden Versuch wurde der Wert für O von der folgenden Aufstellung der Stoke'sehen Gleichung bestimmt:

	7 —	vn	V/	vp	we e	V η	W	V P	+ V	II
	ist:
dabei

= XOyU/iJ \ J \ I)

v_n = v_{g +} g «J -e_g) D² ₍₈₎

g die Gravitationskonstante,

ζ die Dichte des kombinierten Stromes von Heißgas und Kohlenträgergas am Kohlebeschik— kungseinlaß berechnet nach der idealen Gasgleichung,

.u die Viskosität des Heißgasstromes am Kohleeinlaß, wobei man den Wert für ^u erhielt durch Tebo, F. J. "Selected Values of the Physical Properties of Various Materials" ANL-5914 (Argonne National Laboratory) (1958) und Z, θ, ν , ^ und D, wie oben definiert.

Die Werte fxxroC und "£ , die nach den Beispielen 1 bis 9 bestimmt wurden, sind in Tabelle II dargestellt. Diese Werte wurden mittels der Gleichungen 2 und 3 durch Vielfach-

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regressionsanalyse berechnet, wobei der fehler in θ minimiert wurde. Die Tabelle II gibt die Zahl der Versuche an zur Berechnung spezieller Werte von ^ und "J^, wie auch das Kokszu-Kohle -Verhältnis Y für diese Untersuchungen, die in dem Fall der Beispiele 1 bis 9 Null war. Die für die Regressionsanalyse erforderlichen Parameter wurden aus der Tabelle I erhalten und von den Vierten für die Berechnung von Θ, wie oben beschrieben. Die thermische Leitfähigkeit des Gases K v/urde nach Powell, "Thermal Coductivity of Selected Materials" NSRDS-NBS8, 25. November 1966, erhalten. Die Wärmekapazität der Kohle C ist die durchschnittliche spezifische Wärme der Kohle von der Kohleneinlaßtetnperatur zur Pyrolysentemperatur, bestimmt nach de πι Verfahren von A. L. Lee, wie berichtet in "Heat Capacity of Coal" ACS Division of Fuel Chemistry (Vorabdruck) Mo. 12, Seiten 19 bis 31 (1968), wo die spezifische Hitze der Kohle im Hinblick auf die Feuchtigkeit korrigiert wird.

Beispiel 10 bis 13:

Die Beispiele 10 bis 13 wurden durchgeführt, um die Auswirkung der Anwesenheit von einer feinkörnigen Wärmequelle auf den Wert von "£ zu bestimmen. Das gleiche Verfahren und die gleiche Kohle, die für die Beispiele 1 bis 9 eingesetzt wurden, sind auch für diese Beispiele verwendet worden, wobei zusätzlich Koks, geführt von einem Fluidisierungsgas/durch den Einlaß 222 in den Reaktor eingeführt wurde. Der Koks wurde durch eine Austreibung der flüchtigen Bestandteile von einer Colorado agglomerierenden, bituminösen Kohle hergestellt, mit einer mittleren Teilchengröße von 26 Mikron und einer maximalen Teilchengröße von 90 Mikron. Die in Fig. 3 dargestellte Vorrichtung wurde mit der Ausnahme eingesetzt, daß die Heizvorrichtungen 243 für die Fluidisierungskammer eingesetzt wurde, da ein größerer Energieeintrag infolge der hohen spezifischen Wärme des Kokses erforderlich war.

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Um die Pyrolysenternperatur T zu bestimmen, wurde die Vorheiztemperatur, die sich durch die Einführung des Kokses, des Heizgases, des Fluidisierungsgases für den Koks und des Fluidisierungsgases für die Kohle ergab, mittels des Temperaturfühlers 286 gemessen. Nachdem sich die Temperatur stabilisiert hatte, wurde die Kohle zugeführt und die Pyrolysentemperatur wurde über das Energiegleichgewicht berechnet, in der Annahme einer adiobatischen Betriebsweise des Pyrolysereaktorr..

Die Verfahrenspararneter für die Beispiele 10 bis 13 sind in Tabelle 1 dargestellt, v/ie auch die für Z gemessenen Vierte und der unter Verwendung der Gleichungen 6 bis 8 berechnete Wert für Θ. Die Werte für ν und ¹^ , die in die Gleichungen 6 bis 8 einzusetzen sind, basieren auf dem kombinierten Strom des Vorheizgases _r des Kohleträgergases und des Koksträgergases. Die Tabelle II zeigt die Werte von ob und f für diese Versuche. Die Werte wurden bestimmt unter der Annahme, daß cC gleich 25 540° R war, also den gleichen in den Beispielen 1 bis 9 erhaltenen Wert besaß, worauf V unter Verwendung der Gleichungen 2 und 3 berechnet wurde.

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T ab

	Beispiel	Z(Fuß)	/mm)	D(Mikron)	Tp(0F)	(°C)	O(Sekunden)
	1	0,97,	296	32	1499	815	.0129
	2	1,09	332	49	1493	812	.0158
	3	1,98	604	49	1322	717	.0277
	4	4,71	1437	49	1134	612	.0737
	5	2,38	726	92	1480	804	.0376
	6	4,17	1272	92	1308	709	.0656
	7	7,25	3211	92	1141	616	.1175
	8	2,46	750	32	1132	611	.0361
	9	1,38	421	32	1325	7 IS	.0176
	10	2,53	772	49	1180	638	.0345
CD	11	1,43	436	49	1354	734	.0183
0»	12	1,66 -	506	49	1291	699	.0156
BD	13	2,72	830	49	1130	610	.0332
rO92

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T p. b G 1 1 e

Kb)

	9	Kohlebe schickung	(kg/Std)	Gaszufuhr (SCFM bei	(kg/Std;	L 60°F)	11,33	(L:	0	bei	15°C)	204	Temperatur (6C)	Umgebungs temperat. (6O	Umge bungs
	10	(Pfd/Std)					11,33		0	Vorerhitsung	204		21	druck (mmHg)
gej.-.	11		0,245		0	Kohlengas	11,33	Lter/Minute	0	Heißgas	215	885	23	742
	12	0,540	0,259	Koksbeschik- kung	0		11,33		0		204	885	26	744
	13	0,570	0,259	(Pfd/Std)	0	0,4	11,33		0	7,2	204	777	22	739
1		0,570	0,259		0	0,4	11,33	Koksgas	0	7,2	204	666	22	743
2		0,570	0,313	0	0	0,4	11,33		0	7,6	204	882	22	741
3	0,691	0,313	0	0	0,4	22,66	0	0	7,2	204	77.7	23	744
4 «α	0,691	0,313	0	0	0,4	22,66	0	0	7,2	215	674	22	742 J
ο CO ώ	0,691	0, 245	0	0	0,4	2,83	0	11,	7,2	227	692	21	C 741
OO οο 6	0,540	0,259	0	0	0,4	11,33	0	IG,	7,2	227	810	20	742
ο	0,570	0,259 1	0	762	0,8	11,33	0	16,	7,2	227	65 7	19	ΊΖ3
	0,570	0,259 5	0	595	0,8	28,32	0	28,	7,6	227	757	22	'/34
0,570	0,259 5	0	568	0,1	0		8,0	721	21 -J ro OO	743
0,570	0,259 11	0	117	0,4	0		8,0	627		744
0,570	,679 0,		0,4	0		8,0
	,722 2,	1,0	0,4		8,0
	,662 2,		0,6
	,28 5,	0,6
1,0
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32

- 36 -

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BOEHMKKT & BOIiHMtKl

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709881/0921

BOEHMERT & ΒΟΕΗΜΕΗΪ

Tabelle II

Beispiel Y et (°R) (°K) ^(1Ο~ Skunden)

1-9 C 25,540 14189 4,6

10 3 25,540 14189 2,3

- 12 10 25,540 14189 1,6

13 20 25,540 14189 1,3

- 38 -

709881/0921

BOKHMERT & BOEl IMER Γ

Eine graphische Darstellung von ^ gegen das Koks—zu— Kohle-Verhaltnis zeigt die Fig. 4. Wie erwartet, nimmt "£ mit steigendem Koks-zu-Kohle-Vcrhaltnis aufgrund des Wischeffektes des Kokses an. Bei einem hohen Koks-zu-Kohle-Verhältnis nähert sich jedoch 7 einem asymptotischen Viert, woraus sicher ergibt, daß der Gewinn bei der Zuführung zusätzlicher feinkörniger Wärmequelle in den Pyrolysereaktor abnimmt.

Beispiel 14:

Dieses Beispiel zeigt, wie das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt werden kann, um die maximale Teilchengröße zu bestimmen, bis auf welche eine agglomerierende Kohle zerkleinert wird, um ein Verstopfen in dem Pyrolysereaktor zu verhindern. Ein Reaktor, der den in Fig. 1 dargestellten Aufbau besitzt, wurde ausgevrählt, wobei der Mischbereich des Reaktors aus einem 255 mm lOS-Rohr und der Kohleneinlaß aus einem 25 mm 40S-Rohr hergestellt war. Eine Hamilton Kohle , d. h. die Kohle, die für die Beispiele 1 bis 9 verwendet worden ist, wurde mit einer Zufuhrgeschwindigkeit von 91 kg/Stunde mit einem Stickstoffstrom von 1 133 Litern/Minute bei einer Temperatur von 16° C eingeführt. Aus der Pyro lyse von Hamilton Kohle entstandener Koks wurde mit einer Zufuhrgeschwindigkeit von 9O7kg/Stunde durch den Kokseinlaß injiziert und durch einen Stickstoffstrom von 57 Litern/Minute bei 16° C fluidisiert, wodurch sich ein Koks-zu-Kohle-Verhältnis von 10:1 ergab. Der Koks wurde auf eine Temperatur von 683° C ei
zu erzeugen.

von 683° C erhitzt, um eine Pyrolysetemperatur von 579° C

Diese Vierte ergeben eine Injektionsgeschwindigkeit für die Kohle von 23,11 m/Sek. un;d eine Reynolds-Zahl für das Kohleträgergas von 2 917, die im turbulenten Bereich liegt.

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709881/0921

INSPECTED

BOEHMERT & BGE! IMKRT

Bei Anwendung der Gleichung 1 v/urde ein Wert für £) von 0,296 Sekunden bestimmt, d. h. die kürzeste Zeit, bis ein Kohleteilchen die Wand dos Reaktors erreicht, beträgt 0,296 Sekunden. Diese Berechnung wurde durchgeführt unter Annahme eines Divergenzwinkels von 20 .

Unter Einsatz der Gleichungen 2 und 3 und der Werte und Tgfmäß den in Tabelle II aufgeführten Beispielen und 12 wurde die maximale Teilchengröße D für ein Kohleteilchen in dem Beschickungsstrom,um ein Verstopfen des Reaktors zu verhindern, auf 250 Mikron bestimmt. Wenn man dementsprechend einen Kohlebeschickungsstrom mit einer maximalen Teilchengröße der Kohle von 250 Mikron,oder geringer, verwendet, tritt ein Verstopfen des Reaktors nicht ein.

Beisoiele 15 A-B:

Diese Beispiele zeigen, wie das erfindungsgemäße Verfahren
eingesetzt wurde, um die Temperatur zu bestimmen, bei welcher eine agglomerierende Kohle zu pyrolysieren ist, um ein Verstopfen in einem Pyrolysereaktor zu verhindern. Ein Reaktor mit dem in Fig. 1 dargestellten Aufbau ohne Fluidisierungskammer, in welchem der Koks mit Hilfe von Sieben verteilt
wurde, gelangte zum Einsatz. Der Mischbereich des Reaktors
war aus einem 102 mm lOS-Rohr und der Kohleeinlaß aus einem 13 mm 40S-Rohr hergestellt. Eine Hamilton Kohle, d. h. die
in den Beispielen 1 bis 9 verwendete Kohle, wurde mit einer Zufuhrgeschwindigkeit von 9,25 kg/Stunde in einem Stickstoffstrom von 453 Litern/Minute bei einer Temperatur von 16°C
nach einer Verkleinerung auf 75 Mikron eingeführt. Aus der
Pyrolyse von Hamilton Kohle stammender Koks wurde mit einer Zuführgeschwindigkeit von 816 kg/Stunde durch den Kokseinlaß injiziert und durch einen Stickstoffstrom von 54 Litern/Minute bei einer Temperatur von 16°C fluidisiert, wodurch sich ein

- 40 - ·

709881/0921

BOKfIMGKT & BGHr]IViERI

Kokr, -:^Ύ.\χ -Kohle- Vernal tnis von 83:1 ergab.

Unter Anwendung dar Gleichung 1 wurde der V.'ert für O auf 0,052 Sekunden bestimmt. Diese Berechnung v/urde unter Annahme eines Divergenzwinkels von 15 durchgeführt.

Unter Einsatz der Gleichungen 2 und 3 wurde bestimmt, daß die PyrolVGete/njjei.'ciLur auf 621 C oder höher gehalten werden mußte, um ein Verstopfen zu verhindern. Obwohl das Kokszu-Kohle-Gewichtsverhaltnis für das Beispiel 13 geringer war als das Verhältnis dieses Beispiels, verursachten die aus dem Beispiel 13 entnommenen Vierte; für "£ und <^, wenn überhaupt, nur einen geringen Fehler, da bei höheren Koks — zu-Konle-Verhältnissen ein asymptotischen Verhalten für '£ vorlisgf.

Der Reaktor wurde denn bei 677 C bei dem Beispiel 15A langer als eine Stunde ohne jedes Anzeichens eines Verstopfens betrieben.

Bei Beispiel 153, bei welchem der gleiche Reaktor unter entsprechenden Bedingungen mit der Ausnahme betrieben wurde, daß die Pyrolysetemperatur 582 C betrug, trat jedoch nahezu augenblicklich ein Verstopfen ein, wie dies durch einen wachsenden Druckverlust über dem Reaktor angezeigt wurde.

Beispiel 16:

Der Versuch von Beispiel 15A wurde wiederholt, mit der Ausnahme, daß kein Fluidisierungsgas für den Koks vorgesehen war. Der Reaktor verstopfte sich schnell oberhalb des Endes des Kohleneinlaso^a aufgrund des Rückmischens der KohleteiIchen.

Die anhan-J bf^arjuater Auc-führungsformen beschriebene Erfindung lci.ßt verschiedene Abänderungen su, ohne daß hierbei

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- 41 ORlGtNAL INSPECTED

BOliHiVIlikT&BOr; Πλ^Κ

der Rahmen tferErfindung verlassen wird. So kann beispielsweise, obwohl Fig. 1 einen nach unten gerichteten Pyrolysereaktor zeigt, das erfindungsqernäße Verfahren auch auf Pyrolysereaktoren mit einem anderen Aufbau eingesetzt werden, einschließlich solchen mit einem aufsteigenden Strom und unregelmäßig geformten Reaktoren, wie auch solche, die Prallbleche enthalten..

t'.z ist weiterhin nicht erforderlich, eine feinkörnige 'Wärmequelle um den divergierenden Kohlestrahl herum vorzusehen. Statt dessen kann die Wärme durch elektrische Heizvorrichtungen oder ähnliches bereitgestellt werden. Es ist jedoch auch ohne feinkörnige Wärmequelle ein gewisser Gasstrom erforderlich, um eine Rückrnischung der Kohle zu verhindern, die zu einem Verstopfen des Reaktors führen kann.

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709881/0921 ORJGlNAL INSPECTED

Claims (18)

1. Vccxaiiron i',ur Gov/innur.cj von Kohlenwasserstoffbestandteilen aus feinkörniger, agglomerierender Kohle, dadurch gekennzeichnet, daß man einen feinkörnigen Kohlebeschik— kur.gr,stron; aus zerkleinerter, agglomerierender Kohle und einem Trägergas bildet, das im wesentlichen nicht nachteilig nit den Pyrolyseprodukten reagiert, bildet und als turbulenten, divergierenden Strahl strom von einer Öffnung in eine Mischzone eines länglichen Pyrolysereaktors mit einer inneren Oberfläche einführt, wobei die Mindestweite das Pyrolysereaktors größer ist als die maximale Weite der öffnung und gleichzeitig ein gasförmiges Medium, welches im wesentlichen nicht nachteilig mit den Pyrolyseprodukten reagiert, entlang der umlaufenden, inneren Reaktoroberfläche injiziert, wobei der divert;.', eronde Beschickungsstrom aus feinkörniger Kohle UiTd dem Medium sich in der Mischzone des Reaktors vor dem Übergang in eine Pyrolysezone miteinander ver—

die

binden, wobei im wesentlichen gesamte Kohle in der Beschickung aus Partikeln selektiv gebildet ist, die ihre Klebrigkeit vor dem Kontakt mit einer inneren Fläche des Pyrolysereaktors dicht an der Öffnung verlieren, worauf das Medium entlang der umlaufenden V/and des Reaktors freigegeben wird, während gleichzeitig der feinkörnige Kohlebeschickungsstrom durch die Öffnung bei einer Temperatur, die geringer ist als die Temperatur, bei welcher die Kohle beginnt klebrig zu werden, in die Mischzone injiziert wird, um eine turbulente Mischung des Mediums, der festen, feinkörnigen Kohle und des Trägergases in der Mischsone zu bilden, wobei die Menge des zugeführten Mediums zumindest ausreicht, urn einen Rückfluß der Kohle aus dem di ,vergierenden Strom zu verhindern, vorauf die sich ergebende Mischung aus der Mischzone der Pyrolysezολο des Pyrolysereaktors zugeführt wird, wo die feste, ioinkörnige Kohle pyrolysiert wird, und einen Pyrolyse-

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709881/0921

ORIGINAL INSPECTED

BOEKMFRT &

produktstrom ergibt, der als Feststoffe einen kohlehaltigen Feststoffrückstand aus der Pyrolyse und eine Dampfmischung aus dem Medium, dem Trägergas und den pyrolytisehen Dämpfen einschließlich der verdampften Kohlenwasserstoffe enthält.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pyroiysetemperatur oberhalb etwa 5S9 K liegt.

3. Verfahre;"! nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Pyrolysetemperatur nicht mehr als 1367 K beträgt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Pyrolysetemperatur mindestens 756 K beträgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewichtsverhältnis der feinkörnigen Feststoffwärmequelle zur Kohle in dem Bereich von etwa 2:1 zu etwa 20:1 liegt.

6. Verfahren zur Gewinnung von Kohlenwasserstoffbestandteilen aus feinkörniger, agglomerierender Kohle, wobei man die Kohle in der Anwesenheit eines Trägergases, welches im wesentlichen nicht nachteilig mit den Pyrolyseprodukten reagiert, als einen turbulenten, divergierenden Strahl von einer Öffnung innerhalb eines länglichen ^yrolysereaktors mit einer inneren Fläche, deren maximale Weite geringer ist als die minimale innere Weite des Reaktors, injiziert und gleichzeitig eine feinkörnige Feststoffv/ärmequelle in einem Fluidisierungsgas, welches im wesentlichen nicht nachteilig mit den Pyrolyseprodukten reagiert, entlang der inneren, umlaufenden Oberfläche des Reaktors zuführt, worauf sich der divergierende Strom aus feinkörniger Kohle und der FeststoffwärmequelJe in einer Mischzone des Reaktors miteinander verbinden und in die

7 0 9 8 8 1 /θ⁴9 2 1

INSPECTED

IK)HrIiVi-ΙΠ χ ROE^TiiYiiiKT

Pyrolysizono eintreten, dadurch gekennzeichnet, daß man

(a) für den Pyrolysereaktor mit einer Ausnahme die folgenden Variablen auswählt, nämlich O, die minimale Zeit für ein Kohleteilchen,um von der öffnung bis zu einem inneren festen Punkt der Oberfläche des Reaktors sich zu bov/ecjen in Sekunden, To, die Einf ührungsternpereitur der Kohle in den Pyrolysereaktor, die geringer ist als die Temperatur, bei welcher die Kohle zu kleben beginnt in ⁰R, Tp, die Temperatur der Pyrolysesone in ⁰R und D, der maximale Durchmesser der feinkörnigen Kohlepartikel in Fuß,

(b) einen 'Wert für die nicht festgelegte Variable durch die gleichzeitige Lösung der folgenden Gleichungen bestimmt:

_D2 ₌ 12 K fr

η Γ( Tp-To

und

l/D² 3

)J

wobei

K die thermische Konduktiv!tat der Träger- und Fluidisierungsgase gemeinsam in Btu/s-Fuß ⁰R,

die scheinbare TeilfSchendichte der Kohle in Pfund/Fuß³,

C die spezifische Wärme der Kohle in Btu/Pfund ⁰R,

709881/(ii21

ORIGINAL INSPECTED

EOEHMtRl -sr BOEHMFRT

Tt die Temperatur der Kohle am Cnde der Klebrigkeitspcriode der Kohle in R,

die plastische Zeitkonstante für die Kohle bei einem vorbestimmten Verhältnis von Fesi stof fwärrnequelle zu Kohle in Sekunden,

j der Exponential tempeiraLurf aktor für den Verlust der Klebrigkeit der Kohle in R,

E^ (x ) das Exponentialintegral von x. = (oC/Tt-ei/Tp) la a

χ —(^/To —i^Tp) E₁(X,) das Exponentialintegral von b ^

E.(x ) das Exponentialintegral von χ =ߣ /Tt und

XC C

Ε.(χ,) das Exponentialintegral von x, - iC/To ist,

(c) die feinkörnige Kohle mit einem maximalen Teilchen durchmesser, der nicht größer ist als der bestimmte Durchmesser D und das Trägergas von der Öffnung aus in die Mischzone des Pyrolysereaktors bei einer Temperatur, die mindestens gleich der bestimmten Einführungstemperatur To ist, injiziert und gleichzeitig eine feinkörnige Wärmequelle und ein Fluidisierungsgas in die Mischzone entlang der inneren Oberfläche des Pyrolysereaktors bei einem vorbestimmten Verhältnis von feinkörniger Wärmequelle zu Kohle in einer solchen Menge einführt, daß die Pyrolysezone bei einer Temperatur gehalten wird, die mindestens gleich der vorbestimmten Pyrolysetemperatur Tp ist, wobei den Kohleteilchen innerhalb des Reaktors eine Mindestzeit für die Bewegung von der öffnung bis zu einem festen inneren Punkt der Oberfläche des Reaktor:;· zur Verfugung steht, die gleich dem vorge-

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BOEH MFRT & ROEHMIiRT

wählten £) ist, um aus der sich ergebenden Mischung aus feinkörniger Wärmequelle, der feinkörnigen Kohle und den Trägem und Flicclis.ierungsgason in der Mischzone eine turbulente Mischung zu bilden, wobei die Menge des mit der Wärmequelle zugeführten Fluidisierungsgases zumindest hinreichend groß ist, um einen Rückstrom der Kohle aus dem divergenten Strom zu verhindern und

(d) die resultierende turbulente Mischung aus der Mischzone der Pyrolysezone des Pyrolysereaktors zuführt, um das kohlenstoffhaltige Feststoffmaterial zu pyrolysieren und einen Pyrolyseproduktstrom zu erzeugen, der als Feststoffe die feinkörnige Wärmequelle und einen kohlenstoffhaltigen Pyrolysefeststoffrückstand und eine Dampfmischung aus Träger— gas, Fluidisierungsgas und einem pyrolytischen Dampf mit den verdampften Kohlenwasserstoffen enthält.

7. Verfahren zur Gewinnung von Kohlenwasserstoffbestandteilen. aus feinkörniger, agglomerierender Kohle, dadurch gekennzeichnet, daß man

(a) einen feinkörnigen Kohlebeschickungsstrom, bestehend aus feinkörniger, agglomerierender Kohle und einem Trägergas, das im wesentlichen nicht nachteilig mit den Pyrolyseprodukten reagiert, als turbulenten, divergierenden Strahl von einer Öffnung in eine Mischzone eines länglichen Pyrolysereaktors mit einer inneren Oberfläche einführt, wobei die maximale Weite der öffnung geringer ist als die minimale innere Weite des Reaktors, während man gleichzeitig eine feinkörnige Feststoffwärmequelle in einem Fluidisierungsgas, welches im wesentlichen nicht nachteilig mit den Pyrolyseprodukten reagiert, entlang der inneren, umlaufenden Oberfläche des Reaktors einführt und den divergenten, feinkörnigen Kohlestrorn und die .'„ Λ»."··.Η.Ηΐί:11ο in der Mischzone des Reaktors vor dem Übergang

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ORlQiNAL INSPECTED

BUK! !MlZRr-X HOE?IMIiUT

in eine Pyrolysezone zusammenbringt, wobei im wesentlichen die gesamte kohlebeschickung eino geringere Teilchengröße besitzt als ein vorbestimmter rrioxinaler Durchmesser D in Fuß, der im wesentlichen die folgenden Gleichungen erfüllt:

D² - ^12K

CiP. (Tp-To)
(Tp-Tt)

l/.O² = ζ C

die thermische Leitfähigkeit der Träger- und Flviidisierungsgase zusammen in Dtu/s-Fuß R,

φ die minimale Zeit für den Übergang eines Kohl teilchens von der öffnung bis zu einem festen Punkt der inneren Oberfläche des Reaktors in Sekunden,

die scheinbare Teilchendichte der Kohle in Pfd/ Fuß³,

die spezifische Wärme der Kohle in Btu/Pfd ° R,

Tp die Pyrolyr.entoniperatur in R, To die Einführungsternperatur der Kohle in ⁰Fi,

Tt di.5.; Temperatur der Ko'.ile am Ende der Klebrinkeitsporjode der Kohle in °R,

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- 48 ORIGINAL INSPECTED

EORHiV¹ERT & ROEHMERT

^ die plastische Zeitkonstante für die Kohle bei einem vorbestimmten Verhältnis von FeststoffwärrnequelIe zu Kohle in Sekunden,

(h der Exponentialtemperaturfaktor für den Verlust der Klebrigkeit der Kohle in R,

E. (x ) das Exponentialintegral von x=(-X./Tt-^/Tp) la a

E.(x. ) das Exponentialintegral von χ -(o£/To-iwTp)

E„ (x ) das Exponentialinteqral vqtx =t>i/Tt und Ic c

E.(x.) das Exponentialintegral vonx.=ai/To bedeutet,

(b) die feinkörnige Wärmequelle und das Flddisierungsgas in die Mischzone bei einer Temperatur einführt, die größer ist als Tp bei einem vorbestimmten Verhältnis von feinkörniger Wärmequelle zu Kohle, die ausreicht, die Pyrolysezone auf der Pyrolysentemperatür Tp zu halten, während man gleichzeitig die feinkörnige Kohle und das Trägergas von der Öffnung in die Mischzone bei einer Temperatur To injiziert, die unterhalb der Temperatur liegt, bei welcher die Kohle zu kleben beginnt, um eine turbulente Mischung aus der feinkörnigen Wärmequelle, der feinkörnigen Kohle und den Träger- und Fluidisierungsgasen in der Mischungszone zu bilden, wobei die Menge des Fluidisierungsgases, das mit der feinkörnigen Wärmequelle injiziert wird, zumindest ausreicht, um einen Rückstrom der Kohle aus dem divergenten Strom zu verhindern, und

(c) schließlich die resultierende, turbulente Mischung aus der Mischzone in die Pyrolysezone des Pyrolysereaktors über-

70 9 881/ OsS 2-1

führt, um die feinkörnige Kohle zu yprolysieren und einen Pyrolyseproduktstrom :-:u erzeugen, der als Feststoffe di"? foir.kornine Wärmequelle sowie einen kohlehaltigen Pyrolyse!'eststoffrückstand und als Dampf eine Mischung aus Träger- und Fluidisierungsgasen sowie die flüchtiger. Kohlenwasserstoffe enthaltenden pyrolytischen Dämpfe enthält.

8. Verfahren zur Gev/innung von Kohlenwasserstoff bestandteilen aus feinkörniger, agglomerierender Kohle, dadurch gekennzeichnet, daß rn.an

(a) einen feinkörnigen Kohlebeschickungsstrorn aus feinkörniger, agglomerierender Kohle und einem Trägergas, welches im wesentlichen nicht nachteilig mit den Pyro— lyseprodukten reagiert, als turbulenten, divergierenden Strahlstrom von einer Öffnung in eine Mischzone eines länglichen Pyrclysereaktors mit einer inneren Oberfläche einführt, wobei die maximale Weite der Öffnung geringer ist als die minimale innere 'Weite des Reaktors und gleichzeitig eine feinkörnige Feststoffwärmequelle in einem Fluidisierungsgas, v/elches im wesentlichen nicht nachteilig in Bezug auf die Pyrolyseprodukte reagiert, entlang der inneren, umlaufenden Fläche des Reaktors einführt, und den divergierenden Strom feinkörniger Kohle und Feststoff wärmequelle in einer Mischzone des Reaktors vor dem Übergang in die Pyrolysezone zusammenführt, wobei der Pyrolysereaktor eine Ausbildung besitzt, bei welcher die minimale Zeit, die für ein Kohleteilchen erforderlich ist, um von der öffnung bis auf einen inneren, festen Punkt der Oberfläche des Reaktors überzugehen, in Sekunden mindestens gleich 0 ist, v/elches im wesentlichen die folgenden beiden Gleichungen erfüllt:

D² = 12K θ

^CIn]CTp-To)

JCTp-To)T
[(Tp-TtJ

70988J/₅g921

ORIGINAL INSPECTED

BOEHMF RT * ROEHMHRT

l/D² =

worin

K die thermische Leitfähigkeit der Träger- und Fluidisierungsgase zusammen in Btu/s-Fuß R,

θ die Klebrigkeitszeit für die größten Kohleteilchen in Sekunden,

O die scheinbare Teilchendichte der Kohle in Pfd/

3 Fuß ,

C die spezifische V/ärme der Kohle in Btu/Pfd ⁰R, Tp die Pyrolysentemperatur in R, To die Einführungstemperatur der Kohle in R,

Tt die Temperatur der Kohle am Ende der Klebrigkeitsperiode der Kohle in°R,

sy die plastische Zeitkonstante für die Kohle bei

einem vorbestimmten Verhältnis von Feststoffwärmequelle zu Kohle in Sekunden,

Jj der Exponentialtemperaturfaktor für den Verlust der Klebrigkeit der Kohle in ⁰R,

₁(X ) das Exponentialintegral von χ = (tft/Tt-^/Tp) .(x ) da:; Kxponc-ntialintecjral von χ = (r,//To~^/Tp)

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709881/0921

Γ.ΟΕΙ.'ΜΚΚΐ

F,„(x_) das nxpop.er.tinl integral von χ --^,/Tt und E₁Cx.) das Zxponen tialintegral von κ =_cd/To bedeutet,

(b) die feinkörnige- l-Mirrrsequel Ie und das Fl uidisierungr.-gas in die Mischzone bei einer Temperatur einführt, die größer ist als Tp bei einem vorbestimmten Verhältnis von feinkörniger Wärmequelle zu Kohle und ausreicht, die Pyrolysezone bei der Pyrolysetemperatur Tp zu halten, während man gleichzeitig die feinkörribe Kohle und das Trägorgas durch die öffnung der Ilischzone bei einer Temperatur To zuführt, die unter derjenigen liegt, bei welcher die Kohle klebrig zu werden beginnt, um eine turbulente Mischung aus feinkörniger Wärmequelle, der feinkörngien Kohle und don Träger- und Fluidisierungsgasen in der Mischzone zu bilden, wobei die Menge des Fluidisierungsgases, das mit der feinkörnigen Feststoffwärmequelle eingeführt wird, mindestens ausreicht, um einen Rückstrom der Kohle aus dem divergenten Strom zu verhindern, und

(c) schließlich die resultierende turbulente Mischung aus der Mischzone der Pyrolysenzone des Pyrolysereaktors zuführt, um die feinkörnige Kohle zu pyrolysieren und einen Pyrolyseproduktstrom zu erzeugen, der als Feststoffe die feinkörnige Wärmequelle und einen kohlehaltigen Pyrolysefeststoffrückstand sowie als Dampf eine Mischung aus den Träger- und Fluidisierungsgasen sowie die verdampften Kohlenwasserstoffe enthaltenden pyrolytischen Dämpfe enthält.

9. Verfahren zur Gewinnung von Kohlenwasserstoffbestandteilon aus feinkörniger, agglomerierender Kohle, dadurch gekennzeichnet, daC man einen feinkörnigen KohlebeschLckungs» strom aus verkleinerter, feinkörniger, agglomerierender

709881/0921

- 52 -ORIGINAL INSPECTED

BOEIIMBRT «"* BOEKMFIlT

Kohle und eineiTi Trägergas, welches im wesentlichen nicht nachteilig mit den Pyrolyseprodukten reagiert, als einen turbulenten divergierenden Strahlstrom von einer öffnung aus in eine Mischzone eines länglichen Pyrolysereaktors mit einer inneren Oberfläche einführt, wobei die minimale innere Weite größter ist als die maximale Weite der Öffnung und gleichzeitig eine feinkörnige Feststoffwärmequelle in einem Fluidisierungr.gas, welches im wesentlichen nicht nachteilig in Bezug auf die Pyrolyseprodukte reagiert, entlang der umlaufenden, inneren Oberfläche des Reaktors einführt, worauf man den divergierenden Strom feinkörniger Kohle und die Festntoffwärmequelle in der Mischzone des Reaktors vor dem Übergang in die Pyrolysezone zusammenführt, wobei im wesentlichen die gesamte Kohle der Beschickung aus Teilchen besteht, die ihre Klebrigkeit vor dem Kontakt mit einem Punkt der inneren Oberfläche des Pyrolysereaktors,der am dichtesten an der öffnung ist, verlieren, wobei man die feinkörnige Wärmequelle und das Fluidisierungsgas der Mischsone bei einer Temperatur zuführt, die größer ist als die Temperatur der Pyrolysezone bei einem vorbestimmten Verhältnis von feinkörniger Wärmequelle zu Kohle ausreicht, um die Pyrolysezone bei der Pyrolysentemperatür zu halter., während man gleichzeitig die feinkörnige Kohle mit dem Trägergas durch die Öffnung bei einer Temperatur injiziert, die geringer ist als die Tempertur, bei welcher die Kohle klebrig zu werden beginnt, um eine resultierende, turbulente Mischung aus feinkörniger Wärmequelle, der feinkörnigen Kohle und den Fluidisierungs- und Trägergasen in der Mischzone zu bilden, wobei die Menge des zusammen mit der feinkörnigen Wärmequelle eingeführten Fluidiserungsgases mindestens ausreicht, um einen Rückstrom der Kohle aus dem divergierenden Strom zu verhindern, worauf man schließlich die sich ergebende turbulente Mischung aus der Hischzone in die Pyrolysezone des Pyx"olysereaktors überführt, um die feinkörnige Kohle zu pyrolysieren und einen

709881/0921

- 53 -

KOEH VIERI & BOEHMEHT

Pyrolyseproduktsbrom zu erzeugen, der als Feststoffe die feinkörnige V.'ärrnequolle und einen Kohle enthaltendon Pyrolyseieststoffrückstand und als Dampf eine Mischung aus Träger- und Fluidisierungsgac- sowie die flüchtigen Kohlenwasserstoffe enthaltenden, pyrolytischen Dämpfe enthält.

10. Verfall--en zur Gewinnung von Kohlenwasserstoffbestandteilen aus feinkörniger, agglomerierender Kohle, wobei man die Kohle in der Anwesenheit eines Trägergases, welches nicht nachteilig in ber^ug auf die Pyrolyseprodukte reagiert, als turbulenten, divergierenden Strahlstrom von einer Cffnung in einem länglichen Pyrolysereaktor mit einer inneren Oberfläche aus injiziert, wobei die maximale Weite der öffnung geringer ist als die minimale V/eite des Reaktors und gleichzeitig ein gasförmiges Medium, welches im wesentlichen nicht nachteilig in bezug auf die Pyrolyseprodukte reagiert, entlang der inneren, umlaufenden Oberfläche des Reaktors einführt, wobei die Kohle und das Trägergas mit dem Medium in einer Mischzone des Reaktors zusammengeführt und in eine Pyrolysezone eingeleitet werden, dadurch gekennzeichnet, daß man

(a) für den Pyrolysereaktor mit einer Ausnahme die folgenden Variablen festlegt: ^, die minimale Zeit für die Kohleteilchen von der öffnung bis zur Erreichung der inneren Oberfläche des Reaktors in Sekunden, To, die Eingangstemperatur der in den Pyrolysereaktor eintretenden Kohle

in ⁰R, Tp, die Temperatur der Pyrolysenzone in ⁰R und D der Durchmesser der feinkörnigen Kohleteilchen in Fuß,

(b) den V/ert für die nicht festgelegte Variable durch die gleichzeitige Lösung der folgenden Gleichungen bestimmt:

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OR/GINAL INSPECTED

BOEMMERT <k BOEHMFkT

² = 12K O

η [(ΤΡ-Το)Ί LiTp-Tt)J

12K(5xlO Sek) ¹^ .

v/ob ei

K die thermische Leitfähigkeit der Träger- und Fluidisierungsgase in Btu/Sek. Fuß R

^ die scheinbare Teilchendichte der Kohle in Pfd/Fuß , C die spezifische V/ärme der Kohle in Btu/Pfd/°R,

Tt die Temperatur der Kohle am Ende der Klebrigkeitsperiode der Kohle in ⁰R,

^y der Exponentialtemperaturfaktor für den Verlust der Klebrigkeit der Kohle in ⁰R,

E..(x ) das Exponentialintegral von χ = (oi/Tt-ct/Ίρ)

Χα. α.

E^(X,) das Exponentialintegral von x, = (.cC/Ίο-ΰί/Τρ)

E₁(X ) das Exponentialintegral von χ =ö£/Tt und

B.(x.) das Exponentialintegral von x, = ^./To bedeutet,

(c) dan Hodium entlang der inneren, umlaufenden Oberfläche des Reaktors gleichzeitig mit der Injektion der feinkörnigen Kohle und der, Trägcrgases bei einer Temperatur To einführt,

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λ\\ 7728197

die geringer ist als die Temperatur, b^i v/elcher die Kohle klebrig zu \;erden beqinnt, wobei die minimale Zeit für ein Kohlepartikel für den Übergang von der öffnung zu einem inneren, festen Punkt der Oberfläche des Reaktors mindestens gleich der ausgewählten Größe φ ist, um eine resultierende, turbulente Mischung der feinkörnigen Kohle, des Trägergases und des Mediums in der Mischzone zu bilden, wobei die Menge des zugeführton Mediums mindestens ausreicht, um einen Rückstrom der Kohle von den divergierenden Strom zu verhindern, und

(d) die sich ercjeb^nde turbulente Mischung aus der Mischzone in die Pyrolysezone des Pyrolysereaktors überführt, urn die feinkörnige Kohle zu pyrolysieren und einen Pyrolyseproduktstrom zu erzeugen, der einen Kohle enthaltenden Feststoffpyrolyserückstand sowie einen Dampf als Mischung aus einem Trägergas, dem Medium und einem die flüchtigen Kohlestoffe enthaltenden pyrolytischen Dampf enthält.

11. Verfahren zur Gewinnung von Kohlenwasserstoffbestandteilen aus feinkörniger, agglomerierender Kohle, dadurch gekennzeichnet, daß man

(a) einen feinkörnigen Kohlebeschickungsstrom aus feinkörniger, agglomerierender Kohle und einem Trägergas, welches im wesentlichen nicht nachteilig in bezug auf die Pyrolyseprodukte reagiert,als turbulenten, divergierenden Strahlstrom von einer Öffnung aus in eine Mischzone eines länglichen Pyrolysereaktors mit einer inneren Oberfläche injiziert, wobei die maximale Vieite der öffnung geringer ist als die minimale innere Weite des Reaktors und gleichzeitig ein Medium, welches im wesentlichen nicht nachteilig in bezug auf die Pyrolyseprodukte reagiert, entlang der inneren, umlaufenden Wand des Reaktors einführt und

7 0 9 8 8 I⁵/ 0~9 2 1 ORiGlNAi.

BOEHMfRT .St HOEHMiLRT

den divergierenden Strom aus feinkörniger Kohle und das gasförmige Medium in der Mischzone des Reaktors vor dem Übergang in die Pyrolysezone zusammenbringt, wobei im wesentlichen die gesamte Kohlebeschickung eine Teilchengröße besitzt, die geringer ist als der bestimmte maximale Durchmesser D in Fuß, der im wesentlichen die folgenden beiden Gleichungen erfüllt:

D² = 12K Φ

F(Tp-To)I
[(Tp-Tt)J

2 ₌^_{c e} -iC/Tt|(E₁(x_a)-E₁(x_b)-(E₁(x_c)-E₁(x_d))|

VD² ^C

12K (5x10^1

K die thermische Leitfähigkeit der Träger- und Fluidisierungsgase zusammen in Btu/s-Fuß R,

p die minimale Zeit für den Übergang eines Kohleteilchens von der Öffnung bis auf einen festen Punkt auf der inneren Oberfläche des Reaktors in Sekunden,

^ die scheinbare Teilchendichte der Kohle in Pfund/ Fuß³,

C die spezifische Wärme der Kohle in Btu/Pfd. ⁰R, Tp die Pyrolysentemperatur in ⁰R,

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BOEIIMERT <χ BOEKMHRT

ο To die Einf ührungsternperatur der Kohle in R,

Tt die Temperatur der Kohle am Ende der Klebrigkeitsperiode der Kohle in °R,

der Exponentialtemperaturfaktor für den Verlust der Klebrigkeit der Kohle in R,

E^ (x ) das Exponentialintegral von χ = (eC/Tt la a

E₁(X,) das Exponsntialintegral von x, = (fC/To -jC/Tp)

E₁(X ) das Exponentialintegral von χ = ß^/Tt und

E-(x.) das Exponentialintegral von χ = c£/To bedeutet,

(c) das Medium der Mischzone gleichzeitig mit der Injektion der feinkörnigen Kohle und dem Trägergas von der Öffnung in die Mischzone bei einer Temperatur To, die unterhalb der Temperatur liegt, bei welcher die Kohle klebrig zu werden beginnt, einführt, um eine resultierende, turbulente Mischung aus dem Trägergas, der feinkörnigen Kohle und dem Medium in der Mischzone zu bilden, wobei de Menge des eingeführten Mediums ausreicht, um einen Rückstrom der Kohle aus dem divergenten Strom zu verhindern und

(d) die resultierende, turbulente Mischung aus der Mischzone in die Pyrolysezone des Pyrolysereaktors überführt, um die feinkörnige Kohle zu pyrolysieren und einen Pyro— lyseproduktstrom zu erzeugen, der einen Pyrolysefeststoffrückstand sowie eine Dampfmischung aus dem Träger, dem Medium und die flüchtigen Kohlenwasserstoffe enthaltenden pyrolytischen Dämpfe enthält.

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BOEHMtRl £ BOEKMFkT

12. Verfahren zur Gewinnung von Kohlenwasserstoffbestandteilen aus feinkörniger, agglomerierender Kohle, dadurch gekennzeichnet, daß man

(a) einen feinkörnigen Kohlebeschickungsstrom aus feinkörniger, agglomerierender Kohle und einem Trägergas, welches im wesentlichen nicht nachteilig in bezug auf die Pyrolyseprodukte reagiert, als turbulenten, divergierenden Strahlstrom von einer Öffnung in eine Mischzone eines länglichen Pyrolysereaktors mit einer inneren Oberfläche einführt, v/obei die maximale Weite der Öffnung geringer ist als die minimale innere Weite des Reaktors und gleichzeitig ein Medium·, das im wesentlichen nicht nachteilig in bezug auf die Pyrolyseprodukte reagiert, entlang der inneren, umlaufenden Oberfläche des Reaktors injiziert, wobei man den divergierenden Strom aus feinkörniger Kohle und dem gasförmigen Medium vor dem Übergang zur Pyrolysezone in der Mischzone des Reaktors zusammenführt und der Pyrolysereaktor eine Ausbildung besitzt, bei welcher die minimale Zeit für den Übergang eines Kohleteilchens von der Öffnung bis zu einem festen Punkt der inneren Oberfläche des Reaktors in Sekunden mindestens, einem Wert von θ gleich ist, der im wesentlichen die folgenden beiden Gleichungen erfüllt:

D² -Sc = 12K U Tp-To)" 12K( ?Cln (JTp-Tt) und e ^^/Tt I l/D' 5xlO"⁹)

-V/Tt (Ε.ίχ )-E. (χ. ))-(£. (χ )-E.(x.)) /Sek U-IaIb IcId_-J

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HHiVIL^T cc BOEiIMKRT

wobei

K die thermische Leitfähigkeit der Träger- und Fluid.! sierungsgase zusammen in Btu/s-Fuß R,

G die Klebrigkeitsseit für die größten Kohleteilchon in Sekunden,

^ die scheinbare Teilchendichte der Kohle in Pfd/ Fuß³,

C die spezifische Wärme der Kohle in Btu/Pfd-°R,

Tp die Pyrolysentemperatur in R, To die Einführungstemperatur der Kohle in R,

Tt die Temperatur der Kohle am Ende der Klebrig keitsperiode in R,

C^ der Exponential ternperaturfak tor für den Verlust der Klebrigkeit der Kohle in ⁰R,

. (x ) das Exponentialintegral von χ = (οί/Tt-J/Tp)

XO. Cl

^(χ. ) das Exponentialintegral von x,=

-E₁(X ) das Exponentialintegral von χ -_t//Tt und E^ (x,) das Exponentialintegral von x.=3d/To

bedeutet,

(c) das Medium der Mischzone gleichzeitig mit der Injektion der feinkörnigen Kohle und dem Trägergas von der öffnung in die Mischzone bei einer Temperatur To, die unter-

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ORIGINAL INSPECTED

BC)EHMEKT & BOEhMbKT

halb der Temperatur liegt, bei welcher die Kohle beginnt, klebrig zu werden, zuführt, um eine turbulente Mischung aus dem Trägergas, der feinkörnigen Kohle und dem Medium in der Mischzone zu erzeugen, wobei die Menge des zugeführten Mediums ausreicht, um einen Rückstrom der Kohle aus dein divergenten Strom zu verhindern, und

(d) die sich ergebende turbulente Mischung aus der Mischzone der Pyrolysenzone des Pyrolysereaktors zuführt, um die feinkörnige Kohle zu pyrolysieren und einen Pyrolyseproduktstrom zu erzeugen, der einen kohlestoffhaltigen Pyrolysefeststoff und eine Dampfmischung aus dem Trägergas dem Medium und pyrolytischen, die flüchtigen Kohlenwasserstoffe enthaltenden Dämpfen enthält.

13. Verfahren nach den Ansprüchen 6, 7 oder 8. dadurch gekennzeichnet, daß X in der Größenordnung von 2xl0~ Sekunden oder (5 - 0,6 Y) χ 10*~⁹ Sek. liegt, wobei Y das Gewichtsverhältnis der feinkörnigen FeststoffwärmequelIe zur Kohle ist,

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß Tp oberhalb etwa 1 060⁰R (589°K) liegt.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß Tp nicht oberhalb 2 400° R (1367°K) liegt.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß Tp mindestens 1 36O°R (756°K) beträgt.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß uC 25 54O°R beträgt.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewichtsverhältnis von feinkörniger Fest-

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BOiLhMFRr *

stoffwärmequelle zu Kohle innerhalb eines Bereiches von etwa 2:1 zu etwa 20:1 liegt.

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