DE2838884C2 - - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren nach
dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1
Aus der DE-PS 27 00 554 ist ein Verfahren zur Verkokung
von lignitartigen Kohlearten bekannt. Hierbei werden
derartige Kohlearten, wie beispielsweise Braunkohle,
Lignit und/oder schwarze Lignitkohle, in einem Autoklaven
bei Temperaturen von mindestens 400-677°C und
einem Druck von mindestens etwa 70 bar derart behandelt,
daß ein fester Brennstoff entsteht, der im Vergleich zur
eingesetzten lignitartigen Kohle einen wesentlich höheren
Heizwert besitzt. Ein derartiges Verfahren ermöglicht somit
die wirtschaftliche Ausnutzung von lignitartigen
Kohlevorkommen.
Als weitere Energiequelle stehen Ölvorkommen zur Verfügung,
die teilweise jedoch unerwünscht hohe Schwefelanteile
aufweisen. Aufgrund gesetzlicher Bestimmungen ist
beim Heizöl nur eine bestimmte Menge an Schwefelanteilen
erlaubt. So liegt beispielsweise der Grenzwert für
diese Schwefelanteile im Heizöl gemäß der Amerikanischen
Umweltschutzbehörde bei ca. 1,5% pro kg Heizöl, während
der Staat Kalifornien Vorschriften erließ, die den Schwefelanteil
in bestimmten Gegenden auf einen Maximalwert
von 0,66% pro kg Heizöl beschränken. Um diese Vorschriften
zu erfüllen, war es bisher notwendig, die Heizöle
mit einem relativ hohen Schwefelanteil mit solchen Heizölen
zu vermischen, die einen sehr geringen Schwefelanteil
aufweisen. Ein derartiges Vermischen weist den
Nachteil auf, daß es wegen der relativ hohen Preise des
schwefelarmen Öles relativ kostenintensiv ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
der angegebenen Art zu schaffen, durch das die Schwefelanteile
im Heizöl reduziert werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren
mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs
1 gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf dem Grundgedanken,
ein zellulosehaltiges Ausgangsmaterial zu verkoken,
wobei das zellulosehaltige Ausgangsmaterial gemäß
der DE-PS 27 00 554 in einem Autoklaven unter Druck erhitzt
und anschließend abgekühlt wird. Anschließend wird
der hierbei gebildete Koks auf eine Korngröße unter 0,315
mm gemahlen und zu einem Gewichtsanteil zwischen 1 und 50
% mit einem entsprechenden Heizöl vermischt, was zu einem
flüssigen Brei- oder Schlammgemisch führt, das bezüglich
des Schwefelanteils die gesetzlichen Vorschriften erfüllt.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht nicht nur eine
wirkungsvolle Reduzierung des Schwefelanteils im Heizöl,
sondern erlaubt auch gleichzeitig die Verarbeitung von
in enormen Mengen vorhandenen zelluloseartigen Stoffen,
die beispielsweise als Torf in der Natur vorkommen oder
aus Abfällen der Holzaufbereitung oder aus landwirtschaftlichen
Abfällen stammen. Diese zelluloseartigen Materialien,
wie beispielsweise Sägeabfallstoffe, Rinden, Abfallholz,
Zweige, Späne, Baumwollstengel u. dgl., stehen
in einer ungeeigneten Form in großen Mengen zur Verfügung,
um als handelsüblicher Brennstoff eingesetzt zu
werden. Darüber hinaus bereiten sie bisher Schwierigkeiten
bei der Beseitigung, so daß durch das erfindungsgemäße
Verfahren nicht nur die in derartigen zelluloseartigen
Materialien enthaltene Energie besonders gut genutzt,
sondern gleichzeitig auch das Abfallbeseitigungsproblem
gelöst wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die vorstehend
genannten zelluloseartiegn Ausgangsmaterialien in einem
Autoklaven bei einer Temperatur von mindestens 400°C unter
einem Druck von mindestens etwa 70 bar während einer
bestimmten Zeit erwärmt, um eine Umwandlung der Feuchtigkeit
und eines Teiles der organischen Bestandteile in
eine Gasphase sowie eine thermische Umstrukturierung des
Ausgangsmaterials in ein kohleartiges, koksähnliches Erzeugnis
zu bewirken. Die im Autoklaven dabei gebildete
Gasphase wird abgezogen, und ihr nichtkondensierbarer Anteil
ergibt einen gasförmigen Brennstoff, der beispielsweise
bei dem Verfahren zur Beheizung desselben wiederverwertet
werden kann. Das erzeugte feste Koksprodukt
wird am Ende der Autoklavenbehandlung auf eine Temperatur
herabgekühlt, bei der es in der Umgebungsluft ohne
chemische Veränderung auf die gewünschte Korngröße unter
0,315 mm gemahlen werden kann. Anschließend wird der
zerkleinerte Koks einem Heizöl mit hohem Schwefelgehalt
zugesetzt. Der so entstehende flüssige Brei, der zwischen
1 und 50 Gew.-% Koks enthält, bildet einen Brennstoff,
der einen hohen Heizwert, einen Schwefelanteil
in einer Größenordnung von nur etwa 0,1% und einen
Aschegehalt zwischen etwa 1 und etwa 4% aufweist.
Das durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellte
Brennstoffgemisch, das aus einem Brei bzw. Schlamm aus
Koks und Heizöl besteht, weist noch den Vorteil auf,
daß hierbei keine zusätzlichen Suspensionsmittel erforderlich
sind. Dies wird auf die Verwendung des zellulosehaltigen
Ausgangsmaterials zurückgeführt, da Koks-
Heizöl-Schlämme, die aus verkoksten Stein- oder Anthrazitkohlen
hergestellt wurden, üblicherweise Suspensionsmittel
erfordern.
Ergänzend zu dem eingangs aufgeführten Stand der Technik
wird noch auf die GB-PS 9 75 687 verwiesen, aus der
ein Verfahren zur Herstellung eines mit Kohle versetzten
Heizöles bekannt ist. Das bekannte Verfahren ist
im Unterschied zu dem vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen
Verfahren nicht auf die Verringerung der
Schwefelanteile im Heizöl gerichtet. Vielmehr dient es
zur Entfernung von Wasser aus dem kohlehaltigen Heizölschlamm,
wobei zu diesem Zweck der kohlehaltige Heizölschlamm
einer Kurzwegdestillation im Vakuum unterworfen
wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend anhand
eines Fließschemas sowie anhand von Ausführungsbeispielen
näher erläutert.
Wie der Zeichnung zu entnehmen ist, wird ein
zelluloseartiges Ausgangsmaterial oder ein
Gemisch aus verschiedenen zelluloseartigen Ausgangsstoffen zunächst
einer Vorbehandlung unterzogen, bei welchem es entsprechend
verschrotet, pulverisiert und ausgesiebt wird, um
ein Beschickungsmaterial von der gewünschten Teilchen- oder
Pulvergröße zu erzeugen. Das pulverisierte Ausgangsmaterial
wird einem Hochtemperatur- und Hochdruckautoklaven zugeführt,
in dem es unter Druck erhitzt wird,
um die Feuchtigkeit und die flüchtigen organischen Bestandteile
sowie die Wärmespaltprodukte darin zu einer Gasphase
auszuscheiden und ferner eine gesteuerte thermische Umstrukturierung
des chemischen Aufbaus des Beschickungsmaterials
zu bewirken. Die gasförmigen Nebenprodukte
werden vom Autoklaven abgezogen und einem Kondensator zugeführt,
in welchem die kondensierbare Phase als Kondensat
zurückgewonnen wird, während die im wesentlichen nicht kondensierbare
Phase als nebenbei anfallendes Brenngas zurückgewonnen
wird, das vorteilhafterweise zur weiteren Verwendung
dem Verfahren und zur Erzeugung von Zusatzenergie wieder zugeführt
werden kann. Das Reaktionsprodukt gelangt von der Reaktionszone
des Autoklaven in eine Kühlzone, in der es soweit abgekühlt
wird, daß es der Umgebungsluft
ohne Verbrennung oder andere nachteilige Wirkungen
ausgesetzt werden kann. Von der Kühlzone wird das feste
Koksprodukt, ggf. unter Zwischenlagerung,
zu einer Mahlstation
gefördert, in welcher der Koks auf eine gewünschte
Korngröße pulverisiert wird.
Anschließend gelangt der gemahlene Koks zu einem Mischer,
wo er mit Heizöl angereichert wird. Dabei wird
ein flüssiger Brei gebildet, der einen kontrollierten Anteil
des gemahlenen Holzkokses als Suspension oder Aufschlämmung
enthält. Das so entstandene Produkt aus Heizöl und Koks
gelangt vom Mischer zum Lager.
Das Ausgangsmaterial
kann eine beliebige Menge oder Mischung zellulosehaltiger
Materialien umfassen, einschließlich von Zelluloseabfällen, die
aus der Holzaufbereitung und aus landwirtschaftlichen Abfällen
stammen. Beispielsweise können ohne weiteres natürliche zellulosehaltige
Materialien wie Torf oder auch Abfallzellulose, wie
Sägemehl, Rinde, Holzabfälle, Zweige und Holzspäne aus der Holzaufbereitung
und aus Sägemühlen sowie auch verschiedene landwirtschaftliche
Abfälle wie Stengel von Baumwollpflanzen, Nußschalen,
Reishülsen und dergl. mit gutem Ergebnis verwandt werden. Das
Ausgangsmaterial wird vor der Eingabe in den
Autoklaven wahlweise einer Vorbehandlung unterzogen,
um den Feuchtigkeitsgehalt
soweit herabzusetzen, daß die Handhabung erleichtert
wird und die zu entziehende Feuchtigkeit im folgenden Reaktionsgang
verringert wird. Da im wesentlichen die gesamte
Feuchtigkeit des Ausgangsmaterials im Autoklaven ausgeschieden
wird, ist eine solche Vorbehandlung normalerweise für die
meisten landwirtschaftlichen und Holzabfälle nicht erforderlich.
Die Vorbehandlung kann auch eine entsprechende Zerfaserung oder
Pulverisierung des Ausgangsmaterials umfassen, wobei in Abhängigkeit
von seiner Art und Natur die Teilchengröße soweit verringert
wird, daß eine Weiterverarbeitung erleichtert wird.
Die Zerfaserung oder Pulverisierung kann auch entsprechende
Absonderungs- oder Aussiebungsvorgänge umfassen, um übergroße
Teilchen für den Wiederdurchlauf durch die Zerfaserungsmaschine
zu trennen.
Das Ausgangsmaterial wird mit oder ohne zusätzliche Vorbehandlung
dann über einen Einlaß in den Autoklaven
eingeführt, in welchem es einer Temperatur von mindestens ca.
399°C und einem Druck von mindestens ca. 69 bar
während einer bestimmten Zeit ausgesetzt wird,
um eine gesteuerte thermische Umwandlung seiner chemischen
Struktur sowie eine Umwandlung der Feuchtigkeit und eines
Teiles der flüchtigen organischen Bestandteile zu bewirken und desweiteren
auch eine Umwandlung ihrer thermischen Zersetzungsprodukte
in eine Gasphase zu erzielen, die vom Autoklaven abgezogen
und vorteilhafterweise durch einen Kondensator oder Kühler
zur Trennung und Wiedergewinnung der kondensierbaren Phase mit den
wertvollen chemischen Nebenproduktbestandteilen geschickt wird.
Die vom Kondensator abgezogene, im wesentlichen nicht kondensierbare
Gasphase kann vorteilhafterweise als Gasbrennstoff
zur Erwärmung des Autoklaven sowie zur Erzeugung von Energie
verwendet werden, um das Verfahren durchzuführen, wobei
ein Überschuß anders verwendet werden kann. Obwohl die
Temperatur im Autoklaven mindestens 399°C
betragen soll, werden Temperaturen von etwa
38°C wegen der schnellen Entgasung und der thermischen Umwandlung
des Ausgangsmaterials vorgezogen, um einen höheren
Anteil an festen Kohlenstoffverbindungen zu erzeugen, wodurch sich kürzere Verweilzeiten
im Autoklaven und ein verbesserter Wirkungsgrad der Behandlung
ergeben. Die Temperatur der Autoklavenbehandlung kann
bis etwa 677°C erhöht werden, Temperaturen
über 667°C sind normalerweise wegen des zu hohen Verhältnisses
zwischen nicht kondensierbaren Gasen und dem entstehenden
Koks unzweckmäßig. Besonders gute Ergebnisse wurden mit
Temperaturen zwischen etwa 538°C und etwa
649°C bei Drücken zwischen 69 bar bis etwa
207 bar erreicht. Der höchst zulässige Druck beträgt
etwa 228 bar. Höhere Drücke
sind im allgemeinen unzweckmäßig wegen der erhöhten Herstellungskosten
für die Druckgefäße, die Drücke dieser Größenordnung
aushalten können sowie wegen des Mangels jeden erkennbaren Vorteils
bei derartig hohen Drücken.
Die Verweilzeit des Ausgangsmaterials im Autoklaven hängt von
dem speziellen Temperatur-Druck-Zeit-Verhältnis ab, das innerhalb
der nachstehend näher detaillierten Parameter gesteuert
und überwacht wird, um eine im wesentlichen vollkommene Verdampfung
des Feuchtigkeitsgehaltes und eine Entgasung von einigen
der flüchtigen organischen Bestandteile sowie eine kontrollierte
thermische Umwandlung des Zelluloseausgangsmaterials
bewirken.
Die thermische Umstrukturierung
ist noch nicht vollständig bekannt, doch wird angenommen, daß
sie aus zwei oder mehreren gleichzeitigen chemischen Reaktionen
besteht, die zwischen den pyrolitischen Produkten und den
der Zellenstruktur des Zelluloseausgangsmaterials anwesenden
Gasen ablaufen. Das Endergebnis dieser Umstrukturierung
sind Veränderungen der chemischen Eigenschaften, die zu einer
Erhöhung des Kohlenstoff-Wasserstoff-Verhältnisses und zu einer
Minderung des Schwefel- und Sauerstoffgehaltes führen, wie dies durch
Elementaranalyse des Koksproduktes belegbar ist. Während der Autoklavenbehandlung
erfolgt auch der thermische Wiederaufbau bzw. Abbau
der chemischen Struktur in gesteuertem Maße zusammen mit der
Erzeugung weiterer Gaskomponenten, die ebenfalls in die Gasphase
übergehen.
Die erforderliche Verweilzeit verringert sich mit
einer Erhöhung der Temperatur und des Druckes im Autoklaven.
Dies gilt natürlich auch für den umgekehrten Fall, wenn längere
Verweilzeiten bei niedrigeren Temperaturen und Drücken erforderlich
sind. Gute Ergebnisse liefern Verweilzeiten zwischen etwa 15 Min. bis etwa
1 Stunde bei Temperaturen zwischen 482°C und
649°C und Drücken von 69 bar bis etwa
207 bar. Vorteilhafte Ergebnisse
werden auch in bestimmten Materialien erzielt, wobei Temperaturen
und Drücke im oberen Bereich der zulässigen Pegel mit
Verweilzeiten von nur ca. 5 Min. verwendet werden, während andererseits
auch Verweilzeiten von über 1 Stunde angewandt
werden können. Im allgemeinen bieten Verweilzeiten über etwa
1 Stunde keine merklichen Vorteile gegenüber Verweilzeiten von
etwa 15 Min. bis etwa 1 Stunde, und die daraus entstehende verringerte
Verarbeitungsmenge und Wirksamkeit des Verfahrens bei
solchen übermäßig langen Verweilzeiten ist auch vom wirtschaftlichen
Standpunkt aus unerwünscht.
Der entsprechende Druckaufbau im Inneren des Autoklaven kann leicht durch
Steuerung der Menge des zellulosehaltigen Ausgangsmaterials erreicht
werden, die im Verhältnis zum Innenraum des Autoklaven unter
Berücksichtigung des Feuchtigkeitsgehaltes der Charge beschickt wird,
so daß bei Erwärmung der Charge auf eine erhöhte Temperatur
die Bildung der aus überhitztem Dampf und flüchtigen anorganischen
Stoffen bestehenden Gasphase einen Druckaufbau im Autoklaven
im gewünschten Druckbereich bewirkt. Am Ende der Autoklavenbehandlung
läßt man nach einem Durchführungsbeispiel der Erfindung
den Autoklaven durch Luftkühlung oder mit Hilfe einer
Kühlflüssigkeit wie z. B. Kühlwasser auf eine Temperatur abkühlen,
die unterhalb der Temperatur liegt, bei welcher der
feste Koks ohne nachteilige Wirkungen der
Luft ausgesetzt werden kann. Normalerweise ist eine Abkühlung
des Autoklaven auf eine Temperatur unter etwa 149°C
ausreichend. Eine Abkühlung des Autoklaven auf Temperaturen
in der Nähe von 100°C oder darunter in Anwesenheit
der Gasphase ist im allgemeinen wegen der Kondensation der
gasförmigen Wasserphase unerwünscht, die den Koks benetzt und
dadurch seinen Feuchtigkeitsgehalt erhöht und entsprechend seinen
Heizwert verringert. Die Kühlung erfolgt vorzugsweise nach
dem Abziehen der Gasphase, um zu verhindern, daß sich die verflüchtigten
organischen Bestandteile einschließlich verhältnismäßig
schwerer Kohlenstoffwasserstofffraktionen und Teere
kondensieren und an den Oberfächen sowie innerhalb der Poren
der Koksstruktur ablagern.
Der vergütete Koks besitzt im allgemeinen ein mattschwarzes
Aussehen mit einer porösen Struktur sowie einen Restfeuchtigkeitsgehalt
von etwa 1% bis etwa 5% Gewichtsanteilen.
Nach dem bevorzugten Ausführungsbeispiel des
Verfahrens wird der bleibende hohe Druck am Ende der Autoklavenbehandlung
bei der Arbeitstemperatur des Autoklaven freigesetzt,
wobei die Kohlenwasserstoffanteile durch Kondensierung und die
organischen nicht kondensierbaren Gasanteile als Brenngas-Nebenprodukt
gewonnen werden. In dieser Lage erfolgt nur ein geringer
Grad von Ablagerung der leicht flüchtigen organischen
Bestandteile auf den Koks. Der so erzeugte Koks weist trotzdem
einen thermisch umgewandelten
Aufbau auf, so daß er einen verbesserten Heizwert besitzt.
Es sei bemerkt, daß auch ein zweistufiger Autoklaven- und Beschichtungsvorgang
durchgeführt werden kann, bei welchem die
vom Autoklaven noch bei hoher Temperatur freigesetzte Gasphase
einer zweiten Autoklavenkammer zugeführt wird, in welcher das
zu verarbeitende Ausgangsmaterial als Kühlmittel zur Kondensation
der Teere und Öle in der Gasphase dient.
Der abgekühlte feste Koks wird nach dem Flußdiagramm von der
Kühlzone an ein Kokslager überführt, wo er entsprechend
auf die gewünschte Teilchengröße gemahlen wird.
Unabhängig von der Teilchengröße stellt der Koks einen wertvollen
Festbrennstoff dar. Der Koks besitzt einen
sehr niedrigen Schwefelgehalt, gewöhnlich weniger als
etwa 1% Gewichtsanteil und meist von ca. 0,2% bis herab zu
ca. 0,06% Gewichtsanteilen Schwefel. Ferner weist er
einen sehr geringen Aschegehalt,
meist weniger als ca. 5% bis etwa 1% oder weniger, auf.
Bestimmte landwirtschaftliche Abfallstoffe wie beispielsweise
Baumwollstengel erzeugen einen Koks bis zu 20% Asche und weniger
als 1% Schwefel. Normalerweise besitzt der Koks einen Heizwert
im Bereich von etwa 6108 bis etwa 8329 kcal/kg.
Wegen seines äußerst niedrigen Schwefel- und Aschegehaltes wird
der Koks
anschließend mit Heizöl vermischt, um einen flüssigen Brei zu erzeugen,
der ca. 1% bis etwa 50% Gewichtsanteile Koks
enthält. Die maximale Menge des Koksanteils im flüssigen Heizöl
wird durch die Erhöhung der Viskosität des Breis bestimmt,
wenn die Beimengung an pulverisiertem Koks erhöht wird. Im
allgemeinen ist die obere Grenze der Koksanreicherung der Pegel,
auf welchem ein Brei mit der erforderlichen Viskosität erreicht
wird, damit er noch gepumpt werden kann und einem Viskositätswert,
der noch eine entsprechende Aufspaltung des Breis durch
verschiedene Arten von handelsüblichen Brennerdüsen gestattet.
Obwohl auch Konzentrationen mit nur etwa 1% Gewichtsanteil
von Koks in Erwägung gezogen werden, bringen solche niedrigen
Konzentrationen keine merklichen Vorteile.
Meist werden Konzentrationen von mindestens 25 bis ca. 50 Gew.-%
Koks vorgezogen. Bei Konzentrationen an Koks von ca. 50 Gew.-%
beträgt der mittlere Schwefelgehalt des Breis
etwa die Hälfte des verwendeten Heizöls, wodurch eine
Anzahl von hochschwefeligen Heizölen eingesetzt werden kann,
um Koks-Heizölgemische zu erzeugen, die die gesetzlichen
Schwefelvorschriften erfüllen.
Besonders gute Ergebnisse ergeben Zusätze an Koks, deren Staub-
Teilchengröße kleiner als etwa 0,112 mm ist. Vorzugsweise
wird der Koks derart zerkleinert, daß er 80% kleiner ist als etwa
0,08 mm. Ein solcher Koks führt zu einem verhältnismäßig stabilen Brei,
der Kokskonzentrationen bis zu 50 Gew.-% aufweist, ohne daß
hierfür merkliche Mengen zusätzlicher Suspensionsmittel verwendet werden
müssen.
Ein zellulosehaltiges Ausgangsmaterial, bestehend aus 59,5 g
einer Mischung aus trockenem Eichen- und Tannenholz, wird zusammen
mit 23,4 g Wasser in einen Versuchsautoklaven gegeben. Die
Holzcharge liegt als rechteckige Streifen mit einer
Dicke von 6,35 mm, einer Breite von 12,7 mm und einer Länge
von 203,2 mm vor.
Der Autoklave besteht aus einer zylinderförmigen
Kammer aus rostfreiem Stahl mit einem Innendurchmesser von
34,925 mm und einer Länge von 304,8 mm
und bildet einen gesamten Hohlraum von 295 cm³.
Der Autoklave ist mit einer an einem Wasser gekühlten Kondensator
und einen Wasserverdrängungsgaskollektor angeschlossenen Leitung
versehen. Ein Manometer für 345 bar ist
für eine laufende Drucküberwachung mit dem Autoklaven verbunden,
und ein Thermoelement, Typ K, ist zur dauernden Temperaturüberwachung
in eine Vertiefung in den Autoklaven eingelassen. Die Anlage
umfaßt ein Hochdruckventil mit konischer Spitze in der
Leitung zwischen Autoklaven und Gaskondensator, um die Gasphase
aus dem Autoklaven abzuziehen und den Solldruck in dem
Autoklaven aufrechtzuerhalten.
Nachdem der Autoklave beschickt und verschlossen ist, wird er
in horizontaler Lage in einen heißen Muffelofen gegeben. Nach
einer Zeitspanne von 5 Minuten beträgt der Druck
103 bar und die vom Thermoelement angezeigte Innentemperatur
beträgt 295°C. An diesem Punkt wird
das Auslaßventil etwas geöffnet, wodurch genügend Gas durch die
Kondensatoranlage entlüftet wird, um den Druck im Autoklaven im
wesentlichen konstant auf 103 bar zu halten.
Während der nächsten Zeitspanne von 5 Minuten oder nach einer
Gesamntzeit von 10 Minuten nach Anordnung des Autoklaven im Muffelofen
ist die vom Thermoelement angezeigte Innentemperatur des
Autoklaven 554,4°C. Anschließend nimmt man den
Autoklaven aus dem Ofen und läßt ihn auf etwa 93,3°C
abkühlen.
Ein fester Koks von 18,9 g wird dem Autoklaven, und
20 cm³ Flüssigkeit wird der Kondensatoranlage entnommen. Das
erzeugte Gas übersteigt die Kapazität der Gassammlerflasche,
deren Volumen 7800 cm³ beträgt.
Das feste Koksprodukt weist
eine schwarze Farbe und eine Honigwabenstruktur auf,
die hauptsächlich der Originalstruktur des zelluloseförmigen
Holzausgangsmaterials entspricht und an verschiedenen Stellen
das Aussehen einer verkoksten Flüssigkeit hat. Die ursprünglichen
einzelnen Eichen- und Tannenzweige oder Ruten werden
während des Reaktionsprozesses verformt, wodurch der in dieser
Form gewonnene Festkoks aus einem einzigen Zylinder besteht,
dessen Durchmesser kleiner ist als der der Reaktionskammer.
Die gewonnene Gasphase brennt mit einer blaßblauen Flamme, die
für Wasserstoffgemische, Kohlenmonoxid und Methanol
normal ist. Eine Analyse des festen Produkts ergibt
folgendes:
Feuchtigkeit (% Gew.ant.) 3,93
Leichtflüchtige Bestandteile
(% Gew.ant.) 8,47 8,82 Asche (%Gew.) 1,09 1,13 Fester Kohlenstoff (%Gew.)86,5 90,1 Heizwert7946 kcal/kg 8272 kcal/kg
(% Gew.ant.) 8,47 8,82 Asche (%Gew.) 1,09 1,13 Fester Kohlenstoff (%Gew.)86,5 90,1 Heizwert7946 kcal/kg 8272 kcal/kg
Chemische Analyse
C (% Gew.Ant.)88,8 92,4 H (% Gew.Ant.) 2,06 2,14 S (% Gew.Ant.) 0,12 0,12 N (% Gew.Ant) 0,18 0,19 O (% Gew.Ant.) 3,82 4,02
C (% Gew.Ant.)88,8 92,4 H (% Gew.Ant.) 2,06 2,14 S (% Gew.Ant.) 0,12 0,12 N (% Gew.Ant) 0,18 0,19 O (% Gew.Ant.) 3,82 4,02
Eine Charge von 100 g aus kanadischem Moostorf wird, wie vorstehend
anhand der Fig. 1 beschrieben, in den Versuchsautoklaven
eingegeben, der mit dampf- und wassergekühlten Kondensatoren
ausgestattet ist. Eine Analyse des Ausgangsmaterials ergibt einen
Feuchtigkeitsgehalt von etwa 75% Gewichtsanteilen.
Nach Beschickung wird der Autoklave in waagerechter Lage wie
unter Beispiel 1 beschrieben in einen heißen Muffelofen angeordnet,
und nach einer Zeitspanne von 11 Minuten beträgt der
Reaktordruck 113 bar und die am Thermoelement angezeigte
Innentemperatur beträgt 264°C. Jetzt wird
das Ablaßgasventil etwas geöffnet, wobei genügend Gas
über die Kondenstoren entlüftet wird, um den Druck im wesentlichen
auf 103 bar konstant zu halten.
Nach einer weiteren Heizperiode von 23 Minuten oder insgesamt
von 34 Minuten nach Eingabe des Autoklaven in den Muffelofen
beträgt die Autoklaventemperatur 543,8°C. Daraufhin
wird der Autoklave aus dem Ofen entnommen, und das Hochdruckventil
wird geöffnet, um die gesamte Gasphase freizusetzen, bis
die Autoklavenkammer auf atmosphärischem Druck angelangt ist.
Dann wird das Ventil geschlossen, und der Autoklave kann sich auf
Umgebungstemperatur abkühlen.
Bei Beendigung des Versuchs enthält der dampfbeheizte Kondensator
74 g Flüssigkeit, während der wassergeühlte Kondensator
5 g Flüssigkeit und 4,25 l eines nicht kondensierbaren Gases
enthält, das sich im Gaskollektor angesammelt hat. Das Reaktionsprodukt
aus festem Koks umfaßt 6,99 g, das als
brüchiges, schwarzes, festes Produkt vorliegt,
das bei Oxidation 0,256 g Asche erzeugt.
Eine Analyse des gesammelten Gases, das bei Zündung mit blauer
Flamme abbrennt, ergibt folgendes:
Der unter Beispiel 2 beschriebene Versuch wird unter Verwendung
von 173 g desselben Torfchargenmaterials sowie derselben Versuchsanlage
wiederholt. Acht Minuten nach Eingabe des Autoklaven
in den Muffelofen beträgt der Reaktordruck 103 bar
und die Innentemperatur beträgt
232°C. Nach einer weiteren Verweilzeit von 21 Minuten bei
hoher Temperatur oder einer Gesamtzeit von 29 Minuten nach Beginn
des Erwärmungszyklus beträgt die Innentemperatur
540,5°C, wobei durch Entlüften der Gasphase
an die Kondensatoranlage der Druck im wesentlichen konstant auf
103 bar gehalten wird.
Aus dem dampfbeheizten Kondensator wurden insgesamt 58 cm³
einer dunkelbraunen Flüssigkeit gewonnen, während aus dem wassergefüllten
Kondensator 63 cm³ eines gelbgefärbten Wassers
entnommen werden. Insgesamt 11,2 l Gas sammelten sich im
Sammler an. Ein festes Koksprodukt von 19,2 g ähnlich dem, das
unter Beispiel 2 gewonnen wurde, entstand hierbei. Bei Zündung
brennt das Gas mit einer blauen Flamme identisch der des Beispiels
2.
Der gewonnene feste Koks enthält 0,41% Gewichtsanteile Feuchtigkeit
und besitzt die folgende quantitative Zusammensetzung:
Der feste Koks weist eindeutig
eine Verbesserung seines Heizwertes gegenüber dem Ausgangsmaterial
in einer Größenordnung von 66% auf und bildet einen
hochwerten Festbrennstoff mit niedrigem Asche- und Schwefelgehalt.
Nach nachfolgendem Mahlen auf eine Teilchengröße von ca.
0,08 mm zeigt er sich höchsst geeignet als Zusatz zu Rückstandsbrennölen
mit hohem Schwefelgehalt, um einen breiartigen Brennstoff
von mäßig niedrigem Schwefelgehalt zu ergeben.
Ein Brennstoffschlamm wird durch Vermischen von gleichen Gewichtsteilen von feingemahlenen Koks, der aus
Torf hergestellt worden ist,
mit einem Rückstandsheizöl, das 1% Schwefel enthält, hergestellt.
Eine Suspension von Koksteilchen im Heizöl wird durch Zusatz
des pulverisierten Kokses erreicht, während das Heizöl durch
ein Mischgerät mit hoher Schubkraft umgerührt wird. Der Koks
wird so lange zugegeben, bis er etwa
40 Gew.-% des gesamten Schlammes beträgt.
Der sich ergebende Brennstoffschlamm besitzt einen durchschnittlichen
Schwefelgehalt von 0,66%, wodurch er sich als Brennstoff
für öffentliche Versorgungsbetriebe zur Erzeugung elektrischer
Energie eignet und die gesetzlichen Forderungen bezüglich des
maximalen Schwefelgehalts erfüllt. Erfahrungsgemäß bleibt
der sich ergebende Schlamm im wesentlichen stabil, wobei die festen
Koksteilchen im wesentlichen gleichmäßig unter Verwendung von
Hilfssuspensionsmitteln bzw. von Dispergierungsmitteln suspendiert
bleiben.
Ein Autoklave wird wie unter Beispiel 2 beschrieben mit einem
für ein Forstabfallprodukt normalen Ausgangsmaterial aus Kiefern-
und Tannenrinde von insgesamt 51,76 g beschickt. Nach
sieben Minuten erreicht der Druck 103 bar, worauf
das Gas entlüftet wird, um einen konstanten Druck beizubehalten.
Die Innentemperatur beträgt
282°C. Nach einer weiteren Verweilzeit von 13 Minuten
beträgt die Innentemperatur des Autoklaven 532°C,
und der Druck bleibt im wesentlichen konstant bei etwa 103 bar,
da die Gasphase an die Kondensatoranlage entlüftet
wird. Es werden 17,9 g Koks und
15,8 g Flüssigkeit gewonnen.
Das Produkt des Dampfkondensators besteht aus 5,3 ml einer gelben
Flüssigkeit, wobei 0,6 ml eines teerigen Stoffes an der
Oberfläche schwimmen. Das Produkt des Wasserkondensators besteht
aus 10,5 ml einer klaren Flüssigkeit mit einer Spur von
Öl. Die Flüssigkeit aus beiden Kondensatoren wird zusammengeschüttet,
wobei 14,6 ml Wasser ausgeschieden werden. 0,254 g
von hexanlöslichen Teeren und 0,28 g benzollösliche
Teere werden gewonnen. Etwa 9000 cm³ nicht kondensierbare
Gase entstehen. Die Zusammensetzung und der Heizwert
des festen Kokses sowie die Zusammensetzung der nicht
kondensierbaren Gasphase sind in den folgenden Tabellen
angegeben:
Erzeugtes Festkörpermaterial
(kg/kg Charge) 0,346 Wassergehalt 0,27% Quantitative Analyse (wasserfrei):
Leichtflüchtige Stoffe11,04% Gebundener C84,09% Asche 4,87% Elementaranalyse (wasserfrei):
C88,58% H 2,71% S 0,06% N 1,36% O 2,42% Heizwert7932 kcal/kg
(kg/kg Charge) 0,346 Wassergehalt 0,27% Quantitative Analyse (wasserfrei):
Leichtflüchtige Stoffe11,04% Gebundener C84,09% Asche 4,87% Elementaranalyse (wasserfrei):
C88,58% H 2,71% S 0,06% N 1,36% O 2,42% Heizwert7932 kcal/kg
Erzeugte Gasmenge
(l/kg Charge)180,4 Mittl. Molgewicht 31,9 Heizwert4483 kcal/m³ Zusammensetzung in Molprozent
(wasserfrei)
H₂ 5,87% CH₄29,32% CO 7,55% C 4,65% CO₂50,19% C₃ 0,99% C₄ 0,47% C₅ 0,26% C₆ 0,40%
(l/kg Charge)180,4 Mittl. Molgewicht 31,9 Heizwert4483 kcal/m³ Zusammensetzung in Molprozent
(wasserfrei)
H₂ 5,87% CH₄29,32% CO 7,55% C 4,65% CO₂50,19% C₃ 0,99% C₄ 0,47% C₅ 0,26% C₆ 0,40%
Mit dem gleichen Autoklaven wie unter Beispiel
2 werden 51,8 g eines Zelluloseausgangsmaterials aus landwirtschaftlichen
Abfällen von Baumwollstengeln und Maishülsen
verkokt. Der Druck im Autoklaven von 103 bar
ist sechs Minuten nach Eingabe in den Muffelofen bei einer
Innentemperatur des Autoklaven von 216°C erreicht.
Jetzt wird das Ventil geöffnet, damit die Gasphase entlüften
kann, um den Druck im wesentlichen konstant auf ca.
103 bar zu halten. Nch einer weiteren Erwärmungszeit
von 17 Minuten, d. h. einer Gesamtreaktionszeit von 23 Minuten, im Muffelofen beträgt die Temperatur
541,1°C,
wobei das Gas laufend entlüftet wird, um den Druck
auf 103 bar zu halten.
Danach wird der Autoklave aus dem Ofen genommen und der Druck
in die Umgebungsatmosphäre abgelassen. Die gewonnene Gasmenge
beträgt 11 240 cm³, das gesamte Festkörperprodukt 16,1 kg und
gesamte gewonnene teerige Masse beträgt 0,6 g.
Die Zusammensetzung und der Heizwert des festen Kokses sowie
die Zusammensetzung der nicht kondensierbaren Gasphase sind in
den nachstehenden Tabellen detailliert:
Erzeugtes Festkörpermaterial
(kg/kg Charge) 0,310 Feuchtigkeit 1,58% Quantitative Analyse (wasserfrei):
Leichtflüchtige Stoffe17,45% Gebundener C62,00% Asche20,55% Elementaranalyse (wasserfrei):
C72,28% H 2,62% S 0,69% N 1,20% O 2,66% Heizwert 6,394 kcal/kg
(kg/kg Charge) 0,310 Feuchtigkeit 1,58% Quantitative Analyse (wasserfrei):
Leichtflüchtige Stoffe17,45% Gebundener C62,00% Asche20,55% Elementaranalyse (wasserfrei):
C72,28% H 2,62% S 0,69% N 1,20% O 2,66% Heizwert 6,394 kcal/kg
Erzeugte Gasmenge
(Liter/kg Charge)217,0 Mittl. Molgewicht 29,2 Heizwert (kcal/m³)4759 Zusammensetzung in Molgewicht
(wasserfrei)
H₂10,30% CH₄34,44% CO 3,66% C₂ 4,01% CO₂44,97% C₃ 1,40% C₄ 0,87% C₅ 0,18% C₆ 0,17%
(Liter/kg Charge)217,0 Mittl. Molgewicht 29,2 Heizwert (kcal/m³)4759 Zusammensetzung in Molgewicht
(wasserfrei)
H₂10,30% CH₄34,44% CO 3,66% C₂ 4,01% CO₂44,97% C₃ 1,40% C₄ 0,87% C₅ 0,18% C₆ 0,17%
Eine Charge aus 60 g Hobelspänen und 15 cm³ Wasser wird in den
Versuchsautoklaven gegeben. Dieser besteht aus einer zylinderförmigen
Kammer aus rostfreiem Stahl mit einem Durchmesser von
31,75 mm und einer Länge von 336,21 mm,
wodurch ein Hohlraum von 0,4615 m³ entsteht.
Der Autoklave ist mit einer Leitung versehen, die an einen
wassergekühlten Kondensator und einen Wasserverdrängungsgassammler
geführt ist. Ein Manometer 345 bar
ist mit dem Autoklaven für laufende Drucküberwachung verbunden,
und ein Thermoelement ist in eine Vertiefung in den
Autoklaven zur laufenden Temperaturüberwachung eingelassen.
Ferner ist ein Hochdruckventil mit Kegelspitze in der
Leitung zwischen dem Autoklaven und dem Gaskondensator vorgesehen, um die
Gasphase aus dem Autoklaven zu entlüften und einen gewünschten Solldruck
aufrecht zu erhalten.
Nach dem Beschicken und Schließen des Autoklaven wird er in
waagerechter Lage in einem heißen Muffelofen angeordnet. Nach
einer Zeitspanne von 9 Minuten beträgt der Druck
120 bar und die vom Thermoelement angezeigte Temperatur
249°C. Das Ventil wird jetzt
etwas geöffnet, wodurch eine genügende Gasmenge über die Kondensatoreinrichtung
freigesetzt wird, um den Druck im Reaktor
im wesentlichen auf 106 bar konstant zu halten.
Während der nächsten 21 Minuten oder nach einer Gesamtzeit von
30 Minuten nach Eingabe des Autoklaven in den Muffelofen beträgt
die Temperatur 540°C, worauf der Autoklave aus
dem Ofen genommen wird, der Druck sich auf 1 bar
verringert und der Autoklave sich in Luft abkühlen kann.
Es werden 14,6 g Koks (24% bezogen auf das
Ausgangsmaterial) zusammen mit 11 200 cm³ eines nicht-
kondensierbaren brennbaren Gases gewonnen.
Der feste Koks
ist in saurem Aussehen koksähnlich und
weist eine spröde, poröse Struktur auf. Das gewonnene
nicht-kondensierbare Brenngas brennt mit einer Flamme mit gelben
Spitzen.
Das Festkörpergewicht wird in einer Laborkugelmühle 10 Minuten
lang gemahlen und dann durch ein Sieb mit einer Maschenweite
von 0,08 mm gesiebt. Der Teil, der eine größere Siebweite als 0,08 mm
aufweist, wird weitere 10 Minuten lang gemahlen und dann wieder
durchgesiebt. Der nunmehr übriggebliebene Teil einer größeren
Maschenweite von 0,08 mm wird 5 weitere Minuten lang gemahlen,
worauf 12,75 g die Siebweite 0,16 mm und 8,69 g die Siebweite 0,08 mm
passieren. 12,75 g gemahlener Feststoffe werden 8,52 g von einem Bunker C
Heizöl zugesetzt, um eine zähe Paste mit 60% Festkörpergehalt
zu bilden. Der zähen Paste wird weiteres Öl zugemischt,
bis die Leerräume ausgefüllt sind. Jetzt weist
die Zusammensetzung 56% Feststoffe auf. Weiteres Öl wird zugesetzt,
bis das Gemisch bei Raumtemperatur zu fließen beginnt.
Diese Zusammensetzung enthält 52% Feststoffe.
Eine zweite Partie des Öl-Festkörperbreis wird aus einem gleichen
Festkokserzeugnis aus Holz aufbereitet, das in einer Kugelmühle
gemahlen wurde und durch die Maschenweite 0,08 mm ausgesiebt
wurde. Wenn dieser feste Koks mit einer gleichen Gewichtsmenge
von Bunker-C-Heizöl versetzt wird, so ist der sich ergebende
Brei eine nicht-Newton'sche Flüssigkeit mit einer Viskosität
von 20 500 cps-Einheiten bei 93,3°C bei 6 U/min
und 12 100 cps-Einheiten bei 60 U/min bei Messung in einem
Brookfieldschen Rotationsviskosimeter.
Bei den vorstehend beschriebenen Beispielen war der Autoklav
ein Labormodell, das für Einzelchargen des Ausgangsmaterials
ausgelegt war. Es sei bemerkt, daß beliebige Arten von Autoklaven
verwendet werden können, welche den hohen Temperaturen
und Drücken widerstehen, die für die Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens erforderlich sind. Ferner sei bemerkt,
daß die Erfindung, obwohl sie hauptsächlich anhand von Einzelchargen-Autoklaven
beschrieben wurde, sich auch für kontinuierlich
beschickte Autoklaven eignet, bei welchem das Ausgangsmaterial
laufend in den Einlaß des Autoklaven durch einen
entsprechenden Schütteltrichter mit Druckverschluß oder eine
Ventilanordnung eingegeben wird, und der Koks laufend von der
Kühlzone des Autoklaven durch einen gleichen Schütteltrichterdruckverschluß
oder eine gleiche Ventilanordnung entnommen
wird.
Claims (2)
1. Verfahren zur Verkokung lignitartiger Kohle, bei welchem die Kohle in einem Aotoklaven unter Druck erhitzt
und anschließend abgekühlt wird nach Patent 27 00 554,
dadurch gekennzeichnet, daß anstelle von lignitartiger
Kohle zellulosehaltiges Ausgangsmaterial eingesetzt wird
und der gebildete Koks auf eine Korngröße unter 0,315 mm
gemahlen und zu einem Gewichtsanteil zwischen 1 und 50%
mit einem Heizöl vermischt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Aufmahlung von mindestens 80% des Kokses auf
eine Korngröße unter 0,080 mm erfolgt.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US05/831,343 US4129420A (en) | 1976-01-12 | 1977-09-07 | Process for making coke from cellulosic materials and fuels produced therefrom |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE2838884A1 DE2838884A1 (de) | 1979-03-15 |
DE2838884C2 true DE2838884C2 (de) | 1987-07-16 |
Family
ID=25258832
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19782838884 Granted DE2838884A1 (de) | 1977-09-07 | 1978-09-06 | Verfahren zur herstellung von koks aus zellstoffen und zur aufbereitung von brennstoffen aus dem koks |
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AT (1) | AT372103B (de) |
AU (1) | AU513614B2 (de) |
BG (1) | BG48338A4 (de) |
BR (1) | BR7805847A (de) |
CA (1) | CA1109820A (de) |
CS (1) | CS222655B2 (de) |
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DK (1) | DK159974C (de) |
ES (1) | ES473152A2 (de) |
FI (1) | FI71336C (de) |
FR (1) | FR2402699A2 (de) |
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DE3302133A1 (de) * | 1983-01-22 | 1984-08-02 | Hölter, Heinz, Dipl.-Ing., 4390 Gladbeck | Pyrolyseverfahren mit zuendwilliger mischung |
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