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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines
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schwefelarmen und aschefreien kohlestämmigen Brennstoffes, insbesondere
zur Substitution von leichtem Heizöl.
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In der Bundesrepublik Deutschland werden insbesondere zur Gebäudeheizung
jährlich erhebliche Mengen an leichtem Heizöl verfeuert. Die Verwendung von Heizöl
ist wenig arbeitsintensiv. Es fallen keine Verbrennungsrückstände an und die Umweltbelastung
ist gering.
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Infolge der stark gestiegenen Ulpreise führt der Einsatz von Heizöl
jedoch zu einer immer stärkeren finanziellen Belastung privater Haushalte. Darüber
hinaus ist Heizöl als wertvoller Chemierohstoff oder als Ausgangsprodukt zur Treibstoffherstellung
zu schade, um zur Wärmeerzeugung verfeuert zu werden.
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Als Ersatzbrennstoff für Heizöl bietet sich grundsätzlich Kohle an,
die in ausreichenden Mengen zur Verfügung steht.
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Nachteilig ist jedoch, daß der Arbeitsaufwand wesentlich größer ist.
Dies trifft sowohl auf die Bereitstellung der Kohle als auch auf den Abtransport
der Asche zu. Darüber
hinaus führt die Verfeuerung von Kohle, insbesondere
infolge ihres Schwefelgehaltes, zu erheblichen Umweltbelastungen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung
eines kohlestämmigen Brennstoffes zu entwickeln, der ebenso einfach wie Heizöl zu
verarbeiten ist und zu vergleichbar geringen oder noch niedrigeren Umweltbelastungen
führt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Kohle zunächst
in an sich bekannter Weise verflüssigt wird, daß das Verflüssigungsprodukt von mineralischen
Feststoffen und Destillaten befreit wird, daß das verbleibende Verflüssigungsprodukt
unschmelzbar gemacht und in zerkleinertem Zustand in Kesselanlagen verbrannt wird.
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Die erfindungsgemäße Verfahrensweise ermöglicht die Herstellung eines
aschefreien und schwefelarmen Brennstoffes, der in zerkleinertem Zustand ohne Schwierigkeiten
ebenso einfach wie Heizöl zur Wärmeversorgung privater Haushalte oder sonstiger
Wärmeverbraucher eingesetzt werden kann. Bei der Verfeuerung des neuartigen Brennstoffes
fällt keine Asche an, so daß keine Entsorungsprobleme entstehen. Die Umweltbelastung
ist sehr gering und die Verfügungsstellung im Kessel einfach sowohl kontinuierlich
als auch diskontinuierlich möglich. Ähnlich wie bei Heizöl kann der zerkleinerte,-lagerstabile
Brennstoff in geeigneten Tanks gelagert und je nach Bedarf mittels geeigneter Förder-
und Dosiervorrichtungen, beispielsweise pneumatisch oder mechanisch, dem Brenner
der jeweiligen Kesselanlage zugeführt werden. Eine Verbackung der Brennerdüsen bzw.
Brennstoffzuführungsöffnungen in den Kessel ist nicht möglich, da der Brennstoff
durch eine spezielle Behandlung unschmelzbar gemacht worden ist.
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im folgenden werden die einzelnen Verfahrensschritte des er
findungsgemäßen
Verfahrens näher erläutert: Nach der Erfindung wird zur Herstellung des neuartigen
Brennstoffes die verwendete Rohkohle zunächst verflüssigt. Die Verflüssigung erfolgt
in bekannter Weise entweder durch Hydrierung oder durch Extraktion bei erhöhtem
Druck und erhöhter Temperatur durch Anlagerung von mehr oder weniger oder gar keinem
Wasserstoff an die Kohle.
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Das bei der Verflüssigung der Kohle anfallende Reaktionsprodukt besteht
aus einer Gasfraktion aus im wesentlichen tiefsiedenden Kohlenwasserstoffen in der
Dampfphase, Wasserdampf und je nach Verfahrensführung auch Wasserstoff sowie einer
flüssigen Fraktion aus im wesentlichen Bitumen, schweren Destillaten sowie den verbleibenden
Feststoffen, wie Asche, nicht umgesetzter Kohle und unter Umständen auch Katalysatorteilchen.
Nach Abtrennung der Gasfrektion durch bei der Kohleverflüssigung übliche Verfahrensschritte
werden aus dem verbleibenden Verflüssigungsprodukt in weiteren erfindungsgemäßen
Verfahrensschritten die Destillate und die Feststoffe, d.h. insbesondere die mineralische
Asche, abgetrennt. Die Destillatabtrennung erfolgt dabei zweckmäßigerweise durch
eine Vakuumdestillation, wobei die Destillate am Kopf und das nicht destillierbare
Verflüsaigungsprodukt, im wesentlichen das Bitumen, zusammen mit den Feststoffen
im Sumpf eines entsprechenden Zerlegungseinrichtung anfallen.
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Infolge der Zähigkeit des Bitumen erweist sich die direkte Abtrennung
der Asche aus dem Verflüssigungsprodukt in mechanischen Einrichtungen, wie Zentrifugen,
Filtern usw., oder durch Sedimantation als schwierig und wenig wirkungsvoll.
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Die Erfindung sieht daher vor, das Bitumen zunächst mit einem geeigneten
Lösungsmittel, beispielsweise Benzol im Verhältnis 1:3, zu behandeln und aus der
Lösung die Feststoffe abzutrennen Dies ist nunmehr auf einfache Weise in den vorgenannten
Einrichtungen möglich.
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Als Lösungsmittel für das Bitumen erweist sich Benzol als besonders
wirkungsvoll. Aber auch andere aromatische Kohlenwasserstofffraktionen, insbesondere
in der Anlage selbst gewonnenes Naphtha oder auch Mittelöl können als geeignete
Lösungsmittel eingesetzt werden. Nach Abtrennung der Asche aus der Lösung aus Bitumen
und Lösungsmittel erfolgt nunmehr in einem weiteren Verfahrensschritt die Rückgewinnung
des Lösungsmittels. Dies wird durch Abdampfen'unter Verwendung von billiger Niedrigtemperaturprozeßwärme-
aus der Anlage oder auch durch Einleiten eines heißen bistro-mes, der dann, wie
weiter unten no-eh erläutert, mit dem Bitumen verkokt wird, durchgeführt.
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Das als Zwischenprodukt des erfindungsgemäßen Verfahrens nunmehr vorliegende
Bitumen weist bereits einige Eigenschaften eines hochwertigen, als Heizölersatz
einsetzbaren Brennstoffes auf. Es ist praktisch von der Asche befreit und enthält
nur noch geringe Mengen an Schwefel. Nahezu der gesamte in der Kohle ursprünglich
vorhandene mineralisch, insbesondere in Form von Pyrit, gebundene Schwefel wird
zusammen mit der Asche abgezogen, während in der Kohle organisch gebundener Schwefel,
der während der Verflüssigung der Kohle zum Teil in gasförmige Schwefelverbindungen
umgesetzt wird, bereits zusammen mit dem gasförmigen Verflüssigungsprodukt aus der
Anlage entfernt worden ist.
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Da das gewonnene Bitumen durch Erweichen im Zuge der Verbrennungen
zu Verbackungen zum Beispiel der Brennerdüsen führt, sieht ein weiteres Merkmal
der Erfindung vor, daß das Bitumen vor dem Einsatz als Brennstoff unschmelzbar gemacht
wird durch eine weitere chemische oder thermische Behandlung.
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Eine geeignete chemische Behandlung besteht darin, daß das Bitumen
durch Oxidation bei erhöhten Temperaturen vernetzt wird, wodurch eine Überführung
in den unschmelzbaren Zustand erfolgt.
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Am einfachsten erweist es sich jedoch, das Bitumen, um es unschmelzbar
zu machen, bei einer Temperatur zwischen etwa 3800 C und 5000 C, vorzugsweise zwischen
etwa 4100 C und 4500 C, zu verkoken. Der gewonnene Koks kann in zerkleinertem Zustand
nunmehr direkt in Kesselanlagen verfeuert werden.
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Die Verfeuerung kann im staubförmigen Zustand in Brennerdüsen oder
im gröberen Zustand, z. 8. bei einer Korngröße bis zu 20 mm, in einer Rostfeuerung
erfolgen, wobei die Förderung des zerkleinerten Kokses in den Kessel zweckmäßigerweise
mittels Förderschnecken erfolgt. Insbesondere für den Fall der Staubfeuerung in
Brennerdüsen sollte der Koks mindestens 20 °Ó flüchtige Bestandteile aufweisen.
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Da der Koks im Zuge der Erhitzung nicht mehr schmilzt, sind unerwünschte
Anbackungen in Kesselaggregaten nicht zu befürchten. Aufgrund des relativ hohen
Anteils von flüchtigen Bestandteilen, die bei der Erhitzung des Kokses zunächst
freigesetzt werden, ist darüber hinaus eine gute Zündfähigkeit und eine hohe Zündstabilität
gewährleistet. Ein weiterer Vorteil des relativ hohen Gehalts an Flüchtigen liegt
darin, daß der, Koks verhältnismäßig weich ist, und sich somit gut zerkleinern läßt.
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Die Kombination einer Oxidation des Bitumen mit anschließendem Verkoken
kann zur weiteren Verbesserung der Brenneigenschaften des Kokses führen. Eine Erhöhung
der Zündfähigkeit des Kokses läßt sich erreichen, wenn nach einem weiteren Merkmal
der Erfindung der Koks in einer geringen Menge (bis zu etwa 5 °0) mit einer Ölfraktion
imprägniert wird, welche dann in der Brennerflamme vorab verdampft und damit leicht
entzündbar ist.
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Auch trägt der zusätzliche Schutzfilm aus U1 zu Erhöhung der Lagerstabilität
des Brennstoffes bei, da durch ihn die Gefahr einer Oxidation bei der Lagerung,
die zur Selbstentzündung führen kann, verringert wird. Dieser zusätzliche Vorteil,
der durch den vorgesehenen Ölfilm erreicht wird, ist im übrigen nicht auf den nach
dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten
Brennstoff beschränkt,
sondern er gilt generell für Brennstoffe, wie zum Beispiel Anthrazitstaub.
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Weitere Erläuterungen zu der Erfindung sind dem in der Figur schematisch
dargestellten Ausführungsbeispiel zu entnehmen.
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Gemäß der Figur wird die zu behandelnde, feingemahlene Rohkohle über
ein Leitung 1 einem Mischbehälter 2 zugeführt und dort mit Anreiböl, welches über
eine Leitung 3 zuströmt, zu einem Brei verrührt. Der benötigte Katalysator wird
über eine Leitung 4 zugespeist. Der Kohlebrei wird in einer Pumpe 5 auf den Druck
der Hydrierung von etwa 200 bis 300 bar gepumpt und, nachdem über eine Leitung 6
der benötigte Frischwasserstoff zugeführt worden ist, in einem Wärmetauscher 7 auf
etwa 4000 C erhitzt.
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Anschließend erfolgt die Hydrierung der K.ohle in einem Reaktor 8.
Das Hydrierprodukt, eine Mischung aus gasförmigen, flüssigen und festen Bestandteilen,
wird in einem Heißabscheider 9 zerlegt. Die gasförmigen Komponenten, wie tiefersiedende
Kohlenwasserstoffe,'Wesserdampf, Wasserstoff und Schwefelverbindungen, werden vom
Kopf des Heißabscheiders abgezogen und einem hier nicht dargestellten Aufbereitungsteil
zugeführt.
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Das im Sumpf des Heißabscheiders 9 anfallende Verflüssigungsprodukt
besteht im wesentlichen aus Bitumen, gelösten Destillaten, insbesondere Schweröl,
und den Feststoffen, wie nicht umgesetzte Kohle, Asche und Katalysatorteilchen.
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Dieses Verflüssigungsprodukt wird zunächst in einer Destillationsanlage
10 einer Vakuumdestillation zur Abtrennung der leichten, mittleren und schweren
Destillate, die über Leitungen 11, 12 und 13 abströmen, unterzogen.
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Das Sumpforodukt der Destillationsanlage 10, das im wesentlichen aus
nichtdestillierbarem Verflüssigungsprodukt, insbesondere also dem Bitumen, sowie
den Feststoffen besteht, wird einem Mischbehälter 14 zugeführt und in diesem im
Verhältnis von etwa 1:3 innig mit Benzol vermischt, welches dem Mischbehälter
14
über eine Leitung 15 zugeleitet wird.
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In einem dem Mischbehälter 14 nachgeschalteten Filter 16 werden dann
die mineralischen Feststoffe, also im wesentlichen die Asche und die Katalysatorteilchen,
aus'der Lösung nahezu vollständig abgetrennt und über eine Leitung 17 aus der Anlage
ausgezogen. Insbesondere in Form von Pyrit enthält die Asche fast den gesamten in
der Rohkohle mineralisch gebundenen Schwefel, sodaß die aus dem Filter 16 in einen
Eindicker 18 abfliessende Lösung aus Bitumen und Benzol nur noch geringe Mengen
an Schwefel enthält. Im Eindicker 18 wird der größte Teil des Benzols ausgetrieben
und über die Leitung 15 erneut dem Mischbehälter 14 zugeleitet.
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Das verbleibende Bitumen, welches nur noch geringe Mengen Benzol enthält,
wird über eine Leitung 19 einer weiteren Destillationsanlage 20, die mit einem Koker
22 in Verbindung steht, zur Abtrennung des restlichen Benzols zugeführt. Vom Sumpf
der Destillationsanlage 20 wird das Bitumen dann mittels einer Pumpe 21 in den Koker
22 gepumpt und dort unter milden Verkokungsbedingungen bei Temperaturen zwischen
etwa 4100 C und 4500 C verkokt.
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Der anfallende Koks mit einem relativ hohen Gehalt von mehr als 20
S Flüchtigen wird in einer Mühle 23 zerkleinert und kann nunmehr als hochwertiger,
aschefreier und schwefelarmer Brennstoff als Ersatz von Heizöl in kleinen und mittleren
Kesselanlagen zur Erzeugung von Wärme und Brauchwasser verfeuert werden.
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Die gasförmigen Verkokungsprodukte werden aus dem Koker 22 über eine
Leitung 24 der Destillationsanlage 20 zugeführt und dort in üblicher Weise in schwere,
mittlere und leichte Destillate zerlegt.
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Zum Austreiben des Benzols aus dem Bitumen wird über eine Leitung
25 eine schwere Gasölfraktion mit einem Siedebeginn von etwa 3000 C aus der Destillationsanlage
abgezogen und dem Eindicker 18 zugeführt. Das zusammen mit Bitumen und Gasöl über
die Leitung 19 der Destillationsanlage 20 zugeführte Restbenzol wird über eine Leitung
26 erneut dem Mischbehälter 14 zugeleitet. Die bei der Verkokung anfallenden Gase,
Benzine und Mitteldestillate werden über Leitungen 27, 28 bzw. 29 der Destillationsanlage
20 entnommen.