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Schwelen oder Verkohlen von Schieferkohle, Braunkohle u. dgl. Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschwelen von kohlenstoffhaltigen Materialien,
wie Schieferkohle, Braunkohle, Steinkohle u. dgl., bei niedriger Temperatur zwecks
Gewinnung wertvoller flüchtiger Bestandteile aus dem Mineral, wobei die feuchte,
säulenartige Kohlenschicht infolge abwärts gehenden Zuges des Schwelmittels von
der Schwelzone von oben nach unten durchwandert und, solange die Schwelzone nicht
bis an das untere Ende der Säule gelangt ist, hier kühl gehalten wird und hier die
Destillationserzeugnisse abgezogen werden.
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Das Verschwelen von Kohle in dieser Weise ist bereits bekannt. Wie
die britische Patentschrift ißßoig beschreibt, wird dabei der Schwelbrand der Kohlensäule
durch einen auf die Säule aufgebrachten und angezündeten Brennstoff eingeleitet
und durch eine am Fußende der Säule wirkende Saugv orrichtung unterhalten.
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Die Neuerung besteht nun darin, daß dein säulenartigen Kohlenstock
ein brennender Strom von brennbarem Gas und Luft zugeführt und das Weiterziehen
der Verschwelungszone durch Ausgleichung der Heizwirkung und des Volumens des brennenden
Gasstromes gegen die Kühlwirkung der Feuchtigkeit in der Weitergangsrichtung geregelt
wird. Dabei kann die Gasverbrennungszone über der Kohlensäule in einem geschlossenen,
senkrechten Langraume zwecks Einleitung und Erhaltung der Entschwelungszone in dein
Raume erzeugt werden.
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Bei der Destillation von Schieferkohle, Braunkohle, Steinkohle u.
dgl. zwecks Gewinnung von Ölen, Teer und Ammoniak zersetzen sich zuerst die darin
vorhandenen, bituminösen Stoffe in einem Vorgange, der als Ganzes, wenn er nicht
wirklich exothermisch verläuft, jedenfalls nur eine geringe Zufuhr von Wärme erfordert,
nachdem die Masse erst einmal auf die Reaktionstemperatur gebracht worden ist. Ist
dies an irgendeiner Stelle der heißen Brennstoffsäule geschehen, so breitet sich
die Zersetzungsreaktion von selbst nach irgendeiner Seite weiter aus. Möglicherweise
ist die wirkliche Zersetzung selbst immer eine exothermische; allein als Folge der
unter Verzehrung von Wärme stattfindenden Vorgänge und Verdampfung der gebildeten
flüchtigen Produkte kann wohl Wärme entbunden werden oder nicht. Wenn jedoch eine
Wärmezufuhr nötig ist, so ist deren Menge in Wärmeeinheiten, gewöhnlich sehr gering.
Mit verschiedenartiger Kohle unter verschiedenen Verhältnissen gefundene Ergebnisse
liegen zwischen einer Freiwerdung von etwa Soo Wärmeeinheiten auf o,5 kg Kohle und
einer Absorption von etwa 170 Einheiten. 1,-ines der Produkte der ersten Zersetzung
ist stets ein hrennbares Gas (Äthylen, Äthan usw.), und werden die Wärmeverhältnisse
nicht sorgfältig geregelt, so vermehrt sich die Menge dieses Gases erheblich durch
die weitere Zersetzung der zuerst entstandenen Öle und Teere. Will man also nicht
gerade dieses Gas herstellen, so ist seine Entstehung natürlich unerwünscht.
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Es ist bekannt, daß man, um möglichst viel Öle und Teere -zu erhalten,
am besten mit niedrigerer Temperatur arbeitet, und zahlreiche Destillationsverfahren
sind von diesem Gesichtspunkte aus bereits in Vorschlag gebracht worden. In den
meisten Fällen kommt man mit ihnen aber nicht zu einem vollen Erfolge wegen der
maschinellen und technischen Schwierigkeiten beim gleichmäßigen Erhitzen einer pulverförmigen
oder körnigen Masse durchweg auf bestimmte Temperaturhöhen und namentlich, wenn,
wie hier, eine sich selbst ausbreitende exothermische Reaktion die Folge ist oder
doch sein kann. Gewöhnlich stellen sich diese Verfahren überdies auch vom wärmetechnischen
Standpunkt aus sehr kostspielig; sie erfordern einen großen Aufwand an Wärme, insbesondere
bei
von außen beheizten Retorten, und dies vornehmlich dann, wenn es sich um hohe Ausbeute
an Ammoniak handelt und strömender Dampf zu dessen Entwicklung benutzt wird. Die
Frage der erforderlichen Wärme ist ganz besonders beim Verarbeiten von Schieferkohle
und Braunkohle zu beachten, die reich an unorganischen Bestandteilen, aber von geringem
Heizwert sind.
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Das neue Verfahren ist nun vorzugsweise für die Verarbeitung von öliger
Schieferkohle gedacht, aber auch für Braun- und Steinkohle anwendbar, und geht darauf
aus, eine möglichst hohe Ausbeute an Ölen, Teeren und Ammoniak bei einem möglichst
geringen Brennstoffverbrauch zu gewinnen. Der feste Rückstand kann dabei je nach
dein Ausgangsmaterial aus mineralischen Stoffen, auch Asche, oder aber aus einer
koksartigen Masse von Heizwert bestehen. Zu dein angegebenen Zweck wird bei dem
neuen Verfahren die Selbstausbreitung der Entschwelungs- oder Verkokungsreaktion
nutzbar gemacht, indem eine solche Reaktion am oberen Ende der Kohlensäule in einem
geeigneten Behälter eingeleitet und ein geregelter Niedergang dieser Zone bis ans
untere Ende der Säule durchgeführt wird. Die Entschwelung oder Verkokung ist, wie
gesagt, gewöhnlich eine exotherinische, d. h. mit einer örtlichen Wärmeentwicklung
und einem Temperaturanstieg verbunden. Zur Regelung der Reaktion und ihrer Ausbreitung
wird die Wärme und der Umfang einer in der Ausbreitungsrichtung sich abwärts bewegenden
Masse brennender Gase gegen die kühlende Wirkung der in der Bewegungslinie vorhandenen
Feuchtigkeit ausgeglichen. Damit wird eine schnelle Entschwelung oder Verkokung
bei einer geregelten und niedrigen Temperatur erreicht. Im gewerblichen Betriebe
werden über dem oberen Ende der Kohlensäule Gase verbrannt, um eine höhere Temperatur
als diejenige zu erzeugen, die zur Einleitung der Entschwelung oder Verkokung erforderlich
ist, während die Kohlensäule bis unter der Stelle, an die die Entschwelung usw.
vorgedrungen ist, naß oder feucht ist und daher keine höhere Temperatur als etwa
ioo° C besitzt. Die Beschickung besteht gewöhnlich aus Kleinkohle von etwa 5 cm
Stückdurchmesser, obschon auch rohe Förderkohle verwendet werden kann, und sie hält
an Wasser, so viel daran haftenbleibt, während der Überschuß abtropft. Heiße Gase
werden durch die Kohle gegen das kalte Ende der Säule hin niedergetrieben. Durch
Regelung der Menge und Temperatur dieser Gase läßt sich eine genaue Cberwachung
des Fortganges der V erschwelungszone durchführen. Es handelt sich dabei um ein
Ausgleichen von Hitze und Voluinen der abwärts ziehenden Gase gegen die Kühlwirkung
der Feuchtigkeit in der Kohle unterhalb der Zone.
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Gewöhnlich werden aus dem Betriebe stammende und hinter den Kondensatoren
abgenommene, verbrennbare Gase (Abfallgase) zum Apparat zurückgeleitet und darin
oberhalb der Beschickung unter Luftzuführung verbrannt. Das durch den Kohlenstock
niedergehende heiße Gasgemisch liefert die zur Einleitung und Unterhaltung des Entschwelungsvorganges
erforderliche Wärme, d. h. die Wärme, die zum Ausgleich für Strahlung, zur Beheizung
der Feststoffe auf eine etwas höhere Temperatur, zur Verdampfung u. dgi. benötigt
wird. Die Ab-«-ärtsbewegung oder der Niederzug führt Wärme sowohl wie Dämpfe und
Gase über die untere, vorgehende Grenze der Entschwelungszone hinaus mit und wärmt
die zu entschwelenden Stoffe an, wobei die ersten Produkte der Entschwelung abgekühlt
werden, so daß sie die vorrückende Grenze in Form einer Art Nebel oder Dampf, gut
verteilt durch den ziehenden Strom, verlassen und der Kohlenstock sich nicht -mit
Teer verstopft. Die Vorwärmezone unterhalb .der vorrückenden Grenze der Verschwelungszone
wird, «-as ihre Länge betrifft, durch das unterhalb vorhandene flüssige Wasser begrenzt.
Nahe unterhalb der vorrückenden Grenze der Verschwelungszone, die gewöhnlich in
einer Temperatur von 4250 C gehalten wird, kann daher die Temperatur der Kohle ioo°
C nicht übersteigen.
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Zwischen dieser Stelle unterhalb der Grenze und der Grenze selbst
liegt eine Vorwärme- und Trocknungszone. Die Feuchtigkeit der Kohle verdampft in
der Vorwärmezone unter entsprechendem Verbrauch von Wärmeeinheiten; allein diese
Wärmeeinheiten «-erden der Kohle wieder zurückerstattet, wenn der Wasserdampf niedergeht
und durch die darunterliegenden Schichten kalter Kohle wieder verdichtet wird. Die
Gegenwart des Wasserdämpfes gerade unterhalb der vorrückenden Grenze der Entschwelungszone
trägt wesentlich mit zu einer reichen Ammoniakausbeute bei und ist überdies auch
wegen der Herbeiführung einer schnellen Kühlung der die Entschwelungszone mit dem
Niederzuge verlassenden Dämpfe von Vorteil. Ölschiefer mit 15 bis 2o Prozent
01 oder bituminösen Stoffen kann an ä bis 12 Prozent Wasser führen und hält
selbst eine erhebliche Menge Wasser zurück, wenn er durch einen Trockner, Vorwärmer
oder Wärmeaustauscher geschickt wird. In dem beschriebenen Verfahrensvorgange ist
das in der Kohle natürlich vorhandene Wasser zwar nicht durchaus wesentlich, es
ist aber entschieden
von Vorteil und keinesfalls schädlich. Außer
der Feuchtigkeit oder dem Wasser in der Kohle kommt noch etwas bei der Verbrennung
der wieder eingeführten Kohlengase (Abfallgase) sich bildendes Wasser hinzu. Diese
Gase sind gewöhnlich feucht und verlassen den Skrubber mit Wasserdampf gesättigt;
oft ist es aber dienlich, bei wasserfreiem Material etwas Wasser zuzusetzen. Das
in dem Material vorhandene oder zugesetzte Wasser wird nach seiner Verdampfung in
dem Verfahren weitgehend wieder verflüssigt, und in dem Maße bedingt die Verdampfung
keinen Verlust an Wärmeeinheiten. Bei Verarbeitung einer Schieferkohle mit etwa
io Prozent Wassergehalt wird ein großer Teil dieses Wassers in flüssiger Form aus
der Kohle ausgezogen.
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Am Fußende des Kohlenstocks gehen flüssiges Wasser, flüssige, ölige
und teerige Produkte zusammen mit verschiedenen Gasen und Dämpfen ab. Gewöhnlich
beträgt die Temperatur, bis sich die Entschwelungs- und V orwärmezonen dem Fußende
des Kohlenstocks nähern, etwa 6o' bis 70' C an dieser Stelle. Die hier abgezogenen
Gase bestehen aus einem Gemisch von bei der Entschwelung erzeugten Kohlenwasserstoffgasen
mit durch die Einwirkung der Luft auf die Kohle entstehendem Generatorgas und sind
mit Wasserdampf von der am Boden der Kohlensäule oder des Kohlenstocks herrschenden
Temperatur gesättigt, führen auch viel 01
und Wasser in Form eines Nebels
oder Dampfs mit sich. Gewöhnlich werden öle und flüssiges Wasser in einen Absetzbehälter
zur Scheidung abgelassen, und die Gase werden durch Kühltürtne oder Skrubber geschickt,
wobei eine weitere Gewinnung von flüssigen Ölen erfolgt. Die Schlußgase können ebenso
von nicht kondensierten Dämpfen befreit werden. Die Abfallgase oder ein Teil derselben
kann aufgespeichert oder unmittelbar dem oberen Ende des Kohlenstocks zur Bildung
des heizenden Niederzugs zugeführt werden.
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Werden mehrere Apparate in Betrieb gesetzt, so hält man sie zweckmäßig
außer Phase zueünander, so daß die viel Gas erzeugenden Apparate die anderen finit
ungenügender Gasentwicklung mit beliefern können. Im allgemeinen ist es besser,
bei reichlich verfügbarer Gasentwicklung mehr Gas als Luft dem oberen Ende des Kohlenstocks
zuzuführen, um dem Niederzug reduzierende Eigenschaften zu verleihen, indem die
zugegebene Luft nicht genügt, um alles Gas zu verbrennen. In manchem Stadium des
Verfahrens mag nun aber, wie gesagt, nicht genügend Gas dazu vorhanden sein, und
in dem Falle wird eine solche Menge Luft verwendet, als erforderlich ist, um die
Wärme und das Volumen der Zuggase zu liefern. Die Luft reagiert auf die Kohle im
Rückstande unter Bildung von Generatorgas.
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Es ist gesagt worden, die Verbrennung der Gase finde über dem Kohlenstock
oder der Materialsäule statt, jedoch mag sie auch in mehr oder weniger weitgehendem
Maße in den Zwischenräumen der oberen Schichten als eine Art Oberflächenverbrennung
erfolgen. Die besondere Art, in der dies über der Säule stattfindet, hängt in gewissem
Grad von dem Material ab. Ist dies eine Schieferkohle von hohem Gehalt an schmelzbaren
Mineralstoffen, so sollte die Verbrennungstemperatur zweckmäßig nicht zu hoch gehen;
enthält der abgeschwelte Rückstand dagegen genügend Kohle, um ihn als Brennstoff
wertvoll erscheinen zu lassen, wie bei der Verarbeitung von Braun- und Steinkohle,
so wird man die Luftzufuhr so weit als möglich auf das zur Gewinnung des Wärme-
und Zugvolums erforderliche Maß einschränken. In beiden Fällen ist das Vorhandensein
eines verhältnismäßig großen Anteils verbrennbarer Gase von Vorteil. Wie sich zeigt,
hat die Anwesenheit dieser Gase zur Folge, daß die Bildung gleicher Gase bei der
Entschwelung gehemmt wird, sie scheinen die öle gleichsam zu schützen. Onydation
ist in der Entschw elungszone nicht erwünscht.
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Die am Fußende des Kohlenstocks abgezogenen und die in den verschiedenen
Skrubbern o. dgl. gesammelten Öle werden in bekannter Weise zwecks Gewinnung handelsfähiger
Ware umdestilliert. Da die Verschwelung der Schieferkohle in einer Wasserdampf enthaltenden
Atmosphäre vor sich geht, so findet sich ein großer Teil des im Ausgangsmaterial
vorhandenen Stickstoffs als Ammoniak wieder, und eine vorzügliche Ammoniakausbeute
wird erhalten. Die Gewinnung des Ammoniaks aus dem abfließenden Wasser erfolgt in
bekannter Weise.
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Die Zeichnung stellt eine Anlage oder Apparatur zur Ausführung des
Verfahrens dar. Die Entschwelungskammer oder der Generator i besitzt eine Beschickungseinrichtung
2, einen Rost 3 mit Olpfannen q. darunter sowie einen Einlaß 5 für Luft und einen
Einlaß 6 für Gas am oberen Ende, wie auch eine Ablaufleitung 7 für Gase und Kondensate
an seinem unteren Ende oder Boden. Die Kondensate werden in eine Scheidewanne 8
geleitet, um 0I und Wasser zu trennen und das Öl dann einer Destillation, das Wasser
einem Ammoniakabscheider zuzuführen. Die Gase in der Leitung 7 gehen durch ein Zweigrohr
9 in einen wassergekühlten Kondensator io über, wo eine weitere Scheidung von Öl
und Wasser stattfindet,
das durch ein Rohr i i in die Wanne 8 oder
in eine andere geeignete Scheidevorrichtung geleitet wird, während die gekühlten
Restgase durch einen Ventilator i2 abgesaugt und in einen zweiten Kondensator
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gesandt werden. Wenn, wie gewöhnlich, Ammoniak zu gewinnen ist, so leitet
man die Gase dann weiter in einen oder mehrere Ammoniakskrubber 1d. gewöhnlicher
Bauart über, und es ist üblich, sie zum Schluß noch durch einen ölskrubber oder
Absorptionsturm 1s zu senden. Die aus dem Rohr 16 abgesandten Abfallgase werden
endlich durch den mit Ventilen bewehrten Rohrstrang 17 in den Einlaß 6 des Generators
übergeführt. Ein überschuß an diesem verbrennbaren Gase kann durch die Leitung i8
einem Gasoineter als Vorrat und zum Ausgleich von Schwankungen zugeleitet werden.
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Für den Betrieb mit Schieferkohle wird der Generator oder die Kammer
i mit dem Mineral bis zu einer mit _4 angegebenen Normalhöhe gefüllt, und dann werden
oben Luft und Gas eingelassen, um unter der Saugwirkung des Ventilators i2 einen
heißen Niederzug in der Kammer zu erzeugen. Man kann das Luftgasgemisch aber auch
unter Druck durchleiten. Die niederziehenden, brennenden Gase erzeugen eine Querzone
der Verschwelung in der Beschickung, die ständig nach unten hin fortschreitet. In
der Zeichnung ist diese Zone mit B bezeichnet, und darunter befindet sich eine Trocknungs-und
Vorwärinezone C. Mit dem Niedergange der Entschwelungszone bewirken die vorangehenden
heißen Zuggase eine Vorwärmung und Austrocknung der vorliegenden Zone C und gelangen
dann in eine kalte Materialzone D, wo sie ihre Feuchtigkeit, Teer und Üle ausfallen
lassen, die dann niederrieseln. Dies geht so weiter, bis die Entschwelungszone den
Boden der Materialsäule in der Zone D erreicht, die unausgesetzt bis dahin eine
Temperatur von etwas unter ioo° C beibehält. Erreicht rlie Entschwelungszone den
Rost 3, so wird der Betrieb unterbrochen und die entstandene Asche oder Koks, je
nachdem, in geeig:,eter Weise entfernt. Beim Verarbeiten von Schieferkohle besitzt
der abgeschwelte Rückstand gewöhnlich nur geringen Heizwert (Asche), dagegen erhält
man beim Verarbeiten von Braunkohle u. d-1. einen Rückstand (Koks) von erheblichem
Heizwert. Das Verfahren ist aus dem Grunde auch besonders zum Verarbeiten von Braunkohle
geeignet, weil dabei ein großer Teil ihres Wassers in flüssiger Form entfernt werden
kann, d. h. ohne Verbrauch von Wärme für die sonst übliche Trocknung.
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Vorteilhaft ist in jedem Falle die Benutzung der Abfallgase für den
Betrieb des Generators, wie beschrieben, man kann sie aber auch ganz oder teilweise
durch brennbare Gase anderer Herkunft, z. B. durch natürliches Gas, das im wesentlichen
aus Äthan besteht und mancherlei Vorteile bietet, ersetzen. Der Betrieb ist ein
unterbrochener, wenn man mit Neufüllungen im Generator arbeitet; es läßt sich jedoch
die Anlage durch zusätzliche Apparate und Einrichtungen auch für einen stetigen
Betrieb ausgestalten.