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Verfahren und Vorrichtung zum Vergasen und Entgasen von Kohlenstaub
im Gasstrom. Es ist bereits vorgeschlagen worden, Kohlenstaub im Luftstrom mit beschränkter
Luftzufuhr zu verbrennen, um brennbare Gase, Generatorgas, zu erzeugen.
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Die Ausführung scheiterte an dem Umstande, daß die endothermische
Reaktion der Reduktion der Kohlensäure zu Kohlenmonoxyd verhältnismäßig langsam
vor sich geht, so daß die Zeit, während der der Kohlenstaub den Verbrennungsraum
durchläuft, nicht genügt, um die Reduktion zu Kohlenmonoxyd in einem den praktischen
Anforderungen entsprechenden Maße zu ermöglichen.
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Nach allen bisherigen Vorschlägen hätte der in die Verbrennungskammer
eingeführte Kohlenstaub während des Durchlaufens der Verbrennungskammer vollständig
vergast werden sollen, so zwar, -daß einerseits Kohlenstaub in die Kammer eingeführt
und andererseits lediglich das erzeugte Gas und die Asche aus derselben abgeführt
werden sollte.
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Abb. z der Zeichnung veranschaulicht schematisch die Wirkungsmeise
einer solchen Kohlenstaubvergasungsanlage.
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ln dieser Abbildung ist mit i ein nach oben kegelförmig erweiterter
Schacht bezeichnet, an dessen unterer Mündung, etwa bei 2, die Verbrennungsluft
und etwa bei 3 der Kohlenstaub eingeführt wird, so daß der Luftstrom den Kohlenstaub
nach oben mitreißt. Der innere schraffierte Kegel A soll die Menge des Kohlenstaubes
in den verschiedenen Höhen des Ofens bedeuten. Aus der Abbildung ist ersichtlich,
daß die Menge des Kohlenstaubes infolge fortschreitender Verbrennung nach oben zu
allmählich abnimmt, so daß aus dem Schacht bei 4 lediglich Verbrennungsgase abziehen.
Während der kurzen Zeitdauer, während welcher der Kohlenstaub den Schacht durchläuft,
müßte außer der Verbrennung zu Kohlensäure auch' die Reduktion der entwickelten
Kohlensäure zu Kohlenmonoxyd stattfinden, für die aber nur jener Bruchteil der Schachthöhe
zur Verfügung steht, in welchem einerseits kein freier Luftsauerstoff mehr vorhanden
ist und andererseits die zur Reduktion erforderliche Temperatur herrscht. Die Kürze
der zur Verfügung stehenden Re_ aktiönszeit könnte durch die Größe der zur Verfügung
stehenden Reaktionsoberfläche ausgeglichen werden, wenn zwecks Vergrößerung der
Reaktionsoberfläche a) die Korngröße des Kohlenstaubes vermindert würde; doch wächst
dann entsprechend die Geschwindigkeit, mit der der Kohlenstaub den Reaktionsraum
durchläuft, bis zur Gasgeschwindigkeit, so daß mit der Vergrößerung der Reaktionsoberfläche
gleich.-zeitig
die zur Verfügung stehende Reaktionszeit eine Verminderung
erfährt; auch verschlechtern sich die Reaktionsbedingungen, weil sich die Strömungsgeschwindigkeit
des Gases im Verhältnis zur Kohle verringert; oder b) wenn die Abmessungen des Schachtes
entsprechend vergrößert werden, was praktisch unmögliche Abmessungen ergeben würde.
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Das neue Verfahren ermöglicht es nun die zur Verfügung stehende Reaktionsoberfläche
ohne Verkleinerung der Korngröße und ohne Verkürzung der zur Verfügung stehenden
Reaktionszeit wesentlich zu erhöhen, so daß es praktisch möglich ist, groben, umgesiebten
Kohlenstaub, also z. B. ein Gemenge eines Kohlenstaubes von o bis 5 mm Korngröße,
in einer Vergasungskammer von verhältnismäßig geringen Abmessungen in freischwebendem
Zustande unmittelbar zu brauchbarem Brenngas zu vergasen.
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Bei dem neuen Verfahren kommt es darauf an, daß in die Vergasungskammer
außer der während des Durchsetzens derselben zu vergasenden frischen Kohlenstaubmenge
noch eine wesentlich konstante Menge glühenden Kohlen- bzw. Koksstaubes eingeführt
wird, die man in geschlossenem Kreislauf durch die Vergasungskammer kreisen läßt.
Dadurch wird erreicht, daß schon am Fuße des Schachtes eine hohe Temperatur vorhanden
ist.
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Die schematische Abb. 2 versinnbildlicht das neue Verfahren. In dieser
Abbildung bedeutet der schraffierte Kegel A, ebenso wie in Abb. z, diejenige Kohlenstaubmenge,
welche bei 3 in die nach oben erweiterte V errasungskammer i eingeführt und, während
der Kohlenstaub die Vergasungskammer durchläuft, vergast, also aufgezehrt wird.
Der mit Punkten ausgefüllte Strom B bedeutet dagegen diejenigen glühenden Koksstaubmengen,
welche durch die Vergasungskammer i und durch den Rückführungskanal 5 im geschlossenen
Kreislauf kreisen. Die bei 2 eingeführte Luft bzw. die aus der Kohle entwickelten
Gase strömen von unten nach oben.
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Den Vergasungsvorgang.- kann man sich hierbei wie folgt vergegenwärtigen:
Ein Teil des frisch eingeführten Kohlenstaubes A verbrennt beim Eintritt in den
Vergasungsschacht i zu Kohlensäure. Diese wird an der großen Oberfläche der im Strome
B kreisenden glühenden Kokskörner unter Verbrauch der überschüssigen Verbrennungswärme
der zu Kohlensäure verbrannten Kohlenmenge zu Kohlenmonoxyd reduziert. Die bei (der
Vergasung verbrauchten Teilchen des Stromes B werden durch die nicht verbrannten
und nur glühend gewordenen Teilchen des Kohlenstaubstromes f1 ersetzt, so daß im
Beharrungszustande der Anlage die im geschlossenen Kreislaufe B kreisende Koksstaubmenge
ständig konstant erhalten wird.
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Zur Aufrechterhaltung der Konstanz der im Strome B kreisenden Koksstaubmenge
wird diese Menge während des Vergasungsvorganges beobachtet, z. B. durch ein im
Rückführkanal 5 oder in einer Nebenschlußabzweigung desselben angeordnetes Beobachtungsfenster
oder Beobachtungsbunker oder aber, indem man einen Bruchteil des rücklaufenden Stromes
B mit der in die Vergasungskammer einzuführenden Frischluft verbrennt und die hierbei
entstehende Verbrennungstemperatur mißt.
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Das Verfahren ist an der Hand der Abbildung in einem Ausführungsbeispiel
erläutert. In der Zeichnung zeigt Abb. 3 einen schematischen lotrechten Schnitt
eines Ausführungsbeispieles der zur Ausführung des Verfahrens dienenden Vorrichtung.
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Abb. q. ist ein Schnitt nach der Linie q.-q. der Abb. 3.
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Abb.5 zeigt die Einstellvorrichtung für die untere Schachtmündung.
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Abb.6 zeigt eine Speisevorrichtung für die Frischkohle und den Beobachtungszweig
des Rücklaufes.
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i ist ein stehender Schacht, an dessen Bodenmündung 8 sich unten eine
- erweiterte Verbrennungskammer 6 mit Treppenrost 7 anschließt, in die bei 2 Luft
eingeblasen wird. Der Schacht ist von der Bodenmündung 8, aus nach oben allmählich
erweitert. Durch eingebaute Ablenkwände ioa, iob, ioc und iod wird der aus dem Schachte
abziehende Gasstrom gezwungen, einen oftmaligen Richtungswechsel auszuführen, wobei
in den ' am oberen Ende des Schachtes befindlichen Abscheidekammern 9a, 9b und 9c
der durch den Gasstrom mitgerissene Koksstaub abgesetzt wird. Aus den Abscheidekammern
führen Rückleitungskanäle 5a, 5b und 5c in den Schacht i zurück. Der zu verarbeitende
Kohlenstaub wird bei 3 in den aufsteigenden Gasstrom gespeist.
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Der bei 2 eingeführte Luftstrom wird vor seinem Eintritt zweckmäßig
durch @Regeneratoren, Rekuperatoren oder Verbrennung vörgewärmt. Zu diesezii Behufe
kann 'vorteilhaft eine gewisse Menge Brennstoff auf dem Roste 7 verbrannt werden.
Der bei 3 in den aufsteigenden Gasstrom gespeiste Kohlensfaüb entzündet sich und
wird 'durch den Gasstrom nach oben gerissen. Die Geschwin-.digleeit -des- Gässtronies
in* dem Bodenstutzen. 8 des Schachtes i ist derart bemessen,
daß
selbst die für die Speisung des Schachtes zugelassenen gröbsten Kohlenkörner von
dem im Bodenstutzen 8 aufsteigenden Gasstrom mitgenommen werden. Infolgedessen werden
die groben Körner in Schwebe gehalten, die feiner gekörnten Kohlenteilchen aber
durch den Gasstrom nach oben mitgerissen. Da der Querschnitt des Gasstromes nach
oben zunimmt, so nimmt die Geschwindigkeit desselben nach oben allmählich ab, so
daß selbst (lief eineren Körner nicht zu schnell durch den Schacht hindurchgetrieben
werden, während infolge des gegen den Bodenstutzen verjüngten Querschnittes selbst
die gröbsten Körner nicht nach unten fallen können. Es kann demnach grober Kohlenstaub
verwendet werden, welcher aus einem Gemenge verschiedener Körnergrößen besteht.
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Bei der Inbetriebsetzung der Anlage wird auf dem Roste 7 ein Feuer
entzündet und bei 3 eine so große Menge Kohlenstaub eingeführt, daß dieser im Luftstrome
nur teilweise verbrannt bzw. vergast werden kann, während die überschüssige Kohlenstaubmenge
in entgastem und glühendem Zustande durch den Luftstrom in der Richtung der Pfeile
mitgerissen wird. Der mitgerissene glühende Koksstaub wird in den Absetzkammern
9a, 9b und 9r abgesetzt und durch Kanäle 5a, 5b und 5c in glühendem Zustande wieder
in den Schacht i zurückgeführt, in dem er durch den Gasstrom ergriffen und wieder
nach oben geführt wird. Dieser in ständigem Kreislauf durch den Schacht und die
Rückführungskanäle 5a bis 5° kreisende Strom des glühenden Koksstaubes entspricht
dem Strome B der Abb. z.
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Die Kohlenzufuhr bei 3 wird hierauf derart geregelt, daß nur der Abbrand
bzw. der vergaste Teil des Stromes ersetzt und die durch die Rückführungskanäle
zurückfließende glühende Koksstaubmenge konstant gehalten wird. Ein Teil des abgesetzten
glühenden Koksstaubes, am zweckmäßigsten der in der letzten Kammer 9d abgesetzte
feinste und am weitgehendsten ausgebrannte Teil, wird nicht mehr in den Schacht
i, sondern durch den Kanal 5d auf den Rost 7 geleitet, um mit der bei a eingeführten
Frischluft verbrannt zu werden.
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Die Konstanz des rückgeführten Koksstaubstromes bei einer, dem Durchschnitt
einer längeren Betriebszeit angepaßten gleichmäßigen Fri.schkohlenzufuhr kann dadurch
aufrechterhalten werden, daß man bei zu großem Rücklauf die rücklaufende glühende
Koksstaubmenge in einem in den Rücklauf eingeschalteten Bunker, z. B. in dem Bunker
i i, zeitweise aufspeichert und bei zu geringem Rücklauf diese aus dem aufgespeicherten
Vorrate ergänzt. Bei wirtschaftlichem Betrieb wird man die Menge der bei 3 zugeführten
Frischkohle so weit steigern, daß der rücklaufende Strom noch konstant gehalten
werden kann. Speit man einen Überschuß an Frischkohle über dieses Maß bei 3, so
muß man den Überschuß vom Kreislauf abzweigen und als Koksstaub abführen, welcher
anderweitig verwertet werden kann.
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Die hauptsächlich aus Kohlenwasserstoffen bestehende Gasmenge, welche
aus der Entgasung derjenigen Kohlenstaubmenge erjtsteht, die dem aus dem Kreislauf
abgezweigten Koksstaube entspricht, bedeutet eine Anreicherung der erzeugten Generatorgase.
Die Anreicherung des Generatorgases mit Kohlenwasserstoffen und die Menge des dabei
erzielten Koksstaubes kann unter Erzeugung eines sehr hochwertigen Brenngases so
weit getrieben werden, daß die Anlage eigentlich nicht mehr als Vergasungs-, sondern
vorwiegend als Entgasungsanlage arbeitet.
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Dabei ist es zweckmäßig, die Kohlenstaubmenge, welche den aus dem
Kreislauf abzweigenden Koksstaubmengen entspricht, gegebenenfalls auch die gesamte
Frischkohle nicht bei 3, also in der Nähe des Bodens des Vergasungsschachtes, sondern
möglichst in solche Schichten einzuführen, in welchen keine Verbrennung, sondern
Reduktion stattfindet, damit die aus diesem Kohlenstaube entstehenden Kohlenwasserstoffe
möglichst unverbrannt, also ungeschmälert, gewonnen werden.
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Wie bereits erwähnt, kommt es darauf an, daß die rückfließende glühende
Koksstaubmenge konstant erhalten werde. In der Praxis ist es nicht erforderlich,
die Gesamtmenge des Rücklaufes zu beobachten, da bei fortlaufendem Betriebe die
Menge des aus einer der Absetzkammern rückgeführten Koksstaubes mit der ganzen Menge
des Rücklaufes annähernd proportional ist. Es wird demnach zweckmäßigerweise bloß
der Rücklauf der vorletzten Absetzkammer 9c oder der letzten Absetzkammer gd beobachtet.
Diese Beobachtung kann entweder unmittelbar, z. B. durch ein in den Rücklaufkanal
eingeschaltetes Schaufenster oder durch einen in den Rücklaufkanal eingeschalteten
Beobachtungsbunker i i, erfolgen, oder aber mittelbar, indem man die Temperatur
der durch Verbrennung der aus der Kammer ga auf den Rost 7 zurückgeführten Staubrückstände
entstehenden Verbrennungsgase mißt. Bei Ab- oder Zunahme des Rücklaufes bzw. der
Verbrennungstemperatur wird die Kohlenstaubzufuhr bei 3 so lange gesteigert bzw.
eingeschränkt, bis die Konstanz des Rücklaufes wiederhergestellt ist.
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Der aus der letzten Absetzkammer gd abgeführte
glühende
Koksstaub muß jedoch nicht oder nicht zur Gänze dem Rost 7 zugeführt werden, sondern
man kann diesen Flugstaub in der Luft verbrennen, welche zur Verbrennung des erzeugten
Generatorgases benutzt werden soll. Auch kann man diesen Flugstaub in Rekuperatoren
oder Regeneratoren verbrennen, welche zur Vorwärmung der in den Vergasungsschacht
bei 2 einzuführenden Frischluft benutzt werden können.
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Um die Wände des Schachtes gegen die durch die Verbrennungszone entwickelte
hohe Temperatur zu schützen und gleichzeitig den endothermischen Vorgang der Reduktion
der Kohlensäure zu Kbhlenoxyd zu begünstigen, wird gemäß der Erfindung zwischen
der Schachtwandung und dem aufsteigenden Gasstrom ein im wesentlichen ruhendes oder
beharrend wirbelndes Gaspolster geschaffen, welches mit Koksstaub durchsetzt ist,
der die Schachtwände gegen die Wärmestrahlung schirmt und vor der Berührung mit
zu heißen Gasen schützt. Zu diesem Zwecke wird durch geeignete Ausgestaltung des
Einströmstutzens des Schachtes dem Gasstrome die Gestalt eines möglichst scharfen
Strahles gegeben, der sich, wie dies der gebrochene Linienzug i2 andeutet, im unteren
Teil nach oben zu kegelförmig erweitert, während der obere Teil des Gasstrahles
infolge der durch ' die endothermische Reaktion bewirkten Abkühlung annähernd prismatisch
oder zylinderförmig ist. Die Schachtwände treten nun gemäß der Erfindung gegenüber
dem mit strichpunktierten Linien angedeuteten Kegel, der die Bodenmündung 8 des
Schachtes mit der oberen Mündung 13 verbindet, zurück, so daß zwischen dem
aufsteigenden Gasstrahl und der Schachtwandung der in der Zeichnung mit Punkten
ausgefüllte mantelförmige Raum 15 entsteht. In_ diesem Gasmantel ruht oder wirbelt
das Gas, und die in diesem Gasmantel schwebenden glühenden Koksstaubteilchen schützen
die Schachtwandung gegen zu hohe Temperaturen der heißeren Teile des inneren Gasstrahles
einerseits durch ihre Schirmwirkung und andererseits dadurch, daß sie die im inneren
Gasstrahle befindliche Kohlensäure unter Wärmeverbrauch zu Kohlenmonoxyd reduzieren.
Die Kühlung der Schachtwände erfolgt also nicht dadurch, daß durch Zufuhr überschüssiger
kältererLuft ein »Luftschleier« gebildet wird, sondern .im Gegenteil unter Luftmangel,
bei dem kein freier Sauerstoff vorhanden ist, und unter Kohlenüberschuß. Im Vergasungsschachte
bildet sich also ein innerer Kern höherer Temperatur, in dem die vollkommene Verbrennung
stattfindet, der von einer Reduktionszone niedrigerer Temperatur mantelartig umgeben
ist.
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Der in den einzelnen Absetzkammern gesammelte glühende Koksstaub oder
ein Teil desselben muß jedoch nicht durch die Rückführkanäle 5a, 5b, 5G zum Schachtboden
zurückgeführt werden, sondern er kann aus den Absetzkammern unmittelbar in den oberen
Teil des Gasmantels 15 eintreten, so daß der Rücklauf oder ein Teil desselben im
Mantel 15 allmählich niedersinkt und aus diesem in den aufsteigenden Gasstrom gelangt.
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Bei Kohlen mit leicht schmelzender Schlacke ist es zweckmäßig, in
den Absetzkammern ga, gb, 9c luft- oder wassergekühlte Schirmrohre 16 anzuordnen,
welche die angesetzten glühenden Staubteilchen vor zu hohen Temperaturen und demnach
gegen Zusammenbacken schützen. Die durch die Rohre 16 entzogene Wärme kann zur Vorwärmung
der Vergasungsluft oder von Kesselspeisewasser verwendet werden.
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Wenn bei Änderung der zu erzeugenden Gasmenge die Luftzufuhr bei 2
und die Kohlenzufuhr bei 3 vergrößert oder verringert werden soll, so wird zweckmäßig
auch der Querschnitt der engsten Stelle des Bodenstutzens 8 entsprechend vergrößert
bzw. verringert werden, zu welchem Zwecke in dem Bodenstutzen bewegliche Wände irgendwelcher
Art vorgesehen sein können, z. B. gemäß Abb. 5 eine einstellbare Klappe
17.
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Die in. Abb. 6 dargestellte Vorrichtung ermöglicht die Beobachtung
der Menge des Rücklaufes in Verbindung mit der Frischkohlenzufuhr. - Dementsprechend
ist eine in einem Kasten eingeschlossene mechanische Speisevorrichtung mit einem
freimündenden Speisebunker versehen, in dem einerseits die Frischkohlenzufuhr und,
oberhalb der Mündung dieser letzteren, der zu beobachtende Rücklaufkanal mündet.
. In Abb. 6 ist zg der geschlossene Kasten; in den der oben in die freie Luft mündende
Speisebunker 17 ragt. Unter der unteren Mündung dieses letzteren befindet sich die
von der Welle 2o gedrehte Speisescheibe 18 auf der der stellbare Abstreifer 22 aufruht.
In den Bunker 17 mündet- der Kanal 23, durch welchen der Kohlenstaub zufließt. Er
staut sich im Bunker 17, wobei sich zwischen der unteren Mündung des Bunkers und
der Scheibe 18 ein Kohlenstaubkegel 24 bildet. Von der gedrehten Scheibe 18 streift
der ruhende Abstreifer 22 in der Zeiteinheit eine der Einstellung des Abstreifers
entsprechende Kohlenmenge ab, die in den Kanal 3 (vgl. Abb. 3) fließt, um durch
diesen in den Vergasungsschacht zu treten. Oberhalb der unteren Mündung des Kohlenzuführungskanals
23 mündet derjenige Rücklaufkanal, z. B. der Rücklaufkanal 5c, dessen Rücklaufmenge
beobachtet werden soll. Der aus diesem Rücklaufkanal austretende glühende Koksstaub
lagert sich auf die Oberfläche
des im Bunker 17 gestauten Frischkohlenstaubes
und gelangt mit der Frischkohle in den Kanal 3. Zwecks Abdichtung der Welle 20 ist
es zweckmäßig, in der Stopfbüchse derselben eine Gaskammer 21 vorzusehen, die mit
dem Luftzuführungskanal2 der Windkammer 6 (Abb. 3) in Verbindung steht.