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Schwelverfahren, insbesondere zur Verschwelung staubförmiger Brennstoffe
Die bekannten Verfahren. zur Verschwelung staubförmiger Brennstoffe haben, von ihrer
geringen Leistung abgesehen, den Nachteil, daß verhältnismäßig große Wärmemengen
zugeführt werden müssen, die, weil sie meist nach vollendetem Schwelprozeß durch
Kühlung wieder vernichtet werden müssen, einen erheblichen Verlust darstellen. Gemäß
der Erfindung wird ein neuer Weg vorgeschrieben, durch welchen diese Wärmeverluste
ganz oder zum größten Teil vermieden werden. Das Verfahren kennzeichnet sich dadurch,
daß der Brennstoff von einem Gasstrom oder Gasluftgemisch getragen wird, welches
in einem Kompressor verdichtet wird, derart, daß die Kompressionswärme zur Verschwelung
des Brennstoffes ausgenutzt wird. Das Verfahren ist besonders für staubförmige Stoffe
geeignet. Hierbei kann der gasförmige Träger des Brennstoffes durch Schwelgas selbst
oder durch ein anderes Gas, beispielsweise Abgas oder ein Gasluftgemisch, gebildet
werden.
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Es ist an sich bekannt, staubförmigen Brennstoff in einem erwärmten
Gasstrom zu behandeln, beispielsweise ihn zu verkoken. Man hat ebenfalls bereits
vorgeschlagen, chemische Prozesse unter Ausgang von gasförmigen oder flüssigen Stoffen
unter Ausnutzung der Verdichtungswärme eines Kompressors durchzuführen. So ist es
z. B. bekannt, auf diese Weise Ammoniak synthetisch aus Stickstoff und Wasserstoff
herzustellen oder Wassergas aus flüssigen Kohlenwasserstoffen zu gewinnen, wobei
überhitzter Dampf in einem Kompressor verdichtet wird und dann die Kohlenwasserstoffe
eingespritzt werden.
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Da der gemäß dem Verfahren nach der Erfindung sich gegen Ende des
Verdichtungshubes abspielende Schwelprozeß bei geeigneter Zusammensetzung des Gasgemisches
im wesentlichen exothermen Charakter besitzt, findet eine wesentliche Steigerung
der Temperatur über die Kompressionstemperatur hinaus statt. Es wird auf diese Weise
beim Kompressionshub ein Energieüberschuß aufgespeichert, der gemäß der Erfindung
ganz oder zum Teil dadurch zurückgewonnen wird, daß das beim Rückhub des Kolbens
expandierende Schwelgas auf die zu diesem Zweck mit einem Schwungrad versehene Verdichterwelle
treibend wirkt. Durch geeignete Zusammensetzung des den Brennstoff tragenden Gases
(z. B. Luftzusatz) und Anwendung geeigneter Kompressionsdrücke ist es unter Umständen
möglich, außer dem Anlasser auf einen besonderen Antrieb für den Verdichter zu verzichten,
indem dann der als Motor wirkende Verdichter durch den sich ergebenden Energieüberschuß
beim Schwelprozeß zum Antrieb der Welle genügt. In jedem Falle aber ist es möglich,
einen etwaigen Antriebsmotor so gering zu bemessen, daß er im wesentlichen nur die
Reibungswiderstände der Maschine überwinden kann. Es wird also bei diesem Verfahren
die beim Schwelprozeß frei werdende Energie in sinnfälliger Weise zur Durchführung
des Verfahrens selbst ausgenutzt. Es ist bei
Ausführung chemischer
Prozesse in .einem Kompressor ebenfalls bekannt, die frei werdende Energie zum Antrieb
des Kompressors selbst auszunutzen.
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Es kann zweckmäßig sein, den Verdichter nach Art eines Viertaktverbrennungsmotors,
also mit gesteuerten Ventilen, auszubilden, derart, daß beim ersten Takt das Ansaugen
bzw. die Füllung des mit Staub beladenen Gemisches erfolgt, welches dann beim zweiten
Takt adiabatisch komprimiert wird, wobei am Ende dieses Hubes die Verschwelung stattfindet.
Als dritter Takt schließt sich dann die Expansion des Schwelgases unter. Abgabe
des Energieüberschusses auf den Kolben an, während beim vierten Takt das Ausstoßen
des Gemisches geschieht. Es ist_ aber auch möglich, als Verdichter einen oder mehrere
hintereinandergeschaltete, im Gleichtakt arbeitende ungesteuerte Zylinder zu benutzen,
die von einer gemeinsamen Welle aus angetrieben werden und durch welche das mit
Staub beladene Gas hindurchgeführt wird. Verwendet man hierbei mehrere Zylinder,
so kann man eine stufenweise Verschwelung erzielen, indem die etwa durch den ersten
Zylinder unverschwelt hindurchgelangenden Brennstoffteilchen in den, folgen-. den
Zylindern verschwelt werden.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung soll nun zwecks Erleichterung
der Staub`v abscheidung und der Teernebelgewinnung aus dem Schwelgas das Absaugen
aus dem Verdichter durch eine Vakuumpumpe o. dgl. vorgenommen -werden, wobei zwischen
dieser und dem Verdichter ein Staubabscheider eingeschaltet ist, so daß die Staubabscheidung
im Vakuum erfolgt. Abgesehen von der hierdurch erzielten Entlastung des Kompressors
ergibt sich hierbei eine leichtere und schnellere Staubabscheidung, weil im luftleeren
Raum alle Körper mit gleicher und wegen des fehlenden Luftwiderstandes größerer
Geschwindigkeit fallen. Hinzu kommt, daß sich wegen Verringerung des Dampfdruckes
im Vakuum einerseits eine Teernebelverdampfung und andererseits eine Kühlwirkung
auf den Schwelkoks ergibt.
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Wie oben bereits erwähnt, wird als Träger für den staubförmigen Brennstoff
zweckmäßig das Schwelgas selbst benutzt, welches auf diese Weise in einem Kreislauf
in den Verdichter zurückgeführt wird. Hierbei, kann es zweckmäßig sein, wenn das
Gas vor seiner Aufladung mit Staub, z. B. durch einen Turbokompressor o. dgl., vorverdichtet
wird.
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Eine weitere Ausführungsform des Verfahrens besteht darin, daß das
gespannte Schwelgas nach Passieren eines Staubabscheiders in einer Anzahl Turbinen
mit ständig wachsenden Laufraddurchmessern stufenweise entspannt wird und daß jeder
Turbine ein Sammelbehälter bzw. Staubabscheider zugeordnet wird, derart, daß entsprechend
der stufenweisen Entspannung des Gases eine getrennte Gewinnung der Fraktionen erfolgt.
Hierbei werden Verdichter und Entspannungsturbinen auf einer gemeinsamen, mit Schwungrad
versehenen Welle angeordnet, derart, daß die bei der Entspannung des Schwelgases
an die Turbine abgegebene Energie treibend auf die Verdichterwelle wirkt.
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In der Zeichnung ist das Verfahren nach der Erfindung in verschiedenen
Formen schematisch veranschaulicht.
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Gemäß Abb. z wird der staubförmige Brennstoff aus dem Füllbehälter
r über eine Schleusenvorrichtung :2 durch eine Schnecke 3 in das Rohr q. befördert
und mischt sich hier mit dem durch dieses Rohr in Pfeilrichtung in die Zylinder
5, 5' und 5" des Verdichters strömenden Gas. Die Kolben 6; 6' und 6" werden von
der mit Schwungrad 7 versehenen gemeinsamen Kurbelwelle 8 im Gleichtakt angetrieben.
. Beim Verdichtungshub Ivjxd gleichzeitig in allen Zylindern das mit Staub gesättigte
Gasgemisch komprimiert, wobei -zunächst die Kompressionswärme bis zu einem beträchtlichen
Teil von dem Brennstoff absorbiert `wird; sobald "der Brennstoff alsdann. die .dem
höheren Kompressionsdruck entsprehende Spalttemperatur erreicht, tritt Gasbildung
zusammen mit der Entwicklung von Teer- und Schwefelwasserdämpfen auf, womit .eine
weitere Druck- und Temperatursteigerung verbunden ist. Hinzu kommt noch in vielen
-Fällen wegen des zum Teil exotherin verlaufenden Destillationsprozesses die Reaktionswärme,
wodurch sich ebenfalls ein weiterer Wärmegewinn ergibt. Es ist sogar möglich, daß
der Schwelprozeß wegen der feinen Verteilung des Kohlenstaubes in dem gasförmigen
Medium explosiblen Charakter erhält. Dieser Energieüberschuß wird beim Rückhub des
Kolbens als Arbeit an die Welle abgegeben, so daß der Antriebsmotor, falls ein solcher
nicht überhaupt gänzlich in Fortfall kommen kann, nur geringe Abmessungen zu besitzen
braucht und insbesondere zur überwindung der Reibungswiderstände in der Maschine
dient.
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Die in dem ersten Zylinder 5 nicht völlig verschwelten Brennstoffteilchen
werden dann in den folgenden Zylindern verschwelt, so daß sich gewissermaßen bei
der dargestellten Ausführungsform eine stufenweise Verschwelung ergibt. Durch die
besondere Form des Kolbenbodens und des Zylinderdeckels wird vermieden, daß größere
Mengen des mit Staub gesättigten Gases einfach durch den Verdichter hindurchgehen.
Aus der Zeichnung ist ferner ersichtlich, :daß das aus der
Leitung
4 frisch zuströmende Gas gewissermaßen als Spülgas wirkt. Das beim Rückhub der Kolben
sich infolge der Expansion abkühlende Schwelgas wird durch Vermittlung einer Vakuumpumpe
7' einem Staubabscheider 8 zugeführt. Durch diese Staubabscheidung im Vakuum ergibt
sich außer der Entlastung des Kompressors eine schnelle Staubabscheidung, weil die
Staubteilchen aller Größen im luftleeren Raum mit gleicher und durch das Fehlen
des Luftwiderstandes vergrößerter Geschwindigkeit zu Boden fallen und dann durch
ein Rohr abgeführt werden können. Ferner ergibt sich infolge der Dampfdruckverminderung
eine Teernebelverdampfung und kühlende Wirkung auf den Schwelkoks. Der letztere
Umstand ist dann besonders wichtig, wenn die Austrittstemperatur der Schwelgase
aus den Zylindern unterhalb des Taupunktes liegen sollte. Das von der Hauptmasse
des Staubes befreite Schwelgas wird dann dem Kühler g und von diesem einem Wascher
io zur Gewinnung der Nebenprodukte zugeführt und gelangt schließlich in den Gasbehälter
io', während ein Teilstrom durch das Rohr i i im Kreislauf in das . Verfahren zurückgeführt
wird. -Gemäß Abb.2 wird als Verdichter eine vierzylindrige Kolbenmaschine mit gesteuerten
Ventilen 1.2 benutzt, welche in ihrem Aufbau einem Verbrennungsmotor entspricht.
Der durch ein Transportband 13 dem Behälter 14 zugeführte Brennstoff gelangt zunächst
in eine Kohlenstaubmühle 15, welcher ein Staubabscheider 16 zugeordnet ist. Mittels
des Ventilators 17 wird der Staubaus dieser Mühle über den Staubabscheider 16 in
die Leitung 17' gebracht. Hierbei werden die gröberen Staubteilchen in dem Abscheider
16 abgeschieden und durch das Rohr 18 der Mühle 15 wiederum zugeführt. Gleichzeitig
wirkt der Ventilator im Sinne einer Vorverdichtung des Gasstromes, welcher aus dem
Rohr i9 über die Mühle 15 vom Ventilator 17 angesaugt wird. Der Vorgang in dem Verdichter
ist folgender: Beim ersten Hub (Abwärtsgang des Kolbens) wird aus der Leitung
17' und der Abzweigleitung 2o das mit Staub beladene Gas angesaugt, welches
dann beim zweiten Hub (Aufwärtsgang des Kolbens) adiabatisch verdichtet wird. Gegen
Ende dieses Hubes findet infolge der Temperatursteigerung der Schwelprozeß statt,
wobei infolge der oben geschilderten Umstände bei Verwendung geeigneter Kompressionsdrücke
Temperaturen von über iooo° erzielt werden können. Beim dritten Hub des Kolbens
nach Vollendung des Schwelprozesses dehnen sich die heißen Gase adiabatisch wieder
aus und geben einen Teil der aufgespeicherten Arbeit an die Welle 8' des. Verdichters
wieder ab, so daß jetzt der Verdichter als Motor arbeitet. Unterstützend wirkt hierbei
die als Schwungrad ausgebildete Antriebsscheibe 7. Der Motor 21 braucht daher nur
geringe Leistung zu besitzen und kann im günstigsten Falle, wenn nämlich der sich
beim Schwelprozeß ergebende Energieüberschuß zum Betrieb des Verdichters ausreicht,
gänzlich in Fortfall kommen. Beim vierten Hub (Aufwärts,&ang des Kolbens) wird
das abgekühlte Gemisch durch die Abzweigleitungen 22 ausgeschoben und der Sammelleitung
23 zugeführt. Das mit Staub beladene Gas gelangt dann in einen an sich bekannten
elektrischen Abscheider 24, dann in einen Kühler 25 und aus diesem durch das Rohr
26 in den Teerabscheider 27. Nach Abscheidung des Teers gelangt das Gas über das
Rohr 28 in den Wascher 29 und von hier aus schließlich durch die Leitung 30 in den
Gasbehälter io', aus welchem es dann teilweise wieder im Kreislauf in das Verfahren,
und zwar zunächst zur Kohlenstaubmühle, zurückgeführt wird. Auf diesem Wege wird
dieses Gas, welches naturgemäß eine sehr niedrige Temperatur besitzt, als Kühlmittel
zur Kühlung des aus dem Abscheider 24 in den Kühler z5 eintretenden heißen Gases
benutzt und durchströmt diesen Kühler (Rohre 31, 32) im Gegenstrom zu dem
zu kühlenden Gas. Tlierdurch wird gleichzeitig der Vorteil erreicht, daß das in
dem Kreislauf durch die Leitung i9 zurückgeführte Schwelgas vorgewärmt wird.
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Selbstverständlich ist es möglich, diesem Schwelgas irgendein anderes
Gas oder Luft vor seinem Eintritt in den Verdichter zuzusetzen, um die Vorgänge
beim Schwelprozeß regelbar zu beeinflussen. Auch ist es mögglich, in die Verdichterzylinder
komprimierte Luft einzublasen, die von einem kleinen, vorteilhaft von der Welle
8' aus angetriebenen und zweckmäßig durch Nocken gesteuerten kleinen Verdichterzylinder
erzeugt wird.
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Eine weitere Ausgestaltung zeigt Abb. 3. Das aus dem Verdichter 5a,
welcher als Turbokompressor oder Kolbenkompressor ausgebildet sein kann, gelangende
hochgespannte Schwelgas wird nach Passieren des elektrischen- Staubabscheiders 24
in einer Anzahl Turbinen 33, 33i. 332, 333 und 334, deren Laufraddurchmesser ständig
zunehmen, stufenweise entspannt, wobei jeder Turbine ein Sammelbehälter bzw. Abscheider
34 zugeordnet wird, derart, daß entsprechend der stufenweisen Entspannung des komprimierten
Schwelgases eine stufenweise Gewinnung des Destillats unter Trennung der Fraktionen
erzielt wird. Diese Turbinen sind unmittelbar auf der Welle 8' des Verdichters 5a
angeordnet,
derart, daß die bei der Entspannung frei werdende Energie
treibend auf die Verdichterwelle wirkt, so daß sich auch hier eine Ausnutzung des
sich beim Schwelprozeß ergebenden Energieüberschusses im Rahmen des Verfahrens selbst
ergibt. Selbstverständlich kann auch diese Welle 8' noch mit einem Schwungrad versehen
werden.
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Das Gas gelangt dann durch die Leitung 35 zu dem Kühler 36 und aus
diesem durch die Leitung 37 in den Säurewascher 38 und dann in den Gasbehälter ioa;
aus diesem gelangt dann ein Teilstrom des Gases über die Leitung 39 wieder zum Verdichter
5- zurück.
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Wie in der Zeichnung angedeutet ist, kann der Kühler 36 ausgeschaltet
werden, so däß das Schwelgas über Leitung 4o direkt dem Wascher 38 zugeführt wird.
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Zu erwähnen ist noch, daß die Selbstentzündlichkeit des Schwelkoksstaubes
durch Absättigung des evakuierten Staubes mit geeigneten Gasen stark vermindert
werden kann. Selbstverständlich kann das Verfahren baulich auch in abweichender
Form durchgeführt werden.
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Insbesondere kann statt der dargestellten Staubabscheidung auch eine
andere Vorrichtung, beispielsweise ein Filter o. dgl., zur Anwendung gelangen.