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Verfahren und Vorrichtung zum Schwelen und Vergasen von Brennstoffen
Aschenreiche Brennstoffe, wie Ülschiefer,Waschberge, aschenreiche Kohlen o. dgl.,
sind schon in einer geneigten Kammer, die der Brennstoff in einer Schichthöhe von
etwa i bis 2 m durchwandert, durch Hindurchsaugen von Luft und Wasserdampf von oben
nach unten durch die Schicht unter gleichzeitiger Gewinnung von Teer und Leichtölen
vergast worden. Es hat sich gezeigt, daß bei höherem Aschengehalt sehr leicht Störungen
durch starke Verschlackung des Brennstoffbettes auftreten, da das Vergasungsmittel
im ausgebrannten Rückstand unverhältnismäßig hoch vorgewärmt wird und infolgedessen
trotz -des geringen Kohlenstoffgehaltes sehr hohe Verbrennungstemperaturen auftreten.
Man hat ferner versucht, durch Zurückleitung von Gas in das Brennstoffbett die Temperaturen
herabzusetzen. Es wurde dadurch eine Verbesserung hinsichtlich der Verschlackung
erzielt, aber das rückgeführte brennbare Gas reagierte mit dem gleichzeitig zugeführten
Sauerstoff. Dadurch wird die Wärmewirtschaft des Verfahrens erheblich verschlechtert.
Außerdem sinkt der Heizwert des erzeugten Gases durch die Teilverbrennung so weil
ab, daß bei aschenreichen Brennstoffen auf ein( Verwendung dieses Gases im allgemeinen
verzichtet werden muß.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung zeigt einen Weg, wie die Verschlackung
verhindert une zugleich die im Rückstand gespeicherte Wärme füx die Bildung brennbarer
Gase ausgenutzt werder kann, wobei außer einer Verbesserung der Wärmewirtschaft
noch eine Steigerung des Heizwertes des entstehenden Gases erzielt wird, die dessen
Nutzbarmachung erheblich erleichtert. Nach dem neuer Verfahren ist es ferner möglich,
einen Teil de: Gases mit besonders hohem Heizwert zu erzeugen, der eine Verwendung
für besondere Zwecke ermöglicht, während der heizwertärmere Anteil der Gase zur
Deckung des eigenen Wärmebedarfs einschließlich der Trocknung und Entgasung des
Brennstoffe
ausgenutzt werden scann. Weiter ist es nach der Erfindung
sogar möglich, aus aschenreichen Brennstoffen wasserstoffreiche Gase zu erzeugen,
die für synthetische Herstellung von Produkten, z. B. für die Ammoniaksynthese oder
die Hydrierung von Teeren oder auch für die Versorgung von Industrie und Haushalt
mit heizkräftigem Gas verwendet werden können.
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Gemäß der Erfindung werden zwei oder mehrere geneigte Kammern, durch
die der Brennstoff hindurchwandert, in der Weise betrieben, daß in den Brennstoff
in einer Kammer oder einer Gruppe von Kammern oxydierendes Vergasungsmittel, z.
B. Luft, eingeleitet wird, während in eine zweite Kammer oder Gruppe von Kammern
gleichzeitig reduzierendes Vergasungsmittel z. B. Wasserdampf oder das in der anderen
Kammergruppe erzeugte und gegebenenfalls mit Wasserdampf oder Kohlensäure vermischte
Gas, eingeführt wird, und daß der Betrieb der Kammern in kurzen Abständen wechselweise
auf oxydierendes und reduzierendes Vergasungsmittel umgestellt wird.
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Zum- Beispiel werden gemäß der Erfindung zwei oder mehrere geneigte
Kammern an einen gemeinsamen Füllbunker, der zugleich zur Trocknung und Vorentgasung
des Brennstoffes dienen kann, angeschlossen. In die einzelnen Kammern., die, wenn
in größerer Anzahl vorhanden, in Gruppen zusammengefaBt werden können, wird abwechselnd
sauerstoffreiches Vergasungsmittel von oben eingeleitet und durch die Brennstoffschicht
hindurchgeführt, z. B. hindurchgesaugt, während gleichzeitig in eine andere Kammer
oder Kammergruppe ein sauerstoffarmes oder sauerstoffreies Gas, z. B. rückgeführtes
Gas aus dem Ofen selbst, eingeführt wird, das durch seinen Gehalt an Kohlensäure
und Wasserdampf zugleich reduzierend und wärmebindend wirkt und damit unter Bildung
brennbarer Gase den Rückstand wirksam abkühlt. Werden die beiden Kammern oder Kammergruppen
gemäß der Erfindung in kurzen Zeitabschnitten periodisch umgestellt, so folgt innerhalb
des Brennstoffbettes auf einen Abschnitt steigender Temperatur, bewirkt durch die
Einleitung sauerstoffreichen, oxydierenden Gases, ein stark abkühlender Zeitabschnitt,
bewirkt durch die Einleitüpg sauerstoffarmen, aber kohlensaure- und wasserdampfhaltigen
Vergasungsmittels, derart, daß eine störende Verschlackung des Brennstoffbettes
vermieden wird. In diesem Falle kann das im Verfahren entstehende Gas, gegebenenfalls
vermehrt durch Wasserdampf und gegebenenfalls Kohlensäure, in das Brennstoffbett
zurückgeführt werden, ohne daß die Gefahr einer Verbrennung dieses Gases besteht.
Außerdem werden der Zersetzungsgrad für Wasserdampf und Kohlensäure erheblich verbessert
und damit wesentliche Ersparnisse an Dampf erzielt.
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Werden nach einer weiteren Maßnahme der Erfindung die im reduzierenden
Zeitabschnitt in den einzelnen Kammern oder Kammergruppen erzeugten Gase getrennt
abgezogen, so können auf diese Weise heizkräftigere Gase als die mit Luft im oxydierenden
Abschnitt erzeugten gewonnen werden, die sich für eine besondere Verwendung eignen,
z. B. für Energieerzeugung in Verbrennungskraftmaschinen, während die heizwertärmeren
Gase im Verfahren selbst, z. B. für die Trocknung und Vorentgasung des Brennstoffes
in bekannter Weise Verwendung finden können.
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Falls die Brennstoffe ausreichend Kohlenstoff aufweisen, z. B. über
io °/o im trockenen Gut, kann das erfindungsgemäße Verfahren auch zur Erzeugung
von wasserstoffreichen und stickstoffarmen Gasen verwendet werden, die sich z. B.
für die Synthese von Ammoniak und Kohlenwasserstoffen eignen. Zu diesem Zweck wird
gemäß der Erfindung abwechselnd Luft und Wasserdampf, dem bei Verwendung des Gases
für die Synthese von Ammoniak auch beschränkte Luftmengen beigemischt sein können,
in die einzelnen Kammern eingeleitet und das aus Wasserdampf erzeugte Gas getrennt
abgezogen. Hierbei `kann zweckmäßig, ähnlich wie bei der Erzeugung von Wassergas
im Schachtgenerator. bei den beiden Perioden des Blasens mit Luft und des Gasens
mit Wasserdampf mit verschiedener Zeitdauer der Perioden und verschiedenen Gasgeschwindigkeiten
im Brennstoffbett gearbeitet werden. Im Vergleich zum Schachtgenerator kann bei
dem Verfahren gemäß der Erfindung durch die Verwendung von mehreren Kammern eine
kontinuierliche Erzeugung von Wassergas erzielt werden. Der in den bekannten Wassergasanlagen
verwendete Regenerator wird bei der neuen Arbeitsweise durch die Wärmespeicherung
in dem heißen Brennstoffrückstand ersetzt. Um die Wärmespeicherung im Rückstand
noch zu erhöhen und damit eine stärkere Erwärmung des Vergasungsdampfes zu erzielen,
kann der Verbrennungsluft in der Blaseperiode noch brennbares Gas beigegeben werden,
z. B. durch Rückführung des bei der Blaseperiode entstehenden Gases. Hierdurch entsteht
eine zusätzliche Aufheizung des Rückstandes mit Abfallgas und eine höhere Ausbeute
an nutzbarem, wasserstoffreichen Gas.
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Bei aschenärmeren Brennstoffen wird zweckmäßig ein Teil der Asche
wieder in die Kammer zurückgeführt, um die Speicherfähigkeit des Rückstandes für
Wärme zu erhöhen. Andererseits kann bei der Verarbeitung aschenreicher Brennstoffe,
insbesondere bei Erzeugung von Wassergas, der Gehalt des Brennstoffes an Kohlenstoff
durch Zusatz von kohlenstoffreicherem Brennstoff erhöht werden.
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Eine zur Ausübung des Verfahrens geeignete Vorrichtung besteht erfindungsgemäß
vorteilhaft aus einem Füllbunker, der in bekannter Weise mit Einrichtungen zur Trocknung
und Vorerhitzung des Brennstoffes versehen sein kann, und aus mehreren, z. B. 4
bis io, geneigten Kammern, die an das untere Ende des Füllbunkers angeschlossen
sind und in denen der Brennstoff auf geneigten, mit Gasdurchtrittsöffnungen versehenen,
ganz oder teilweise beweglichen Böden bekannter Bauart kontinuierlich oder stoßweise
abwärts befördert wird. Die Anordnung der Kammern kann dabei in einer Richtung oder
gemäß einem weiteren Teil der Erfindung
in zwei entgegengesetzten
Richtungen erfolgen, wobei die beweglichen Böden der Kammern über ein Gelenk miteinander
verbunden sind und durch einen gemeinsamen Antrieb betätigt werden. Es wird dadurch
ein weitgehender Ausgleich der zum Antrieb erforderlichen Kräfte erzielt und ferner
der Abschluß der Vergasungskammern gegen den Füllbunker wesentlich verbessert, da
bei nach beiden Seiten verlaufenden Kammern die Gasverluste durch den gemeinsamen
Füllrumpf, durch den der Brennstoff zugeführt wird, nur halb so groß sind, als wenn
die Vergasungskammern nur nach einer Seite angeordnet sind.
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Um das gesamte Brennstoffbett, das von dem gemeinsamen Bunker ausgeht,
in die gewünschte Anzahl von Kammern zu unterteilen, werden in der Richtung des
Brennstoffstromes senkrechte, wassergekühlteWände in entsprechender Zahl angeordnet.
Auf diese Weise entsteht eine Anzahl von Kammern, die nach dem erfindungsgemäßen
Prinzip wechselweise betrieben werden 'können.
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Zum Anschluß der Kammern an die Zuleitungen für Luft und Gase sind
die Kammern oben durch eine Abdeckung abgeschlossen. Die in diese Decke einmündenden
Leitungen sind mit umstellbaren Steuerorganen. z. B. Klappen oder Schiebern, versehen,
welche die Leitungen abwechselnd an eine gemeinsame Leitung für Luft und an eine
gemeinsame Leitung für sauerstoffarme Gase, z. B. Rückgas oder Wasserdampf, anzuschließen
gestatten. Falls die erzeugten Gase getrennte Verwendung finden sollen oder hochwertige
Gase, z. B. Wassergas, erzeugt werden soll, ist auch der Raum unterhalb des Brennstoffbettes
durch Zwischenwände der Einteilung der Kammern entsprechend unterteilt, und die
einzelnen Gasräume sind umstellbar an Sammelleitungen für die beiden entstehenden
Gasarten angeschlossen.
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Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist beispielsweise
in den Fig. i und 2 dargestellt, und zwar zeigt Fig. i einen senkrechten Schnitt
durch einen Ofen mit nach zwei Seiten verlaufenden Kammern, während Fig. 2 die Draufsicht
auf drei nach der einen Seite verlaufenden Kammern darstellt.
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An einen Füllbunker i schließen nach zwei entgegengesetzten Seiten
verlaufend die geneigten Kammern 2 an. Diese geneigten Kammern sind mit den ganz
oder teilweise beweglichen Böden 3 versehen. Unterhalb der Kammern befinden sich
die Gassammelräume 4. Oben sind die einzelnen Kammern durch die Abdeckung 5 geschlossen.
Die Kammern sind ferner durch senkrecht verlaufende, bis zur Abdeckung 5 reichende
wassergekühlte Wände 6 gegeneinander abgegrenzt. An die Abdeckung der einzelnen
Kammern sind die Leitungen 7 angeschlossen, die mit Umsteuerorganen bekannter Bauart
8 versehen sind, mit denen durch die Stutzen 9 die Verbindung mit der Außenluft
oder die Verbindung mit der Dampfleitung io hergestellt werden kann. An die Gassammelräume
4 unterhalb der Kammern sind in gleicher Weise mittels Umsteuerorganen i i die Sammelleitungen
12 und 13 für die erzeugten Gase angeschlossen, aus denen die beiden Gasarten mit
Hilfe der Gebläse 14 in die Verbrauchsleitungen 15 und 16 gedrückt werden können.
Die Leitung 16 führt Gas dem Verbrennungsofen 17 zu, und das entstandene Verbrennungsgas
wird durch die Leitung 18 teilweise dem Füllbunker i zwecks Trocknung des Brennstoffes
zugeführt und teilweise zwecks Vorentgasung und Zündung des Brennstoffes in den
Kammern durch die Leitung i9. dem Brennstoffbett zugeleitet. Die Bewegung des Kammerbodens
wird durch den Antrieb 20 üblicher Bauart bewirkt, wobei die nach beiden Richtungen
verlaufenden Kammerböden 3 gelenkartig mit dem gemeinsamen Hebel 21 verbunden sind.
Bei der Bewegung der Böden mittels dieses Hebels wird der Brennstoff durch die Kammer
abwärts befördert und fällt als Rückstand in das Fördermittel 22, z. B. Förderwagen,
am unteren Ende der Kammer. Zum besseren Abschluß der Kammern gegen den Eintritt
von Luft am unteren Ende derselben sind Klappen 23 angeordnet, welche beweglich
auf dem Rückstand auflagern.
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Der Betrieb der dargestellten Vorrichtung gestaltet sich wie folgt:
Die geneigten Kammern 2 werden zunächst im unteren Teil mit ausgebrannter Asche
angefüllt. während in den oberen Teil der Kammern und den Füllbunker i der zu vergasende
Brennstoff, z. B. ölhaltiger Schiefer oder aschenreiche Kohle, eingefüllt wird,
der zweckmäßig durch Absiebung oder Zerkleinerung auf eine maximale Korngröße von
8o bis ioo mm gebracht worden ist. Es wird dann der Verbrennungsofen 17 mit Hilfe
von Fremdgas und Luft in Betrieb genommen und das heiße Verbrennungsgas mit den
Leitungen 18 in den Füllbunker und mit der Leitung i9 in den oberen Teil der Kammern
eingeleitet. Im Füllbunker wird hierdurch eine Trocknung und Vorwärmung des Gutes
bewirkt, während im oberen Teil der Kammer der Brennstoff auf die Zündtemperatur
von etwa 3oo bis 400° angewärmt wird und durch den im Gas verbliebenen Sauerstoff
an der Oberfläche zur Zündung gelangt. Die Regulierung der Temperatur im Füllbunker
erfolgt in bekannter Weise durch Rückführung eines Teiles der beim Durchgang durch
das Gut abgekühlten Verbrennungsgase, wobei der Überschuß der Gase durch einen Schornstein
o. dgl. abgeführt wird. Nach erfolgter Zündung des Brennstoffes in den Kammern wird
das Gebläse 14 in Betrieb genommen, das die Gase durch den Boden der Kammern absaugt.
Anschließend werden die beweglichen Roste 3 in Betrieb genommen und eine langsame
Bewegung des Brennstoffes durch die Kammer eingeleitet. Es entsteht hierdurch allmählich
eine über die ganze Kammer verlaufende Brenn- und Vergasungszone. Die ausgebrannte
Asche gelangt sc'hließlic'h in den untersten Teil der Kammern und wird in die Transportmittel
22 abgeworfen. Das zunächst heizwertarme und sauerstoffhaltige Gas erreicht schließlich
Brenneigenschaften, wenn die Brennzone bis zum unteren Ende der Kammern fortgeschritten
ist. Nunmehr wird durch Beschleunigung
der Brennstoffbewegung in
den Kammern und durch zunehmendes Einsaugen von Luft durch die Leitungen 9 sowie
durch Steigerung der Beheizung des Verbrennungsofens 17 die Durchsatzleistung
der Anlage gesteigert, wodurch gleichzeitig eine Verbesserung des Heizwertes des
entstehenden Gases eintritt. Dieses wird dann für die Beheizung des Verbrennungsofens
17 verwendet. Ein Überschuß an Gas kann für andere Heizzwecke o. dgl. abgegeben
werden. Bei kohlenstoffarmen Brennstoffen ist bei dieser bekannten Betriebsweise
nur ein geringwertiges Gas zu erzielen, und infolge Verschlackungsgefahr kann nur
mit geringen Durchsätzen gearbeitet werden.
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Zur Steigerung des Durchsatzes und zur Erzeugung eines heizkräftigeren
Gases wird nunmehr nach der Erfindung die Anlage auf Wechselbetrieb der einzelnen
Kammern umgestellt. Hierzu werden z. B. die drei Kammern der rechten Seite eines
Ofens durch Einsaugen von Luft über die Steuerorgane 8 betrieben, während gleichzeitig
die drei linken Kammern des Ofens unter Zuführung von Wasserdampf durch die Leitung
io betrieben werden. Die Abführung der Gase aus den Kammern erfolgt dabei mit Hilfe
der Steuerorgane i i, für das aus Luft entstandene Gas mittels der Sammelleitungen
13 und 16, während gleichzeitig das aus Dampf erzeugte, vorwiegend wasserstoffhaltige
Gas durch die Leitungen 12 und 15 abgeführt wird. Durch gleichzeitige periodische
Umstellung der Steuerorgane 8 und i i wird den Kammergruppen abwechselnd Luft und
Wasserdampf zugeführt und die entstandenen Gase ebenso abwechselnd durch die Leitungen
13 und 12 abgeführt. Nach beispielsweise 5 Minuten wird durch Umstellung der Organe
8 und i i die rechte Hälfte des Ofens mit Dampf geblasen und die linke Hälfte durch
Einsaugen von Luft betrieben. Nach weiteren 5 Minuten werden die Organe 8 und i
i wieder umgestellt und dieser Wechsel in gleichmäßigen Abständen fortgesetzt. Es
steht dann in der Leitung 15
ein hochwertiges Gas zur Verfügung, während in
der Leitung 16 das heizwertärmere Gas gesammelt und zur Beheizung der Anlage selbst
in dem Verbrennungsofen 17 verbrannt wird. Infolge der erheblichen Verminderung
,der Verbrennungstemperaturen im Brennstoffbett ist durch die Erfindung die Verschlackungsgefahr
beseitigt, und die Anlage kann mit wesentlich gesteigertem Durchsatz betrieben werden.
Falls nur auf ein gutes Heizgas Wert gelegt wird oder z. B. für metallurgische Zwecke
wasserstoffhaltiges Gas nicht erwünscht ist, kann an Stelle von Dampf rückgeführtes
Gas oder Kohlensäure in die Kammern eingeleitet werden. Das auf diese Weise erzeugte
Gas hat gegenüber dem direkt durch Luft erzeugten Gas infolge Reduzierung der Kohlensäure
und zusätzlich aufgenommener flüchtiger Bestandteile aus dem Brennstoff einen höheren
Heizwert. Die Kühlwirkung auf das Brennstoffbett kann in nahezu gleicher Weise erzielt
werden wie beim Einleiten von Wasserdampf.
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Bei Verarbeitung von Ölschiefer und bituminöser Kohle sind Vorrichtungen
zum Abscheiden von Kohlenwasserstoffen o. dgl. aus den erzeugten Gasen in bekannter
Weise vorgesehen.
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Falls in der Anlage Wassergas etwa für Synthesezwecke erzeugt werden
soll und zu diesem Zweck ungleiche Perioden für die Beaufschlagung der Kammern mit
den verschiedenen Vergasungsmitteln gewählt werden, werden z. B. von den sechs vorhandenen
Kammern gleichzeitig zwei mit Luft beaufschlagt, während vier Kammern mit Dampf
betrieben werden. Auf diese Weise ist es möglich, das Brennstoffbett z. B. 2 Minuten
mit Luft (Blaseperiode) zu betreiben und anschließend 4 Minuten unter geringer Belastung
mit Dampf zu beaufschlagen (Gaseperiode), ähnlich der bei Wassergasgeneratoren üblichen
Betriebsweise.
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Im Verfahren gemäß der Erfindung können zur Steigerung der Ausbeute
an wasserstoffreichen Gasen noch gasförmige oder flüssige Kohlenwasserstoffe, zweckmäßig
aus dem Verfahren selbst, z. B. Teer oder die Restgase einer Kohlenwasserstoffsynthese,
dem reduzierenden Vergasungsmittel beigemischt werden. Die beigemischten Stoffe
werden dabei vorwiegend in Wasserstoff übergeführt.
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Die Erfindung löst die Aufgabe, zur Versehlaekung neigende, insbesondere
aschenreiche Brennstoffe, betriebssicher zu vergasen und hierbei einen hohen Anteil
des Brennstoffes als flüssige Kohlenwasserstoffe und hochwertiges Gas. zu gewinnen,
während man sich bisher in solchen Fällen vorwiegend mit der Gewinnung der Schwelprodukte
begnügen mußte und in ungünstigen Fällen sogar fremde Brennstoffe für die Beheizung
der Anlage aufgewendet werden mußten.