-
Erzeugung von methanhaltigen brennbaren Gasen aus fein verteilten
festen Brennstoffen Die Erfindung bezieht sich auf die Erzeugung von methanhaltigen
brennbaren Gasen, die für lkheizung, Beleuchtung und für andere Zwecke verwendbar
sind. und insbesondere auf die Erzeugung von methanhaltigen brennbaren Gasen aus
festen Brennstoffen.
-
Es ist bekannt, stückige feste Brennstoffe, z. B. Koks, in einer nach
Art eines bekannten Gaserzeugers mit ruhendem Brennstoffbett betriebenen Vergasungseinrichtung,
in welcher: ein über Atmosphärendruck liegender Druck, z. B. 8 atü, aufrechterhalten
wird, in ein Gas umzuwandeln, das Kohlenoxyd, Wasserstoff und :Methan, letzteres
bis zu etwa 81/o, enthält.
-
Ein wesentliches Ziel der vorstehenden Erfinciung erstreckt sich darauf,
verbesserte Methoden und Einrichtungen zur Erzeugung von brennbaren Gasen aus fein
verteilten festen Brennstoffen zu entwickeln, welche die Erzeugung von methanhaltigen
brennbaren Gasen gestatten.
-
Weitere Ziele der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden näheren
Beschreibung der Erfindung und der Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung.
-
Nach einem früheren Vorschlag des Erfinders kann man einen fein verteilten
Brennstoff kontinuierlich in einen unter erhöhtem Druck stehenden Strom von Sauerstoff
oder sauerstoffhaltigen Gasen einführen, und zwar unter solchen Bedingungen, daB
eine vorzugsweise homogene Suspension des Brennstoffes in den gasförmigen Medien
entsteht. Die so gebildete Suspension wird dann kontinuierlich
in
Form eines oder mehrerer Strahlen in einen Vergasungsraum eingeleitet, in dem ein
erhöhter Druck herrscht und in welchem die Temperatur oberhalb der Zündtemperatur
der Suspension des festen Brennstoffes in dem Strom von Sauerstoff oder sauerstoffhaltigen
Gasen liegt, so daß sich die Suspension schnell entzündet. Die Zone, in welcher
die Zündung der Suspension und die exotherme Reaktion stattfindet, wird von einer
im weseAtlichen in gleicher Richtung strömenden Hülle von Wasserdampf umgeben, der
endotherm mit Kohlenstoff reagieren kann unter Bindung eines Gemisches von Kohlenoxyd
und Wasserstoff. In dem Vergasungsraum wird also gleichzeitig eine zentrale Hochtemperaturzone,
in der exotherme Reaktionen zwischen Sauerstoff und den festen Brennstoffteilchen
stattfinden, und eine äußere Zone niedriger Temperatur aufrechterhalten, in den
die Endothermreaktionen vor sich gehen. Der Reaktionsraum der Vergasungskammer ist
funktionell in diese beiden Zonen unterteilt, nämlich die Primärzone oder die Zone
der partiellen Oxydation, und die Zone, welche die Primärzone umgibt und in welcher
Dampf oder Kohlensäure oder Gemische von beiden endotherm mit festem, fein verteiltem
Brennstoff reagieren.
-
Bei der Vergasung von festen, fein verteilten Brennstoffen in der
Schwebe mit Sauerstoff oder sauerstoffhaltigen Gasen und Wasserdumpf entstehen primär
nur Gase, welche praktisch frei von Kohlenwasserstoff sind. Die z. B. bei der Erhitzung
von bituminösen Kohlen frei werdenden Kohlenwasserstoffe werden infolge der hohen
Temperatur, welche in der genannten Primärzone der Vergasungskammer herrscht, vollständig
zersetzt, so daß das erzeugte Gas praktisch frei von Kohlenwasserstoffen ist. Für
viele Zwecke ist die Anwesenheit von Kohlenwasserstoffen, insbesondere Methan, in
dem erzeugten brennbaren Gas von Vorteil, insbesondere wenn das Gas zur Beheizung
von Schmelzöfen oder anderen Industrieöfen benutzt werden soll. Die Beheizung von
Schmelzöfen und anderen Industrieöfen ist besonders günstig dann, wenn die Verbrennung
des Heizgases mit einer stark leuchtenden Flamme vor sich geht. Gase, die frei von
Kohlenwasserstoffen sind, bilden keine leuchtenden Flammen, und es ist daher notwendig,
solche Gase vor ihrer Verbrennung mit Kohlenwasserstoffen zu versetzen, was beispielsweise
durch das bekannte Carburieren des Gases erfolgen kann. Die Carburierung eines Gases.,
z. B. von Wassergas, ist aber ein unbequemer Vorgang, der außerdem den Preis des
Gases wesentlich erhöht.
-
Die Erfindung löst die Aufgabe, methanhaltige Brenngase aus fein verteilten
festen Brennstoffen beliebiger Art zu erzeugen, und zwar besteht die Erfindung darin,
daß der fein verteilte Brennstoff in einem unter erhöhtem Druck stehenden Vergasungsraum
mit Sauerstoff oder einem sauerstoffhaltigen Gas bei hoher Temperatur partiell oxydiert
wird, und daß darauf der nicht umgesetzte Teil des Brennstoffes mit Wasserdampf
zur Reaktion gebracht wird. so daß Kohlenoxyd und Wasserstoff entstehen, und @laß
man (las Kohlenoxvd und Wasserstoff enthaltende Brenngas bei erhöhtem Druck mit
Schwelkoks derart in Berührung bringt, daß sich das im Gas enthaltene Kohlenoxyd
und der Wasserstoff ganz oder teilweise miteinander und gegebenenfalls mit dem Schwelkoks
unter Bildung von i\-Ietlian umsetzen. Die Bildung von Methan aus Kohlenoxyd und
Wasserstoff oder aus Kohlenstoff und Wasserdampf ist an sich bekannt. Diese Reaktion
geht vorteilhaft in denTemperaturbereich zwischen 50o und 80o° vor sich und erfordert
einen erhöhten Druck. Zum Beispiel wird eine besonders hohe Ausbeute von Methan
erhalten, wenn man den Druck während der Reaktion auf etwa 4o atü hält und die Temperatur
auf etwa 70o° C.
-
Die Erfindung wendet zur Erzeugung von methanhaltigen Gasen aus fein
verteilten festen Brennstoffen eine Einrichtung an, die irn wesentlichen aus einer
Vergasungskammer und einer sich daran anschließenden Reaktionskammer besteht, in
welcher die in der Vergasungskammer erzeugten Gase mit Schwelkoks in Berührung gebracht
werden. Zwischen der Vergasungskammer und der Reaktionskammer können gemäß der Erfindung
Mittel vorgesehen werden, um die Temperatur der in der Vergasungskammer erzeugten
Gase, welche Kohlenoxyd und Wasserstoff enthalten, auf die für die Reaktion mit
dem Schwelkoks günstigste Temperatur abzukühlen. Beisl)ielsw-eise können diese Mittel
aus einem Kühler bestehen. Man kann aber auch den aus der Vergasungskammer abziehenden
Gasen kalte Gase, z. B. bereits behandeltes Gas oder Wasserdampf oder ein Gemisch
beider beimischen, so daß ein Gemisch entsteht, das die gewünschte Temperatur und
Zusaininensetzung besitzt.
-
Der Vergasungsraum und die mit ihm verbundene Reaktionskammer werden
im wesentlichen unter dem gleichen erhöhten Druck betrieben. Dieser Druck und die
Größe der Kammer (Reaktionsraum) hängt davon ab, wie hoch der Gehalt des fertigen
Gases an Methan sein soll. Ein Druck von 8 bis 1o atü ist beispielsweise vorteilhaft,
um ein Gas von etwa 8 bis 12% Methan zu erzeugen. Wird der Druck erhöht, so steigt
auch der Gehalt des fertigen Gases an wertvollem -Methan; z. B. mag bei 4o atü ein
Methangehalt von etwa 40% im erzeugten Gas erreicht werden.
-
Unter Schwelkoks wird in dieser Beschreibung und den Ansprüchen der
Rückstand verstanden, der durch die bekannte trockene Destillation oder Entgasung
von bituminösen Brennstoffen, wie Kohle, Braunkohle, Lignit, aber auch z. B. Holz
od. dgl., entsteht und der ein stark reaktionsfähiger fester Brennstoff ist, der
nur noch vergleichsweise geringe Mengen von brennbaren Gasen enthält.
-
Ein solcher Schwelkoks wird vorzugsweise durch Erhitzung von bituminösen
Brennstoffen auf Temperaturen von etwa 450 bis 60o° C erzeugt.
-
Der fein verteilte festeBrennstoff, der verarbeitet werden soll, wird
vorteilhaft so fein vermahlen, daß nur noch 1o bis 25% auf einem Sieb von 4900 Maschen
je cm= zurückbleil>eil. Wenn man einen
derartigen Brennstoff gemäß
der Erfindung verarbeitet, werden etwa 95% des in dem Brennstoff enthaltenen Kohlenstoffes
in gasförmige Bestandteile umgewandelt.
-
Die Menge Sauerstoff oder sauerstoffhaltigen Gases, das mit dem festen,
fein verteilten Brennstoff in die Vergasungskarnmer : ingeführt wird, wird so bemessen,
daß der feste Brennstoff partiell oxydiert wird. Dabei bildet sieh vornehmlich Kohlenoxyd,
und der nicht vergaste Teil des festen Brennstoffes wird durch die stark exotherme
Reaktion auf hohe Temperaturen erhitzt. Der restliche Brennstoff vermag daher leim
Austritt aus der Primärzone, in welcher die partielle Oxydatioil vor sich geht,
mit einem endotlierni reagierenden Vergasungsmittel, z. B. Wasserdampf, zu reagieren
unter Bildung von weiterem Kohlenoxyd und Wasserstoff. Infolge des hohen Druckes,
der bei dem erfindungsgemäßen Verfahren in der Vergasungskammer angewendet wird,
entstehen in der Primärzone so hohe Temperaturen, daß der in den Vergasungsraum
einzuführende Wasserdampf nicht oder nur mäßig vorgewärmt zu werden braucht, beispielsweise
auf Temperaturen zwischen .+0o und 60o° C.
-
In der Zeichnung ist schematisch eine zur Verwirklichung der Erfindung
geeignete Einrichtung in einem senkrechten Schnitt dargestellt.
-
Die dargestellte Einrichtung ist bestimmt für die Vergasung von fein
verteilten festen Brennstoffen, wie pulverisierte Kohle, Braunkohle, Lignit od.
dgl. Der Brennstoff wird vorteilhaft so fein pulverisiert, daß er beim Absieben
auf einem Sieb mit .I900 Maschen pro cni= nur einen Rückstand von io bis 25% hinterläßt.
-
Der zu verarbeitende fein verteilte feste Brennstoff wird in die Vorratsbunker
1, 2 eingefüllt, die nach der Füllung verschlossen .werden. Durch Transportschnecken,
die in den Gehäusen 3, 4 angeordnet sind, wird der fein verteilte feste Brennstoff
einer Mischeinrichtung 5 zugeleitet, welcher Sauerstoff oder sauerstoffhaltiges
Gas durch die Rohrleitung 6 zugeführt wird. In der Mischeinrichtung 5 wird eine
möglichst homogene Suspension (les fein verteilten festen Brennstoffes in dein zugeführten
gasförmigen Medium hergestellt. Das Gemisch von Gas und festem Brennstoff wird durch
ein wassergekühltes Rohr 7 in den Vergasungsraum 8 eingeleitet. Dieser wird gebildet
von feuerfesten Wänden 9, die in einem drucksicheren Mantel io angeordnet sind.
Die Vergasungskammer 8 erweitert sich von der Mündung des wassergekühlten Rohres
7 ab etwas. Um die Mündung des Rohres 7 ist eine ringförmige Öffnung i i vorgesehen,
durch welche Wasserdampf in die Vergasungskammer 8 eingeleitet werden kann, und
zwar derart, daß funktionell in der NTergasungskammer eine Primärzone 12 gebildet
wird, in welcher der fein verteilte Brennstoff von dem Sauerstoff partiell oxydiert
wird, und daß diese in der Zeichnung mit 12 bezeichnete Primärzone umgeben wird
von einer strömenden Hülle von Wasserdampf, wie bei 13 angedeutet, die die `'Fände
9 der Vergasungskammer von der Primärzone 12, in welcher sehr hohe Temperaturen
herrschen, isoliert. Dadurch wird verhindert, daß sich die hohe Temperatur der Primärzone
12 schädlich auf die Wände 9 auswirkt. Brennstoff, der in der Primärzone 12 nicht
umgesetzt ist, muß, bevor er die Wände 9 erreicht, durch die Wasserdampfschicht
13 hindurchgehen, wo sich der Kohlenstoff endotherm mit Wasserdampf umsetzt und
die Temperatur der Brennstoffteilchen unter den Schmelz- oder Erweichungspunkt der
Brennstoffasche erniedrigt wird. Infolgedessen kann sich der Brennstoffrückstand
nicht an der Oberfläche der Wände 9 festsetzen.
-
Der Wasserdampf wird durch die Rohrleitungen 14 zugeführt. Es ist
unter Umständen möglich, den Wasserdampf vor Eintritt in den Vergasungsraum etwas
vorzuerhitzen, beispielsweise auf Temperaturen zwischen 60o und 80o° C. Das kann
in einfacher Weise dadurch geschehen, daß man dem Dampf heiße Verbrennungsgase beimischt,
die in zusätzlichen Brennern 15 erzeugt werden, welche am oberen Teil des Vergasers
vorgesehen sind.
-
Die Temperatur, welche die im wesentlichen aus Kohlenoxyd und Wasserstoff
bestehenden Gase, die in der Vergasungskammer 8 gebildet worden sind, am Austritt
aus der Kammer 8 haben, ist vergleichsweise hoch. Sie mag ioöo bis 12o6° C betragen.
-
Die Erfindung sieht daher vor, den Gasen beim Verlassen der Vergasungskammer
8 kaltes Gas und/oder Wasserdampf zuzusetzen, beispielsweise durch die Öffnung 16.
Ferner wird vorteilhaft der untereTeil derVergasungskammer mit einem Kühlmantel
17 verbunden, der ebenfalls Wärme aus dem erzeugten heißen Gas aufnimmt und dessen
Temperatur herabsetzt. Der bei der Vergasung in der Kampier 8 entstehende Rückstand,
setzt sich teilweise am Boden 18 ab und kann von dort in einen Behälter i9 entfernt
werden" in dem im wesentlichen der gleiche Druck wie in der Vergasungskammer 8 herrscht.
-
Das erzeugte Gas, dessen Temperatur etwa 8oo°C betragen mag, gelangt
durch die Rohrleitung 20 in einen neben dem Vergaser 8 angeordneten Schacht 21,
der aus feuerfestem Mauerwerk besteht, das ebenfalls in einem drucksicheren Mantel
22 angeordnet ist.
-
Der Schacht 21 ist mit Schwelkoks gefüllt, der aus dem Bunker 23 über
einen Zwischenbehälter 24 zugeführt wird.
-
Am unteren Ende ist der Schacht 21 mit einer rohrartigen Verlängerung
25 versehen, die in einen erweiterten Raum 26 hineinragt. Die Füllung des Schachtes
21 bildet daher innerhalb der Erweiterung 26 freie Böschungen, wie bei 27 angedeutet.
Das Gasrohr 2o mündet in den freien Raum oberhalb der Böschungen 27, und daher kann
das durch die Rohrleitung 2o zuströmende Gas in die Füllung der Erweiterung 26 und
des Schachtes 21 eintreten. Die Gase kommen dadurch in innige Berührung mit dem
Schwelkoks, so daß sich das in ihnen enthaltene Kohlenoxyd und der Wasserstoff umsetzen.
Der Arbeitsdruck im Schacht 21 ist im wesentliehen
der leiche wie
in der Vergasungskammer 8, vermindert' natürlich um den Druckverlust, den die Gase
beim Durchströmen durch die Füllung des, Schachtes 21 erleiden.
-
Aus dem Schacht 21 werden die tnethanhaltigen Gase am oberen Ende
durch die Rohrleitungen 28 abgezogen. Sie gelangen dann in einen Staubabsc'heider
29 und von dort durch die Rohrleitung 30 in einen Wascher 31. In den Apparaten
29 und 31 wird ebenfalls vorteilhaft ein hoher Druck aufrechterhalten, der die Abscheidung
des Staubes und die Auswaschung des Gases wesentlich erleichtert. Das fertige Gas
kann schließlich bei 32 abgezogen werden.
-
Dadurch, daß das aus der Vergasungskammer 8 durch die Rohrleitung
20 in den Reaktionsschacht 21 abziehende Gas noch eine gewisse Menge staubförmiger
Anteile enthält, ist es unvermeidbar, daß sich staubförmige Anteile auf der Füllung
des Schachtes 21 absetzen und die reaktionsfähige Oberfläche der Füllung verkleinern
bzw. die Gaswege verlegen. Die Erfindung sieht daher vor, fortlaufend oder absatzweise
aus dem Schacht 21 einen Teil der Füllung durch die Austrageeinrichtung 33 in ein
Gefäß 3.4 abzuziehen.
-
Der Verbrauch an festem Kohlenstoff in dem Schacht 21 ist in der Regel
sehr gering, weil praktisch nur die Reaktion 2 C O + 2 H, = C H4 -i- CO_,
für
die Methanbildung in Betracht kommt. Diese Reaktion wird durch den Schwelkoks lediglich
katalytisch beschleunigt, ohne daß der Schwelkoks an der Reaktion teilnimmt. Es
ist dadurch möglich, daß ein Teil des Schwelkokses gemäß der Reaktionsgleiche C
-E- 2 H, = C H4 in Methan umgewandelt wird, so daß eine kleine Menge des Brennstoffes
verbraucht wird.
-
Der aus dem Schacht 21 in den Behälter 3-4 abgezogene Brennstoff wird
gegebenenfalls abgesiebt und von den staubförmigen Anteilen befreit, und er kann
darauf wieder dem Vorratsbehälter 23 zugeführt werden, um ihn erneut zur Füllung
des Schachtes 21 auszunutzen.
-
Der Schwelkoks wird in einer solchen Stückgröße angewandt, daß der
Widerstand, den der Gasstrom in der Kokssäule 27 findet, nicht nachteilig groß ist.
Gute Resultate wurden beispielsweise bei einem Schwelkoks erzielt, der eine Stückgröße
von 3 bis 1o mm hatte. jedoch ist die Erfindung darauf nicht beschränkt. Bei einer
solchen Stückgröße ist der Brennstoff in der Regel in Ruhe und wird also durch den
Gasstrom nicht wesentlich bewegt.