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Verfahren und Einrichtung zur Herstellung eines kohlenmonoxydarmen
Stadtgases Die normale Herstellung von Stadtgas bedient sich der Kohleentgasung,
wobei dem dabei entstehenden Kohlengas Gas mit geringerem Heizwert, wie Generatorgas
oder Wassergas, zugemischt wird. Mitunter wird, bei Verfügbarkeit, Erdgas zugemischt
und durch einen erhöhten Anteil an Gasen mit geringerem Heizwert beispielsweise
eine Mischung von Kohlengas, Erdgas und Generatorgas hergestellt. Diese Mischung
hat durch den reichlich erforderlichen Zusatz von Generatorgas keine hochwertigen
Verbrennungseigenschaften und einen relativ hohen Kohlenmonoxydgehalt, welches Kriterium
besonders bei Wassergas als Zusatzgas hervortritt. Stadtgas ist nach allgemeinen
Richtlinien ein Mischgas, welches einen Heizwert von 4ioo bis 435o kcal/Nms besitzt
und entsprechende Verbrennungseigenschaften aufweist, welche hauptsächlich mit einem
bestimmten Gehalt an Wasserstoff und inerten Bestandteilen zusammenhängen.
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Ein höherer Kohlenoxydgehalt im Stadtgas ist die Ursache zahlreicher
Gasunfälle. Aus diesem Grund fehlt es nicht an Bestrebungen, durch technische Maßnahmen
während der Stadtgaserzeugung diesen Kohlenmonoxydgehalt zu verringern. Diese Maßnahmen
umfassen prinzipiell die Entfernung des Kohlenmonoxyds durch Absorption oder die
Umwandlung
des Kohlenmonoxyds mit Hilfe von Wasserdampf oder Wasserstoff
in physiologisch ungefährliche Gasbestandteile, wie Wasserstoff und Kohlendioxyd
bzw. Methan. Bisher sind nur die Konvertierungsverfahren etwas über den Versuchszustand
hinausgekommen, z. B. das Hamelner Verfahren, da die durch dieses Verfahren bedingte
Verteuerung der Stadtgaserzeugung eine allgemeine Anwendung bisher hintangehalten
hat.
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Die vorliegende Erfindung schafft nun ein Verfahren zur Erzeugung
eines kohlenmonoxydarmen Stadtgases; dieses Verfahren zeichnet sich durch Einfachheit,
günstigen thermischen Wirkungsgrad, geringen Bedarf an apparativen Hilfsmitteln
und Arbeitskräften aus. Es besteht im wesentlichen darin, daß ein Teilstrom aus
Erdgas, Kohlengas oder Mischungen daraus vor der in an sich bekannter Weise erfolgenden
Konvertierung einem Spaltprozeß mit Hilfe von Oxydationsgasen, wie Wasserdampf,
Luft, Sauerstoff oder einer Mischung aus zwei oder allen diesen Gasen, unterworfen
wird und das hierauf konvertierte Gas anschließend mit unverändertem Ausgangsgas
zu einem Stadtgas vermischt wird.
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Es ist bereits bekannt, in der Erzeugung von Stadtgas von Erdgas auszugehen,
einen Teilstrom dieses Gases mit Luft in einem Spaltofen zu spalten und durch Mischung
mit unverändertem Erdgas ein Stadtgas herzustellen (vgl. )#Association technique
de 1'Industrie en France«, 1g47). Dieses Verfahren ergibt indes einen verhältnismäßig
ungünstigen Wirkungsgrad, und zwar wegen Vernichtung der nach dem Spaltofen im Spaltgas
vorhandenen fühlbaren Wärme, und außerdem ein Gas mit etwa g bis io°/o CO, welches
nicht als ausreichend entgiftet anzusehen ist. Es ist ferner in der Synthesegaserzeugung
bekannt, einen Spaltofen einer Konvertierungsanlage vorzuschalten, doch handelt
es sich hier keinesfalls um die Behandlung eines Teilstromes in der besagten Weise,
sondern um eine vollständige Umwandlung des gesamten Ausgangsgases mit anderen Erzeugungszielen.
Außerdem erfolgt die Durchführung des Vorganges in einer technischen Einrichtung,
die speziell auf die Verwendung des Synthesegases zugeschnitten und in dieser Form
für Gaswerksbelange als ungeeignet anzusehen ist. Beispielsweise ist der Aufbau
einer Spalt- und Konvertierungsanlage für die Ammoniaksynthese folgender: Gereinigtes
Koksofengas durchstreicht einen Wasserdampfsättiger, wird mit Wasserdampf und Sauerstoff
unter geringer Luftzugabe in einem Spaltofen bei etwa iioo° C gespalten und ein
Teil der fühlbaren Wärme des Spaltgases zur Wasserdampferzeugung verwendet. Der
Restteil der fühlbaren Wärme dient der Vorwärmung des Ausgangsgases. Nach einer
Rußabscheidung und neuerlichen Wasserdampfsättigung wird das im Spaltgas enthaltene
CO konvertiert, nachdem die fühlbare Wärme des konvertierten Gases zum Wärmeaustausch
mit dem zu konvertierenden Spaltgas gebracht wurde.
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Dieses Verfahren ist, selbst wenn man es zu einer Teilstromspaltung
verwenden würde, für die Anwendung in Stadtgas erzeugenden Gaswerken deshalb ungeeignet,
weil es viel zu umfangreiche apparative Hilfsmittel einschließlich einer eigenen
Sauerstofferzeugungsanlage erfordert und die Wärmeausnutzung zur Erzeugung von Wasserdampf
und überhaupt die vorwiegend mit Wasserdampf erfolgende Spaltung infolge der damit
verbundenen stark endothermen Reaktion bei hohen Temperaturen nur mäßige Wirkungsgrade
erreichen läßt. Die Teilstromspaltung nach diesem Verfahren, vorwiegend mit Wasserdampf
und der zur Aufrechterhaltung der thermischen Stabilität notwendigen Luft, ergibt
außerdem neben den bereits angeführten Nachteilen ein Stadtgas mit verbrennungstechnisch
schlechten Eigenschaften.
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Weiter ist vorgeschlagen worden, brennbare Gase zwecks Entgiftung
so zu behandeln, daß man einen Teilstrom des zu behandelnden Gases abzweigt und
durch Maßnahmen chemisch-physikalischer Natur (Verflüssigung, Komprimierung, Konvertierung
u. dgl.) die Voraussetzungen zur vollständigen Entgiftung des Ausgangsgases schafft.
Die vollständige Entgiftung erfolgt durch Konvertierung und anschließende Methanisierung
des Gases im Hauptstrom. Dieses Verfahren hat jedoch nur theoretische Bedeutung,
da es unter Außerachtlassung der Wirtschaftlichkeit der Gaserzeugung sowie der Höhe
der Anschaffungs-und Betriebskosten nur bestimmte brenntechnische Eigenschaften
des Gases anstrebt. Da aber die Durchführung dieses Verfahrens an eine große Zahl
verschiedenartiger Apparate und mechanischer Einrichtungen, z. B. Verdichter, gebunden
ist, würde der Gesamtwirkungsgrad einer auf diese Weise vor sich gehenden Gaserzeugung
auf ein in der Praxis nicht mehr tragbares Maß gesenkt werden.
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Demgegenüber schafft die Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung eines
weitgehend entgifteten Stadtgases, das in den üblichen Gasgeräten einwandfrei verwendet
werden kann und dessen Erzeugung mit einem sehr geringen Aufwand an Apparaten unabhängig
von der Erzeugungsgrundlage des Gaswerkes und mit einer bisher nicht erreichten
Wirtschaftlichkeit möglich ist. Wie noch näher dargelegt werden wird, ergibt sich
die Erhöhung der Wirtschaftlichkeit einerseits durch eine Steigerung des thermischen
Wirkungsgrades der Gasgesamterzeugung und andererseits dadurch, daß wertvolle Nebenprodukte,
die bisher im Zuge einer Mischgaserzeugung verbraucht wurden, nunmehr erhalten bleiben.
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Das erfindungsgemäße Verfahren, welches sowohl für die Stadtgaserzeugung
aus Erdgas bzw. Kohlengas oder einer Mischung dieser Gase verwendet werden kann,
ist in seinem prinzipiellen Aufbau sehr einfach, wie Fig. i schematisch darstellt.
Von einer beispielsweise Erdgas führenden Ausgangsgasleitung 1 wird ein Teilstrom
2 abgezweigt, mit Luft (Leitung 2') in entsprechendem Verhältnis gemischt und dem
Spaltofen 3 zugeführt, wobei die Umsetzung des Methans und analog der schweren Kohlenwasserstoffe
des Ausgangsgases über einem Katalysator, der aus vorwiegend mit Kupferoxyd überzogenen
Schamottesteinen besteht, bei etwa 7oo bis goo' C stattfindet. Das heiße Spaltgas
wird in dem anschließenden Verdampfungskühler 4 durch Wassereinspritzung auf die
für die Durchführung der Konvertierung erforderliche Temperatur von etwa 400' C
abgekühlt und
gelangt in den Konverter 5, wo über an sich bekannten
Katalysatoren die Umsetzung des im Spaltgas vorhandenen Kohlenmonoxyds mit dem im
Verdampfungskühler erzeugten Wasserdampf vor sich geht. Nach Kühlung des austretenden
Gases im Kühlwäscher 6 wird das nunmehr entgiftete Spaltgas dem Restteil des Ausgangsgases
zugemischt und ergibt ein gebrauchsfertiges, kohlenmonoxydarmes Stadtgas.
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Für die Erzeugung eines Stadtgases aus Erdgas mit etwa 97% C H4 würden
sich folgende gastechnische Verhältnisse ergeben: 1 m3 Erdgas gibt 4,75 m3 Spaltgas,
wobei das zur Spaltung gelangende Erdgas-Luft-Gemisch im Verhältnis 1 : 3,1 stellt
und das Spaltgas eine Zusammensetzung von 30/, CO" 150/, CO,
325% 112,
4% CH, und 455% N2 und einen oberen Heizwert von 183o kcal/Nm3 aufweist. Nach der
Wasserdampfsättigung und Konvertierung ist die Gasausbeute des Teilstromes auf 1
: 5,36 gestiegen und die Gaszusammensetzung folgende: 13,50;!o C02, 2,70;1o CO,
398% H2, 3,5% CH, und 4o,50;0 N2. Der obere Heizwert dieses Gases ist 1626 kcal;
N m3.
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Mischt man nun diese 5,36 m3 zu 2,56 m3 unverändertem Erdgas, so erhält
man 7,92 m3 eines Mischgases von einer Zusammensetzung 9,4% C 02,1,8% C 0, 26,9%
H2, 34,20/'o C H4 und 27,70/0 N2 mit einem oberen Heizwert von 42oo kcal/Nm3 und
eine Gasausbeute von 7,92 : 3,56 = 2,22 m3 Stadtgas pro Kubikmeter Erdgas. Der thermische
Wirkungsgrad dieser Gaserzeugung beträgt 960/0. Das imTeilstrom zu spaltende Erdgas
beträgt 28,1% des gesamten Ausgangsgases.
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Um nun die Qualität des erzeugten Stadtgases durch Senkung der inerten
Bestandteile und Erhöhung des Wasserstoffgehaltes und des thermischen Wirkungsgrades
noch zu verbessern, kann diese prinzipielle Anordnung eine Modifikation erfahren
und ergibt dadurch eine für den vorliegenden Zweck äußerst vorteilhafte Kombination,
welche gleichermaßen für die Stadtgaserzeugung aus Erdgas, Kohlengas oder einer
Mischung daraus geeignet ist. Fig. 2 stellt z. B. diese ideale Kombination für die
Erzeugung von Stadtgas aus Erdgas, Fig.3 für die Erzeugung aus Kohlengas dar.
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Diese Anlagen unterscheiden sich von jenen nach Fig. 1 dadurch, daß
man die fühlbare Wärme des konvertierten Spaltgases in einem Wärmeaustauscher7 zur
Vorwärmung des bei 7' eintretenden Oxydationsmittels (Luft, Wasserdampf, Sauerstoff
oder eine Kombination dieser Gase, vorzugsweise für Gaswerkszwecke jedoch Luft allein)
ausnutzt, das im Spaltofen zur Verwendung gelangt. Durch diese Maßnahme erzielt
man neben den vorstehend erwähnten Verbesserungen noch einen besseren Ablauf der
-vIethan-bzw. Homologenspaltung.
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Für die Stadtgaserzeugung gemäß Fig. 2 ergeben sich z. B. folgende
gastechnische Verhältnisse: Gas-Luft-Verhältnis 1 : 2,875, Stadtgasausbeute 2,22
Nm3/Nm3 Erdgas, thermischer Wirkungsgrad 97%, Gaszusatnmensetzung des Mischgases
9,20/0 C02, 1,70/0 CO, 295% H2, 34,4% CH, und 25,2% N2, oberer Heizwert 42oo kcal/Nm3.
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Bei Kohlengasteilstromspaltung gemäß Fig. 3 wird das Kohlengas einem
Entgasungsofen E über einen Kühler und Reiniger K entnommen. Man hat 8,2010 des
Ausgangsgases zu spalten und erhält ein Stadtgas mit folgender Zusammensetzung:
4,6% C02, 23% C"Hm" 6,6% CO, 484% H" 22,1% CH, und 160/0 N2, oberer Heizwert 42oo
kcal/Nm3, Gasausbeute 1,14 M3/m3 Kohlengas, thermischer Wirkungsgrad 980;0.
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Gegenüber der in der Gasindustrie üblichen Stadtgaserzeugung aus Kohlengas
und Generatorgas bzw. Kohlengas und Wassergas mit 13 bis 170/,C O stellt eine Absenkung
des CO-Gehaltes durch Teilstromspaltung und Konvertierung auf 6,6% CO, wie durch
die Anlage nach Fig. 3 erzielbar, bereits einen beachtlichen Fortschritt dar.
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Um nun auch ein praktisch völlig entgiftetes Stadtgas erzeugen zu
können, was jedoch einen apparativen und betriebsmäßigen Mehraufwand bedingt, wird
erfindungsgemäß vorgeschlagen, die Teilstromspaltung und Konvertierung in einer
Anlage gemäß Fig. 4 durchzuführen, die wie folgt arbeitet: Das gereinigte Kohlengas
wird in einem Teilstrom, der 50/0 der Gesamtmenge beträgt, im Spaltofen 3 gespalten
und die fühlbare Wärme im Wärmeaustauscher 8 zur Oxydationsgasvorwärmung benutzt.
Hierauf wird der Kohlengasspaltstrom mit dem restlichen Ausgangsgas bei 1' vermischt,
über einen mit Wasser von 8o° C Temperatur berieselten Sättiger4 geleitet und in
einem Wärmeaustauscher 9 mit Hilfe des nach dem Konverter 5 anfallenden heißen,
entgifteten Stadtgases auf die für die Konvertierung notwendige Temperatur vorgewärmt.
Zusätzlich wird vor dem Eingang in den Konverter 5 eine geringe Kohlengasmenge,
die durch die Zweigleitung io zugeführt wird, zur Aufrechterhaltung der thermischen
Stabilität der Konvertierung im Gasstrom verbrannt, zu welchem Zwecke durch 11 Luft
zugeführt wird. Die Gasausbeute beträgt hierbei z. B. 1,15 m3/m3 Ausgangsgas, die
Gaszusammensetzung ist folgende: 9,1% C02, 2,2% C"H,n, 1% CO, 52% H2, 21,60/0 CH,
und 14,1% N2, der obere Heizwert ist 42oo kcal/Nm3, der thermische Wirkungsgrad
etwa 97%.
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Die Erfindung stellt demnach einen bedeutenden Fortschritt in der
Gaserzeugungstechnik dar und hat technische und damit auch wirtschaftliche Vorteile.
Der technische Fortschritt liegt in der Verbesserung des thermischen Gesamtwirkungsgrades
einer Stadtgaserzeugung, welcher bei Kohlengas-Generatorgas-Grundlage bei gut geleiteten
Werken bei 75 bis 78%, bei Kohlengas-Wassergas-Grundlage bei 7o bis 75% liegt, während
das erfindungsgemäße Verfahren Wirkungsgrade bei Stadtgaserzeugung aus Kohlengas
von 820;0 und aus Erdgas von 970/0 erreichen läßt. Ein weiterer Vorteil ist der
Entfall der Generator-oder Wassergaserzeugungsanlage mit deren bedeutendem, durch
die Verwendung fester Brennstoffe bedingtem Material- und Bedienungsaufwand, während
nach dem erfindungsgemäßen Verfahren infolge der Gaskonvertierung jede mechanische
oder manuelle Arbeit entfällt. Während die bekannten Entgiftungsverfahren eine Verteuerung
des Gases zur Folge hatten, erlaubt die Erfindung die Erzeugung eines weitgehend
CO-freien Stadtgases bei einer Wirtschaftlichkeit, die sogar über jener von Anlagen
liegt, bei denen nicht entgiftet wird. Diese Vorteile werden unabhängig von
der
Größe der Erzeugungskapazität der Gaserzeugungsanlage erzielt.