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Verfahren und Vorrichtung zum Schwelen bzw. Verkoken staubförmiger
Brennstoffe Es besteht in vielen hochindustrialisierten Ländern, vor allem in Deutschland,
ein steigender Mangel an Starkgas, also an Koksofengas bzw. Stadtgas. Das Starkgas
wird für die verschiedensten Zwecke benötigt. Die Erzeugung von weiteren. Mengen
Koksofengas oder Stadtgas wird bekanntlich durch den Mangel an geeigneter Kokskohle
stark gehemmt. Daher müssen für die Sicherstellung des so dringend benötigten Starkgases
andere Wege beschritten werden, und zwar drängt sich Ohne weiteres die Lösung auf,
möglichst alle Brennstoffe, die in erster Linie in Form von nicht backenden Kohlen
verfeuert werden, vor der Verbrennung im Kesselhaus zu entgasen und dieses. Gas
der industriellen Nutzung zuzuführen. Da die modernen Kesselfeuerungen zum überwiegenden
Teil Staubfeuerungen enthalten, liegt es nahe, die nicht bakkenden, in Kesselhäusern
verfeuerten Kohlen zunächst zu vermahlen, dann den Staub zu schwelen bzw. zu verkoken
und den Schwelkoks- bzw. Koksstaub in den vorhandenen Staubfeuerungen unter den
Kesseln zu verbrennen. Dabei wird man natürlich in erster Linie diejenigen Kesselhäuser
umstellen, die verhältnismäßig große Leistungen aufweisen, so. daß' die Anlage einer
vorgeschalteten Schwel- bzw. Verkokungsanlage sich lohnt.
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Bisher hat es an einem geeigneten Verfahren gefehlt, um in größtem
Maßstab und mit billigsten
Kosten, dabei auf betriebssichere Weise
das Schwelen bzw. Verkoken von Kohle in Staubform durch: zuführen. Diesem Mangel
hilft das neue Verfahren, ab, das sich nicht nur für nicht backende Steinkohlen,
sondern auch für Magerkohlen, Lignite, Braunkohlen usw. eignet. Es lassen sich aber
auch backende Steinkohlen: verschwelen bzw. verkoken, wenn sie einer Vorbehandlung
zur Beseitigung der backenden Eigenschaften. unterzogen. werden.. Bekanntlich geschieht
dies durch eine Behandlung des Staubes mit Luft oder Gasen bei nicht zu hohen Temperaturen.
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Das neue Verfahren vermeidet bewußt alle Teile, die empfindlich sind,
vor allen. alle eisernen Wärme:-äustauschflächen., die, selbst wenn sie aus hitzebeständigem
Stahl hergestellt sind, doch nach einiger Zeit zu großen Reparaturen und Ersatzbeschaffungen
Veranlassung geben. Ähnlich wie in einer Kokerei sind hier sämtliche wärmeübertragenden
Flächen als Steinflächen vorgesehen, dabei ist die Wärmeübertragung nicht rekuperativ,
sondern immer regenerativ. Es sind zwei langgestreckte Doppelregeneratoren.ai und
a2 vorhanden (Fig. i), die abwechselnd in Betrieb sind und dann. wieder durch Heizung
bzw. Kühlung in den Anfangszustand zurückversetzt werden. Jeder dieser, beiden Doppelregeneratoren
cri und a2 besteht aus einem oberen regenerativen Teil bi biw. b2 und einem unteren,
regenerativen Teil c, bzw. e2. Zwischen diesen beiden Teilen befindet sich ein leerer
Raum d, b.zw. d2. Die Doppelregeneratoren a, und a2 sind zwei langgestreckte Blechzylinder,
die eine Isolierung und feuerfeste, verhältnismäßig nicht zu starke Ausmauerung
erhalten. Die regenerativen Teile bi, cl, b2, c2 bestehen aus langgestreckten glatten
Kanälen:, die in den Kreisquerschnitt der ausgemauerten Zylinder eingebaut werden
können, und zwar entweder in Form von langgestreckten parallelen Wänden oder in
Form von langen, rechteckigen oder quadratischen. Zügen usw.. Bedingung ist, daß
die Züge möglichst glatt und ohne Vorsprünge sind, so daß an keiner Stelle große
Kohlenstaubmengen hängenbleiben können. Die Steindicke der Auskleidung beträgt 4o
bis ioo mm und mehr an einigen tragenden Konstruktionsteilen,. Die Arbeitsweise
des neuen. Verfahrens ist folgende: DerdurcheineKohlenstaubpumpegeförderteKohlenstaub
wird bei t. durch Ventile s, und s2 entweder in den Apparat a, oder in den Apparat
a2 aufgegeben. Diese Ventile sind so angeordnet und konr struiert, daß beim Umschalten
jedesmal sofort der volle Staubstrom in den betreffenden Apparat fließt. Wenn beispielsweise
s2 geschlossen und si geöffnet ist, tritt der Staub in den Apparat ai ein, verteilt
sich durch eine Verteilvorrichtung im oberen konischen. Teil möglichst gleichmäßig
über den ganzen Kreisquerschnitt und strömt dann in den regenerativen Teilbi ein,
der. seine tiefste Temperatur oben und seine höchste Temperatur unten hat, so daß
sich beim Durchströmen dieses Gemisches aus Fördergas und Kohlenstaub, das weiter
unten aus Fördergas, . gasförmigen Schwelprodukten und Koksstaub besteht, immer
weiter erwärmt, bis am unteren Ende von bi die Schwelung bzw. Verkokung beendet
ist. Der_ .regenerative Einbau bi hat in den -Steinen am oberen Ende mittlere Temperaturen,
die etwa zwischen 200 und 350° C liegen, und im unteren Teil am Austritt liegen
die Steintemperaturen etwa zwischen 700 und iioo° C, je nachdem wie weit
man mit der Schwelung bzw. Verkokung gehen will, d. h. also welche Höchsttemperatur
man bei dem Prozeß zulassen. will. Beim Austritt aus bi fließt das Gasstaubgemisch
durch den freien Raum di hindurch und gelangt in die darunterliegende regenerative
Kühlabteilung ci, die genau so wie bi aus langen, glatten; Kanälen. besteht. c.
hat aber oben die höchsten Temperaturen. und unten die tiefsten Temperaturen, so
daß beim weiteren Hindurchfließen das Gasstaubgemisch sich mehr und mehr abkühlt
und schließlich mit Temperaturen, die je nach der Führung des Prozesses zwischen
i5o und 300° C liegen, unten austritt. Der Apparat ai läuft unten konisch zu, und
das Gass,taubgemisch tritt nun in die Staubabscheidung ein. Dabei kann noch eine
kleine, rekuperativ vorgenommene zusätzlicheAbkühlung vorgesehen werden, die bei
etwas zu hoher Austrittstemperatur noch eine weitere Temperaturerniedrigung des
Gasstaubgemisches vornimmt. Die zusätzliche Abkühlung ist aber nicht unbedingt erforderlich.
Das Gasstaubgemisch kann sofort aus der regenerativen Abkühlungszone ci (bzw. c2)
über das Ventil m, in den ersten Staub-abscheider z eintreten, der nach Art eines
Multiklons ausgebildet ist und das Gas von dem Koksstaub fast vollständig trennt.
Dann kann das Gas ndch in eine Feinstentstaubung x geleitet werden, die zweckmäßigerweise
als Schlauchfilter ausgebildet wird, wobei darauf zu achten ist, daß der Taupunkt
der Dämpfe auf keinen Fall erreicht wird. Schließlich findet-noch' eine Schlußabkühlung
der Gase in einer Waschvorrichtung y statt. Je nach der Art und Menge der beim Schwelen
entstehenden Kohlenwasserstafe kann es sich entv@eder um eine Kühlung oder um eine
Kühlung mit gleichzeitiger Auswaschung der gebildeten Leichtöle und Teere handeln.
Die Ausbildung der Apparatur y hängt also. ganz davon ab, welche Schwel- Lund Verkokungstemperaturen
man anwendet. Entsprechend der Schwelendtemparatur werden sich die gebildeten Kohlenwasserstoffe
mehr oder weniger zersetzen. Nach einer gewissen. Betriebszeit des Apparates a,
wird umgeschaltet, indem s, geschlossen, s2 geöffnet und ferner m, geschlossen und
m2 geÖfnetwird: Derselbe Vorgang, der während einer Zeit von beispielsweise io bis
2o Minuten, aber auch länger oder kürzer iri ai stattgefunden hat, wird nun in den
Apparat cal verlegt. Während dieser Zeit, in, der kein Staub in ai verarbeitet wird,
findet die Aufheizung von bi und Abkühlung von c, statt,. und zwar auf folgende
Weise:. Durch die.Leitung t2 tritt Luft ein und bei geschlossenem Schieber 12 und
geöffnetem Schieber 1i fließt die Luft nunmehr in den unteren, Teil von ci und kühlt
nach oben steigend den. Regenerator ci ab, wobei die Luft sich mehr und mehr erwärmt
und schließlich mit Tempera,-turen zwischen, etwa 400 und 700° C je nach den
Betriebsbedingungen
in den freien Raum dl gelangt. Nun wird aus einer Ringleitung ei über ein Ventil
g1 ein Heizgas eingeleitet, das zusammen mit der aufsteigenden Luft verbrennt und
bei dieser Verbrennung ein. Rauchgas erzeugt, das je nach den einzuhaltenden Betriebsbedingungen.
Temperaturen zwischen etwa 80o und r2oo bis 130o° C besitzt. Dieses Rauchgas steigt
nun von unten in den. Regenerator b1 und heizt ihn von unten her wieder auf. Dann
treten die abgekühlten Rauchgase oben über das Ventil r1 entweder in den Rauchgaskamin
aus bzw. können sie für die Vorwärmung des Heizgases bzw. von Wasser zur Speisung
des Kessels k, falls ein solcher vorgesehen wird, ausgenutzt werden. Nachdem eine
Zeitlang a-1 im oberen Teil vorgeheizt und im unteren Teil abgekühlt wurde, wird
wieder umgeschaltet, und. nunmehr tritt der Vorgang der Schwelung und nachfolgenden.
Kühlung der Sch"velprodukte wiederum in den Apparat a1 über. Während dieser Zeit
wird der Apparat a2 vorgewärmt, indem die Luft aus t2 über 12 unten eintritt, den
Regenerator c2 wieder abkühlt, wobei die Luft sich erwärmt und durch Zusatz von
Heizgas aus der Ringleitung e2 wieder heißes Rauchgas erzeugt wird, das, von unten
nach oben steigend, den Regenerator b2 wieder aufwärmt. Um an den Wandungen hängengeb
liebene kleine Staubreste vor dem Reizvorgang zu beseitigen, kann durch. das Ventil
n1 bzw. n2 kurz nach Unterbrechung der Staubzuführung ein kurzer Dampfstoß gegeben
werden, der den. hängengebliebenen Staub zusammen. mit den Schwelgasen aus dem inneren
Raum von a1, also aus den Regeneratoren b1 und cl, heraustreibt und. in die Staubabscheidung
bringt, wo er ebenfalls bei p wie der übrige Koksstaub der Verwen, dang zugeführt
wird. Die Förderung des Staubes in der Leitung t1 geschieht zweckmäßigerweise mit
im Kreislauf umlaufendem Schwelgas.
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Wenn. die Schwelung bei verhältnismäßig tiefen Temperaturen vorgenommen
wird, so, daß die Schwelprodukte in die Regen.eratoren cl und c2 ebenfalls mit tiefen
Temperaturen gelangen und da durch die Luft auch nicht sehr hoch vorgewärmt werden,
kann, ist es nötig, für die Zündung zu sorgen, wenn, durch die Ventile b1 und g2
das erste Heizgas zugeführt wird. Dies kann durch einen oder mehrere kleine Zündbrenner
geschehen, die immer heiß gehalten werden und beim Zünden hochheiße Gase an die
Mischstelle zwischen vorgewärmter Luft und Heizgas geben. Da das Heizgas durch eine
meistens große Anzahl Düsen fein verteilt in den Raum dl bzw. d2 eintritt, genügt
es, an. einer Stelle die Zündung vorzunehmen.
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Es besteht nunmehr die Möglichkeit, die Leistung eines Apparates a,1-a2
bestimmter Größe zu steigern, wenn man dem Fördergas, das bei t1 zusammen mit dem
Kohlenstaub eintritt, Sauerstoff oder sauerstoffhaltige Gase zusetzt. Der Zusatz
der sauerstoffhaltigen Gase geschieht derart, daß man mit Sicherheit unterhalb der
Explosionsgrenze bleibt. Außerdem wird man den Zusatz direkt vor den Schiebern.
s1 und s2 vornehmen. Es handelt sich also dabei nur um Sauerstoffkonzentrationen
im Fördergas, die. bei einigen Prozenten liegen, aber ausreichen, um eine zusätzliche
Reaktionswärme durch innere Verbrennung des Sauerstoffs zusammen. mit dem Fördergas
bzw. dem Schwelgas zu erzeugen.. Da bei dieser Art der Schwelung keine Luft von
außen eindringen kann, denn die Regeneratoren befinden sich innerhalb eiserner Mäntel,
kann man gegebenenfalls auch etwas Luft zugeben und erreicht dann Stickstoffgehalte,
die nicht höher liegen als beim gewöhnlichen Koksofengas.
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Wie bereits erwähnt, kann man nach. dem neuen Verfahren sämtliche
Kohlen in Staubform schwelen bzw. verkoken, wobei stark backende Kohlen der bekannten
Vorbehandlung bei mäßigen Temperaturen mit sauerstoffhaltigen Gasen unterzogen werden
müssen, die außerhalb des eigentlichen Schwelapparates entsprechend Fig. 1 vorgenommen
wird. Das Verfahren gemäß der Erfindung hat den. Vorteil großer Leistungsfähigkeit.
Man kann in Appa raten von. 4 bis 4,5 m Durchmesser und Gesamtlängen von
30 bis 4o m Kohlenmengen schwelen, die denjenigen einer großen Kokerei entsprechen.
Dabei kann man auch die Schwelung mehr oder weniger zweit treiben, je nachdem wie
man das Schwelgas erhalten will und wie die Verhältnisse in dem betreffenden nachgeschalteten.
Kesselhaus liegen. Man kann, entweder bei verhältnismäßig hohen Temperaturen sehr
weit schwelen, erzeugt dann eine Art Sch`,velgas mit wenig schweren Kohlenwasserstoffei
ohne größere Mengen Teer und höchstens nur finit Kohlen.wasserstoffen von Benzin.-oder
Benzolcharakter, oder man kann einen sehr reaktionsfähigen Koks herstellen bei gleichzeitiger
Erzeugung eines Gases mit viel schweren. Kohlenwasserstoffei, also mit viel Teer,
durch Anwendung tieferer Temperaturen beim Schwelen.
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Das Verfahren selbst ist einerseits sehr anpassungsfähig und andererseits
unempfindlich.. Kleine Mengen von Staub, die in den unteren Regeneratoren trotz
des Ausblasens mit Dampf zurückbleiben, verbrennen in dem mittleren: freien Raum,
und die Asche fliegt durch die Züge der oberen Regeneratoren mit hindurch. Infolge
der niedrigen Temperaturen kommt es nicht zu einem Schmelzen. oder Anbacken der
Asche. Da der Wärmeübergang regenerativ ist, so ist auch kein. Verschmutzen der
Heizflächen zu befürchten wie bei der rekuperativen Wärmeübertragung.
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Wenn im Betrieb verhältnismäßig hohe Temperaturen angewendet werden.,
um möglichst viel Gas zu erzeugen, so kann es sein, daß der Heizwert etwas niedriger
wird als beim normalen Koksofengas. In diesem Falle kann, man durch Karburierung
eines Teils des Gases eine entsprechende Anreicherung mit Kohlenwassers.toffen erreichen..
Eine andere Möglichkeit besteht darin, aus Betrieben, die methanreiche Gase abgeben
können, wie z. B. Stickstoffwerke, Hydrierwerke, Fischer-Tropsch, Werke usw., derartige
Kohlen.wasserstoffe zuzugeben und damit den Heizwert des erzeugten Schwelgases normgerecht
zu machen. Wendet man jedoch tiefere Temperaturen beim Schwelen an, so erhält man,
ein Gas, das einen normgerechten Heizwert
hat. Dabei muß berücksichtigt
-werden, daß das Gas fast vollständig stickstofffrei hergestellt wird, denn ein
Nachsaugen von Stickstoff, wie bei einer Koksofenbatterie, ist bei der Art des Verfahrens
nicht möglich, und man kann beim Umschalten, auf Schwelen, in a1 und a2 Luft und
Rauchgase durch einen kurzen Dampfstoß von unten ausblasen.
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Es ist selbstverständlich, da,ß die einzelnen Ventile bzw. Schieber
automatisch betätigt werden. Das neue Verfahren läßt sich sehr gut komhin.ieren
mit dem Betrieb einer Gaserzeugung, die insbesondere staubförmige Brennstoffe für
die Gaserzeugung benutzt. In diesem Falle wird das Verfahren etwas abgewandelt,
entsprechend Fig. 2, indem der obere und untere Regenerator in je einem übereinanderliegenden
geschlossenen, Gefäß untergebracht werden. Dabei sind die Regeneratoren b1 und cl
bzw. b2 und c2 mittels kpnischer Anschlußstücke und Schieber j1 und j2 miteinander
verbunden. Die Arbeitsweise ist nunmehr folgende: Die Abgase aus der Gaserzeugung
E, die je nach der Betriebsweise und der Kohlenart mit goo bis i2oo° C austreten,
gelangen, wenn, beispielsweise die Seite cal zum Schwelen dient und die Seite a2
sich in. Vorbereitung befindet, durch den offenen Schieber f2 in den Unterteil von
a2, durchziehen von untern nach oben den Regenerator b2, indem sie ihn aufheizen,
und gelangen dann durch den offenen Schieber r2 in die Staubabscheidung i zur Entfernung
des Reststaubes aus der Vergasung und dann weiter in, den Wäscher y1, wobei die
abgekühlten erzeugten Gase bei w1 austreten. Der Schieber j2 ist dabei geschlossen,
so daß bei t2 eintretender Dampf, der über das offene Absperrorgan 12 in den Unterteil
von c,2 gelangt, von unten nach oben den Regenerator c2 abkühlt und dann durch Schieber
h2 in die Gaserzeugung E gelangt, um hier den größten Teil bzw. den ganzen: Dampf
für die Gaserzeugung zu liefern., und zwar vorgewärmt auf Temperaturen, die je nach
der Betriebsweise des Schwelvorganges zwischen 4oo und 700° C liegen. In der Gaserzeugung
selbst braucht man dann nur noch entweder den restlichen Dampf vorzuheizen bzw.,
falls man Schwachgas erzeugt, wird nur die. Luft in besonderen Rkegeneratoren. vorgeheizt,
und zwar so hoch, daß die etwas niedrigere Temperatur des. mit der Abwärme der unteren
Regeneratoren cl und c2 vorgewärmten Dampfes ausgeglichen wird. Man, wird also beispielsweise
die Luft auf i2oo° C vorwärmen, so daß sich im Mittel eine Mischtemperatur des Vergasungsmittels
beim Eintritt in E von. etwa 70o bis goo° C ergibt.
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Die Schweleng im Apparat a.1 geschieht so, da.ß der Kohlenstaub- bei
t1 durch eine Staubpumpe gefördert wieder eintritt und über das offene Ventil s1
im Konus gut verteilt oben in den. Regenerator b1 gelangt. Nach unten, strömend
findet wieder die Schweleng statt, und dann kommt das Gemisch aus Gas und abgeschweltem
Staub in den unteren Konus des oberen Zylinders und über das offene Ventil j1 nunmehr
über eine weitere Verteilung im Konus des unteren Zylinders in den Oberteil von
cl. In den Kanälen von cl findet beim Durchströmen nach unten. wiederum die Abkühlung
des Gemisches statt, so daß dieses abgekühlt über das offene Ventil m1 austritt
und dann wie bei Fig. i weiterfließt, und zwar unter Umständen noch durch, eine
Abhitzeverwertung k und dann in die Staubabscheidung und Restwäsche. Wie bei Fig.
i findet auch die entsprechende Schaltung der Ventile in, automatischer Weise statt.
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Eine weitere Möglichkeit ergibt sich dann, wenn man die Ventile il
und j2 auf jeden Fall fortlassen will. In, diesem Falle wird der mittlere Teil der
Apparate a1 und a2 ausgebildet entsprechend Fig. 3, wo der mittlere Teil von a1
gezeichnet ist. Es. wird nunmehr für die Förderung des Kühldampfes. ein Heißgebläse
vorgesehen.. Dies kann man vor allen Dingen dann durchführen, wenn man mit niedrigen
Schweltemperaturen. arbeitet und die Erhitzung des Dampfes nicht höher treibt als
40o bis. 500° C, allerhöchstens 55ö° C. Bei dieser Arbeitsweise spart man nun die
in der Mitte gelegenen Konusse und die Absperrventile j1 und j2 in der Mitte. Es
tritt (Fig. 3) .wohl bei f1 über den offenen Schieber das Abgas aus der Gaserzeugung
ein und fließt nach oben durch den -Regenerator b1, aber gleichzeitig wird durch
das offene Ventil hl der Kühldampf, der von untern kommend durch cl geflossen, war,
abgesaugt und in die Gaserzeugung gedrückt. Es kann durch ein kurzes Regeneratorstück
o1 dafür gesorgt werden, daß ein, kleinerer zusätzlicher Widerstand in der Mitte
vorhanden ist, der das Mischen von Dampf und Abgas verhindert. Im übrigen wird durch
die Menge des -abgesaugten Dampfes. dafür gesorgt, daß nicht zu viel Dampf durch
o1 nach oben strömt. -Das Verfahren entsprechend Fig.2 läßt sich ebenfalls sehr
gut für die Schweleng nicht backender Steinkohlen durchführen: Auch backende Steinkohlen
können. nach entsprechender Vorbehandlung verwendet werden. Bei der Art der Kombination
nach Fig. 2 kann man den Reststaub aus der Gaserzeugung E, falls dieser noch genügend
Kohlenstaub. besitzt, mit dem bei p anfallenden. Schwelstaub@ zusammenmischen und
die Mischung beider Staubarten im Kraftwerk verfeuern.
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Das. neue Verfahren ermöglicht sehr gut, die Schweleng unter erhöhtem
Druck vorzunehmen, also bei mehreren Atmosphären zu' arbeiten. Da die Apparatur
aus langgestreckten, verhältnismäßig schlanken Zylindern besteht, kann bei entsprechenden
Wanddicken. die ganze Apparatur unter Überdruck gehalten. werden. Dies findet vor
allen Dingen Anwendung auf die Arbeitsweise entsprechend Fig. i, also ohne die Kombinierung
mit einer Gaserzeugung.
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Das neue Verfahren hat den großen Vorteil, die Schweleng bzw. Verkokung
mit dem besten Wirkungsgrad, also mit dem kleinsten. Wärmeaufwand vorzunehmen. Es
werden einmal die zum Heizen benutzten Rauchgase weitgehend, abgekühlt und andererseits
werden auch die Schwelprodukte, Schwelkoks und die Schwelgase, innerhalb der Apparatur
abgekühlt und die in diesen Produkten. vorhandene fühlbare Wärme im Interesse des
Prozesses
ausgenutzt. Auch die gleichzeitige Sch-,velung und Vergasung
ist vorteilhaft, da die ganze fühlbare Wärme der Abgase, die bei Staubvergasungsverfahren
sonst vorwiegend für die Dampferzeugung benutzt wird, hier innerhalb des Schwelprozesses
eine erheblich bessere Verwendung findet.