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Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung eines heizwertreichen Gases
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung
eines heizwertreichen Gases, insbesondere eines Gases mit Stadtgaseigenschaften,
wobei gasförmige Kohlenwasserstofe, insbesondere Propan, Butan oder deren Homologe,
mit gas- bzw. dampfförmigen Reaktionsmedien, wie Luft, Wasserdampf bzw. einem Gemisch
von beiden, umgesetzt werden.
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Es ist bekannt, Kohlenwasserstoffe zusammen mit Luft oder Wasserdampf
oder mit einem Gemisch von. beiden durch eine glühende Koksschicht zu leiten, um
eine Spaltung der Kohlenwasserstoffe in Kohlenoxyd und Wasserstoff zu erhalten.
Gleichzeitig finden dabei auch Reaktionen zwischen dem Koks einerseits und der Luft
und dem Wasserdampf andererseits statt unter Bildung von weiteren Mengen Kohlenoxyd
und Wasserstoff neben einem gewissen Anteil Kohlensäure. Die Spaltungsreaktion verläuft,
wenn man beispielsweise Propan als Kohlenwasserstoff verwendet, nach. der Gleichung:
C3 H$ -I- 6 H2 O = 3 C 02 -I- i o H2.
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Diese Reaktion ist endotherm und benötigt 4103 kcal je Nms umgesetztes
Propan. Das sich bei dieser Reaktion bildende Kohlendioxyd reagiert mit dem Kohlenstoff
des glühenden Koksbettes nach der Gleichung: 3C02-1-3 C=6 CO, wobei je 3 Nms umgesetztes
Kohlendioxyd etwa 5i51 kcal Wärme verbraucht werden. Insgesamt
lassen
sich also aus je 1 Nm3 Propan 16 Nm3 Spaltgas herstellen bei einem Gesamtwärmeverbrauch
von etwa 92ä4 kcal.
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Verwendet man statt Propan andere Kohlenwasserstoffe, wie beispielsweise
Butan oder auch ein Gemisch von solchen, so ergeben sich analoge Verhältnisse.
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Den für die Reduktion der aus der Umsetzung des Propans mit Wasserdampf
gebildeten Kohlensäure zu Kohlenoxyd benötigten Kohlenstoff stellt das glühende
Koksbett zur Verfügung, durch das das Reaktionsgemisch geleitet wird.
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Von diesen bekannten Gesetzmäßigkeiten sind alle Versuche ausgegangen,
Kohlenwasserstoffe, insbesondere die sogenannten Flüssiggase, wie Propan und Butan,
in Starkgas bzw. Stadtgas zu überführen. Diese Versuche sind vor allen Dingen durch
die Notwendigkeit ausgelöst worden, eine relativ billige Quelle. für den Spitzengasbedarf
zu finden. Spitzengas, d. h. das Gas, das bei einem beträchtlich über dem Durchschnittsverbrauch
liegenr den Verbrauch abgegeben werden muß, z. B. bei lang andauernden Frostperioden,
ist dann sehr teuer, wenn es auf die normale Weise in Gaswerken oder Kokereien .durch
Destillation von Steinkohle erzeugt wird, weil die für den Spitzengasbedarf ausgelegten
Anlagen eben nur in Zeiten solchen erhöhten Bedarfs voll ausgenutzt, werden können.
Es kommt noch hinzu, daß die Gaserzeugung in Kokereien und Gaswerken immer mit der
gleichzeitigen Erzeugung einer äquivalenten Menge Koks gekoppelt ist, was nicht
immer erwünscht ist.
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Es ist nun schon vorgeschlagen worden, normale Gasgeneratoren, wie
sie für die Erzeugung von Gerieratorgas oder Wassergas verwendet werden, z. B..
Drehrostgeneratoren, statt mit Luft bzw. einem Gemisch von Luft und Wasserdampf,
mit einem Gemisch aus Propan, Luft und Wasserdampf zu beaufschlagen, um ein heizwertreiches
Gas zu gewinnen. Es ergeben sich dabei aber mehrere Schwierigkeiten. Eine erste
Schwierigkeit besteht darin, daß bei der Einführung des Gemisches aus Propan, Luft
und gegebenenfalls Wasserdampf in der üblichen Weise unter den Rost des Generators
die Reaktion zwischen Propan und Luft bereits einsetzt, nämlich bei etwa 51o°; ehe
das Gasgemisch die eigentliche Reaktionszone, in der der Koks mit der Luft reagiert,
erreicht hat. Dadurch treten unter Umständen so hohe Temperaturen in der Schlackenzone
auf, daß die Schlacke zusammenschmilzt, wodurch der kontinuierliche Betrieb des
Generators zum Erliegen kommt.
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Eine weitere Schwierigkeit, die bei der Verwirklichung des Vorschlages
auftritt, ist die, daß, wenn man das Gemisch aus Propan, Luft und Wasserdampf so
wählt, daß der Wärmebedarf der Reaktionen durch die Verbrennung von Koks. mit Luft
gedeckt wird, ein Gas entsteht, welches zwar einen beträchtlich höheren Heizwert
als gewöhnliches Generator- bzw. Wassergas besitzt, welches andererseits aber wegen
seiner verhältnismäßig hohen relativen Dichte nur mit Koksofengas verschnitten werden
kann, um bezüglich des Heizwertes und der relativen Dichte auf Stadtgasqualität
gebracht zu werden. Man würde also in einem solchen Fall wieder zusätzliches Koksofengas
benötigen und dieses nur unter gleichzeitiger Erzeugung von Koks zur Verfügung haben.
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Schließlich sei auch noch eine dritte Schwierigkeit erwähnt, die darin
begründet ist, daß, wenn man die Luftmenge so bemißt, daß die für die endothermen
Reaktionen benötigte Wärme voll aus der Verbrennung von Koks mit Luft gedeckt wird,
der Propananteil an der Gas-Luft41ischung etwa 7,4°/o beträgt. Dieser Wert liegt
aber in unmittelbarer Nähe des Explosionsbereichs von Propan-Luft-Gemischen (2,2
bis 7,3°/o Propangehalt).
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Um diese Schwierigkeiten zu umgehen, verfolgt die vorliegende Erfindung
den Leitgedanken, die für die endothermen Reaktionen benötigte Wärme bei der Spaltung
von Propan innerhalb eines glühenden Koksbettes ganz oder teilweise aus einer anderen
Quelle zu decken, uln den Bedarf an Luft gegebenenfalls bis auf Null herabzusetzen.
Enthält das in den Generator einzuführende Umsetzungsgemisch nur verhältnismäßig
wenig Luft, so läßt sich die Umsetzungszone, in der die Reaktion zwischen . Propan
und Luft erfolgt, hinreichend weit von der Schlackenzone entfernt aufbauen. Ferner
entsteht dann, wie noch gezeigt werden wird, ein Gas, welches eine so geringe relative
Dichte hat, daß es mit einem schweren, heizwertreichen Gas, z. B. Propangas, selbst
verschnitten werden kann, und außerdem macht dann der Propanantail an dem Luft-Propan-Gemisch
so, viel aus, daß das Gemisch oberhalb der oberen Explosionsgrenze liegt.
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Dieser Grundgedanke der Erfindung wird in der Weise verwirklicht,
daß das Gemisch aus Kohlenwasserstoff gegebenenfalls einer beschränkten Menge Luft
und Wasserdampf von unten in ein sich als Ganzes abwärts bewegendes glühendes Koksbett
eingeleitet und die für die mit der Spaltung des Kohlenwasserstoffes ablaufenden
Reaktionen benötigte Wärme ganz oder zu einem wesentlichen Teil durch elektrischen
Ström erzeugt wird, wobei der elektrische Strom in einer mittleren Zone zwischen
der Koksaufgabe- und der Koks- bzw. Aschenabzugseinrichtung in den Gaserzeuger eingeführt
wird.
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Es ist zwar an sich: bekannt, Kohlenwasserstoffe in der Weise zu spalten,
daß man die Kohlenwasserstoffe durch einen; mittels elektrischen Stromes erhitzten
Spaltraum führt. Die Spaltung erfolgt dabei in Gegenwart von Katalysatoren, deren.
Zweck es ist, die Spaltprodukte in Benzinkohlenwasserstoffe umzuwandeln. Die vorliegende
Erfindung hat jedoch die Erzeugung eines Brenngases zum Ziel, welches zum größten
Teil aus Wasserstoff und Kohlenoxyd besteht und lediglich so viel niedrigmolekulare
Kohlenwassersroffe, insbesondere Methan, enthält, daß derHeizwertdesSpaltgases inetwa
dem Heizwert des üblichen Stadtgases entspricht.
Bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren wandert der Koks von oben nach unten. durch den Gaserzeuger hindurch und
wird aus dem Gaserzeuger trocken ausgetragen, anschließend von den Aschebestandteilen
durch eine Siebung befreit und wieder in den Gaserzeuger eingeführt, wobei es nicht
notwendig ist, den. Koks auf seinem Wege von der Austragein.riohtung bis zur Au.fgabeeinrichtung
völlig abzukühlen. Bei seinem Durchgang durch den Gaserzeuger wird der Koks nur
so weit verbraucht; als es zur Reduktion der Kohlensäure zu Kohlenoxyd und zur Deckung
des Wärmebedarfs, der nicht durch den elektrischen Strom zur Verfügung gestellt
wird., notwendig ist. Wird die gesamte für die endotherm-en Reaktionen benötigte
Wärme durch den elektrischen Strom erzeugt, so tritt Koksverbrauch nur ein für die
Reduktion der Kohlensäure zu Kohlenoxyd und gegebenenfalls für Verluste durch Strahlung
-usw.
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Es sei noch bemerkt, daß der Koks selbst eine katalytische Wirkung
insofern ausübt, als er die Umsetzungsreaktionen beschleunigt. Das Gemisch aus Propan,
Luft und Wasserdampf kann mit einer Temperatur von wenig über ioo° zugeführt werden.
Es ist aber auch möglich, das Gemisch mehr oder weniger stark vorzuwärmen, beispielsweise
durch Wärmeaustausch mit dem erzeugten Nutzgas.
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Es ist klar, daß durch die Anwendung von elektrischem Strom ein zusätzliches
Kostenelement in die Gaserzeugung hineingelangt. Dieses Kostenelement wirkt sich
aber in der Praxis nur wenig, wenn überhaupt aus, weil auf den meisten Kokereien
bzw. Gaswerken eine verhältnismäßig billig arbeitende Stromerzeugungsanlage zur
Verfügung steht; vor allem aber auch deshalb, weil der Gaserzeuger nunmehr einen
beträchtlich verringerten Brennstoffbedarf hat. Dieser verringerte Brennstoffbedarf
äußert sich natürlich zum Teil in den Erzeugungskosten für den elektrischen Strom.
Es kommt jedoch als weiteres vierbilligenderes Moment hinzu, daß der Gaserzeuger
wegen des vergleichsweise geringen spezifischen Koksdurchsatzes sehr klein gehalten
werden kann, wodurch die Bau-und Betriebskosten unter Umständen beträchtlich verringert
werden.
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So ist es beispielsweise möglich, wenn man ioo ooo m3 Gas mit einem
oberen Heizwert von etwa 3040 WE aus $90o m3 Propan nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
ohne Verwendung von Luft, d. h. mit ausschließlicher Wärmeerzeugung durch Elektrizität
herstellt, man hierfür nur 950o kg Reinkoks benötigt. Für die Herstellung der gleichen
Menge Generatorgas mit einem oberen Heizwert von etwa 1200 WE werden jedoch in normalen
Drehrostgeneratoren etwa 26 ooo kg Rei.nkoks benötigt. Ohne Berücksichtigung des
Unterschiedes in den Heizwerten vermag also ein -Gaserzeuger, der in der erfindungsgemäßen
Weise mit elektrischem Strom arbeitet, bei bestimmten Abmessungen etwa dreimal soviel
Gas je Gewichtseinheit Koks erzeugen als ein gewöhnlicher Drehrostgenerator bei
der Generatorgaserzeugung. Berücksichtigt man den Unterschied in den Heizwerten
der erzeugten Gase, so werden die Verhältnisse noch weiterhin um den Faktor 2,5
zugunsten des erfindungsgemäßen Verfahrens verschoben. Es ergibt sich also daraus,
daß man bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit verhältnismäßig kleinen
und deshalb billigen Einheiten auskommen kann. Beispiel In einen mit glühendem Koks
gefüllten senkrechten Schachtofen, der an seinem oberen Ende mit einer Koksaufgabevorrichtung
und einer Garabzugseinrichtung und am seinem unteren Ende mit einer trockenen Koks-
bzw. Aschenaustragung ausgerüstet ist, wird von unten ein Gemisch aus Propangas
und Wasserdampf mit einer Temperatur von etwa ioo° eingeleitet. In einer gewissen
Höhe oberhalb der Austragungsvorrichtung sind in der Schachtwandung Elektroden angeordnet,
an die eine elektrische Spannung angelegt wird, so daß über den als Heizwiderstand
wirkenden heißen Koks ein .elektrischer Strom zwischen den Elektroden fließt. Die
Elektroden können beispielsweise gemäß Patent 889 487 oder auch in einer
anderen geeigneten Weise angeordnet sein.
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Der Koks wird mit einer bestimmten Geschwindigkeit durch den Generatorschacht
geführt. Das eingeblasene Gemisch aus Propan und Wasserdampf erhitzt sich an dem
absteigenden Koksaschegemisch im unteren Teil des Schachtes und stößt beim Aufsteigen
durch den Schacht auf heißen Koks, wo die Umsetzung zwischen Propangas und Wasserdampf
bei einer Temperatur von etwa 80o° erfolgt. Die dabei entstehende Kohlensäure gelangt
zusammen mit dem Nutzgas dann in die Ebene der Elektroden, in der eine wesentlich
höhere Temperatur herrscht. Dort findet dann die Reduktion der Kohlensäure mit dem
Kohlenstoff des Kokses-zu Kohlenoxyd statt, während das Gas selbst praktisch unverändert
bleibt. Auf diese Weise lassen sich aus i Nm3 Propan 16 Nm3 Spaltgas herstellen,
das im wesentlichen aus etwa 6z,5 % Wasserstoff und 37,5'°/o Kohlenoxyd besteht.
Bei geeigneter Führung des Betriebes läßt sich der Kohlensäuregehalt des Spaltgases
so klein halten, daß er hier nicht berücksichtigt zu werden braucht. Der Kohlenstoffverbrauch
je durchgesetztes Nm3 Propangas beträgt etwa 1,6 kg. Unter Berücksichtigung der
Verluste durch Strahlung od. dgl. ergibt sich -ein Wärmebedarf von etwa io i50 WE
entsprechend 12 kWh je Nm3 durchgesetztes Propan.
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Das, erzeugte Gas hat eine Verbrennungswärme von rund 30q.0 WE und
ein Dichteverhältnis, bezogen auf Luft, von o,q.o6. Das auf diese Weise erzeugte
Spaltgas würde sich also ausgezeichnet als Zusatz zu Koksofengas eignen. Man kann
aber auch direkt ein normgerechtes Stadtgas hersteller% wenn man dem erzeugten Spaltgas
eine gewisse Menge Propangas zumischt. Unterlegt man eine Verbrennungswärme des
Stadtgases von 4300 WE, so muß man je ms erzeugten Spaltgases etwa
o,o6
ms Propangas zusetzen, so daß also das Mischgas, zu 9q.°/0 aus Spaltgas und 6"/o
aus Propangas besteht. Das Dichteverhältnis des Mischgases beträgt 0,475, liegt
also innerhalb der Normgrenzen für Stadtgas.
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Erzeugt man die für die endothermen Reaktionen in dem Gaserzeuger
benötigte Wärme nur teilweise durch elektrischen Strom und zum Teil durch die Verbrennung
von Koks mit Luft innerhalb .des Gaserzeugerschachtes, so ergibt sich je nach dem
Verhältnis zwischen Elektrowärme und durch Verbrennung erzeugter Wärme ein Nutzgas
dessen oberer Heizwert geringer und dessen Dichteverhältnis höher ist als bei der
ausschließlichen Verwendung von Elektrowärme. Durch Verschneiden mit geeigneten
Gasen, wie Flüssiggas, Koksofengas oder auch Restgas - z. B. aus der Hydrierung,
läßt sich das erzeugte Gas in den meisten Fällen als Ersatz für Stadtgas verwenden.