NO152450B - Fremgangsmaate ved fremstilling av et fast koksprodukt fra et forkoksbart tilfoerselsmateriale - Google Patents

Description

I hovedpatentet nr. 148 379 er beskrevet en fremgangsmåte ved anrikning av kull av lignittypen, omfattende brunkull, lignitt og underbituminøse kull, for å gjøre dem bedre egnede som fast brensel som et resultat av termisk restrukturering av kullene, under erholdelse av et anriket carbonholdig produkt som er stabilt, motstandsdyktig overfor atmosfærisk innvirkning og med øket varmeverdi, tilnærmet som for bituminøst kull. Ved denne prosess kan de store leier av kull av lignitt-typen i USA omvandles til nyttig brensel og gi en potensiell løsning på den foreliggende energikrise.

Foruten de store avsetninger av kull av lignittypen i USA dannes store mengder av materialer av cellulosetypen, både naturlig forekommende materialer, som torv, og dessuten vrakmaterialer fra tømmerdrift og fra landbruket, hvert år og foreligger i en form som er uegnet for effektiv utnyttelse som kommersielt brensel. Slike store mengder av celluloseholdige materialer, som sagmugg, bark, treavfall, grener og fliser fra tømmerdrift, og dessuten forskjellige landbruksvrakmaterialer, som bomullsplantestilker og lignende, har hittil representert et avfallsdeponeringsproblem.

Det har derfor lenge foreligget behov for en fremgangsmåte for å omvandle slike celluloseholdige materialer til verdifulle brensel-produkter, slik at det ikke bare fås en potensiell løsning på brenselknappheten og den foreliggende energikrise, men også slik

at utgiftene forbundet med deponering av slike vrakmaterialer fjernes.

Foruten de ovennevnte problemer har føderale forskrifter

og dessuten statsforskrifter i USA, som vedtatt av "Environmental Protection Agency", og dessuten av staten California, innført forholdsvis strenge begrensninger for den svovelmengde i brenseloljer som kan forbrennes i offentlige anlegg for produksjon av elektrisistet og dampenergi. De for tiden gjeldende EPA-for-skrif ter tillater et maksimalt svovelinnhold pr. kg brenselolje av ca. 0,7%, mens det i staten California er blitt innført forskrifter som begrenser svovelinnholdet til høyst 0,3% svovel i visse områder. For å tilfredsstille disse forskrifter har det hittil vært nødvendig å blande brenseloljer produsert i USA med forholdsvis høyt svovelinnhold med brenselolje med lavt svovelinnhold importert fra oversjøiske land, for å erholde en rest-

blanding med et svovelinnhold innenfor de tillatelige grenser. Den høye pris på slike importerte brenseloljer med lavt svovelinnhold gjør at denne praksis ikke bare er kostbar, men den øker også USA's avhengighet av utenlandske oljekilder. Det ovennevnte problem overvinnes ved den foreliggende oppfinnelse som tilveie-bringer et kokslignende produkt med meget lavt svovelinnhold og lavt askeinnhold og som efter nedmaling kan blandes med brenselolje med høyt svovelinnhold, slik at det fås en flytende oppslemningsblanding som tilfredsstiller de offentlige forskrifter for svovelinnholdet.

Oppfinnelsen angår således en fremgangsmåte ved fremstilling av et fast koksprodukt fra et forkoksbart tilførsels-materiale, hvor tilførselsmaterialet oppvarmes i en autoklav ved en temperatur av 398-677°C og ved et trykk av 70,3-232,0 kg/cm<2>, og hvor trykket efter behandlingen i autoklaven oppheves ved arbeidstemperaturen, hvorefter reaksjonsproduktet avkjøles og det anrikede faste koksprodukt utvinnes, ifølge norsk patent 148379, og fremgangsmåten er særpreget ved at som det forkoksbare til-førselsmateriale anvendes celluloseholdige materialer, fortrinnsvis torv, avfallsmaterialer fra landbruket, avfallsmaterialer fra skogbruket eller blandinger derav, og ved at behandlingen i autoklaven utføres i tilstrekkelig tid til å omvandle fuktighetsinnholdet og i det minste en del av de flyktige organiske bestanddeler i tilførselsmaterialet til en gassformig fase og til å bevirke en delvis termisk restrukturering av tilførselsmaterialets kjemiske struktur og en forandring av dets kjemiske sammensetning under erholdelse av et fast koksprodukt som eventuelt nedmales til ønsket partikkelstørrelse ba som eventuelt efter nedmaling til en partikkelstørrelse under 2 97^um blandes med en brenselolje i en mengde av 1-50 vekt% koksprodukt, basert på den samlede vekt av blandingen, under erholdelse av en flytende oppslemning av fast koksprodukt og brenselolje.

Den gassformige fase som dannes under autoklavbehandlingen, fjernes og den ikke-kondenserbare del derav gir en brenselgass som kan utvinnes og anvendes for oppvarmingen av tilførselsmaterialet ved utførelsen av fremgangsmåten. Det fremstilte faste koksprodukt avkjøles efter autoklavbehandlingen til en temperatur som er tilstrekkelig lav til at det kan utsettes for atmosfærisk innvirkning uten at det forbrennes, og det kan nedmales ytterligere efter behov for erholdelse av et partikkelformig brensel.

Ifølge den foreliggende oppfinnelse kan koksproduktet erholdt ved autoklavbehandlingen nedmales til en partikkelstørrelse av under 297 ^,um, fortrinnsvis til en partikkelstørrelse under 7<4>^um, hvorefter det blandes med en brenselolje med høyt svovelinnhold i en mengde som kan variere fra en så liten mengde som 1 vekt%

og opp til en så stor mengde som 50 vekt% av den samlede blanding, under erholdelse av en flytende oppslemning. Egenskapene til den partikkelformede koks gjør det mulig å fremstille stabile suspen-sjoner uten tilsetning av kjemiske suspensjonsmidler, og det lave svovelinnhold av bare ca. 0,1% og et askeinnhold av bare 1-4% gir en tilfredsstillende brenselblanding.

Oppfinnelsen vil bli nærmere beskrevet under henvisning til tegningen som viser et flytskjema for en foretrukken utførelses-form av den foreliggende fremgangsmåte.

Den trinnrekkefølge som den foreliggende fremgangsmåte omfatter, er skjematisk vist ved flytskjemaet på tegningen. Det fremgår av denne at et celluloseholdig tilførselsmateriale eller en blanding av forskjellige celluloseholdige tilførselsmaterialer innføres i et forbehandlingstrinn hvori tilførselsmaterialet utsettes for en egnet opprivning, pulverisering og sikting slik at det fås et tilførselsmateriale med den ønskede partikkelstørrelse, hvorefter det nedmalte tilførselsmateriale innføres i en reaktor med høy temperatur og høyt trykk hvori det utsettes for varme under trykk for å ekstrahere dets fuktighetsinnhold og dets flyktige organiske bestanddeler og dets termiske spaltningsprodukter under omvandling til en gassformig fase og for ytterligere å bevirke en regulert termisk restrukturering av det carbonholdige tilførsels-materiales kjemiske struktur. De gassformige biprodukter fjernes fra reaktoren og innføres i en kondensator hvori den kondenserbare fase utvinnes som kondensat, mens den i det vesentlige ikke-kondenserbare fase utvinnes som en biproduktbrenselgass som med fordel kan resirkuleres for forbrenning for oppvarming av til-førselsmaterialet ved utførelsen av fremgangsmåten eller for utvikling av suppleringsenergi. Reaksjons-

produktet overføres fra reaktorens reaksjonssone til en avkjølings-sone hvori det avkjøles til en lavere temperatur som er tilstrekkelig lav til at reaksjonsproduktet kan utsettes for atmosfærisk innvirkning uten å forbrenne eller uten andre uheldige virkninger. Fra avkjølingssonen overføres det faste reaksjons-produkt eller koksprodukt for lagring. Ifølge en foretrukken ut-førelsesform av den foreliggende fremgangsmåte overføres koksproduktet fra lagring til et nedmalingstrinn hvori koksproduktet pulveriseres ytterligere til ønsket størrelse, slik at det blir egnet for anvendelse som et partikkelformige fast brensel til-passet til den spesielle ovnstype og brennerkonstruksjon som skal anvendes. Det tas ved oppfinnelsen også sikte på at en del av det nedmalte koksprodukt skal kunne overføres fra nedmalings-apparatet til et blandeapparat hvori det blandes med brenselolje under dannelse av en flytende oppslemning som inneholder en regulert, suspendert mengde av den partikkelformige tre-

koks. Det erholdte oppslemningsprodukt av brenselolje og koks overføres fra blandeapparatet til lagring.

Tilførselsmaterialet kan, under henvisning til flytskjemaet, omfatte et hvilket som helst av en rekke forskjellige cellulose-holde materialer eller blandinger derav, omfattende celluloseholdige avfallsmaterialer fra tømmerdrift og landbruket. Således kan naturlig forekommende celluloseholdige materialer, som torv, og dessuten celluloseholdige avfallsmaterialer, som sagmugg, bark, treavfall, grener og fliser fra tømmerdrift og sagbruk, og dessuten forskjellige avfallsmaterialer fra landbruket, som bomullsplantestilker, nøtteskall, maiskolber og lignende avfallsmaterialer, anvendes med tilfredsstillende resultat.

Før det innføres i autoklaven kan tilførselsmaterialet eventuelt utsettes for et forbehandlingstrinn som kan omfatte et trinn for en foreløbig behandling av materialet for å ekstrahere overskudd av vann for derved å minske innholdet av restfuktighet i tilførselsmaterialet til et nivå som letter håndteringen, og dessuten for å minske den fuktighetsmengde som skal fjernes i det påfølgende reaksjonstrinn. Da i det vesentlige all fuktighet i tilførselsmaterialet fjernes under autoklavbehandlingen, er et slikt forbehandlingstrinn vanligvis ikke nødvendig for de fleste avfallsmaterialer fra landbruket og tømmerdrift. Forbe-handlingstrinnet kan dessuten omfatte det trinn at tilførsels-materialet utsettes for en egnet opprivnings- eller nedmalings-prosess, hvorved dets partikkelstørrelse, avhengig av arten av tilførselsmaterialet, minskes til en størrelse som letter håndteringen og behandlingen. Opprivnings- eller nedmalingstrinnet kan dessuten omfatte egnede sorterings- eller siktetrinn for å fraskille partiklene med for stor størrelse slik at disse kan resirkuleres til opprivningsinnretningen.

Tilførselsmaterialet innføres derefter, med eller uten den valgfrie forbehandling, gjennom innløpsenden av en reaktor hvori det utsettes for en temperatur av minst 398°C og et trykk av minst 70,3 kg/cm 2 i en regulert tid for å bevirke en regulert termisk restrukturering av dets kjemiske struktur og for å bevirke en omvandling av fuktigheten og av en del av de flyktige organiske bestanddeler i tilførselsmaterialet, og dessuten av de termiske spaltningsprodukter derav, til en gassformig fase som fjernes fra reaktoren og fortrinnsvis ledes gjennom en kondensator for separering og utvinning av den kondenserbare fase som inneholder verdifulle kjemiske biproduktbestanddeler. Den i det vesentlige ikke-kondenserbaregassformige fase som fjernes fra kondensatoren, kan med fordel anvendes som gassformig brensel for oppvarming av reaktoren og for produksjon av hjelpekraft for å drive prosessen, mens overskuddet av hjelpekraften kan selges.

Selv om det er ønsket å anvende en temperatur av minst 3 98°C under autoklavbehandlingen, foretrekkes en temperatur av

538°C på grunn av den økede forflyktigelsehastighet og termiske restrukturering av tilførselsmaterialet under erholdelse av en høyere fast carbonverdi, slik at det kan anvendes en nedsatt oppholdstid i autoklaven og oppnås en mer effektiv drift.

Temperaturen under autoklavreaksjonen kan være så høy som opp til 677°C, og temperaturer over denne temperatur er som regel uønskede på grunn av et for høyt forhold mellom ikke-kondenserbare gasser og fast, anriket koksprodukt. Spesielt tilfredsstillende resultater er blitt erholdt ved anvendelse av en temperatur av 538-649°C og et trykk av 70,3-211 kg/cm2. Det høyeste anvendbare trykk kan være så høyt som 232 kg/cm o. Trykk som ligger over 232 kg/cm 2 er uønskede på grunn av

de økede produksjonsomkostninger for trykkbeholdere som er istand til å motstå så høye trykk og på grunn av at det ikke oppnås vesentlige fordeler ved slike høye trykk utover de fordeler som erholdes ved lavere trykk av ca. 211 kg/cm 2.

Oppholdstiden for tilførselsmaterialet i autoklaven vil variere avhengig av det spesielle temperatur-trykk-tidsforhold som reguleres til innenfor de ovennevnte parametre, for å oppnå en i det vesentlige fullstendig fordampning av fuktighetsinnholdet og forflyktigelse av en del av de flyktige organiske bestanddeler og en regulert termisk restrukturering av det celluloseholdige tilførselsmateriale.

Den termiske restrukturering er ikke helt forstått, men

det antas at den består av to eller flere samtidige kjemiske reaksjoner som finner sted mellom pyrolyseproduktene og de til-stedeværende gasser i det celluloseholdige tilførselsmateriales cellestruktur. Nettovirkningen av disse restruktureringsre-aksjoner er forandringer i de kjemiske egenskaper som fører til en økning av carbon-hydrogenforholdet og en minskning av svovel-og oxygeninnholdet målt ved sluttanalyseh for koksproduktet. Under autoklavbehandlingen finner også en regulert termisk restrukturering og/eller spaltning av den kjemiske struktur sted, adfulgt av dannelse av ytterligere gassformige bestanddeler som også går over i den gassformige fase.

Den nødvendige oppholdstid i reaktoren avtar med økende temperatur og trykk i autoklaven, mens omvendt økede oppholds-tider er nødvendige når lavere temperaturer og trykk anvendes.

En oppholdstid som varierer fra 15 minutter og opp til 1 time ved en temperatur av 482-649°C og et trykk av 70,3-211 kg/cm<2>,

er som regel tilfredsstillende. Fordelaktige resultater fås også for visse materialer når temperaturer og trykk innen den øvre del av det tillatelige område anvendes ved en slik kort oppholdstid som ca. 5 minutter, mens en oppholdstid på over 1 time også kan anvendes. Vanligvis gir anvendelse av en oppholdstid utover ca. 1 time ikke vesentlige fordeler utover de som erholdes ved anvendelse av en oppholdstid av 15 minutter - 1 time, og den

adfølgende nedsatte produksjonskapasitet og utbytte for prosessen ved en slik lang oppholdstid, er uønsket ut fra økonomiske vurder-inger.

Trykket i autoklaven kan lett erholdes ved å regulere den tilførte mengde celluloseholdig materiale i forhold til auto-klavens innvendige volum og i avhengighet av tilførselsmaterialets fuktighetsinnhold, slik at når dette oppvarmes til den forhøyede temperatur, vil dannelsen av den gassformige fase som utgjøres av overopphetet damp og flyktig organisk materiale, bevirke en trykk-økning i autoklaven til innenfor det ønskede trykkområde. En ytterligere trykkøkning i autoklaven kan om ønskes erholdes ved i autoklaven å innføre ikke-oxyderende eller reduserende trykk-gasser og dessuten trykkdamp.

Når autoklavbehandlingen er avsluttet, avkjøles ifølge en utførelsesform av den foreliggende fremgangsmåte autoklaven ved avkjøling med luft eller ved anvendelse av et kjølefluidum, som f.eks. kjølevann, til en temperatur som er lavere enn den temperatur hvor det ved autoklavbehandlingen anrikede faste koksprodukt kan utsettes for luft uten uheldige virkninger. Som regel er det tilstrekkelig å avkjøle autoklaven til en tempera-

tur under 149°C. En avkjøling av autoklaven til en temperatur nær 100°C eller lavere i nærvær av den gassformige fase er vanligvis uønsket på grunn av kondensasjon av den gassformige vannfase som fukter koksproduktet og øker dets fuktighetsinnhold og dermed tilsvarende nedsetter dets varmeverdi. Avkjølingen utføres fortrinnsvis efter at den gassformige fase er blitt fjernet, for å hindre de forflyktigede organiske bestanddeler, omfattende forholdsvis tunge hydrocarbonfraksjoner og tjærer, fra å kondensere og avsettes på overflaten av og i porene til koks-strukturen. . Det anrikede koksprodukt har i alminnelighet et matt sort utseende og en porøs struktur og et restfuktighetsinnhold av 1-5 vekt%.

Ifølge den foreliqaende fremgangsmåte oppheves det gjenværende høye trykk i autoklaven ved arbeidstemperaturen for autoklaven efter at autoklavbehandlingen er blitt avsluttet, og hydrocarbonbestanddelene utvinnes ved kondensasjon og de organiske, ikke-kondenserbare gassformige bestanddeler som en biproduktbrenselgass• Bare en svak avsetning av de forflyktigede organiske bestanddeler på koksproduktet finner da sted. Det således fremstilte koksprodukt er ikke desto mindre særpreget ved at det har en termisk omvandlet struktur sam har en forbedret varmeverdi.

Det skal ifølge oppfinnelsen også kunne utføres en autoklav-behandlings- og belegningsprosess i to trinn, hvor den gassformige fase som avgis fra autoklaven, overføres til et annet autoklav-kammer mens den fremdeles har forhøyet temperatur, hvori til-førselsmaterialet som skal behandles, anvendes som kjølemiddel for å kondensere tjærene og oljene i den gassformige fase.

Det avkjølte, faste koksprodukt overføres fra avkjølings-sonen, som vist på flytskjemaet, til koksproduktlagring, hvorfra det kan pakkes og skipes i beholdere eller løs vekt, eller det kan behandles ytterligere ved å utsette det for en egnet nedmaling for å bryte opp eventuelle agglomerater som er blitt dannet under autoklavbehandlingen, og dessuten for ytterligere å ned-

male produktet til det ønskede gjennomsnittlige partikkelstørrelses-område. Nedmalingsgraden av koksproduktet vil variere avhengig av den beregnede sluttanvendelse og den spesielle brennerkonstruksjon som skal anvendes ved forbrenning av koksproduktet som partikkelformig fast brensel. Dersom koksproduktet f.eks. skal anvendes for brennerkonstruksjoner av den type som anvendes for forbrenning av pulverformig kull og lignende brensler, kan par-tikkelstørrelser på under 297^um, fortrinnsvis under

74yum, anvendes. Hvis koksproduktet skal anvendes for automatisk brennerutstyr for ovner, kan også større partikkelstørrelser tilfredsstillende anvendes.

Uavhengig av partikkelstørrelsen utgjør koksproduktet et verdifullt, fast oppvarmingsbrensel og kan anvendes direkte i denne form eller i blanding med andre vanlige brensler. Koksproduktet er særpreget ved at det har et meget lavt svovelinnhold, som regel under 1 vekt%, og mer hyppig 0,2 - 0,06

vekt%. Koksproduktet er dessuten særpreget ved at det har et meget lavt askeinnhold, som regel under 5% og så lavt som ned til 1% eller lavere. Visse avfallsmaterialer fra landbruket, som f.eks. bomullsplantestilker, gir et koksprodukt med opp til 20% aske og under 1% svovel. Koksproduktet har

typisk en varmeverdi av 6120-8300 kcal/kg.

På grunn av koksproduktets meget lave svovel- og askeinnhold,kan det med fordel anvendes i blanding med andre brensler med høyt svovelinnhold for erholdelse av en brenselblanding med et vesentlig lavere gjennomsnittlig svovelinnhold og som tilfredsstiller de tillatelige grenser som er foreskrevet av EPA, og andre statsforskrifter og lokale forskrifter. Selv om det malte koksprodukt med fordel kan blandes med partikkelformige, faste brensler, som forskjellige bituminøse kull og antrasittkull,

fås spesielt fordelaktige resultater dersom det blandes med brenseloljer for fremstilling av en flytende oppslemning som inneholder så lite som 1 vekt% og opp til 50 vekt% koks. Den største koksmengde som kan blandes med den flytende brenselolje,

er begrenset av økningen i oppslemningens viskositet efter hvert som konsentrasjonen av den partikkelformige koks øker. Den øvre grense for kokskonsentrasjonen er i alminnelighet den konsentrasjon hvor en oppslemning fås med den nødvendige viskositet som gjør det mulig å pumpe oppslemningen, og hvor det fås en tilstrekkelig ned-brytning av oppslemningens viskositet i de forskjellige typer av for tiden anvendte kommersielle brennermunnstykker. Selv opp-slemninger med en så lav konsentrasjon av koks som 1 vekt%

kan fremstilles ifølge oppfinnelsen, vil slike lave konsentrasjoner ikke i vesentlig grad forbedre de fordeler som kan oppnås ved innarbeidelsen av koksproduktene med lavt svovel og askeinnhold, og konsentrasjoner av minst 25 vekt% og opp til 50 vekt% er foretrukne. Ved konsentrasjoner av 50 vekt% utgjør det gjennomsnittlige svovelinnhold i oppslemningsblandingen halvparten av svovelinnholdet i den anvendte brenselolje, og dette gjør det mulig å anvende en rekke brenseloljer med høyt svovelinnhold for fremstilling av aksepterbare brenseloljeoppslemningsblandinger som tilfredsstiller EPA-svovelforskrifter og statlige og lokale svovelforskrifter.

Det har vist seg at blandingen av den malte koks med en partikkelstørrelse på under r05^um, fortrinnsvis med partikler hvorav 80% har en størrelse på under 74^,um, fører til en forholdsvis stabil oppslemning ved så høye konsentrasjoner som 50% koks og 50% brenselolje uten at det er nødvendig å anvende noen vesentlig mengde supplerende suspensjonsmidler for å oppnå en stabil oppslemningsblanding. Vanligvis er ingen supplerende suspensjonsmidler nødvendige ved anvendelse av det foreliggende koksprodukt, mens slike midler er nødvendige for vanlige opp-slemningsblandinger av bituminøst kull og antrasittkull og olje. Ved den foreliggende oppfinnelse fås derfor en vesentlig forenkling ved fremstillingen av oppslemningen og en minskning av omkost-ningene for sluttblandingen.

Eksempel 1

Et celluloseholdig tilførselsmateriale som omfatter 5 9,5

g av en blanding av tørr eke- og granved, fylles i en prøvere-aktor sammen med 23,4 g vann. Vedchargen har form av 6,3 5 mm kvadratiske og 12,7 mm kvadratiske strimler med en nominell lengde på 22,86 cm.

Forsøksreaktorsystemet består av et sylindrisk kammer av rustfritt stål med en innvendig diameter av 3,5 cm og en lengde av 30,5 cm slik at det fås et samlet volum av 295 cm 3. Reaktoren er forsynt med en ledning som står i forbindelse med en vannav-kjølt kondensator og en vannfortrengningsgassoppsamler. Et 351,5 kg/cm 2 manometer kobles til reaktoren for kontinuerlig å overvå°ke trykket, og et termoelement av typen K innføres i en brønn i reaktoren for kontinuerlig overvåkning av temperaturen. Systemet omfatter en.høytrykks-kjeglepunktventil i ledningen mellom reaktoren og gasskondensatoren for å avgrene gassfasen fra reaktoren for å opprettholde.det ønskede trykk i reaktorkammeret.

Efter at reaktoren er blitt fylt og stengt, anbringes den

i horisontal stilling i en varm muffelovn. Efter en periode på

5 minutter er reaktortrykket 105,5 kg/cm 2 og den innvendige temperatur målt med termoelementet 295°C. På dette trinn åpnes ut-løpsventilen noe, og tilstrekkelig mer gass slippes ut gjennom kondensatorsystemet til at trykket i reaktoren holdes i det vesentlige konstant på 105,5 kg/cm 2overtrykk. I løpet av den neste periode på 5 minutter eller efter en periode på samlet 10 minutter efter at reaktoren ble plassert i muffelovnen, er temperaturen i reaktoren målt med termoelementet 554°C. Derefter fjernes reaktoren fra ovnen og avkjøles til ca. 93°C.

Et fast koksprodukt med en vekt av 18,9 g utvinnes fra reaktoren, og 20 cm 3 væske utvinnes fra kondensatorsystemet.

Den produserte gass har et volum som er større enn gassoppsamlings-

flaskens kapasitet som er 7800 cm'^.

En visuell undersøkelse av det faste koksprodukt viser at det er sort og har en bikubestruktur som hovedsakelig svarer til den opprinnelige struktur for det tilførte tremateriale, og at det ser ut som en forkokset væske på flere steder. De opprinnelige adskilte stykker av eik og gran deformeres under re-aks jonsprosessen , hvorved det faste koksprodukt utvinnes i form av en enkelt sylinder med en mindre diameter enn diameteren for reaktorkammeret.

Den utvundne gassformige fase brenner med en blekblå flamme som er typisk for blandinger av hydrogen, carbonmonoxyd og methanol. En analyse av det faste produkt er som følger: Kjemisk analyse

Eksempel 2

En 100 g charge av en kanadisk spagnumtorv fylles i forsøks-reaktorsystemet som beskrevet ovenfor i forbindelse med Fig. 1, forsynt med dampavkjølte og vannavkjølte kondensatorer. En analyse av chargematerialet angir et fuktighetsinnhold av ca.

75 vekt%.

Efter at reaktoren er blitt fylt, anbringes den i horisontal stilling i en varm muffelovn på samme måte som beskrevet i eksempel 1, og efter en periode på 11 minutter er reaktortrykket 116,4 kg/cm oovertrykk og den innvendige temperatur, målt med termoelementet, 264°C. På dette trinn åpnes gassutløpsventilen noe,

og tilstrekkelig gass slippes ut av reaktoren via kondensatorsystemet til at trykket opprettholdes i det vesentlige konstant ved 105,5 kg/cm <2>overtrykk.

Efter en ytterligere oppvarmingsperiode på 23 minutter eller en samlet tid av 34 minutter efter at reaktoren er blitt anbragt i muffelovnen, er reaktortemperaturen 544°C. Reaktoren fjernes derefter fra ovnen, og høytrykksventilen åpnes for å slippe ut hele den gassformige fase inntil reaktorkammeret får atmosfæretrykk. Ventilene stenges derefter, og reaktoren avkjøles til omgivelsestemperaturen.

Ved avslutningen av dette forsøk inneholder den dampoppvarmede kondensator 74 g væske mens den vannavkjølte kondensator inneholder 5 g væske, og 4,25 1 ikke-kondenserbar gass oppsamles i gassoppsamleren. Det faste koksreaksjonsprodukt veier 6,99 g og viser seg ved visuell undersøkelse å utgjøres av et sprøtt, sort, fast produkt som ved oxydasjon gir 0,256 g aske.

En analyse av den oppsamlede gass som ved antennelse iakttas å brenne med en blå flamme, er som følger:

Eksempel 3

Det i eksempel 2 beskrevne forsøk gjentas under anvendelse av 173 g av det samme torvmateriale og under anvendelse av det samme utstyr. Reaktortrykket 8 minutter efter at reaktoren er blitt plassert i muffelovnen, er 105,5 kg/c. m 2overtrykk og temperaturen i reaktorkammeret 232°C. Efter en ytterligere oppholdstid på 21 minutter ved denne temperatur eller efter en samlet tid av 29 minutter fra påbegynnelsen av oppvarmingssyklusen er temperaturen i reaktoren 54 0°C, og trykket opprettholdes i det vesentlige konstant ved 105,5 kg/cm 2 overtrykk ved å avgrene den gassformige fase til kondensatorsystemet.

En samlet mengde av 58 cm^ av en mørkebrun væske utvinnes

i den dampoppvarmede kondensator, mens 63 cm 3 av et gulfarvet vann utvinnes i den vannavkjølte kondensator. En samlet mengde av 11,2 1 gass oppsamles i gassoppsamlingssystemet. Et fast koksprodukt i en mengde av 19,2 g og lignende det som ble erholdt i eksempel 2, utvinnes. Ved antennelse iakttas gassen å brenne med en blå flamme som er identisk med flammen ifølge eksempel 2.

Det utvundne faste koksprodukt inneholder 0,41 vekt% fuktighet og har en tilnærmet og endelig sammensetning på fuktighetsfri basis som angitt i den nedenstående tabell:

Det faste koksprodukt, på fuktighetsfri basis, viser tydelig en forbedret varmeverdi sammenlignet med tilførselsmaterialet i størrelsesordenen 66% og utgjøres av et fast brensel av høy kvalitet med lavt aske- og svovelinnhold. Efter påfølgende nedmaling til en partikkelstørrelse av ca. 74^,um er produktet ideelt egnet for blanding med restbrenseloljer med høyt svovelinnhold for erholdelse av et for brennere egnet brensel av opp-slemningstypen med moderat lavt svovelinnhold.

En brenseloljeoppslemning fremstilles under anvendelse -av det finmalte koksprodukt erholdt fra torven, ved å blande like vektmengder av koksproduktet og en restbrenselolje som inneholder 1% svovel. En suspensjon av kokspartiklene i brenseloljen fås ved tilsetning av det partikkelformige koksprodukt til brensel-ol jen under omrøring med en blandeanordning med høy skjærkraft. Koksproduktene tilsettes slik at det fås en konsentrasjon av

ca. 4 0 vekt% av den samlede oppslemning.

Den erholdte brenseloljeoppslemning har et gjennomsnittlig netto svovelinnhold av 0,66% som gjør at oppslemningen er egnet for anvendelse som brensel for offentlige anlegg for produksjon av .elektrisk kraft og i overensstemmelse med kravene i EPA-forskrifter til det høyeste tillatelige svovelinnhold. Den erholdte oppslemning holder seg dessuten i det vesentlige stabil idet de faste kokspartikler holder seg i det vesentlige jevnt suspendert uten bruk av hjelpesuspensjons- og/eller -dispergeringsmidler.

Eksempel 4

Et tilførselsmateriale som er typisk for et vrakprodukt fra skogbruket og som omfatter furu- og granbark i en mengde av 51,7 6 g, fylles i et reaktorsystem som beskrevet i eksempel 2. Efter 7 minutter når trykket 105,5 kg/cm 2, og gassen slippes ut for å opprettholde et konstant trykk. Temperaturen i reaktoren er 227°C. Efter en ytterligere oppholdstid på 13 minutter er temperaturen i reaktoren 53 2°C, og trykket opprettholdes i det vesentlige konstant på ca. 105,5 kg/cm 2 ved å avgrene den gassformige fase til kondensatorsystemet. 17,9 g fast koksprodukt utvinnes. 15,8 g væske utvinnes.

Produktet fra dampkondensatoren består av 5,3 ml av en gul væske med 0,6 ml av et tjærelignende materiale som flyter på på toppen av væsken. Produktet fra vannkondensatoren består av 10,5 ml av en klar væske med spor av olje. Væsken fra begge kondensatorer kombineres, og 14,6 ml vann skilles ut. 0,254 g tjærer som er oppløselige i hexan, utvinnes. 0,28 g tjære som er oppløselig i benzen, utvinnes. Ca. 9000 cm 3 ikke-kondenserbar gass utvinnes. Det faste koksprodukts sammensetning og brenselverdi og den ikke-kondenserbare gassformige fases sammensetning er gjengitt i den nedenstående tabell:

Eksempel 5

Et forsøk under anvendelse av reaktorutstyret beskrevet i forbindelse med eksempel 2, gjentas under anvendelse av 51,8 g av et celluloseholdig tilførselsmateriale som omfatter et landbruks-vrakprodukt av bomullsstilker og -skall. Reaktortrykket er 105,5 kg/cm 2 6 minutter efter at vrakproduktet er blitt anbragt i muffelovnen ved en innvendig temperatur i reaktoren av 217°C. På

dette trinn åpnes ventilen, og den gassformige fase avgrenes slik at det opprettholdes et i det vesentlige konstant reaktortrykk ved ca. 105,5 kg/cm 2. Efter ytterligere 17 minutters oppvarming i muffelovnen er temperaturen 541 oC, dvs. efter en samlet reak-sjonsperiode på 23 minutter, og gassen avgrenes kontinuerlig for å opprettholde trykket ved 105,5 kg/cm . Efter denne tid fjernes reaktoren fra ovnen, og trykket oppheves inntil atmosfæretrykk. Den samlede utvundne gassmengde er 11240 cm^. Den samlede mengde av det faste produkt er 16,1 g og den samlede mengde av utvundne tjærer er 0,6 g.

Sammensetningen og brenselverdien for det faste koksprodukt og sammensetningen for den ikke-kondenserbare gassformige fase er gjengitt i de nedenstående tabeller:

Sammensetning og brenselverdi for fast produkt

Eksempel 6

En charge som omfatter 60 g trespon og 15 cm 3 vann, fylles i

en forsøksreaktor. Forsøksreaktorsystemet består av et sylindrisk kammer av rustfritt stål med en diameter av 3,18 cm og en lengde av 34,3 cm slik at det fås et volum av 267 cm"^. Reaktoren er forsynt med en ledning som står i forbindelse med en vannavkjølt kondensator og med en vannfortrengningsgassoppsamler. Et 351,5 kg/ cm trykkmanometer står i forbindelse med reaktoren for kontinuerlig overvåkning av trykket, og et termoelement av typen K er ført inn i brønnen i reaktorsystemet for kontinuerlig overvåkning av temperaturen. Systemet omfatter en høytrykkskjeglepunktsventil i ledningen mellom reaktoren og gasskondensatoren for å avgrene den gassformige fase fra reaktoren for derved å opprettholde det ønskede trykk i reaksjonskammeret.

Efter at reaktoren er blitt fylt og stengt, anbringes den i horisontal stilling i en varm muffelovn. Efter en periode på 9 minutter er reaktortrykket 123 kg/cm 2 overtrykk og temperaturen målt med termoelementet 249°C. På dette trinn åpnes reaktor-ventilen noe, og tilstrekkelig med gass slippes ut gjennom kondensatorsystemet til at trykket i reaktoren opprettholdes i

2

det vesentlige konstant ved 105,5 kg/cm overtrykk. I løpet av den neste periode på 21 minutter eller efter en samlet tid på 30 minutter efter at reaktoren er blitt anbragt i muffelovnen, er reaktortemperaturen 540°C, hvorefter reaktoren fjernes fra ovnen, trykket minskes til 1,06 kg/cm 2 overtrykk, og reaktoren avkjøles i luften.

Et koksprodukt utvinnes i en mengde av 14,6 g sammen med

11200 cm 3 av en ikke-kondenserbar, brennbar gass, og dette re-presenterer en utvinning av samlede faste materialer på 24%. Det faste koksprodukt er særpreget ved at det har en sprø, porøs struktur. Den utvundne ikke-kondenserbare brenselgass brenner med en flamme med gul tipp.

Det faste produkt males i en laboratoriekulemølle i 10 minutter og siktes derefter gjennom en 74/um sikt. Fraksjonen med en størrelse over 7 4/Um males i 10 minutter og sikkes på ny. Fraksjonen med en størrelse over 747um males i 5 ytterligere minutter, hvorefter 12,75 g er minst 149^um og 8,69 er minus <7>4/um . 12,75 g malte faste materialer tilsettes til 8,52 g bunkerbrenselolje av kvalitet C under dannelse av stiv pasta som inneholder 60% faste materialer. Ytterligere olje tilsettes til den stive pasta inntil hullrommene synes å være fylt. På dette trinn inneholder blandingen 56% faste materialer. Ytterligere olje tilsettes inntil det iakttas at blandingen flyter ved værelsetemperatur. Denne blanding inneholder 52% faste materialer.

En annen "sats av en oppslemning av olje og faste materialer fremstilles fra et lignende fast koksprodukt fremstilt fra tre og som er blitt malt i en kulemølle og siktet gjennom en 74^,um sikt. Når dette faste koksprodukt blandes med en lik mengde av bunkerbrenselolje av kvalitet C, er den erholdte oppslemning et ikke-newtonsk fluidum med en viskositet av 20500 cps-enheter ved 93°C målt med et Brookfield-viskosimeter ved 6 opm og 12100 cps-enheter målt ved 60 opm.

I de ovenstående spesielle eksempler utgjorde autoklaven

en laboratoriemodell for satsvis tilførsel av råmaterialet. Det vil forstås at autoklaver av en hvilken som helst kjent type og som er istand til å motstå de forhøyede temperaturer og trykk som er nødvendige ved utførelsen av den foreliggende fremgangsmåte, kan anvendes med tilfredsstillende resultat. Det vil også forstås at selv om den ovenstående beskrivelse hovedsakelig har gjeldt satsvise autoklaver, kan kontinuerlige autoklaver også anvendes for utførelsen av den foreliggende fremgangsmåte, hvor råmaterialet innføres kontinuerlig gjennom reaktorens innløps-ende via en egnet trykklås-silo- eller ventilanordning, og hvor koksproduktet ekstraheres kontinuerlig fra reaktorens avkjølings-sone via en lignende trykklås-silo- eller ventilanordning.

Claims (6)

1. Fremgangsmåte ved fremstilling av et fast koksprodukt fra et forkoksbart tilførselsmateriale, hvor tilførselsmaterialet oppvarmes i en autoklav ved en temperatur av 398-677°C og ved et trykk av 70,3-232,0 kg/cm 2, og hvor trykket efter behandlingen i autoklaven oppheves ved arbeidstemperaturen, hvorefter reaksjonsproduktet avkjøles og det anrikede faste koksprodukt utvinnes, ifølge norsk patent 148379, karakterisert ved at som det forkoksbare til-førselsmateriale anvendes celluloseholdige materialer, fortrinnsvis torv, avfallsmaterialer fra landbruket, avfallsmaterialer fra skogbruket eller blandinger derav, og ved at behandlingen i autoklaven utføres i tilstrekkelig tid til å omvandle fuktighetsinnholdet og i det minste en del av de flyktige organiske bestanddeler i tilførselsmaterialet til en gassformig fase og til å bevirke en delvis termisk restrukturering av tilførsels-materialets kjemiske struktur og en forandring av dets kjemiske sammensetning under erholdelse av et fast koksprodukt som eventuelt nedmales til ønsket partikkelstørrelse og som eventuelt efter nedmaling til en partikkelstørrelse under 297^um blandes med en brenselolje i en mengde av 1-50 vekt% koksprodukt, basert på den samlede vekt av blandingen, under erholdelse av en flytende oppslemning av fast koksprodukt og brenselolje.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at tilførselsmaterialet oppvarmes i autoklaven ved en temperatur av minst 482°C og opp til 677°C.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at tilførselsmaterialet oppvarmes i autoklaven ved en temperatur av 537-649°C.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1-3, karakterisert ved at tilførseJsmaterialet oppvarmes i autoklaven ved et trykk av 105,5-211,9 kg/cm<2>.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 1-4, karakterisert ved at den gassformige fase utvinnes fra autoklaven, at i det minste en del av de kondenserbare bestanddeler i den gassformige fase ekstraheres, og den kondenserbare del og den ikke-kondenserbare del utvinnes.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 1-5, karakterisert ved at det faste koksprodukt nedmales til partikler med en størrelse hovedsakelig under 74 ^um.