DE2454767C3

DE2454767C3 - Verfahren und Vorrichtung zur kontinuierlichen Konvertierung von Kohle in ein aus gesättigten Kohlenwasserstoffen bestehendes Gas

Info

Publication number: DE2454767C3
Application number: DE2454767A
Authority: DE
Inventors: Shozo Ichikawa Chiba Ito (Japan)
Original assignee: MIFUJI IRON WORKS Ltd TOKIO
Current assignee: MIFUJI IRON WORKS Ltd TOKIO
Priority date: 1974-07-08
Filing date: 1974-11-19
Publication date: 1980-10-23
Also published as: FR2277879A1; GB1466128A; US3973924A; FR2277879B1; DE2454767B2; IT1027641B; AU7489374A; DE2454767A1; JPS5512079B2; JPS516902A; CA1028499A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen Konvertierung von Kohle in ein aus gesättigten Kohlenwasserstoffen bestehendes Gas wobei man feinverteilte Kohle in einer Wirbelschicht in Gegenwart eines ersten, Wasserdampf enthaltenden Behandlungsgases thermisch zersetzt, das Produkt der thermischen Zersetzung dann in einer Wirbelschicht mit einem zweiten, Wasserstoff enthaltenden Behandlungsgas hydriert, die erzeugten gesättigten Kohlenwasserstoffe von Verkokungsprodukten, Kohlendioxid, Schwefel-Wasserstoff und anderen Verunreinigungen befreit und gewinnt, entsprechend den vorstehenden Patentansprüchen 1 mit 5.

Die Erfindung erstreckt sich ferner auf Vorrichtungen zur Ausführung des Verfahrens entsprechend den Patentansprüchen 6 mit 10.

Es ist bereits bekannt, ein gesättigte Kohlenwasserstoffe enthaltendes Gas aus Kohle dadurch herzustellen, daß die thermische Zersetzung der Kohle und das Hydrieren des Produktes der thermischen Zersetzung nahezu gleichzeitig in derselben Behandlungskammer vorgenommen werden. Dieses Verfahren ist jedoch mit mehreren Nachteilen behaftet:

1. Die Reaktionsbedingungen in der Behandlungskammer sind nur schwer zu lenken, ^2:>

2. Der Gehalt des Hydrierungsproduktes an ungesättigten Kohlenwasserstoffen ist verhältnismäßig hoch.

3. Die Zusammensetzung des Hydrierungsproduktes unterliegt erheblichen Schwankungen, insbesondere

in bezug auf den Gehalt an ungesättigten Kohlenwas- ^J0 serstoffen.

Bei einem anderen bekannten Verfahren zur Herstellung eines gesättigten Kohlenwasserstoffgases aus Kohle wird die Kohle zu Kohlenmonoxid vergast, das dann mit Wasserstoff zu Methan hydriert wird. Diese »Methanisierung« erfordert aber die Gegenwart eines Katalysators, der die Kosten des Verfahrens erhöht. Zudem ist die Reaktion exotherm, und damit die freigesetzte Reaktionswärme die gleichmäßige Hydrierung nicht stört, ist eine verhältnismäßig aufwendige Temperaturregelung notwendig.

Es stellte sich somit die Aufgabe, ein Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung eines aus im wesentlichen gesättigten Kohlenwasserstoffen bestehenden Gases aus Kohle ohne Verwendung eines Katalysators anzugeben und Vorrichtungen zur Ausführung des Verfahrens zur Verfügung zu stellen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß das erste Behandlungsgas aus einem Gemisch aus Rauchgas mit höchstens 2 Vol.-% freien Sauerstoff und 0,25 bis 0,5 kg Wasserdampf sowie gegebenenfalls 0,4 bis 0,7 Nm³ Wasserstoff, jeweils je Kilogramm der zu vergasenden Kohle, besteht, eine Temperatur von 400 bis 600° C hat sowie unter einem Druck von 25 bis 50 bar steht, und daß das zweite Behandlungsgas aus einem Gemisch aus Rauchgas mit höchstens 2 Vol.-% freiem Sauerstoff und 1,1 bis 1,6Nm³ Wasserstoff/kg der vergasten Kohle besteh· ('..;·; gegebenenfalls noch bo Wasserdampf oder einen Teil des Hydriergases enthalten kann und eine Temperatur von 600 bis 800°C hat sowie unter einem Druck von 20 bis 50 bar steht.

Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens besteht aus einer ersten Brennstoff-Mischkammer 2 (mit ei Zuleitungen 6 und 7) für Brennstoff und Luft oder Sauerstoff, einer Brennkammer 3, die mit einer absperrbaren Abzugsleitung 10 für die Entnahme von Rauchgas versehen ist, einer Rauchgas-Mischkammer 4, die sich an die Brennkammer 3 anschließt, mit Zuleitungen 11a und ttb zum Einleiten von Wasserdampf oder Einsprühen von Wasser sowie gegebenenfalls mit einer Zuleitung 12 zum Einleiten von Wasserstoff versehen und mit einer Wirbelschicht-Behandlungskammer 5 verbunden ist die mit einer Einrichtung 16,17 zum Einspeisen von Kohle und einer Rohrleitung 19 zum Abführen der Gase und Behandlungsprodukte ausgerüstet ist, sowie einer zweiten Brennstoff-Mischkammer 22 mit Zuleitungen 6 und 7 für Brennstoff und Luft oder Sauerstoff, die in eine Brennkammer 23 mündet, die mit einer absperrbaren Abzugsleitung 10 zur Entnahme von Rauchgas versehen ist, eine zweite Rauchgas-Mischkammer 24, die sich an die zweite Brennkammer 23 anschließt und mit den Zuleitungen 10 und 25 für Wasserstoff und weiteres Zusatzgas versehen ist und die mit einer zweiten Wirbelschicht-Behandlungskammer 28 in Verbindung steht, unter deren Einströmöffnung 27 eine Zuleitung 26 für die Zuführung der Reaktionsprodukte aus der ersten Wirbelschicht-Behandlungskammer 5 endet und die in ihrem Oberteil mit einer Rohrleitung 29 zum Abführen der Gase und Reaktionsprodukte versehen ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 5 sowie 7 bis 10 angegeben.

Ein wesentliches Merkmal des Verfahrens besteht also darin, daß die thermische Zersetzung der Kohle und die Hydrierung der Zersetzungsprodukte getrennt in verschiedenen Behandlungskammern ausgeführt und das Behandlungsgas für die thermische Zersetzung der Kohle sowie das Behandlungsgas für die Hydrierung der Zersetzungsprodukte getrennt in verschiedenen Kammern hergestellt und voneinander unabhängig auf die gewünschten Druck-, Temperatur- und Zusammensetzungswerte eingestellt werden. Ein weiteres wesentliches Merkmal ist ferner die thermische Zersetzung der Kohle und die Hydrierung der Zersetzungsprodukte jeweils in einer Wirbelschicht.

Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens ermöglicht die Erzeugung des zum Hydrieren der Kohlezersetzungsprodukte benötigten Wasserstoffes mit Hilfe der beim Hydrieren — gegebenenfalls auch bei der thermischen Zersetzung der Kohle — anfallenden Verkokungsrückstände durch Vergasen dieser Koksrückstände mit Wasserdampf zu Wassergas, Konvertieren des darin enthaltenen Kohlenmonoxids und Abtrennen des Kohlendioxids.

An Hand der Zeichnung wird die Erfindung näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 ein Fließschema des Verfahrens,

F i g. 2 eine schematische Schnittansichi eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens,

Fig. 3 eine schematische Schnittansicht eines anderen Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens und

F i g. 4 eine schematische Schnittansicht eines dritten Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens.

F i g. 1 zeigt das Fließschema des Verfahrens. Zur Herstellung des Rauchgases für die thermische Zersetzung der Kohle wird in einer Mischkammer ein Brennstoff mit Luft oder Sauerstoff in einem bestimmten Verhältnis gemischt, das Gasgemisch in eine Brennkammer geleitet und dort verbrannt.

Der Brennstoff kann ein gebräuchlicher gasförmiger Brennstoff nach Wahl sein, beispielsweise ölgas, Erdgas,

Propan, das nach dem Verfahren gemäß der Erfindung erhaltene gesättigte Kohlenwasserstoffgas, Stadt- oder Kokereigas, Wassergas usw. In Betracht kommen ferner gebräuchliche flüssige Brennstoffe, wie leichtes Heizöl, schweres Heizöl, Öle aus der Kohleverflüssigung, und gegebenenfalls auch feinverteilte feste Brennstoffe, wie Koks und Holzkohle, sofern das daraus gebildete Rauchgas die thermische Zersetzung der Kohle nicht beeinträchtigt.

In der Mischkammer wird der Brennstoff mit Luft oder Sauerstoff gleichmäßig in einem solchen Verhältnis gemischt, daß das gebildete Rauchgas höchstens 2 Vol.-% freien Sauerstoff enthält und deshalb im wesentlichen inert ist. Das Mischungsverhältnis von Brennstoff und Luft oder Sauerstoff wird von Art und Qualität des Brennstoffes bestimmt.

Das so hergestellte Rauchgas wird einer ersten Rauchgas-Mischkammer zugeführt und darin mit Wasserdampf oder Wasser in einem bestimmten Verhältnis gemischt. Das erhaltene Wasserdampf/ Rauchgas-Gemisch stellt das erste Behandlungsgas dar. (Falls Wasser verwendet wird, verdampft dieses, sobald es mit dem heißen Rauchgas in Berührung kommt.) Dem ersten Behandlungsgas kann, sofern notwendig, noch eine bestimmte Menge Wasserstoff zugesetzt werden, der in die Rauchgas-Mischkammer eingeleitet und mit dem Rauchgas und Wasserdampf gemischt wird. Das Verhältnis von Rauchgas, Wasserdampf oder Wasser und gegebenenfalls wird je nach den Temperaturen und Drücken der Komponenten sowie der Zusammensetzung des Rauchgases so eingestellt, daß Temperatur, Druck und Zusammensetzung des ersten Behandlungsgases in bestimmten Bereichen liegen. Erforderlich ist eine Temperatur des ersten Behandlungsgases in einem Bereich zwischen 400 und 600° C, vorzugsweise zwischen 450 und 550°C, ein Druck in einem Bereich zwischen 25 und 50 bar, vorzugsweise zwischen 30 und 40 bar. sowie ein Wasserdampfgehalt von 0,25 bis 0,5, vorzugsweise von 0,3 bis 0,4 kg/kg zu konvertierender Kohle und gegebenenfalls noch ein Anteil von 0,4 bis 0,7, vorzugsweise 0,5 bis 0,6 Nm³ Wasserstoff/kg zu konvertierender Kohle.

Das so hergestellte erste Behandlungsgas wird in die erste Behandlungskammer eingeleitet, die zur thermischen Zersetzung der Kohle bestimmt ist. Die Kohle wird in feinverteilter Form in die erste Behandlungskammer eingespeist und trifft dort auf das erste Behandlungsgas. Dabei entsteht eine Wirbelschicht, in der die Kohle thermisch zersetzt wird.

Die thermische Zersetzung kann beispielsweise in der in F i g. 2 schematisch dargestellten Vorrichtung vorgenommen werden. Diese Kohlezersetzungseinrichtung 1 besteht aus einer Mischkammer 2, einer Brennkammer 3, einer ersten Rauchgas-Mischkammer 4 und einer ersten Behandlungskammer 5 für die thermische Zersetzung der Kohle. Die Mischkammer 2 ist mit einem Zuleitungsrohr 6 für einen Brennstoff und einem Zuleitungsrohr 7 für Luft oder Sauerstoff versehen. Der durch die Zuleitung 6 zugeführte Brennstoff wird gleichmäßig mit der durch das Rohr 7 zugeleiteten Luft oder dem zugeleiteten Sauerstoff gemischt Die Mischkammer 2 hat einen zylindrischen Innenraum, der sich in Strömungsrichtung des Gasgemisches erstreckt Am Ausströmende der Mischkammer 2 befindet sich eine Öffnung 8, durch die das Gasgemisch aus der Mischkammer 2 in die Brennkammer 3 strömt Die Ausströmöffnung 8 kann mit einer Vorrichtung zur Regulierung des Gasdurchsatzes und der Gasströmung versehen sein, so daß Durchsatz, Strömungsgeschwindigkeit und Strömungsrichtung des Gases nach Bedarf beeinflußt werden können. Ein Beispiel einer derartigen Durchflußreguliervorrichtung ist schematisch in F i g. 2 dargestellt.

Bei dieser Vorrichtung hat das Ausströmende der Mischkammer 2 eine kreiskonische Form und konvergiert zur Brennkammer 3 hin. In dem kreiskonischen Raum ist ein ebenfalls konischer Absperrkörper 9

ίο angeordnet, der zur Brennkammer 3 hin konvergiert und zur Veränderung des Durchflußquerschnitts beweglich ist. Durch Änderung der Stellung des Absperrkörpers 9 kann man die Strömungsgeschwindigkeit des Gasgemisches, seinen Durchsatz und seine Strömungs-5 richtung regulieren und das Gasgemisch gleichmäßig in die Brennkammer 3 diffundieren lassen. Beim Einströmen in die Brennkammer 3 wird das Gasgemisch entzündet und verbrennt gleichmäßig und vollständig.
Die Brennkammer 3 hat eine zylindrischen Innenraum, der sich in Strömungsrichtung des Gases erstreckt. Um eine vollständige Verbrennung des Gasgemisches zu gewährleisten, werden die Abmessungen der Brennkammer am besten so gewählt, daß folgende Beziehung erfüllt ist:

d_ctl,2Sd_M, (1)

worin d_cder Innendurchmesser der Brennkammer 3 und d\i der Innendurchmesser der Ausströmöffnung 8 der Mischkammer sind. Wenn d_c £ 1,25 d/u, kann dies zu einer unvollständigen Verbrennung des Gasgemisches führen.

Das auf diese Weise hergestellte erste Rauchgas hat eine hohe Temperatur und enthält höchstens 2 Vol.-% freien Sauerstoff; es wird in die erste Rauchgas-Mischkammer 4 eingeleitet. Falls gewünscht, kann ein Teil des ersten Rauchgases durch eine absperrbare Abzugsleitung 10 abgezweigt werden. In die erste Rauchgas-Mischkammer 4 münden zwei Zuleitungen 11a und Hb, die von einer Hauptleitung 11 zur Einspeisung von Wasserdampf oder Wasser ausgehen. In die erste Rauchgas-Mischkammer kann ferner auch noch eine weitere Zuleitung 12 zum Einleiten von Wasserstoff münden. Die Durchflußmengen des mit dem Rauchgas

•'S zu mischenden Wasserdampfes oder Wassers und — falls erforderlich — des Wasserstoffes hängen von der gewünschten Temperatur, dem Druck und der Zusammensetzung des ersten Behandlungsgases ab, das in der ersten Rauchgas-Mischkammer 4 hergestellt wird.

Um eine gleichmäßige Durchmischung des ersten Rauchgases mit dem Wasserdampf und gegebenenfalls Wasserstoff zu gewährleisten, hat die erste Rauchgas-Mischkammer einen Innenraum, dessen Abmessungen am besten folgender Beziehung genügen:

F₄ £ 1,5 V_c,

worin V_A das Volumen des Innenraumes der ersten Behandlungskammer und Vc das Volumen des Innenraumes der Brennkammer 3 sind. Ist V_A < 1,5 Vc, so kann dies zu einer ungleichmäßigen Durchmischung von Rauchgas und Wasserdampf und gegebenenfalls Wasserstoff führen.
Das so hergestellte, gleichmäßige erste Behandlungs-

b5 gas wird aus der ersten Rauchgas-Mischkammer 4 durch eine Zuleitung 13 in die erste Behandlungskammer 5 eingeleitet, die wahlweise mit einem Schlitz oder Gitterrost 14 versehen sein kann, der am Einströmende

der Kammer 5 angeordnet sein kann. Feinverteilte Kohle 15 wird aus einem Vorratsbehälter 16 von einem Schneckenförderer 17 in die erste Behandlungskammer 5 eingespeist. Hier wird die eingespeiste Kohle 15 durch den Strom des ersten Behandlungsgases verwirbelt und gleichzeitig thermisch zersetzt. Das Produkt der thermischen Zersetzung besteht aus einem Gemisch von Spaltgasen, Teer, papierähnlichen Stoffen und Verkokungsprodukten. Nach beendeter thermischer Zersetzung wird das Zersetzungsprodukt von dem Strom des ersten Behandlungsgases durch eine Rohrleitung 19 aus der ersten Behandlungskammer 5 ausgetragen.

Bei der Vorrichtung nach F i g. 3 wird das Produkt der thermischen Zersetzung aus der ersten Behandlungskammer einer zweiten Behandlungskammer zugeleitet, in der es hydriert wird. Zur Herstellung des Hydriergases wird nach folgendem Verfahren ein zweites Behandlungsgas hergestellt. Wie bei der Herstellung des ersten Behandlungsgases wird ein gleichmäßiges Gemisch aus Brennstoff und Luft oder Sauerstoff in einer Brennkammer zu einem zweiten Rauchgas verbrannt, das höchstens 2 Vol.-% freien Sauerstoff enthält. Dieses zweite Rauchgas wird einer zweiten Rauchgas-Mischkammer zugeführt, in die getrennt auch Wasserstoff eingeleitet und darin gleichmäßig mit dem zweiten Rauchgas gemischt wird. Auf diese Weise wird ein zweites Behandlungsgas erhalten, dem bei Bedarf auch noch ein weiteres Gas, wie Wasserdampf, der auch durch Einsprühen von Wasser in die zweite Behandlungskammer erzeugt werden kann, beigemischt werden kann, um Temperatur, Druck und Zusammensetzung des zweiten Behandlungsgases zu regulieren. Die Einleitungsmenge des Wasserstoffes und gegebenenfalls des weiteren Gases hängt einerseits von der Temperatur und dem Druck des Rauchgases, des Wasserstoffes und gegebenenfalls des weiteren Gases und andererseits von der gewünschten Temperatur, dem Druck und der Zusammensetzung des zweiten Behandlungsgases ab.

Das zweite Behandlungsgas hat eine Temperatur von 600 bis 800, vorzugsweise 650 bis 750⁰C, einen Druck von 20 bis 50, vorzugsweise 30 bis 40 bar und enthält 1,1 bis 1,6, vorzugsweise 1,25 bis 1,45Nm³ Wasserstoff/kg zu konvertierender Kohle.

Zum Hydrieren des Produktes der thermischen Kohlezersetzung kann beispielsweise die in Fig.3 dargestellte Vorrichtung verwendet werden. Diese Hydriereinrichtung 20 besteht aus einer Mischkammer 22, einer Brennkammer 23, einer zweiten Rauchgas-Mischkammer 24 und einer zweiten Behandlungskammer (Hydrierkammer) 28. Die Mischkammer 22 und die Brennkammer 23 dieser Einrichtung haben die gleiche Aufgabe wie die entsprechenden Kammern der Vorrichtung nach F i g. 2, jedoch verlaufen die zylindrischen Innenräume der Mischkammer 22 und der Brennkammer 23 waagerecht, während die entsprechenden Kammern der Vorrichtung nach Fig.2 sich vertikal erstrecken. In die zweite Rauchgas-Mischkammer 24 mündet eine Zuleitung 12 zum Einleiten von Wasserstoff und — sofern erforderlich — eine weitere Zuleitung 25 zum Einleiten eines weiteren Gases. In einen Teil der zweiten Rauchgas-Mischkammer 24, der sich nahe der Ausströmöffnung 27 befindet, mündet eine Zuleitung 26 zum Einleiten des Produktes der thermischen Zersetzung. Das zweite Behandlungsgas wird in der zweiten Rauchgas-Mischkammer 24 mit der gewünschten Temperatur, dem gewünschten Druck und der gewünschten Zusammensetzung hergestellt und dann mit dem Produkt der thermischen Zersetzung, das nahe der Ausströmöffnung 27 eingeleitet wird, gemischt. Zusammen mit dem Produkt der thermischen Zersetzung wird das zweite Behandlungsgas der zweiten Behandlungskammer 28 zugeführt. Die gasförmigen Komponenten des Produktes der thermischen Zersetzung werden gleichmäßig mit dem zweiten Behandlungsgas gemischt, die flüssigen und festen Komponenten des Zersetzungsproduktes gleichmäßig im zweiten Behandlungsgas suspendiert.

Zur Erzeugung des gesättigten Kohlenwasserstoffgases werden alle Komponenten des Produktes der thermischen Zersetzung hydriert.

Das Produkt der thermischen Zersetzung wird durch eine Zuleitung 26 zugeführt, die nahe der Ausströmöffnung 27 in die zweite Behandlungskammer 28 mündet. Das Produkt der thermischen Zersetzung wird daher durch den Strom des zweiten Behandlungsgases, der

durch die Öffnung 27 in die Behandlungskammer 28 eintritt, verwirbelt.

Der Reaktionsmechanismus der Hydrierung des Produktes der thermischen Zersetzung ist nicht ganz klar. Es ist anzunehmen, daß folgende Reaktionen ablaufen:

1. Hydrierung der gasförmigen Komponenten

C₂H₄+ 2 H₂ = 2CH₄
C₂H₄ + H₂ = C₂H₆
C₃H₆+ 3 H₂ = 3 CH₄

CO + 3 H₂ = CH₄ + H₂O

Die letzte Reaktion dürfte, wenn überhaupt, nur in geringem Umfang stattfinden.

2. Hydrierung der flüssigen Komponenten (Teer)
C_nH_2n+2 -I- (77—I)H₂ = ηCH₄

3. Hydrierung der festen Komponenten
(Verkokungsprodukte)

C+ 2H₂ = CH₄

Alle vorstehend aufgeführten Hydrierungsreaktionen sind exotherm. Das bedeutet, daß durch die beim Hydrieren freiwerdende Wärme eine Erhöhung der Temperatur des Hydriergemisches in der zweiten Behandlungskammer eintritt. Deshalb ist es manchmal erforderlich, dem zweiten Behandlungsgas ein weiteres Gas beizumischen, um die Temperatur des Hydriergemisches auf den gewünschten Wert einzuregulieren.

so Das weitere Gas kann ein Teil des aus der zweiten Behandlungskammer abgezogenen konvertierten Gases sein. Dieser Teil wird durch einen Wärmeaustauscher geführt und durch Beimischen von Wasserdampf oder Wasser auf die gewünschte Temperatur eingestellt.

Das Hydriergemisch wird aus der zweiten Behandlungskammer 28 durch eine Abzugsleitung 29 in eine (in der Zeichnung nicht dargestellte) Abscheidevorrichtung, beispielsweise einen Zyklonabscheider, geleitet, in dem Verkokungsrückstände aus dem Gasgemisch

bo abgetrennt werden.

Das von Verkokungsrückständen befreite Gasgemisch wird sodann zur Gewinnung des gesättigten Kohlenwasserstoffgases einer Trennvorrichtung, beispielsweise einer Raffinierkolonne, zugeführt, in der die übrigen Gase, die Kohlendioxid und Schwefelwasserstoff enthalten, entfernt werden.

Das so hergestellte und isolierte gesättigte Kohlenwasserstoffgas besteht hauptsächlich aus Methan und

Äthan, enthält fast keine ungesättigten Kohlenwasserstoffe und nur geringe Anteile Kohlenmonoxid und Wasserstoff. Ein derartiges gesättigtes Kohlenwasserstoffgas hat einen hohen Heizwert.

Der beim Hydrieren und gegebenenfalls auch bei der thermischen Zersetzung verwendete Wasserstoff kann jederzeit von einer Wasserstoffquelle aus zugeleitet werden. Der Wasserstoff kann jedoch auch gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens erzeugt werden.

Hierzu werden nach Fig. 1 die aus dem Hydriergemisch abgeschiedenen Verkokungsrückstände zunächst in Wassergas umgewandelt. Die Vergasung der Verkokungsrückstände wird in folgender Weise ausgeführt.

In einer Mischkammer wird durch gleichmäßiges Mischen eines Brennstoffes mit Luft oder Sauerstoff ein Gasgemisch hergestellt, das dann in einer Brennkammer zu einem dritten, im wesentlichen inerten Rauchgas verbrannt wird, das höchstens 2 Vol.-% freien Sauerstoff enthält. Das dritte Rauchgas wird in eine dritte Rauchgas-Mischkammer eingeleitet, der getrennt auch Wasserdampf oder Wasser zugeführt und darin zur Herstellung eines dritten Behandlungsgases gleichmäßig mit dem Rauchgas gemischt werden. Das Mischungsverhältnis von Rauchgas und Wasserdampf oder Wasser wird in Abhängigkeit von der Temperatur, Jem Druck und der Zusammensetzung des Rauchgases sowie der Temperatur und dem Druck des Wasserdampfes oder Wassers so eingestellt, daß das gebildete jo dritte Behandlungsgas eine bestimmte Temperatur, einen bestimmten Druck und eine bestimmte Zusammensetzung hat.

Das dritte Behandlungsgas hat eine Temperatur von 800 bis 1000, vorzugsweise 850 bis 950⁰C, einen Druck j, von 20 bis 50, vorzugsweise 30 bis 40 bar und enthält 0,4 bis 0,8, vorzugsweise 0,5 bis 0,7 kg Wasserdampf/kg des umzuwandelnden Verkokungsproduktes.

Das dritte Behandlungsgas wird in eine dritte Behandlungskammer eingeleitet und überführt dort das Verkokungsprodukt in der Wirbelschicht in Wassergas, das aus Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid besteht. Das Wassergas wird bei einer Temperatur zwischen 400 und 450⁰C mit Wasserdampf behandelt, wodurch unter Freisetzung von Wasserstoff das Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid oxydiert wird. Aus dem konvertierten Gas wird nach bekannten Verfahren das Kohlendixod abgetrennt und der Wasserstoff isoliert. Dieser isolierte Wasserstoff wird in die zweite — und, falls erforderlich, auch in die erste — « Rauchgas-Mischkammer eingeleitet und zum Hydrieren sowie gegeberenfaüs zur Unti
sehen Zersetzung de." Kohle verwendet.

Das Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff aus Verkokungsrückständen kann in Vorrichtungen ausgeführt werden, wie sie in den F i g. 2 bis 4 dargestellt sind. F i g. 4 zeigt eine Einrichtung 30 mit einer Mischkammer 32, einer Brennkammer 33, einer dritten Rauchgas-Mischkammer 34 und einer dritten Behandlungskammer 35 (Kammer zur Wassergaserzeugung). Die t>o Mischkammer 32, die Brennkammer 33 und die dritte Rauchgas-Mischkammer 34 sind in gleicher Weise wie die entsprechenden Kammern bei der Vorrichtung nach F i g. 2 ausgebildet Eine Zuleitung 21, die in die dritte Rauchgas-Mischkammer 34 mündet, kann zum Einleiten eines weiteren Gases, beispielsweise eines Teils des Rauchgases, das durch die Leitung 10 aus der Brennkammer 33 abgezogen und auf die gewünschte

. 1 *v,rt»..T«;

----11g vjv-i niv-i nii-Temperatur und den gewünschten Druck gebracht worden ist, verwendet werden, um die Temperatur, den Druck und die Zusammensetzung des dritten Behandlungsgases in gewünschte Weise zu regulieren.

Der Verkokungsrückstand wird in die dritte Behandlungskammer 35 durch eine Leitung 37 eingespeist, die nahe der Ausströmöffnung 36 der dritten Rauchgas-Mischkammer in die dritte Behandlungskammer mündet. Die eingespeisten Verkokungsrückstände werden in der dritten Behandlungskammer 35 durch den Strom des dritten Behandlungsgases verwirbelt und zu Wassergas vergast, das anschließend einer (nicht dargestellten) Vorrichtung zum Konvertieren des Kohlenmonoxids mit Wasserdampf zu Kohlendioxid und Wasserstoff zugeführt wird.

Das vorstehend beschriebene Verfahren hat den Vorteil, daß alle Reaktionen gleichmäßig mit hoher Geschwindigkeit und hoher Ausbeute ablaufen. Durch die Vereinfachung der Reaktionsbedingungen wird die betriebliche Lenkung der Reaktionen erleichtert. Das hergestellte gesättigte Kohlenwasserstoffgas enthält keine nennenswerte Mengen ungesättigte Kohlenwasserstoffe und nur geringe Mengen Kohlenmonoxid und Wasserstoff; es hat einen hohen Heizwert.

Weitere Vorteile und Einzelheiten des Verfahrens werden an Hand des nachstehenden Beispiels veranschaulicht.

Beispiel

Zum Konvertieren von Kohle in ein gesättigtes Kohlenwasserstoffgas wurde eine Einrichtung verwendet, die durch Zusammenschalten der in den F i g. 2 bis 4 dargestellten Vorrichtungen entsprechend dem in Fig. 1 wiedergegebenen Fließschema aufgebaut worden war.

Die zu konvertierende Kohle war eine nichtbackende Kohle mit einer Korngröße von 1,4 bis 0,18 mm (gemessen als Durchgang durch Siebe entsprechender lichter Maschenweite).

1. Thermische Zersetzung der Kohle

Die thermische Zersetzung der Kohle wurde in einer Vorrichtung nach F i g. 2 durchgeführt. Als Brennstoff wurde ein nach diesem Verfahren hergestelltes gesättigtes Kohlenwasserstoffgas verwendet, das etwa 91 Vol.-°/o Methan + Äthan, etwa 6,5 Vol.-% Wasserstoff und etwa 2,5 Vol.-% Kohlenmonoxid enthielt. Dieses Brenngas wurde auf etwa 15O⁰C vorgewärmt und mit einem Durchsatz von 40 NmVStd. in die Mischkammer 2 eingeleitet. Gleichzeitig wurde auf 180⁰C vorgewärmte Luft mit einem Durchsatz von 400 NmVStd. in die Mischkammer 2 eingeleiiei und mii dem Brenngas gemischt Das Brennstoff/Luft-Gemisch wurde durch eine Ausströmöffnung 8 mit einem Innendurchmesser von Om = 10 mm in die Brennkammer 3 eingespeist die einen Innendurchmesser von d_c = 400 mm und ein Innenraumvolumen von Vc = 0,07 m³ hatte. Das Brenngas wurde in der Brennkammer 3 vollständig verbrannt, und das gebildete Rauchgas enthielt nur 0,2 Vol.-% freien Sauerstoff, war also im wesentlichen inert Das Rauchgas wurde sodann in die erste Rauchgas-Mischkammer 4 mit einem Innenraumvolumen von Va = 0,15 m³ eingeleitet in die ferner getrennt Wasserdampf von 107⁰C mit einem Durchsatz von 35 kg/Std. und gleichzeitig Wasserstoff von Raumtemperatur mit einem Durchsatz von 55 NmVStd. eingespeist und gleichmäßig mit dem Rauchgas gemischt wurden. Das so erhaltene erste Behandluneseas hatte

eine Temperatur von 500⁰C und einen Druck von 37 bar; es wurde in die erste Behandlungskammer 5 eingeleitet Gleichzeitig wurde in die erste Behandlungskammer 5 die feinzerkleinerte Kohle 15 mit einem Durchsatz von lOOkg/Std. eingespeist und in der Kammer von dem Gasstrom verwirbelt und thermisch zersetzt Das Produkt der thermischen Zersetzung wurde aus der ersten Behandlungskammer 5 abgezogen und der zweiten Behandlungskammer 28 (Fig. 3) zugeführt ι ο

2. Hydrierung des Produktes der thermischen
Zersetzung

Zum Hydrieren des Produktes der thermischen Zersetzung wurde die in Fig.3 dargestellte Vorrichtung verwendet Brenngas der gleichen Art, wie es bei der thermischen Zersetzung verwendet wurde, wurde auf etwa 150° C vorgewärmt und mit einem Durchsatz von 20 Nm³/Std in die Mischkammer 22 eingeleitet, in die gleichzeitig getrennt auf 180⁰C vorgewärmte Luft mit einem Durchsatz von 200 Nm³/Std. eingeleitet und gleichmäßig mit dem Brenngas vermischt wurde. Das Brennstoff/Luft-Gemisch wurde aus der Mischkammer 22 durch eine Ausströmöffnung 8 mit einem Innendurchmesser von 6 mm in eine Brennkammer 23 mit einem Innendurchmesser von d_c = 300 mm und einem Innenraumvolumen von Vc = 0,05 m³ eingeleitet und darin vollständig verbrannt. Das gebildete Rauchgas enthielt weniger als 0,2 Vol.-% freien Sauerstoff, war also im wesentlichen inert. Das Rauchgas wurde in die jo zweite Rauchgas-Mischkammer 24 mit einem Innenraumvolumen von K₄ = O₁IOm³ eingeleitet, in die gleichzeitig Wasserstoff von Raumtemperatur mit einem Durchsatz von 135 NmVStd. eingespeist und mit dem Rauchgas gemischt wurde. Das so erhaltene zweite Behandlungsgas hatte eine Temperatur von 700⁰C und einen Druck von 40 bar.

Das Produkt der thermischen Zersetzung wurde in einen Teil der zweiten Rauchgas-Mischkammer 24 nahe ihrer Ausströmöffnung 27 eingeleitet, wo es von dem Strom des zweiten 3ehand!ungsgases erfaßt und unter Verwirbelung in die zweite Behandlungskammer 28 mitgeführt wurde. Dort wurde das Produkt der thermischen Zersetzung in der Wirbelschicht hydriert Das Hydrierprodukt wurde aus der zweiten Behändlungskammer 28 abgezogen und zur Isolierung des gesättigten Kohlenwasserstoffgases einer Nachbehandlung zugeführt.

3. Nachbehandlung zur Isolierung von gesättigtem
Kohlenwasserstoffgas

50

Das Hydriergemisch wurde in einem Zyklonabscheider von Verkokungsrückständen befreit und dann einer Kolonne zugeleitet, in der Kohlendioxid und Schwefelwasserstoff entfernt wurden. Am Ende der Nachbehandlung wurde das gesättigte Kohlenwasserstoffgas mit einer Ausbeute von 65 NmVStd. aufgefangen. Es enthielt etwa 90,8 Vol.-% Methan + Äthan, etwa 6,5 VoI.-% Wasserstoff, etwa 2,7 Vol.-% Kohlenmonoxid und nur eine sehr geringe Menge ungesättigter t>o Kohlenwasserstoffe.

Die aus dem Hydriergemisch abgetrennten Verkokungsrückstände wurden zur Herstellung von Wasserstoff verwendet

4. Herstellung von Wasserstoff

Zur Erzeugung des für die Wasserstoffherstellung senötigten Wassergases wurde die in F i g. 4 dargestellte Vorrichtung verwendet. Brenngas, wie es bei der thermischen Zersetzung der Kohle verwendet wurde, und Luft wurden auf 150 bzw. 180° C vorgewärmt und mit Durchsätzen von 80 bzw. 800 NmVStd. in die Mischkammer 32 eingeleitet und darin gleichmäßig gemischt. Das Brennstoff/Luft-Gemisch wurde aus der Mischkammer 32 durch eine Ausströmöffnung 8 mit einem Innendurchmesser von d\t = 20 mm in die Brennkammer 33 mit einem Innendurchmesser d_c von etwa 35 mm und einem Innenraumvolumen Kc von etwa 0,3 m³ eingeleitet und darin verbrannt. Das so gebildete Rauchgas enthielt nur etwa 0,2 Vol.-% freien Sauerstoff und war somit im wesentlichen inert; es wurde in die dritte Rauchgas-Mischkammer 34 mit einem Innenraumvolumen von K-i = 0,7 m³ eingeleitet. Getrennt davon wurde Wasserdampf von 107⁰C mit einem Durchsatz von 60 kg/Std. in die dritte Rauchgas-Mischkammer 34 eingeleitet und gleichmäßig mit dem Rauchgas gemischt. Es wurde so ein Behandlungsgas erhalten, das eine Temperatur von 900⁰C und einen Druck von 35 bar halte.

In den unteren Teil der dritten Behandlungskammer 35 nahe der Ausströmöffnung 36 der dritten Behandlungskammer 34 wurde das im Zyklonabscheider aus dem Hydriergemisch abgetrennte Verkokungsprodukt mit einem Durchsatz von 100 kg/Std. eingespeist, von dem Strom des durch die Öffnung eintretenden Behandlungsgas verwirbelt und zu Wassergas vergast. Das Wassergas wurde abgezogen und einem Kohlenmonoxid-Konverter zugeleitet, in dem es mit Wasserdampf zu Kohlendioxid und Wasserstoff umgesetzt wurde. Das konvertierte Gasgemisch wurde in einer Kolonne von Kohlendioxid und anderen Verunreinigungen befreit, verdichtet und in einem Druckbehälter gespeichert, aus dem es in den erforderlichen Intervallen mit einem Durchsatz von 135 NmVStd. der zweiten Rauchgas-Mischkammer 24 und — bei Bedarf — mit einem Durchsatz von 55 NmVStd. der ersten Rauchgas-Mischkammer 4 zugeleitet wird.

Vergleichsbeispiel 1

Unter Verwendung der in F i g. 2 dargestellten Vorrichtung wurde die gleiche nichtbackende Kohle, wie sie im Beispiel benutzt wurde, direkt in Kohlenwasserstoffgas umgewandelt. In der Rauchgas-Mischkarnmer 4 wurde aus Rauchgas aus der Brennkammer 3 sowie Wasserdampf und Wasserstoff durch gleichmäßiges Mischen ein Behandlungsgas hergestellt, das eine Temperatur von 700⁰C sowie einen Druck von 35 bar hatte und 0,8 kg Wasserdampf sowie 1.9 Nm³ Wasserstoff je Kilogramm der zu konvertierenden Kohle enthielt Dieses Gasgemisch wurde in die Behandlungskammer 5 eingeleitet, in die gleichzeitig Kohle 15 mit einem Durchsatz von 100 kg/Std. eingespeist wurde. Die Kohle wurde von dem Gasstrom verwirbelt und thermisch zersetzt Das Zersetzungsprodukt wurde in der Behandlungskammer 5 hydriert. Das Reaktionsprodukt wurde in der gleichen Weise, wie im vorstehenden Beispiel beschrieben, nachbehandelt und gereinigt. Das so gewonnene Kohlenwasserstoffgas enthielt 73,1 Vol.-% Methan + Äthan, 3,8 Vol.-% Kohlenmonoxid, 12,5 Vol.-°/o Wasserstoff und 10,6 VoL-⁰Zb ungesättigte gasförmige Kohlenwasserstoffe.

Aus vorstehendem Ergebnis ist ersichtlich, daß bei der bekannten gleichzeitigen thermischen Zersetzung der Kohle und Hydrierung der Zersetzungsprodukte ein Kohlenwasserstoffgas erhalten wird, das unerwünscht

hohe Mengen ungesättigter Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid und Wasserstoff enthält

Vergleichsbeispiel 2

Die gleiche nichtbackende Kohle, wie sie im Beispiel verwendet wurde, wurde mit einem Durchsatz von lOOkg/Std. in eine Behandlungskammer ähnlich der Kammer 5 der Vorrichtung nach Fig.2 eingespeist. Gleichzeitig wurden in die Kammer Brenngas der gleichen Art wie bei dem Verfahren des Beispiels, Sauerstoff, Wasserdampf und Wasserstoff mit Durchsätzen von 0,6 NmVStd. bzw. 03 NmVStd, 0,5 kg/Std. und 0,9 NmVStd. eingeblasen. Die Kohle wurde durch den Gasstrom in der Behandlungskammer verwirbelt und ein Teil der Kohle wurde verbrannt, um die Temperatur in der Behandlungskammer auf 750 bis 800° C zu halten. Die übrige Kohle wurde zersetzt, und die Zersetzungsprodukte wurden in der Behandlungskammer hydriert Das Reaktionsprodukt wurde in dei vorstehend beschriebenen Weise nachbehandelt unc gereinigt Das so gewonnene Kohlenwasserstoffgas enthielt 64,4 VoL-% Methan + Äthan, 4,1 VoL-°/o Kohlenmonoxid, 16,2 VoL-% Wasserstoff und 15,3 VoL-% ungesättigte Kohlenwasserstoffe.

Das vorstehende Ergebnis zeigt deutlich, daß bekannte Verfahren, bei denen ein Teil der Kohle verbrannt und der übrige Teil thermisch zersetzt und

ίο das Zersetzungsprodukt in derselben Behandlungskammer hydriert wird, ein Kohlenwasserstoffgas liefert, das einen hohen Anteil ungesättigter Kohlenwasserstoffe, Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthält, während der Gehalt an gesättigten Kohlenwasserstoffen nur etwa zwei Drittel desjenigen beträgt, der bei dem nach dem Verfahren gemäß der Erfindung erhaltenen Kohlenwasserstoffgas erhalten wird.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur kontinuierlichen Konvertierung von Kohle in ein aus gesättigten Kohlenwasserstoffen bestehendes Gas, wobei man feinverteilte Kohle in einer Wirbelschicht in Gegenwart eines ersten, Wasserdampf enthaltender. Behandlungsgases thermisch zersetzt, das Produkt der thermischen Zersetzung dann in einer Wirbelschicht mit einem zweiten, Wasserstoff enthaltenden Behandlungsgas hydriert, die erzeugten gesättigten Kohlenwasserstoffe von Verkokungsprodukten, Kohlendioxid, Schwefelwasserstoff und anderen Verunreinigungen befreit und gewinnt, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Behandlungsgas aus einem Gemisch aus Rauchgas mit höchstens 2 Vol.-°/o freiem Sauerstoff und 0,25 bis 0,5 kg Wasserdampf sowie gegebenenfalls 0,4 bis 0,7 Nm³ Wasserstoff, jeweils je Kilogramm der zu vergasenden Kohle, besteht, eine Temperatur von 400 bis 600°C hat sowie unter einem Druck von 25 bis 50 bar steht, und daß das zweite Behandlungsgas aus einem Gemisch aus Rauchgas mit höchstens 2 Vol.-% freiem Sauerstoff und 1,1 bis 1,6 Nm³ Wasserstoff/kg der vergasten Kohle besteht, das gegebenenfalls noch Wasserdampf oder ein Teil des Hydriergases enthalten kann und eine Temperatur von 600 bis 800⁰C hat sowie unter einem Druck von 20 bis 50 bar steht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Behandlungsgas auf eine Temperatur von 450 bis 550⁰C, einen Druck von 30 bis 40 bar, einen Wasserdampfgehalt von 0,3 bis 0,4 und gegebenenfalls auf 0,5 bis 0,6 Nm³ Wasserstoff, jeweils je Kilogramm der zu vergasenden Kohle, eingestellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Behandlungsgas auf eine Temperatur von 650 bis 750⁰C, einen Druck von 30 bis 40 bar und einen Wasserstoffgehalt von 1,25 bis 1,45Nm³ Wasserstoff/kg der vergasten Kohle eingestellt wird.

4. Weitere Ausbildung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der im zweiten Behandlungsgas und gegebenenfalls im ersten Behandlungsgas benötigte Wasserstoff durch Behandlung des Verkokungsrückstandes mit einem Gasgemisch, das aus Rauchgas mit höchstens 2 Vol.-% freiem Sauerstoff und 0,4 bis 0,8 kg Wasserdampf/kg der zu behandelnden Verkokungsrückstände besteht, eine Temperatur von 800 bis 1000⁰C hat sowie unter einem Druck von 20 bis 50 bar steht, Konvertieren des gebildeten Wassergases mit Wasserdampf bei einer Temperatur von 400 bis 45O⁰C in ein Gemisch aus Wasserstoff und Kohlendioxid sowie Abtrennen des Wasserstoffes vom Kohlendioxid hergestellt und dem Behandlungsgas zugeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Verkokungsrückstand mit einem Rauchgas-Wasserdampf-Gemisch behandelt wird, das eine Temperatur von 850 bis 950°C hat, unter einem Druck von 30 bis 40 bar steht und 0,5 bis 0,7 kg Wasserdampf/kg der zu behandelnden Verkokungsrückstände enthält.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine erste Brennstoff-Mischkammer (2) mit Zuleitungen (6, 7) für Brennstoff und Luft oder

Sauerstoff, eine Brennkammer (3), die mit einer absperrbaren Abzugsleitung (10) zur Entnahme von Rauchgas versehen ist, eine. Rauchgas-Mischkammer (4), die sich an die Brennkammer (3) anschließt, mit Zuleitungen (11a, üb) zum Einleiten von Wasserdampf oder Einsprühen von Wasser sowie gegebenenfalls einer Zuleitung (12) zum Einleiten νου Wasserstoff versehen und mit einer Wirbelschicht-Behandlungskammer (5) verbunden ist, die mit einer Einrichtung (16, 17) zum Einspeisen von Kohle und einer Rohrleitung (19) zum Abführen der Gase und Behandlungsprodukte ausgerüstet ist, sowie eine zweite Brennstoff-Mischkammer (22) mit Zuleitungen (6, 7) für Brennstoff und Luft oder Sauerstoff, die in eine Brennkammer (23) mündet, die mit einer absperrbaren Abzugsleitung (10) zur Entnahme von Rauchgas versehen ist, eine zweite Rauchgas-Mischkammer (24), die sich an die zweite Brennkammer (23) anschließt und mit den Zuleitungen (12, 25) für Wasserstoff und ein weiteres Zusatzgas versehen ist und die mit einer zweiten Wirbeischicht-Behandlungskammer (28) in Verbindung steht, unter deren Einströmöffnung (27) eine Zuleitung (26) für die Zuführung der Reaktionsprodukte aus der ersten Wirbelschicht-Behandlungskammer (5) endet und die in ihrem Oberteil mit einer Rohrleitung (29) zum Abführen der Gase und Reaktionsprodukte versehen ist.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 4 oder 5, gekennzeichnet durch eine Brennstoff-Mischkammer (32) mit Zuleitungen (6,7) für Brennstoff und Luft oder Sauerstoff, die in eine Brennkammer (33) mündet, die mit einer absperrbaren Abzugsleitung (10) zur Entnahme von Rauchgas versehen ist, eine Rauchgas-Mischkammer (34), die sich an die Brennkammer (33) anschließt und mit Zuleitungen (Ha, Wb) zum Einleiten von Wasserdampf oder Einsprühen von Wasser sowie einer Zuleitung (21) zum Einleiten eines weiteren Gases versehen und die mit einer Wirbelschicht-Behandlungskammer (35) verbunden ist, in deren unterem Teil eine Zuleitung (37) zur Zuführung des Verkokungsrückstandes mündet und die in ihrem Oberteil eine Rohrleitung zur Abführung der Reaktionsprodukte aufweist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoff-Mischkammern (2, 22, 32) an den Ausströmöffnungen (8) mit Drosselorganen (9) zur Regulierung des Verbrennungsgemisch-Durchsatzes ausgerüstet sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenraum der Brennkammern (3, 23, 33) zylindrisch ausgebildet ist und zwischen ihren Innendurchmessern d_c und den Innendurchmessern Om der Ausströmöffnungen (8) der Brennstoff-Mischkammern (2, 22, 32) folgende Beziehung besteht:

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen Va des Innenraumes der Rauchgas-Mischkammern (4, 24, 34) mit dem Volumen V₁- des Innenraumes der Brennkammern (3, 23, 33) in folgender Beziehung steht:

V„> 1,5 Vc