DE3431465A1

DE3431465A1 - Verfahren zur herstellung eines waessrigen, foerderbaren brennschlamms aus kohlenstoffhaltigem material

Info

Publication number: DE3431465A1
Application number: DE19843431465
Authority: DE
Inventors: Edward Encino Calif. Koppelman; Robert Gordon Palo Alto Calif. Murray
Original assignee: K-Fuel/Koppelman Patent Licensing Trust
Current assignee: K-Fuel/Koppelman Patent Licensing Trust
Priority date: 1983-08-29
Filing date: 1984-08-27
Publication date: 1985-03-28
Also published as: SE8404177D0; BR8404294A; FR2551083A1; SE8404177L; GB8420633D0; IN161078B; GB2145732A; KR850001917A; JPS60149694A; IT8422429A1; IT8422429A0; AU3177184A; FI843393A7; IT1176633B; FI843393A0

Description

Verfahren zur Herstellung eines wässrigen, förderbaren Brennschlamms aus kohlenstoffhaltigem Material

Die folgende Erfindung bezieht sich allgemein auf kohlen· stoffhaltige Materialien, die eine deutliche Menge Feuchtigkeit enthalten. Sie beinhaltet einen Autoklavenprozess, bei dem ein festes veredeltes Reaktionsprodukt entsteht, das einen deutlich geringeren Feuchtigkeitsgrad aufweist. Dieses Reaktionsprodukt wird, falls nötig, auf eine gewünschte Partikelgröße zerkleinert und mit einer definierten Menge der beim Autoklavenprozess gewonnenen Feuchtigkeit und wenigstens einem Teil der zurückgewonnenen flüchtigen organischen Bestandteile so vermischt, daß ein wässriger Brennschlamm mit erhöhtem Heizwert entsteht.

Die Verknappung und Preiserhöhung der konventionellen Energiequellen, wie z.B. Erdöl und Erdgas, hat eine stürmische Entwicklung bei der Suche nach neuen Energiequellen, wie z.B. Torf, Braunkohle, Lignit, bituminöse Kohle, Celluloseabfallmaterial einschließlich Sägemehl, Rinde, Holzabfällen, Astmaterial und Spänen aus der holzverarbeitenden Industrie, sowie den verschiedenen landwirtschaftlichen Abfallmaterialien, wie z.B.

Baumwollpflanzenbestandteilen, Nußschalen, Maishüllen u.a., hervorgerufen. Diese kohlenstoffhaltigen Materialien' sind für den direkten Gebrauch als Hochleistungsfeuerungsmaterialien aus verschiedenen Gründen, u.a. auch wegen der relativ hohen Feuchtigkeit und des Sauerstoffgehaltes und ihrer physikalischen Erscheinungsform nicht direkt einsetzbar. Es ist eine Vielzahl von Ver-

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fahren vorgeschlagen worden, bei denen solch ein kohlenstoffhaltiges Material in eine Form umgewandelt wird, durch die sein Heizwert bezogen auf den feuchtigkeitsfreien Zustand deutlich erhöht und durch die das Material lagerfähig und unempfindlich gegen Verwitterung bei Transport und Lagerung wird und durch die die aufgearbeiteten Brennstoffe leichter in herkömmlichen Feuerungsanlagen eingesetzt werden können.

Ein Verfahren der oben genannten ^ Art ist in der US-PS 4 052 168 beschrieben. Hierbei wird eine lignitische Kohle ' durch eine gesteuerte thermische Behandlung chemisch umstrukturiert. Im Vergleich zu der lignitischen Kohle ist das aufgearbeitete kohlenstoffhaltige Reaktionsprodukt lagerfähig und beständig gegen Verwitterung und zeigt einen verbesserten Heizwert.

In der US-PS 4 127 391 ist ein Verfahren beschrieben, bei dem feine bituminöse Abfallpartikel, die...von üblichen Kohlewaschanlagen und Reinigungsschritten herrühren, so behandelt werden, daß feste koksähnliche Agglomerate entstehen, die direkt als fester Brennstoff verwendet werden können.

In der US-PS 4 129 420 wird ein Verfahren beschrieben, bei dem natürlich vorkommendes Cellulosematerial und Torf sowie Celluloseabfallmaterial durch einen gesteuerten thermischen Umstrukturierungsprozess so umgewandelt werden, daß ein festes kohlenstoffhaltigesoder koksähnliches Produkt resultiert. Dieses Reaktionsprodukt kann entweder als fester Brennstoff direkt eingesetzt oder in Mischung mit üblichem Heizöl verwendet werden.

In der schwebenden amerikanischen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 449 421 wird sowohl ein Verfahren als auch eine Einrichtung zur thermischen Vorbehandlung und Behandlung von kohlenstoffhaltigem Material, wie z.B. Torf, beschrieben. Hiernach erhält man einen aufgearbeiteten festen Brennstoff.

Eine verbesserte Einrichtung und ein Verfahren, um ein derartiges veredeltes kohlenstoffhaltiges Material herzustellen, ist ferner in der US-PS 4 126 beschrieben, welche auf die Anmelderin zurückgeht.

In Übereinstimmung mit den Verfahren, die in den oben erwähnten Patentschriften und der genannten Patentanmeldung beschrieben sind, wird ein feuchtes kohlenstoffhaltiges Beschickungsmaterial einer Autoklavenbehandlung mit einer gesteuerten, erhöhten Temperatur und einem gesteuerten Druck über eine bestimmte Zeitdauer ausgesetzt, um einen wesentlichen Teil der Feuchtigkeit zu verdampfen und um wenigstens einen Teil der leicht flüchtigen organischen Bestandteile in eine Gasphase zu bringen und somit eine gesteuerte thermische Umwandlung der chemischen Struktur und der Zusammensetzung des kohlenstoffhaltigen Materials zu erreichen. Das resultierende Reaktionsprodukt ist beständig und zeigt im Vergleich zur bituminösen Kohle einen verbesserten Heizwert. Ein dauerndes Problem bei der Verwendung solcher alternativen Energiequellen, wie z.B. natürlich vorkommender bituminöser Kohle und veredelten Reaktionsprodukten, wie sie in den oben erwähnten Patentschriften beschrieben sind, besteht darin, daß die geographische Lage der Fundstätten dieser Materialien im allgemeinen sehr weit entfernt ist von der Stelle des Endverbrauchs. Hieraus resultieren ernsthafte Probleme des Transportes,

der Handhabung und der Lagerung. Eine bevorzugte Lösung dieses Problems besteht darin, einen wässrigen Schlamm der bituminösen Kohle in einer bestimmten Form herzustellen, der einen Transport durch Rohrleitungen zu einem Ort des Gebrauches gestattet. Die Herstellung eines solchen wässrigen Schlammes, der üblicherweise zwischen 50% und 70% Festsubstanz enthält, erfordert wesentliche Mengen des örtlichen Wassers, das in einigen Regionen knapp ist, und stellt eine beträchtliche Belastung für den örtlichen Oberflächen- und Grundwasservorrat dar.. Ein weiteres Problem besteht darin, daß der wesentliche Teil des Wassers des wässrigen Schlammes am Bestimmungsort wieder entfernt werden muß. Hierfür werden teure Zentrifugen benötigt, deren Wartung und deren Betreibung weitere Kosten verursachen. Die Entfernung des überwiegenden Wasseranteils hat sich für die Herstellung eines reinen Brennstoffproduktes mit einem hohen Heizwert als notwendig erwiesen, da andernfalls für die Verdampfung des Wassers während des Verbrennungsprozesses ein Teil der Energie verloren ginge. Häufig enthält das extrahierte Wasser Verschmutzungen, die während der Förderung in der Rohrleitung ausgelaugt werden, so daß aufwendige Einrichtungen erforderlich sind, um das abgetrennte Wasser umweltakzeptabel wieder abzugeben. Diese aufgeführten Faktoren und Überlegungen bilden ernsthafte Hindernisse für die weitere Verbreitung der Ausnutzung dieser alternativen Energiequellen, wie z.B. bituminöse .. Kohle, infolge der damit verbundenen ökonomischen und ökologischen Aspekte.

Das erfindungsgemäße Verfahren überwindet viele der aufgeführten Probleme und Hindernisse dadurch, daß ein veredelter wässriger Brennschlamm verwendet wird, 35

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der im wesentlichen aus dem Originalbrennmaterial hergestellt wird, wie dieses gewonnen wird. Dieser veredelte Brennschlamm besitzt eine relativ hohe Heizenergie und kann direkt als Schlamm in einer konventionellen Brennereinrichtung verbrannt werden. Er stellt ein Ökonomisches Brennmaterial dar, welches durch Rohrleitungen förderbar ist und nicht die oben erwähnten Umweltnachteile aufweist.

Die Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch ein Verfahren erreicht, bei dem ein feuchtes kohlenstoffhaltiges Beschickungsmaterial einer Autoklavenbehandlung bei einer erhöhten Temperatur und einem erhöhten Druck über eine gesteuerte Zeitdauer unterzogen wird, um den nahezu gesamten Teil der hierin enthaltenen Feuchtigkeit zu verdampfen und eine Verdampfung mindestens eines Teils der leicht flüchtigen organischen Bestandteile zu bewirken, während gleichzeitig eine gesteuerte thermische Umstrukturierung der chemischen Struktur des Ausgangsmaterials und eine Veränderung der chemischen Zusammensetzung bewirkt wird. Das resultierende Reaktionsprodukt von veredelter Struktur und verbessertem Heizwert wird, falls notwendig, auf eine gewünschte feine Partikelgröße zerkleinert und mit abgedampfter Feuchtigkeit, die die kondensierbaren organischen Komponenten enthält, so vermischt, daß ein durch Rohrleitungen pumpbarer Schlamm geschaffen wird. Die kondensierte flüssige Phase, die die kondensierten organischen Bestandteile enthält, wird üblicherweise für die Herstellung eines Schlammes gebraucht, der zwischen 50% und 70% Festsubstanz enthält. Die Menge des flüssigen Kondensates hängt von dem speziellen Typ des eingesetzten feuchten Kohlenstoffbeschickungsmaterials ab. In Fällen, in denen die flüssige Phase in bezug auf die Herstellung des gewünschten wässrigen Brennschlamms

im Übermaß vorhanden ist, kann ein Konzentrat des flüssigen Kondensates, das alle wesentlichen organischen Bestandteile enthält, z.B. durch Verdampfen, unter Verwendung der als Nebenprodukt anfallenden Wärme des Prozessreaktors hergestellt werden, wobei nahezu sämtliche organischen Bestandteile in der konzentrierten Flüssigkeitsrestmenge zurückgehalten werden. In den Fällen, in denen das Beschickungsmaterial einen relativ geringen Feuchtigkeitsgehalt besitzt, wird lediglich eine minimale Menge des örtlichen Frischwassers benötigt, um den Flüssigkeitsmangel auszugleichen und den gewünschten Schlamm zu produzieren. Ebenfalls ist es möglich, andere mit Wasser mischbare Flüssigkeiten, wie z.B. Alkohol, einzusetzen, um einen Schlamm mit den gewünschten Strömungseigenschaften herzustellen.

Falls dies gewünscht, kann 'der Schlamm am Bestimmungsort, um optimale, Verbrennungseigenschaften zu erzielen, durch Entfernung eines Teiles des Wassers weiter konzentriert werden. Aus diesem können später, z.B. durch Lösungsmittelextraktion, die organischen Verbindungen entfernt werden, die danach mit dem Schlamm wieder vereint werden. Die Anwesenheit der organischen Verbindungen in der wässrigen Phase liefert einen wesentlichen Beitrag zum Heizwert des Schlammes und gleicht somit die Energie, die beim Verbrennungsprozess für das Verdampfen des Wassers notwendig ist, aus.

Aus dem Vorhergehenden ist zu entnehmen, daß mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ein wässriger Brennschlamm, der einen hohen Heizwert aufweist, nahezu vollständig aus dem ursprünglich geförderten feuchten Beschickungsmaterial hergestellt wird, wobei für diese Herstellung ein beträchtlicher Bedarf an örtlichem Frischwasser nicht erforderlich ist. Der Schlamm ist in einem Zu-

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stand, der ihn für den Transport in Rohrleitungen höchst geeignet macht. Er kann weiter konzentriert werden, falls dies gewünscht wird, durch Entfernung eines kleinen Anteils des enthaltenen Wassers unter Anwendung wirtschaftlicher Extraktionstechniken. Die organischen Bestandteile in der wässrigen Phase des Schlamms leisten darüberhinaus noch einen Beitrag zum Heizwert. Gleichzeitig werden Abwasserbehandlungseinrichtungen überflüssig.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung im einzelnen erläutert. Es zeigen:

Figur 1 ein schematisches Flußdiagramm der an

einem Beschickungsmaterial zur Herstellung einer wässrigen Aufschlämmung, die für die Rohrförderung geeignet ist, durchgeführten Verfahrensschritte; und

Figur 2 ein schematisches Flußdiagramm einer Abfolge von Verfahrensschritten, denen das Beschickungsmaterial zur Herstellung einer für die Verbrennung geeigneten Aufschlämmung unterzogen wird.

Die typischen Arbeitsschritte zur Herstellung eines Rohrleitungsschlammes aus einem feuchten kohlenstoffhaltigen Beschickungsmaterial sind in dem Flußdiagramm der Figur 1 schematisch dargestellt. Wie gezeigt, wird das Beschickungsmaterial, z.B. Kohle, aus einem Sammler 10 über ein Rohr 12 in einen Reaktionsbereich 14 geführt, in dem es eine bestimmte Zeit auf eine erhöhte Temperatur unter gesteuertem Druck gebracht wird, um die gewünschte Verdampfung der Feuchtigkeit

und der organischen flüchtigen Verbindungen um gewünschte Größenordnung der thermischen Umstrukturierung der chemischen Zusammensetzung des Ausgangsmaterials herbeizuführen. Die im Reaktionsbereich entstehenden nichtkondensierbaren Gase werden durch ein Rohr 16 abgeführt und können später, falls gewünscht, weiter verarbeitet oder können als Energiequelle für die Heizung des Reaktionsbereiches herangezogen werden. Die kondensierbaren Gase, die sowohl mitgerissenes als auch chemisch gebundenes Wasser im Beschickungsmaterial, das während der Reaktion freigesetzt wurde, sowie verdampfbare organische Bestandteile enthalten, und solche, die während des thermischen Crackens und/oder beim Abbau des kohlenstoffhaltigen Materials entstanden sind, werden geeigneterweise durch ein Rohr 18 zu einem Kondensator 20 transportiert,und das rückgewonnene flüssige Kondensat wird durch ein Rohr 22 zu einem Mischer 24 geleitet, um den Rohrleitungsschlamm herzustellen. Das im Reaktionsbereich hergestellte feste Reaktionsprodukt, das eine geringe Restfeuchte aufweist, wird durch ein Rohr 26 in eine Zerkleinerungseinrichtung 28, in der es auf eine gewünschte Partikelgröße zermahlen wird, transportiert, und im Anschluß daran wird es durch ein Rohr 30 in einen Mischer 24 überführt. Unter gewissen Umständen kann es wirtschaftlicher sein, die Zerkleinerung des Reaktionsproduktes im nassen Zustand vorzunehmen. Hierbei wird die Zerkleinerung dann durchgeführt, nachdem das flüssige Kondensat und das feste Reaktionsprodukt im Mischer 24 miteinander vereint worden sind.

Der Reaktionsbereich 14 kann ferner eine Vorbehandlungssektion aufweisen, in der das Beschickungsmaterial vor der Hochtemperaturautoklavenbehandlung eine teilweise Entwässerung erfährt, wobei das wiedergewonnene flüssige Wasser durch ein Rohr 32 zu dem Mischer transportiert wird, um dort den Schlamm zu formen. Abhängig von der

speziellen Feuchtigkeit des eingesetzten Beschickungsmaterials und den jeweiligen Bedingungen, unter denen die Autoklavenreaktion durchgeführt wird, ist auch vorgesehen, daß irgendein Überschuß an Wasser, der mehr anfällt, als für die Herstellung des Schlammes notwendig ist, durch einen Verdampfer 32 entfernt werden kann, und das hieraus gewonnene Abwasserkonzentrat, das organische Bestandteile enthält, wird dann zum Mischer transportiert. Der Mischer 24 ist mit einer hohe, Scherkräfte erzeugenden Einrichtung versehen, um eine im wesentlichen einheitliche Dispersion aus dem feinzerkleinerten veredelten Reaktionsprodukt in der aus dem Reaktionsbereich wiedergewonnenen flüssigen Phase zu erzeugen. Im allgemeinen enthält der so hergestellte Schlamm von etwa 40 Gew.-SS bis etwa 70 Gew.-% Festsubstanz, vorzugsweise von etwa 50 Gew.-% bis etwa 55 Gew.-% Festsubstanz. Der Schlamm wird durch ein Rohr 34 zu einem Vorratstank 36 transportiert, der mit Rührwerken ausgestattet ist, oder sofort in eine Transportrohrleitung.

Bei der Verarbeitung von Beschickungsmaterial mit einer relativ geringen Anfangsfeuchte kann das gewonnene weitgehend trockene Reaktionsprodukt auch in zwei separate Fraktionen aufgeteilt werden,wovon eine Fraktion mit dem wiedergewonnenen flüssigen Kondensat zu einem pumpbaren Schlamm mit gewünschten Eigenschaften vermischt wird. Die andere feste Fraktion kann als separater, fester Brennstoff eingesetzt werden. Ferner kann in solchen Fällen, in denen eine zu geringe Menge an flüssigem Kondensat zur Herstellung eines pumpbaren Schlammes aus dem. vollständigen festen Reaktionsprodukt verfügbar ist, zusätzliche Flüssigkeit zugesetzt werden, um die gewünschte Strömungscharakteristik des Schlammes zu erreichen. Hierfür kann jede Flüssigkeit, die mit Wasser mischbar ist, eingesetzt werden, ein-

schließlich überflüssigen Kondensats von anderen Reaktoren oder andere organische Flüssigkeiten, wie z.B. Alkoh-ohl.

Der durch Rohrleitungen förderbare . Schlamm kann sofort als Brennschlamm am Ort seiner Bestimmung eingesetzt werden, wird bevorzugt jedoch unter Entfernung eines Teiles des Wassers konzentriert, um den Heizwert und die Verbrennungseigenschaften zu verbessern.

Allgemein ist die Wassermenge, die notwendig ist, um

einen Schlamm zu produzieren, der für den Rohrleitungs-, noher als die für einen Brennschlamm von optimaler Qualität erforderliche Menge. Allgemein gesagt enthalten als Brennstoff geeignete Schlämme, die in herkömmlich ausgebildeten Brenneranlagen verbrannt werden können, welche nur geringfügige Veränderungen zur Aufnahme des wäßrigen Schlamms benötigen, Wasser in Mengen bis etwa 30 Gew.-%, wobei Mengen von etwa 20 Gew.-SS bis etwa 30 Gew.-SS typisch sind, je nach der speziellen, verwendeten Brenneranlage. Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Flußschemas einer typischen Schrittfolge zur Aufkonzentrierung des Pipelineschlamms, um so einen qualitativ hochwertigen Brennschlamm zu produzieren. Wie dargestellt, gelangt von einem Sammler 38 der Brennschlamm durch ein Rohr 40 in eine Einrichtung zur Flüssigkeitsentfernung, wie z.B. einer Zentrifuge 42, in der die gewünschte Menge der Flüssigkeit über eine Leitung 44 extrahiert wird, wobei ein konzentrierter Schlamm gebildet wird, der durch eine Leitung 46 abgezogen wird. Die extrahierte Flüssigkeit enthält einen Teil der wertvollen organischen Bestandteile und wird bevorzugt einem Extraktionsvorgang, wie z.B. einem Lösungsmittelextraktor 48 ausgesetzt, um alle wesentlichen organischen Bestandteile hieraus zu entfernen. Der Rest der extrahierten Flüssigkeit,der im

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wesentlichen Wasser umfaßt, wird durch eine Leitung 50 entfernt. Das durch die Leitung 50 abgeführte, extrahierte Wasser kann unter Umständen noch geringeRückstände organischer Verbindungen enthalten, die durch eine Behandlung, beispielsweise mit Aktivkohle, entfernt werden können, und das gereinigte Wasser kann leicht nachbehandelt werden, z.B. in konventionellen Belüftungsanlagen oder in Weihern, um es anschließend ohne Gefahr ableiten zu können.

Die organischen Bestandteile, die im Extraktor 48 gewonnen wurden, werden durch eine Leitung 52 zu einem Mischer 54 transportiert, in dem der konzentrierte Schlamm und die wiedergewonnene organische Phase wieder vermischt werden, um einen hochwertigen Brennschlamm herzustellen, der eineFlüssigkeitskonzentration aufweist, die geringer ist als die des Rohrleitungsschlamms. Der hochwertige Brennschlamm kann in einen Vorratstank 56, der mit einem Rührwerk ausgerüstet ist, für die anschließende Verbrennung in einer Brennervorrichtung überführt werden. Es kann auch vorteilhaft sein, organische Flüssigkeiten, wie z.B. Alkohol, zur Verbesserung der Brenneigenschaften des Brennschlamms hinzuzufügen. Solche zusätzlichen Flüssigkeiten können bequem in den Mischer 54 in Figur 2 eingeleitet werden. Eine genaue Beschreibung der Fließschemen aus Figur 1 und 2 erfolgt anhand der nachfolgenden Beispiele, die Material- und Energiebilanzen für die Verarbeitung einer bituminösen Kohle enthalten.

Als kohlenstoffhaltiges Beschickungsmaterial können aus der nachfolgenden Gruppe ausgewählte Materialien bzw. Mischungen davon eingesetzt werden: holzige Kohlearten, Cellulosematerialien, wie z.B. Torf, Abfallcellulose

einschließlich Sägestaub, Rinde, Holzstücke, Astmaterial und Späne aus der Holzverarbeitung und aus Sägewerken, verschiedene landwirtschaftliche Abfall, produkte, wie z.B.. Baumwollpflanzenbestandteile, Nußschalen, Maishüllen o.a. und ebenso bituminöse Kohlearten. Die vorgenannten Beschickungsmaterialien schwanken in ihrer Anfangsfeuchte, einschließlich der mitgebrachten Feuchte sowie der Menge an chemisch gebundenem Wasser. Hieraus folgt, daß die besonderen Bedingungen, denen das Beschickungsmaterial in dem Reaktionsbereich unterworfen wird, sehr von den spezifischen Daten des Beschickungsmaterials und der Anfangsfeuchte abhängen, um einen optimalen Wirkungsgrad zu erreichen und einen hochwertigen Brennschlamm mit den gewünschten Eigenschäften zu schaffen.

Wenn holzige Kohlearten als Beschickungsmaterial eingesetzt werden, werden bevorzugt solche Prozeßdaten eingehalten, wie sie in der US-PS 4 052 168 beschrieben sind, um ein veredeltes, beständiges und witterungsfestes Reaktionsprodukt herzustellen. Ähnlich verhält es sich, wenn Cellulosematerial als Beschickungsmaterial eingesetzt wirdj hier werden die Bedingungen, die in der US-PS 4 129 420 beschrieben sind, bevorzugt eingehalten. Wird Cellulosematerial, wie z.B. Torf, das eine relativ hohen Feuchtigkeitsgehalt bis zu 92% enthält, als Beschickungsmaterial eingesetzt, wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das Verfahren und die Einrichtung gemäß der Beschreibung aus der schwebenden US-Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 449 421 angewendet, um das Beschickungsmaterial einer Vorbehandlung und einer partiellen Entwässerung in'dem Reaktionsbereich zu unterwerfen, bevor es dann im Reaktionsbereich eine nasse Pyrolysebehandlung erfährt. Die Entwässerungsvorbehandlung kann ein Vorerhitzen des eingebrachten

Materials auf eine Temperatur bis auf etwa 260 ⁰C und das Aussetzen des vorerhitzten Beschickungsmaterials einem Druck umfassen, wobei die Feuchtigkeit verflüssigt und über eine Leitung, wie sie in Figur 1 die Leitung 32 darstellt, abgeführt wird. Im Falle von Torf mit einer Eingangsfeuchte von etwa 50% bis etwa 70 Gew.-% oder mehr kann eine Entwässerung durchgeführt werden, um eine Restfeuchte von etwa 15% bis 30 Gew.-% , vorzugsweise weniger als etwa 15 Gew.-%,zu erreichen. Im Falle aller solcher kohlenstoffhaltigen Beschickungsmaterialien ist es wünschenswert, eine kleine Menge Feuchtigkeit .in dem Füllmaterial, das in die folgende Reaktionskammer eingebracht wird, zu belassen, um die thermische Pyrolysereaktion zu steigern, wobei Feuchtigkeitskonzentrationen von etwa 5% bis etwa 15 Gew.-% bevorzugt werden. Auch wird allgemein bevorzugt, das Beschickungsmaterial auf eine solche Größe zu zerkleinern oder zu zerreißen, daß der Transport und die Wärmeübertragung während der verschiedenen Reaktionsschritte erleichtert wird.

Das Beschickungsmaterial läßt man in einer im Reaktionsbereich vorgesehenen Kammer reagieren, indem man das Material auf eine Temperatur in einem Bereich von etwa 205 ⁰C bis etwa 650 ⁰C, vorzugsweise von etwa 260 ⁰C bis etwa 535 ⁰C,unter einem Druck von etwa 21 bar bis etwa 210 bar, vorzugsweise von etwa 42 bar bis etwa 105 bar, erhitzt. Die speziellen Temperaturen und Drücke, die gewählt werden, hängen vom speziellen Typ des Beschickungsmaterials und den gewünschten Daten der hergestellen Reaktionsproduktes ab. Die Reaktion kann kontinuierlich, wie sie in den vorgenannten US-Patentschriften und der US Patentanmeldung beschrieben ist, oder diskontinuierlich in einem Autoklaven durchgeführt werden. Die für die geeignete thermische Umwandlung

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und Veredlung des Beschickungsmaterials notwendige Zeit hängt von den ausgewählten Temperatur- und Druckbedingungen und den Merkmalen des gewünschten Produktes ab. Ein Teil der Verweilzeit des Materials im Reaktor wird für das Verdampfen des restlichen Feuchtigkeitsgehalts und der organischen Bestandteile verbraucht, wonach ein weiteres Heizen des Beschickungsmaterials eine schonende nasse Pyrolysebehandlung bewirkt. Um einen optimalen Wirkungsgrad zu erreichen, werden die verschiedenen entstehenden gasförmigen Produkte im Gegenstrom zu dem Materialfluß des Beschickungsmaterials geführt, wie dies ausführlich in den oben erwähnten US Patentschriften und der US-Patentanmeldung beschrieben ist.

Bei der Beendigung der Reaktion wird das heiße Reaktionsprodukt unter einer Schutzatmosphäre transportiert und auf eine Temperatur herabgekühlt, bei der es ohne Nachteile der Atmosphäre ausgesetzt werden kann. Allgemein kann die Kühlung durch Einspritzen von Wasser auf das Reaktionsprodukt derartig bewirkt werden, daß als Nebenprodukt Dampf anfällt, der nützlicherweise zum Aufheizen des neu hinzukommenden Beschickungsmaterials verwendet werden kann. Das abgekühlte Produkt wird aus dem Reaktor über eine geeignete Druckabbauvorrichtung, wie z.b. einen Extruder, abgegeben.

Das veredelte, feste Brennstoffprodukt kann einem Zermahlungs- oder Pulverisierungsschritt unterzogen werden, um eine Partikelgröße des festen Brennstoffs in einem Bereich zu erhalten, der mit der üblichen Praxis zur Herstellung eines pumpfähigen Schlammes übereinstimmt, wobei die Dichte der Partikel und der Prozentsatz der Feststoffe im Schlamm Berücksichtigung findet. Die gewünschte Partikelgröße hängt ebenfalls davon ab, ob ein weiteresZermahlen der Kohle an der Abgabestelle vor der

Verbrennung durchgeführt werden soll, um den Schlamm an eine Brenneranlage besser anzupassen. In solchen Fällen, in denen an der Abgabestelle kein zusätzliches Zermahlen mehr vorgenommen wird, wird bevorzugt die Kohle auf eine Partikelgröße pulverisiert, die eine optimale Verbrennung in Brennereinrichtungen gewährleistet. Partikelgröße und Partikelgrößenverteilung hängen ebenfalls von der Überlegung ab, ob irgendwelches Wasser aus dem Schlamm an der Abgabestelle vor der Verbrennung entfernt werden soll. Für die·meisten Anwendungsgebiete ist typisch, das Zerkleinern oder Pulverisieren so durchzuführen, daß Partikelgrößenbereiche von etwa 400 bis etwa 16 mesh resultieren, wobei überlicherweise diese zwischen 325 und 16 mesh liegen.Die Partikel erhalten einen solchen Größenbereich, daß eine optimale Größenverteilung für jeden speziellen Anwendungsfall erreicht wird, wobei diese Verteilung unter Berücksichtigung eines minimalen Hohlraumvolumens des Partikelgemisches sowie der Viskosität und Stömungsparameter in Übereinstimmung mit bekannten Techniken variierbar ist.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung dienen die folgenden Beispiele.

Beispiel 1

Bezugnehmend auf die Zeichnung Figur 1 wurde ein wäßriger Schlamm hergestellt, der für den Rohrleitungstransport geeignet ist, ausgehend von einer von Ft. Union Coal Mine of Gilette, WY geförderten, bituminösen Kohle. Die unmittelbare Analyse der Beschickungskohle ergab folgende Werte: Feuchtigkeit 31%, Verdampfbares 31,51%, gebundener Kohlenstoff 32,17%, Asche 5,31%. Der Heizwert (higher heating value) des Beschickungsmaterials betrug 18087 kJ/kg.

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Das bituminöse Beschickungsmaterial wurde einer nassen Pyrolyse unterworfen in einem diskontinuierlichen Autoklaven bei einem minimalen Druck von 55 bar und einer maximalen Temperatur von 399 ⁰C. Eine Zeitdauer von 90 Minuten war erforderlich, um das Beschickungsmaterial in dem Autoklaven von Raumtemperatur (ca.21 ⁰C) auf 399 ⁰C zu erhitzen. Der Reaktionskessel wurde daraufhin gekühlt,und das Reaktionsprodukt wurde ausgestoßen und zu einer Zerkleinerungseinrichtung transportiert, wie sie in Figur 1 mit 28 bezeichnet ist, in der es zerkleinert wurde zu einem Partikelgrößenbereich von 20 Gew.-SS kleiner als 325 mesh, 70 Gew.-% kleiner als 100 mesh und 100 Gew.-% kleiner als 16 mesh, und hieran anschließend wurde das zerkleinerte Reaktionsprodukt zu einem Mischer transportiert, in dem die kondensierbare Gasphase hinzugefügt wurde, um einen Rohrleitungsschlamm mit normalerweise über 55 Gew.-% Festsubstanz herzustellen.

In Übereinstimmung mit dem vorhergehend beschriebenen Verfahren wurde eine Materialbilanz des eingegebenen Beschickungsmaterials und des erhaltenen Rohrschlammes, basierend auf 453 g der geförderten, bituminösen Kohle, ermittelt. Das im Autoklaven ausgestoßene Reaktionsprodukt umfaßte 223 g veredelten, festen Brennstoff.

Die nichtkondensierbare Gasphase umfaßte 48 g, während 181 g kondensierbare Flüssigkeit gewonnen wurden,einschließlich Wasser und verdampfbare organische Bestandteile.

Das feste Reaktionsprodukt hatte nach der Analyse einen Heizwert (higher heating value) von 6675 kJ, gleichbedeutend mit 29851 kJ/kg. Die nichtkondensierbare Gasphase hatte nach Analyse einen Heizwert (higher heating value) von 550 kJ, gleichbedeutend mit 17809 kJ/m .

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Der restliche Heizwert der zurückgewonnenen flüssigen Phase wurde aus der Differenz errechnet und betrug 979 kJ, gleichbedeutend mit 5384,7 kJ/kg.

Der aus der Vereinigung der rückgewonnenen kondensierbaren flüssigen Phase mit dem zerkleinerten festen Reaktionsprodukt gewonnene Schlamm umfasste eine Mischung von 405 g und wies einen Heizwert (higher heating value) von 7654,4 kJ auf, der einem Wert von 18875,6 kJ/kg entspricht.

Das vorliegende Beispiel zeigt, deutlich die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens dadurch, daß man in den Stand· versetzt wird, eine feuchte bituminöse Kohle, die in Wyoming gefördert wurde, so zu veredeln, daß ein veredelter Schlamm, der geeignet für den Transport durch Rohrleitungen ist, ohne Verwendung von Örtlichen Oberflächen- oder Frischwasser für die Herstellung des Schlammes, entsteht.

Beispiel 2

In Übereinstimmung mit Figur 2 der Zeichnung wurde ein Rohrleitungsschlamm , wie er in Übereinstimmung mit Beispiel 1 hergestellt worden war, in einen hochwertigen Brennschlamm, der geeignet ist für die Verbrennung in Brennereinrichtungen,umgewandelt. In Übereinstimmung mit den Einrichtungen, wie sie Figur 2 darstellt, wurde ein Rohrleitungsschlamm, wie er z.B. aus Beispiel 1 erhalten wurde, einem Zentrifugationsvorgang" oder einer anderen Flüssigkeitsextraktion unterworfen, um nur einen Teil der flüssigen Phase aus dem Schlamm zu entfernen. Es soll hervorgehoben werden, daß es sehr einfach und wirtschaft-

lieh ist, durch Behandlung eines solchen Schlammes mit einer Zentrifugeneinrichtung nur einen Teil der Flüssigkeit zu entfernen, während es sehr schwer und teuer ist, die gesamte Flüssigkeit zu entfernen. Die gewonnene flüssige Phase wurde einer Lösungsmittelextraktion unterworfen, um alle organischen Bestandteile hieraus zu extrahieren, und die organische Fraktion wurde mit dem konzentrierten Schlamm im Mischer 54 wiedervereinigt, wie dieser in Figur 2 dargestellt ist, um einen qualitativ hochwertigen Brennschlamm zu produzieren.

In Übereinstimmung mit der Materialbilanz des vorgenannten Verfahrens wurden 453 g des Pipelineschlamms

aus Beispiel 1 mit einem Heizwert von 18875,6 kJ/kg zentrifugiert, um 127 g der flüssigen Phase zu entfernen.

Die flüssige Phase wurde einer Lösungsmittelextraktion unterworfen unter Gewinnung von 59 g Wasser, das verworfen wurde,und 48 g einer organischen Flüssigkeit, die in die Mischeinrichtung eingebracht wurde. Der konzentrierte Schlamm und die organische Flüssigkeit wurden wieder zu einem hochwertigen Brennschlamm vermischt, der 70 Gew.-% Feststoff aufwies und von dem 356 g, entstanden aus 453 g des ursprünglich erhaltenen Rohrleitungsschlamms, einen Heizwert (higher heating value) von 8422 kJ besaßen, der gleichwertig ist mit 23 623 kJ/kg.

Es ist offenbar, daß die gelösten organischen Bestandteile in der flüssigen Phase wesentlich· zum Energiegehalt des wässrigen, qualitativ hochwertigen Brennschlamms beitragen.

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Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Umwandlung feuchter kohlenstoffhaltiger Materialien in geeignete wässrige Brennschlämme, gekennzeichnet durch die nachfolgenden Schritte:

Einführung eines feuchten kohlenstoffhaltigen Beschickungsmaterials in einen Autoklaven, Erhitzung des Beschickungsmaterials auf eine erhöhte Temperatur und unter einem überatmosphärischen Druck über einen solchen Zeitraum, der genügt, um wenigstens einen Teil der Feuchtigkeit und der darin enthaltenen organischen Bestandteile in die Gasphase zu überführen, eine teilweise thermische Umstrukturierung der chemischen Struktur zu bewirken und eine Änderung in der chemischen Zusammensetzung des Beschickungsmaterials herbeizuführen, um ein festes Reaktionsprodukt zu erzeugen, Zerkleinerung des Reaktionsproduktes auf eine gewünschte Partikelgröße, Zurückgewinnung wenigstens eines Teils der gasförmigen Phase in Form eines flüssigen Kondensates und Vermischung des flüssigen Kondensates mit dem zerkleinerten festen Reaktionsprodukt, um einen wässrigen Brennschlamm zu produzieren, der das partikelförmige feste Reaktionsprodukt fein verteilt in einer wässrigen Lösung umfaßt, welche darin gelöste und fein verteilte brennbare organische Bestandteile enthält.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einem weiteren Schritt der wässrige Brennschlamm durch eine Rohrleitung zu einem vom Verfahrensort entfernten Ort gefördert wird.

3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in einem weiteren Schritt der wässrige Brennschlamm in eine Brennereinrichtung eingeführt wird und dort eine Verbrennung bewirkt.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in einem weiteren Schritt eine Steuerung der Menge von festem Reaktionsprodukt und flüssigem Kondensat stattfindet, um einen wässrigen Schlamm zu schaffen, der etwa 40 Gew.-% bis etwa 70 Gew.-% Festsubstanz enthält.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in einem weiteren Schritt die Menge des festen Reaktionsproduktes und des flüssigen Kondensates getrennt wird, um einen wässrigen Schlamm zu schaffen, der etwa 50% bis etwa 60% Festsubstanz enthält.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in einem weiteren Schritt zusätzliches Frischwasser zu dem flüssigen Kondensat hinzugefügt wird, um einen wässrigen Schlamm zu schaffen, der die gewünschte Konzentration Festsubstanz enthält.

7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als weiterer Schritt zusätzliche Flüssigkeit zu dem flüssigen Kondensat gemischt wird, um einen wässrigen Schlamm zu schafffen, der die gewünschte Konzentration an Festsubstanz aufweist.

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8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Flüssigkeit Alkohol umfaßt.

9. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als weiterer Schritt

eine Extraktion eines Teiles der flüssigen Phase aus dem wässrigen Schlamm stattfindet und hierdurch ein Schlammkonzentrat gebildet wird, daß im wesentlichen alle organischen Bestandteile aus der extrahierten flüssigen Phase extrahiert werden und

daß danach ein Vermischen des Schlammkonzentrates mit den extrahierten flüssigen organischen Bestandteilen stattfindet, um einen Schlamm von Brennstoffqualität zu erzeugen.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß als weiterer Schritt ein Vermischen einer zusätzlichen Flüssigkeit, die ein organisches Material enthält, mit dem Schlammkonzentrat und den extrahierten flüssigen organischen Bestandteilen erfolgt.