DE1045030B - Verfahren zur Erzeugung brennbarer Gase - Google Patents
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Description
DEUTSCHES
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erzeugung brennbarer Gase aus festen, flüssigen oder
gasförmigen Brennstoffen durch Umsetzen der Brennstoffe in feinverteiltem Zustand mit einem freien
Sauerstoff enthaltenden Gas und gegebenenfalls endotherm reagierenden Vergasungsmitteln.
Vergasungsverfahren, bei denen der Brennstoff in feinverteilter Form mit Sauerstoff oder einem Sauerstoff
enthaltenden Gas in der Schwebe umgesetzt wird, sind an sich in vielfacher Abwandlung bekannt. Bis
heute hat man diese Verfahren im allgemeinen so ausgeführt, daß man die Umsetzung zwischen Brennstoff
und den Vergasungsmitteln bei im wesentlichen konstantem Druck ausgeführt hat, so daß das Produktionsgas
wegen der bei der Umsetzung entstehenden Volumenvergrößerung äußere Arbeit leisten muß,
durch welche die Reaktionstemperatur herabgesetzt wird.
Man hat auch schon vorgeschlagen, den feinverteilten Brennstoff mit einem sauerstoffhaltigen Gas in
dem Zylinder einer Verbrennungkraftmaschine umzusetzen, wobei der infolge der Volumenvergrößerung
entstehende Druckanstieg benutzt wird, um den Zylinderkolben zu bewegen. Die Folge davon ist, daß
auch die Temperatur innerhalb des Zylinders eine abfallende Tendenz hat, weil auch in diesem Falle das
erzeugte Nutzgas eine äußere Arbeit leisten muß. Diese Temperaturerniedrigung ist aber sehr unerwünscht,
weil die beabsichtigten Vergasungsreaktionen um so schneller ablaufen, je höher die Reaktionstemperaturen
liegen.
Es wurde gefunden, daß man eine bessere Ausbeute an Synthesegas erhalten kann, wenn man die
Vergasungsreaktionen bei konstanten Volumen ablaufen läßt. Wenn das Produktionsgas während der
Vergasung keine äußere Arbeit infolge seiner Ausdehnung leisten kann, stellt sich eine höhere Reaktionstemperatur
ein. Da die spezifische Wärme der Reaktionsprodukte bei konstantem Volumen kleiner
ist als die bei konstantem Druck, erhält man bei Aufrechterhaltung des konstanten Reaktionsvolumens
höhere Temperaturen gegenüber der Arbeitsweise, bei der der Druck konstant gehalten wird. Die Folge der
höheren Temperatur ist eine bessere und schnellere Umsetzung des Kohlenstoffes mit dem endotherm
reagierenden Vergasungsmittel, beispielsweise Wasserdampf. Auf der anderen Seite kann man, wenn man
den gleichen Kohlenstoffvergasungsgrad beibehalten will wie bei der früheren Verfahrensweise, mit weniger
Sauerstoff je kg umgesetzten Brennstoffes auskommen.
Die Erfindung besteht demgemäß im wesentlichen darin, daß man das Volumen der Reaktionsprodukte
einer Vergasung von feinverteilten Brennstoffen mit Sauerstoff während der als Folge der Umsetzung auf-Verfahren
zur Erzeugung
brennbarer Gase
brennbarer Gase
Anmelder:
Koppers Company, Inc.,
Pittsburgh, Pa. (V. St. A.)
Pittsburgh, Pa. (V. St. A.)
Vertreter: Dr.-Ing. H. Leithäuser, Patentanwalt,
Essen, Bertoldstr. 9
Essen, Bertoldstr. 9
Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 2L Dezember 1955
V. St. v. Amerika vom 2L Dezember 1955
Ernest E. Donath, Pittsburgh, Pa. {V. St. Α.),
ist als Erfinder genannt worden
ist als Erfinder genannt worden
tretenden Druckerhöhung konstant hält. Die beabsichtigten Vergasungsreaktionen laufen also bei der
praktischen Durchführung des Verfahrens in einem abgeschlossenen Volumen ab, wobei eine beträchtliche
Erhöhung des Druckes infolge der Volumenvergrößerung und infolge der Temperaturerhöhung auftritt.
Erst nachdem die Vergasungsreaktionen im wesentlichen beendet sind, werden die erzeugten Nutzgase
aus dem bis dahin abgeschlossenen Reaktionsraum entnommen.
Die Reaktion innerhalb des abgeschlossenen Reaktionsraumes verläuft explosionsartig, d. h., sie ist gekennzeichnet
durch eine sehr schnelle und sehr heftige unvollkommene Verbrennung des feinverteilten Brennstoffes
mit dem Sauerstoff.
Als Brennstoffe kommen für das erfindungsgemäße Verfahren praktisch alle kohlenstoffhaltigen Substanzen
in Frage. Aus der Gruppe der festen Brennstoffe sind das bituminöse Kohle, Anthrazit, Braunkohle,
Lignit, lignitische Kohle, Torf, Koks, Holzkohle, Holz usw. Aus der Gruppe der flüssigen Brennstoffe
kommen in Frage Mineralöle, Erdöl, Gasöl, Destillationsprodukte des Erdöls und Erdölfraktionen, Steinkohlenteer,
Braunkohlenteer, Schieferöl, Schwelteer
u. dgl. Schließlich sind aus der Gruppe der gasförmigen Brennstoffe, die für das erfindungsgemäße Verfahren
in Frage kommen, Methan, Äthan, Propan, Butan oder Gemische dieser Gase, ferner Erdgas, Shyntheserestgase
u. dgl. zu nennen.
In der Zeichnung sind zwei Einrichtungen zur Durchführung des erfindtmgsgemäßen Verfahrens dargestellt.
Abb. 1 zeigt eine Einrichtung zur Vergasung eines festen Brennstoffes während
809 680/269
Abb. 2 eine Einrichtung zur Vergasung eines bei normaler Temperatur flüssigen oder gasförmigen
Brennstoffes zeigt.
In beiden Fällen besteht die ganze Gaserzeugungseinrichtung aus einer Reaktionskammer 2, die von
einem Mantel 16 umgeben ist, der in einem solchen Abstand von der Wand des Reaktionsraumes angeordnet
ist, daß ein freier Zwischenraum entsteht, der zum Umlauf eines Kühlmittels dient. Die Kühlflüssigkeit,
beispielsweise Wasser, wird durch die Leitung 10 in den Kühlmantel eingeführt. Selbstverständlich
kann man auch ein anderes Kühlmittel wählen. Jedoch ist Wasser besonders zweckmäßig, weil man den aus
dem Wasser gebildeten Dampf in der Vergasungsreaktion benutzen kann. Der sich entwickelnde Wasserdampf
wird durch Leitung 11 abgezogen und gelangt in den Dampfsammler 12. Das dorthin mitgerissene
Wasser läuft durch Leitung 12 & wieder in den Kühlmantel zurück. Der Nutzdampf wird durch Leitung
12 α entnommen.
Der Kühlmantel soll eine Überhitzung der Reaktionsraumwände verhindern und diese auf einer genügend
niedrigen Temperatur halten, damit sie den Angriffen sowohl des Sauerstoffes als auch der bei der
Umsetzung gebildeten Schwefelverbindungen widerstehen können. Es haben sich Kühlmitteltemperaturen
zwischen etwa 93 und 260° C oder auch etwas höher als vorteilhaft erwiesen. Bei diesen Temperaturen
wird der als Vergasungsmittel benutzte Wasserdampf noch nicht kondensiert, und außerdem wird dann der
Dampf in der Kühleinrichtung mit einem solchen Druck gewonnen, daß er für die Vergasungsreaktion
oder auch als Trägerdampf verwendet werden kann.
Vor Beginn der ersten Benutzung der Vergasungseinrichtung wird der sehr kräftig ausgeführte Druckkessel
2 zunächst auf eine Temperatur von etwa 200 bis 210° C gebracht, indem Wasserdampf durch Leitung
10 in den Kühlmantel eingeführt wird. Man kann selbstverständlich den Reaktionsraum auch auf andere
Weise auf die Starttemperatur aufheizen. Danach wird die auf geheizte Reaktionskammer zweckmäßigerweise
mit Wasserdampf gespült und gefüllt, der durch die Leitung 1 zugeführt wird und gegebenenfalls
durch die Leitung 13 wieder aus dem Reaktionsraum abfließen kann. Nachdem das Dampfventil in der Leitung
1 geschlossen ist, wird der feinverteilte feste Brennstoff, z. B. feingemahlene bituminöse Kohle, mit
verhältnismäßig hoher Geschwindigkeit aus dem Kessel 5 mittels eines Trägergases durch die Leitung 8
in den Reaktionsraum eingeführt. Als Trägergas dient in erster Linie ein freien Sauerstoff enthaltendes Gas,
das gegebenenfalls mit Wasserdampf gesättigt oder angereichert sein kann. Dem Kessel 5 ist der zu vergasende
Brennstoff schon vorher durch die Leitung 4 zugeführt worden. Das Verblasegas wird durch Leitung
6 in den Kessel 5 geleitet und bläst aus diesem den festen Brennstoff durch Leitung 8 in den Reaktionsraum
2 ein.
Sobald im Reaktionsraum der gewünschte Anfangsdruck erreicht ist, der etwa im Bereich zwischen 2 und
20 atü liegt, vorteilhaft bei etwa 3 bis 10 atü, wird das Ventil 7 in der Leitung 8 geschlossen. Die in dem
Reaktionsraum befindliche Suspension aus gasförmigen und dampfförmigen Anteilen wird dann mittels der
Zündkerze 9 gezündet, die in bekannter Weise elektrisch betrieben wird. Es sind auch andere Möglichkeiten
der Zündung des Gemisches gegeben, beispielsweise mittels eines elektrischen Widerstandserhitzers
oder mittels des Einfahrens von selbstentzündlichen Chemikalien od. dgl. Die Reaktion zwischen den Vergasungskomponenten
setzt ein, ehe die Suspension Gelegenheit hat, sich am Boden des Reaktionsraumes 2
abzusetzen. Diese Reaktion ist gewöhnlich nach 0,1 bis 5 Sekunden und in den meisten Fällen nach 0,5 bis
2 Sekunden vollständig zu Ende, so daß von diesem Zeitpunkt an die Temperatur abzusinken beginnt bis
zu einem Wert, bei dem praktisch keinerlei Umsetzungen mehr stattfinden.
Bei der hohen Temperatur, die sich aus der Anfangsreaktion ergibt, läuft die endotherme Reaktion
zwischen dem Wasserdampf und dem Brennstoff besonders schnell ab. Infolge der Vergasungsreaktionen,
die mit einer Volumenvergrößerung verbunden sind, steigt der Druck etwa auf das Zehnfache oder auch
1S noch auf ein höheres Vielfaches des Anfangsdruckes
an. In dem Ausmaß, wie sich die Kühlung bemerkbar macht, fällt der Druck wieder ab. Nach einer gewissen
Zeit, etwa 5 Sekunden bis 5 Minuten, insbesondere nach etwa 10 bis 60 Sekunden, ist das Gasgemisch
im Reaktionsraum so weit abgekühlt, daß es über das Ventil 14 in die Synthesegasleitung 15 abgelassen werden
kann, ohne daß die Gefahr einer Korrosion an den Ventilen besteht. Da der Synthesegasdruck gewöhnlich
beträchtlich oberhalb des Normaldruckes liegt, etwa zwischen 5 und 50 atü, insbesondere bei 10 bis 25 atü,
bleibt also nach dem Öffnen des Ventils 14 und dem Abströmen der Reaktionsprodukte aus der Reaktionskammer noch ein gewisser Teil der erzeugten Gase in
der Reaktionskammer zurück. Dieses Restgas kann man entweder auf Normaldruck entspannen und dann für
sich komprimieren und dem Synthesegas beimischen, oder man kann auch dieses Restgas mittels zusätzlichen
Wasserdampfes aus dem Reaktionsraum herausspülen. Wenn großräutnige Vergaser benutzt werden,
kann man die Verdrängung des Synthesegases aus dem Reaktionsraum in einfacher Weise dadurch bewirken,
daß man Wasser in den Reaktionsraum 2 einsprüht, welches heftig verdampft und dann das Synthesegas
verdrängt. Nachdem das Ventil 14 geschlossen ist, kann man den überschüssigen Wasserdampf durch
Leitung 13 entfernen und dadurch die Einrichtung zur Wiederholung des Vergasungszyklus bereit
machen.
In vorstehend beschriebenem Falle sind der Brennstoff und das sauerstoffhaltige Gas gleichzeitig in den
Reaktionsraum eingeführt worden. Dies ist nicht unbedingt notwendig. Man kann auch die einzelnen
Komponenten der Vergasung nacheinander in den Reaktionsraum hineingeben. Beispielsweise kann man
den Vergasungsraum vorher mit Drucksauerstoff füllen und den vorerwärmten Kohlenstaub mittels
Wasserdampfes in den Reaktionsraum einblasen. Statt des Wasserdampfes kann auch ein anderes Trägergas
gewählt werden. Man kann ferner den Kohlenstaub mittels eines geeigneten inerten Gases in den Reaktionsraum
einblasen, in welchem sich bereits ein Gemisch von Sauerstoff und Wasserdampf befindet.
Schließlich kann man den Vergasungs raum auch zunächst mit Kohlenstaub und Sauerstoff füllen und
dann weitere Mengen Sauerstoff und Wasserdampf so einblasen, daß der Kohlenstaub zu einer Suspension
aufgewirbelt wird. Es ist schließlich auch möglich, daß man die Zündung des Gemisches nicht jeweils am
Ende einer solchen Füllung bewirkt. Wenn man beispielsweise den Vergasungsraum bereits mit Sauerstoff
und Wasserdampf gefüllt hat und dann den Brennstoff einbläst, so kann man die Zündung bereits
bewirken, nachdem nur ein Teil des festen Brennstoffes in die Reaktionskammer eingebracht ist. Den anderen
Teil kann man nach erfolgter Zündung einbringen. In
5 6
diesem Falle muß man natürlich einen höheren Druck wird, nachdem der Reaktionsraum mit Wasserdampf
für das Trägergas aufwenden, weil durch die in- gefüllt ist, durch die Leitung 4, an deren Ende sich
zwischen in dem Reaktionsraum abgelaufene Ver- eine Sprühdüse 4 a befindet, in den Reaktionsraum 2
gasungsreaktion eine Druckerhöhung eingetreten ist. eingeführt. Gleichzeitig wird durch die Leitung 6
Der Sauerstoffverbrauch bei festem Brennstoff be- 5 der Sauerstoff oder das sauerstoffhaltige Gas eingeträgt
etwa 0,31 bis 0,87 Nm3 kg, vorzugsweise 0,43 bracht. Wenn der gewünschte Anfangsdruck erreicht
bis 0,62 Nm3/kg, festen Brennstoffes, wenn dieser aus ist, werden die Ventile 7 α und 7 b geschlossen. Anbituminöser
Kohle besteht. Die Umsetzung erfolgt schließend wird durch Betätigung der Zündvorrichnäch
den Gleichungen tung 9 das Gemisch aus Brennstoff, Sauerstoff und
C + H O = CO + H 10 Wasserdampf gezündet, wobei die Reaktionen, wenn
j 2 2 man beispielsweise als einfachsten Vertreter des utn-
2C + O =2CO zusetzenden Brennstoffes das Methan wählt, nach
2 ' folgenden Gleichungen ablaufen:
Die Synthesegasausbeute je Gewichtseinheit Brenn- qjt _i_ tr O = CO+3H
stoff ist bei der ersten Reaktion größer als bei der 15 un(j 42 2
zweiten. Der Beitrag der ersten Reaktion steigt in CH +1O =CO + 2H
dem Maße an, wie die Wärmeverluste des Gaserzeu- 422 2·
gers abnehmen. Die Wärmeverluste des Gaserzeugers Die Menge Sauerstoff, die man an diese Reaktionen
wiederum nehmen ab, wenn das Volumen des Gas- aufwendet, beträgt etwa 70 bis 150%, vorzugsweise
erzeugers geringer wird. Während man an sich eine 20 80 bis 120%, der Sauerstoff menge, die nötig wäre,
befriedigende Umsetzung bei einem Versuchsgas- um den gesamten Kohlenstoffgehalt des Brennstoffes
erzeuger feststellen konnte, dessen Volumen nur 3 bis in Kohlenoxyd umzuwandeln.
5 1 betrug, so machte der Sauerstoffverbrauch in diesem
Falle etwa 35 Nm3 je 100 Nm3 erzeugten Nutzgases Beispiel 1
aus. Für eine technisch brauchbare Anlage wird man 25 Eine feingemahlene Kohle mit folgender Elementar-
deshalb größere Reaktionsräume wählen müssen, deren analyse:
Volumen größer ist als 1,5 ms und wünschenswerter- ν ui ± α η λ πλάι
ö ..„ 1 r 1.· £ β λ*· ι c Kohlenstoff 74,94%
weise sogar großer als 5 bis 6 m3. Man kann ferner Wasserstoff 5 03%
mehrere solcher Reaktionsräume parallel betreiben, c „
c'„no/
, ., , », ,.,.,/, λ, Sauerstoff 5,70%
damit man eine bessere Stetigkeit in der Gaserzeugung 30 ς h f 1 153°/
und in der nachfolgenden Reinigung des Synthesegases ο,. ,, „ i/sQo/
erhalt. Asche 1121%
Um die Zündung des Reaktionsgemisches zu er- " '
leichtern, kann man in der Nähe der Zündkerze ein deren Korngröße so gewählt war, daß 90% durch ein
brennbares Gemisch aus Sauerstoff und einem brenn- 35 200-Maschen-Sieb hindurchgingen, wurde mit hoher
baren Gas einführen, wobei man als brennbares Gas Geschwindigkeit mittels Sauerstoff in einen stabilen
eine kleine Menge des erzeugten Synthesegases ver- Druckkessel aus Stahl eingeblasen. Das Volumen des
wenden kann. Ferner kann man auch Stoffe einführen, Kessels betrug 1,4 ms. Der Kessel hatte eine Anfangsdie
die Verbrennung katalytisch beschleunigen. Die temperatur von 210° C. Im Kessel war bereits
Menge Zündgemisch, die man zweckmäßigerweise in 40 Wasserdampf vorhanden. Bei der Einführung des
den Reaktionsraum einführt, richtet sich nach der Art Brennstoffes stieg der Druck innerhalb des Kessels
des umzusetzenden Brennstoffes. auf 3 atü. Es wurden ungefähr 0,561 Nm3 Sauerstoff
Der feste Brennstoff wird in feinverteilter Form und 0,2 kg Dampf je kg Kohle benötigt. Das Gemisch
angewendet. Zweckmäßigerweise wird er so fein auf- wurde anschließend durch eine Zündkerze zur Entzüngemahlen,
daß wenigstens 70% durch ein 200-Maschen- 45 dung gebracht. Nach der Abkühlung der Reaktions-Sieb
hindurchgehen. Es ist jedoch erwünscht, daß der produkte wurde ein Synthesegas abgezogen, welches
gesamte Brennstoff kleiner ist als die Maschen eines folgende Zusammensetzung aufwies:
solchen Siebes. ΛΓ Kohlendioxyd 3,5 Volumprozent
Wie schon erwähnt, ist es vorteilhaft, die Ver- w ,J ' nan
. ,. ,.' . -·ι_ j. ι.-· · i_ Wasserstoff 33,9 ,,
gasungsreaktionen bei einem uberatmospharischen 50 „ ,, , ,.',
S. .° , , T^. τ-, j. . , , r . . , Kohlenoxyd 61,6 ,,
Druck zu starten. Diese Bedingung ist aber nicht un- „ . . „J '„
bedingt einzuhalten, denn es ist gegebenenfalls auch Schwefelwasserstoff
0*2
möglich, mit normalem Druck zu beginnen. Wesentlich ' "
ist nur, daß man das Reaktionsraumvolumen bis zum Je 1000 Nm3 CO + H2 wurden 528 kg Kohle, 300 Nm3
Ablauf der Vergasungsreaktionen konstant hält. 55 Sauerstoff und 105,6 kg Dampf verbraucht.
Die Wände des Reaktionsraumes müssen aus einem Ähnliche Ergebnisse wurden erzielt, wenn man statt
Material hergestellt sein, welches nicht nur ausge- der angegebenen Steinkohle andere feste Brennstoffe
zeichnete mechanische Festigkeit besitzt, sondern verwendet, wie Anthrazit, Braunkohle, Lignit, Torf,
auch den hohen Temperaturen und wechselnden Drük- Koks, Holzkohle und Holz,
ken ausgesetzt werden kann, ferner chemisch nicht 60
angreifbar ist. Es hat sich gezeigt, daß man die be- Beispiel 2
kannten rostfreien Stähle oder andere entsprechend Feingemahlene Kohle der gleichen Sorte wie im
vorbereitete Metalle für diesen Zweck verwenden Beispiel 1 mit einer Korngröße, daß 95% durch ein
kann. 200-MaschenSieb hindurchgehen, wurde innerhalb des
Die für die Umsetzung eines flüssigen oder gas- 65 Stahlkessels mit Luft, deren Sauerstoffgehalt auf 48%
förmigen Brennstoffes benutzte Einrichtung nach angereichert war, und Dampf unter Einhaltung eines
Abb. 2 ist in wesentlichen Punkten völlig gleich mit konstanten Volumens umgesetzt. Vor Beginn der Um-
der Einrichtung, wie sie für die Vergasung eines setzung betrug der Druck im Reaktionsraum 5 atü.
festen stabförmigen Brennstoffes gemäß der Erfindung Unmittelbar vor Beginn der Reaktion wurde eine
benötigt wird. Der gasförmige oder flüssige Brennstoff 70 kleine Menge des vorher erzeugten Synthesegases mit
Claims (8)
1. Verfahren zur Erzeugung brennbarer Gase aus festen, flüssigen Oder gasförmigen Brennstoffen
durdh Umsetzen der Brennstoffe in feinverteiltem Zustand und in -der Schwe'be mit einem freien
Sauerstoff enthaltenden Gas und gegebenenfalls endotherm reagierenden Vergasungsmitteln, dadurch
gekennzeichnet, dal das Volumen der Reäktionspr-otMcte
-wahrend -der als Folge der Umsetzung auftretenden D-rucfcerhöhung konstant gehalten
-wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Suspension aus dem feinverteilten
Brennstoff in dem sauerstoffhaltigen Gas in
einer abgeschlossenen Reaktionskammer zur Reaktion gebracht -und dort feei überatmosphärischem
Druck bis zur Entfernung der Reaktionsprodukte aus der Kammer bei konstantem Volumen gehalten
wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, -daß -der Anfangsdruck der Umsetzung
2 bis 20 atü, vorzugsw-eise 3 bis 10 atü,
beträgt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Suspension nach
Einbringen in die Reaktionskammer durch eine Zündvorrichtung, z. B. eine Zündkerze, gezündet
wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der Nähe der Zündvorrichtung zusätzlich
eine geringe Menge eines Gemisches von
Sauerstoff und Brenngas für die Dauer des Zündvorganges in die Reaktionskammer eingebracht
wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als sauerstoffhaltiges
Gas reiner Sauerstoff, Luft \on erhöhtem Sauerstoffgehalt oder Luft verwendet werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als endotherm reagierendes
Vergasungsmittel Wasserdampf, Kohlen-
10
dioxyd oder ein Gemisch von beiden verwendet wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionskammer
nach Abzug der bei der Umsetzung entstandenen Reaktionsprodukte mit Wasserdampf ausgespült
wird.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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