DE2728197A1 - Verfahren zur gewinnung von kohlenwasserstoffbestandteilen aus feinkoerniger, agglomerierender kohle - Google Patents
Verfahren zur gewinnung von kohlenwasserstoffbestandteilen aus feinkoerniger, agglomerierender kohleInfo
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Description
BOEHMERT & BOEIlMERT
Deutsches Patentamt Zweibrückenstr.
PATENTANWALT DK-ING. KARL BOEHMEKT (1933 1973) PAI ENTANWALT DIPL-ING.ALBERT BOEHMERT.BREMEN
PATENTANWALT DR-ING.WALTER HOORMANN,BREMEN
PATENTANWALT DlPL-PHYS. DR. HEINZ GODDAR. BREMEN PATENTANWALT DIPL.-ING. EDMUND F.ElTNER,MÜNCHEN
30OO München 2
Ihr Zeichen
Your ret
Your ret
Ihr Schreiben vom Your letter
Neuanrreldung Unser Zeichen
Our ret
Our ret
O 157
Bremen, Feldstraßc24
Juni 1977
Occidental Petroleum Corporation, 10889 Wilshire Boulevard, Los Angeles, California 90024, USA
Verfahren zur Gewinnung von Kohlenwasserstoffbestandteilen
aus feinkörniger, agglomerierender Kohle
3'iro ISrcnicn: .·
O Teii-ro«: IUtZl) *7 »0-W
Telex :2-VtO>8btir.rd
709881/092T
Konten Bremen: Bremer Bank,Bremen (BLZ290S0010J 1001440
(BLZ 20Ü1002U) 126083-202
Büro München: Schlotthauer Straße 3
D-SOOO München 90 Telefon: (0X9) 652321
ROEMMERT & ΒΟΞΗΜ£Ρ.ϊ
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Gewinnung von Kohlenwasserstoffbestandteilen aus feinkörniger, agglomerierender
Kohle, wobei die Agglomeration der zusammenbackenden Kohle derart gesteuert wird, daß die Kohle in
einem kontinuierlichen Verfahren pyrolysiert werden kann, ohne daß der Pyrolysereaktor verstopft.
Der Einsatz von fluidisierten Systemen, in welchen ein
fluidisierter Strom aus feinverteilten Kohlenpartikeln,
erhitzten Kokspartikeln und einem Trägerstrom gebildet wird, um die Kohlepartikel zu pyrolysieren und die flüchtigen
Stoffe hieraus zu extrahieren, ist bereits bekannt. Bei den herkömmlichen Verfahren wird zumindest ein Teil der
für die Pyrolyse der Kohlepartikel erforderliche^ Hitze
durch erhitzte Kokspartikel zugeführt, wobei durch die Pyrolyse der Kohle in dem System kontinuierlich ein Vorrat
an Koks erzeugt wird.
Von agglomerierenden, feinkörnigen, bituminösen Kohlen ist
dem Fachmann bekannt, daß sie bei niedrigen Temperaturen von etwa 205 bis 455° C plastifizieren und schmierig oder
klebrig werden. Die Anwendung der herkömmlichen Verfahren auf agglomerierende, bituminöse Kohle führt zu Problemen, die
auf der agglomerierenden Eigenschaft dieser Kohle beruhen. Wenn agglomerierende Kohlepartikel bis zu ihrem plastischen
Stadium erhitzt werden, und die erhitzten Partikel eine Wand des Reaktors berühren, backen sie hieran fest und bilden eine
blasige, kompakte Masse, die anschwillt und sich dann wieder verfestigt, wobei ein fester zusammenhängender Körper mit
einer porösen Struktur, wie Koks, gebildet wird. Ein derartiges Zusammenbacken der Kohlepartikel an den Reaktorwänden führt
zu schwerwiegenden Verstopfungen des Systems, die dieses betriebsunfähig
machen.
Um die Verstopfungsproblerna zu überwinden, die in Pyrolyse-
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BOEHMERT & BOEHMERT
systemen unter Verarbeitung von agglomerierenden Kohlen auftreten,
sind bereits verschiedene Verfahren vorgeschlagen worden. Nach den amerikanischen Patenten 2 955 077 und
3 375 175 wird die agglomerierende, feinkörnige Kohle in einem fluidisierten Bett bei Temperaturen im Bereich von 315
bis 440° C von einer bis 30 Minuten vorerhitzt, um zumindest einen Teil der flüchtigen Stoffe aus der Kohle zu entfernen,
so daß die Kohle weiter pyrolysiert v/erden kann, um die flüchtigen Stoffe zu gewinnen. Das Erfordernis, die agglomerierenden,
bituminösen Kohlen während langer Verweilzeiten zunächst vorzuerhitzen, legt diesen Verfahren starke wirtschaftliche
Einschränkungen auf.
In der US-PS 3 736 233 wird ein kontinuierliches Verfahren zur Pyrolyse von agglomerierender, bituminöser Kohle beschrieben,
wobei die feinkörnige Kohle mit einer Partikelgröße von weniger als 65 Mikron mit Koks erhitzt wird,
worauf beide von einem Trägergas mitgeführt werden, mit einer Pyrolyseraaktorverweilzeit von unter 3 Sekunden.
Dieses Patent schlägt auch vor, daß es nütäich sein kann, einen Reaktor mit porösen Wänden einzusetzen, durch welche
ein Gas kontinuierlich eingeblasen wird, um ein Anhaften der Partikel an den Reaktorwänden zu verhindern.
Die US-PS 3 357 896 beschreibt die Erhitzung großer Partikel von zusammenbackender Kohle durch ihren plastischen Bereich
in einem freien Fallsystem, um einen Kontakt mit den Reaktorwänden zu verhindern und nicht zusammenbackenden Kohlenkoks
zu erzeugen. Das Patent beschreibt auch die Verwendung" von Sauerstoff innerhalb des Heizgases, um ein Zusammenbacken
der Kohle zu verhindern, während sie durch den plastischen Bereich aufgeheizt wird. Eine derartige Sauerstoffbehandlung
besitzt jedoch den Nachteil, daß sie die Ausbeute an Kohlenwasserstoffen
während des Pyrolyseverfahrens erheblich herabsetzt.
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BOEHMERT & BCHFiMElU1
Nach einem v/eiteren bekannten Verfahren v/ird Natriumkarbonat eingesetzt, um die Agglomeration der Kohle zu vermindern.
Andere Verfahren zur Herstellung nicht zusammenbackender Kohle und Koks aus stark zusammenbackenden Kohlen sind kompliziert
und erfordern teure mechanische Anlagen, wie Drehrohrofen,
Kettenkratzer, Rüttelkratzer und drehende Schnecken, um ein Zusammenbacken der Kohlen in eine feste Masse zu verhindern,
während sie durch den plastischen Temperaturbereich hindurchgeführt v/erden. Derartige Ausrüstungen machen diese Verfahren
äußerst kostenaufwendig.
Keines der bekannten Verfahren hat sich bislang als vollstäriig
zufriedenstellend erwiesen, und nur sehr wenige dieser Verfahren befinden sich überhaupt im praktischen Einsatz.
Der Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, welches
sich in einer wirkungsvollen, wirtschaftlichen und kontinuierlichen
Weise durchführen läßt, wobei eine Pyrolyse agglome- ·. rierender Kohlen in einem Förderreaktor zur Gewinnung der
flüchtigen Kohlenwasserstoffe unter Bedingungen ermöglicht wird, die ein Verstopfen des Reaktors verhindern.
Nach der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß man einen feinkörnigen Kohlebeschickungsstrom aus zerkleinerter,
agglomerierender Kohle und einem Trägergas bildet, das im wesentlichen keinen nachteiligen Einfluß auf die Pyrolyseprodukte
ausübt, bildet und als turbulenten, divergierenden Strahlstrom von einer Öffnung in eine Mischzone eines länglichen
Pyrolysereaktors mit einer inneren Oberfläche einführt, wobei die Mindestweite des Pyrolysereaktors größer ist als
die maximale Weite der Öffnung. Gleichzeitig wird ein gasförmiges Medium, welches im wesentlichen keinen nachteiligen
Einfluß auf die Pyrolyseprodukte ausübt, entlang der umlaufenden inneren Reaktoroberfläche injiziert, wobei der divergierende
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BOEHMERT & BORI IMERl'
Beschickungsstrom aus feinkörniger Kohle und dem Medium sich in der Mischzone des Reaktors vor dem übergang in eine Pyrolysezone
miteinander verbinden, wobei im wesentlichen die gesamte Kohle in der Beschickung aus Partikeln s.elektiv gebildet
ist, die ihre Klebrigkeit vor dem Kontakt mit einer inneren Fläche des Pyrolysereaktors dicht an der Öffnung verlieren.
Das Medium wird entlang der umlaufenden Wand des Reaktors freigegeben, während gleichzeitig der feinkörnige
Kohlebeschickungstrom durch die Öffnung bei einer Temperatur, die geringer ist als die Temperatur, bei welcher die Kohle
beginnt klebrig zu werden, in die Mischzone injiziert,um eine turbulente Mischung des Mediums, der festen, feinkörnigen
Kohle und des Trägergäses in der Mischzöne zu bilden, wobei die Menge des zugeführten Mediums zumindest ausreicht, um einen
Rückfluß der Kohle aus dem divergierenden Strom zu verhindern. Die sich ergebende turbulente Mischung wird dann aus der
Mischzöne der Pyrolysezone des Pyrolysereaktors zugeführt, wo die feste, feinkörnige Kohle pyrolysiert wird und einen Pyrolyseproduktstrom
ergibt, der als Feststoffe einen kohlehaltigen Feststoffrückstand und eine Dampfmischung aus dem Medium,
dem Trägergas und pyrolytischen Dämpfen einschließlich der verdampften Kohlenv/asserstoffe enthält.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Kohlebeschickungsstrom,der
aus feinkörniger, agglomerierender Kohle besteht, die in einem Trägergas geführt wird, welches im wesentlichen
nicht nachteilig in bezug auf die Pyrolyseprodukte reagiert, von einer Beschickungsöffnung aus in einen länglichen Pyrolysereaktor
injiziert. Die maximale Weite der Öffnung ist geringer als die minimale Weite des Reaktorinneren. Die Injektionstemperatur liegt unter derjenigen, bei welcher die Kohle beginnt
klebrig zu werden, während der Injektionsstrahl eine
turbulente Strömung darstellt, d. h. die Reynolds-Zahl bei
mindestens 2 000. Gleichzeitig wird entlang der inneren, umlaufenden Fläche des Reaktors ein Medium in einer solchen
Menge injiziert, die zumindest ausreicht, um ein Rückfließen
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BOEHMKRT & BÜEHMERT
der Kohlepartikel zu verhindern. Das mit einer Geschwindigkeit,die
größer als gleich oder kleiner als diejenige der Kohle in den Reaktor eingeführte Medium besteht aus einem
Gas, welches nicht nachteilig mit den Produkten reagiert und enthält vorzugsweise eine feinkörnige V/ärmequelle in
einer Mange, die ausreicht, die gesamte, für die Pyrolyse
erforderliche Wärme zuzuführen. Das Medium verbindet sich
mit den Bestandteilen das divergierenden Strahles in einer Mischsor.e vor der Pyrolysensone und geht in die Pyrolysenzone
über, wo bei einer vorbestimmten Temperatur, die großer ist, als der Erweichungspunkt der Kohle, die Kohle pyrolysiert
wird, um verdampfte, rückgewinnbare Kohlenwasserstcffe
und einen kohlenstoffhaltigen Feststoffrückstand der Pyrolyse
zu bilden. Um einen störungsfreien Betrieb zu erzielen,
besitzen die in dem Strahl eingeschlossenen Kohlepartikel eine geringe Größe, während sie das klebrige Stadium durchlaufen.
Sie verlieren ihre Klebrigkeit beim Übergang, bevor sie mit einer festen inneren Oberfläche des Reaktors in
einem Abstand von der Öffnung in Berührung kommen. Vorzugsweise ist die Geschwindigkeit des den Strahl umgebenden
Mediums geringer als die Ausgangsgeschwindigkeit der Kohle von der Öffnung.
Um das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen und die Betriebsbedingungen
zu steuern, wobei sichergestellt werden soll, daß ein Verstopfen ausgeschlossen ist, wurde die Betreibsdynamik
beschrieben. Die maximale Weite der Öffnung in bezug auf die minimale Weite des Reaktors, die Injektionstemperatur
der Flüssigkeit sowie die Injektionsgeschwindigkeit
und -temperatur der Kohle bilden eine Konstruktionsvariable φ, die in Sekunden oder einem anderen Zeitäqur/alent
ausgedrückt wird, wobei es sich um die minimal erforderliche
Zeit für ein Kohlepartikel handelt, um von der Öffnung zur nächstgelegenen inneren, festen Oberfläche des Pyrolysereaktors
überzugehen. Um ein Verstopfen des Reaktors au vermeiden, ist φ größer oder gleich G, der Klebrigkeitszeit
BOEHMERT & BCEHMERT
für die Kohle. Ein Gesamtpyrolysebetrieb bei der Annäherung an die Verstopfung kann durch die folgenden Gleichungen ausgedrückt
werden.
D2 = 12K φ
C Cl η Γ( Tp-To)
Γ( Tp-
L(Tp-
__ . -Tt) und
!/D2 =S£— e ~ot/Tt
T12K
T12K
dabei ist:
D der maximale Kohlenpartikeldurchmesser in Fuß (1 Fuß = 305 mm),
K die thermische Leitfähigkeit der Träger- und
Fluidisierungsgase zusammen in Btu/s-Fuß- R ( 1 Btu = 1055 Joule, °R = °F + 460 =°K (5/9)),
φ die minimale Zeit, die für ein Kohlepartikel
erforderlich ist, um die Strecke von der Öffnung bis zu einem inneren festen Punkt auf der Oberfläche
des Reaktors beim Betrieb zurückzulegen,
^. die scheinbare Dichte der Kohle in Pfund/Fuß
( 1 Pfund/Fuß3 » 16 kg/m3),
C die spezifische Wärme der Kohle in Btu/Pfund-°R, Tp die Pyrolysenremparatur in 0R,
To die Zuführungstemperatur der Kohle in R,
Tt die Temperatur der Kohle am Ende der Klebrigkeitsperiode der Kohle in 0R,
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BOEHMERT & ΒΟΗΗΜΗ:{Γ
die plastische Zeitkonstante für die
Kohle bei einem vorbestimmten Verhältnis
der Feststoffwärmequelle zur Kohle in Sekunden,
der Exponentialtemperaturfaktor für den Verlust
der Klebrigkeit der Kohle in R,
) ist das Exponentialintegral von χ = (o£/Tt-i</Tp)
α. α.
E^(x ) ist das Exponentialintegral von x, =
E-(x ) ist das Exponentialintegral von χ =<X/Tt
E,j(x,) ist das Exponentialintegral von x, =uC/ To
E (x) = re~q
x_/ dq, wobei χ ein bestimmter Wert und q eine
Scheinvariable ist und den Operator darstellt, der in "Handbook of Mathematical Functions, National Bureau of Standards
AMS55", Seite 22, Definition 5.1.1. (1964) beschrieben ist.
Für die meisten Kohlen kannTsicher annäherungsweise be-
—9 stimmt werden und liegt in der Größenordnung von 2 χ 10
Sekunden und |_5 - 0,6 (Verhältnis von Feststoffwärmequelle
zu Kohle)]]χ 1O~9 Sekunden und beträgt 25,54O°R (14189°K
oder 13916°C).
Um einen ordnungsgemäßen Betrieb zu bestimmen, werden mit einer Ausnahme alle Variablen D, φ, To, Tp für den Reaktor
festgelegt und die verbleibende Variable bestimmt. Wenn der Wert für D bestimmt ist, muß die Partikelgröße der größten
Kohlepartikel geringer sein als D. Wenn To bestimmt ist, muß der tatsächliche Wert für To größer sein. Wenn Tp bestimmt
ist, muß die tatsächliche Pyrolysentemperatur höher liegen. Für einen normalen Betrieb ist Tp festgelegt, da
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BOEHME-RT & BOEHMEFT
dieser Viert die Produktzusammensetzung steuert,und die
anderen Vierte werden entsprechend festgelegt. Eine der Variablen, nämlich der Partikeldurchmesser läßt sich am
leichtesten steuern und ist die normale Einstellungsvariable. Das Verhältnis von FeststoffwarmequelIe zu Kohle ist weniger
variable, da bei einem bevorzugten Betrieb die Wärmequelle und die Menge durch Tp festgelegt ist. Bei einer ausgewählten
Zusammenstellung von Betriebsbedingungen können die Gleichungen auch benutzt werden, um die Konstruktionskriterien
für den Reaktor zu bestimmen, wobei zu diesem Zweck θ für φ in den Gleichungen eingesetzt v/ird, v/obei φ größer
oder gleich & sein muß.
In Abhängigkeit von den zu gewinnenden Produkten liegt die ausgewählte Pyrolysentemperatür Tp oberhalb etwa 315° C und
vorzugsweise zwischen etwa 315 und 1 Ο95 C. Der am stärksten bevorzugte Bereich liegt etwa zwischen 480 und 760 C.
Wenn eine feinkörnige FeststoffwarmequelIe eingesetzt wird,
um die ausgewählte Pyrolysentemperatur aufrechtzuerhalten,
liegt das Gewichtsverhältnis der feinkörnigen Feststoff— wärmequelle zwischen etwa 2:1 und 20:1. Statt der durch die
feinkörnige FeststoffwarmequelIe zugeführten Wärme kann auch
Wärme von außen und/oder durch das entlang der inneren um~ laufenden Reaktorwand eingeführte Medium zugeführt werden.
Die Erfindung soll nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigt im einzelnen:
Fig. 1 ein schematisches Fließbild für ein Verfahren
gemäß der Erfindung zur Pyrolyse agglomerierender Kohlen,
Fig. 2 einen Vertikalschnitt eines Pyrolysereaktors für
agglomerierende Kohle gemäß der Erfindung,
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BOEMMERT Sr COF.HME3!
Fig. 3 eine experimentelle Vorrichtung zur Bestimmung
der Werte cC und vonTäg'jlomerierter Kohle und
F'ig. 4 die Beziehung zwischen "£' und dem Gewichts—
verhältnis von feinkörniger Wärmequelle zu Kohle für eine agglomerierende Kohle.
Nach dem in Fig. 1 dargestellten Fließbild wird ein Beschikkungsstrom
10 aus agglomerierender Kohle in einer Zerkleinerungsvorrichtung 11 zerkleinert. Der Begriff "agglomerierende
Kohle" bezeichnet eine zusammenbackende Kohle, bei welcher es sich im allgemeinen um eine bituminöse Kohle handelt. Der Begriff
"Zerkleinerung" bezieht sich auf jede physikalische Durchführung einer Größenverringerung und ist nicht auf
Zerhacken, Zerquetschen und Zermahlen durch geeignete Vorrichtungen beschränkt. Die Zerkleinerung der Kohle vergrößert
das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen für eine wirkungsvolle Pyrolyse.
Die Kohle kann weiterhin für die Pyrolyse vor und/oder nach der Zerkleinerung vorbereitet werden, indem man die Kohle
zumindest teilweise trocknet, um die Wärmebelastung in dem Pyrolysereaktor zur Verdampfung des in der Kohle befindlichen
Wassers zu vermindern, und indem man die magnetischen Patikel entfernt. Die zerkleinerte Kohle wird in einen Pyrolysereaktor
12 eingeführt. Ein Trägergas 13, welches nicht in nachteiliger Weise in Bezug auf die Pyrolyseprodukte reagiert, kann eingesetzt
werden, um die Kohle in den Pyrolysereaktor 12 zu fördern. Durch den Ausdruck "nicht in nachteiliger Weise reagiert"
wird ein Träger— oder Transportgas bezeichnet, das im wesentlichen frei von freiem Sauerstoff ist. Gase wie
Stickstoff oder Dampf und vorzugsweise Gase, die sich aus der Pyrolyse von Kohle ergeben, können als Trägergas eingesetzt
werden. Weiterhin bevorzugt wird ein Wasserstoff ange-
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BOEHMERT & BOEHMEHT
reichertes Trägergas, wobei der Wasserstoff durch die Reaktion des Dampfes mit dem kohlenstoffhaltigen Feststoffrückstand der
Pyrolyse von Kohle erzeugt werden kann.
Die Kohle wird in dem Pyrolysereaktor 12 mit einer feinkörnigen Wärmequelle, vorzugsweise einem heißen Koksstrom
zusammengebracht. Ein Fluidisierungsgas 17, das nicht nachteilig in Bezug auf die Pyrolyseprodukte reagiert, kann als
Transportgas für die feinkörnige Wärmequelle in den Pyrolyse— reaktor eingesetzt werden. Um eine maximale Ausnutzung der
feinkörnigen Wärmequelle zu erzielen, kann das Transportgas für die feinkörnige Wärmequelle eine Temperatur besitzen, die
der Temperatur der feinkörnigen Wärmequelle angenähert ist.
Bei der feinkörnigen Wärmequelle handelt es sich um ein Material, das in der Lage ist, Wärme auf die Kohle zu übertragen,
um die Pyrolyse in verdampfte Kohlenwasserstoffe und Koks zu bewerkstelligen. Bei der Wärmequelle handelt es sich vorzugsweise
um ein Feststoffprodukt, das sich aus der Pyrolyse kohlenstoffhaltigen Materials ergibt, wie Holzkohle oder Koks.
Der Koks dient dazu, eine Agglomeration zu verhindern und mindestens einen Teil der für die Pyrolyse erforderlichen
Wärme zur Verfügung zu stellen. Die Auswahl des Massenverhältnisses von feinkörnigem, heißem Koks zu den Kohlepartikeln
hängt von den Wärmeübergangsbedingungen des Systems, der Neigung der Kohlepartikel zu agglomerieren und der Pyrolysenwärmemenge
ab, die durch das Trägergas zugeführt wird. Die Temperatur, die Strömungsgeschwindigkeit und die Verweilzeit
innerhalb des Reaktors hängen von dem feinkörnigen System ab, das der Pyrolyse unterzogen wird. Im allgemeinen zieht man
wegen der Wirtschaftlichkeit den Einsatz von Kokspartikeln als Hauptwärmequelle vor,die durch die Pyrolyse von Kohle erzeugt
wurden.
In einer Mischzone 18 des Pyrolyse-reaktors 12 wird der Kohlebeschickungsstrom
16, der aus der feinkörnigen zerkleinerten
BOEHMERT & 3OhHMhRT
Kohle 15 und dem Trägergas 13 besteht, der Koks 14 und dessen Fluidisierungsgas 17 zusammengeführt und bilden einen Pyrolysebeschickungsstrom,
der in einer Pyrolysereaktionszone 20 des Pyrolysereaktors reagiert und einen Pyrolyseproduk tstronr. 22
ergibt, der als Feststoffe den Koks, der als feinkörnige Wärmequelle dient und den durch die Pyrolyse der beschickten
Kohle erzeugten Koks sowie eine Dampfmischung enthält. Die Dampfmischung enthält die Träger- und Fluidisierungsgase, mit
welchen der Pyrolysereaktor 12 beschickt wurde und die Pyrolyseprodukte wie Kohlenoxid, Wasserdampf, Wasserstoff und verdampfte
Kohlenwasserstoffe.
Mit dem Begriff "verdampfte Kohlenwasserstoffe" sind Kohlenwasserstoffe
bezeichnet, die Gase enthalten, welche durch die Pyrolyse von Kohle erzeugt worden sind. Im allgemeinen bestehen
sie aus kondensierbaren Kohlenwasserstoffen in Dampfform, die rückgewonnen werden können, indem man einfach die
verdampften Kohlenwasserstoffe mit einer Kondensiervorrichtung in Kontakt bringt und aus nicht kondensierbaren Gasen wie
Methan und anderen Kohlenwasserstoffgasen, die durch normale Kondensationsvorrichtungen nicht rückgewinnbar sind.
Die Kohle wird bis zu ihrer Zersetzungstemperatur in dem Pyrolysereaktor
12 innerhalb eines Bruchteiles einer Sekunde, d. h. etwa 0,1 Sekunde oder weniger aufgeheizt.
Der Reaktor wird in Abhängigkeit von der Temperatur und der Art der feinkörnigen Wärmequelle in einem Temperaturbereich
zwischen 315° C und der Einführungstemperatur des heißen Kokses betrieben. Die Reaktortemperatur wird im wesentlichen
durch den heißen Koks aufrechterhalten.
Innerhalb des Pyrolysereaktors tritt der Wärmeübergang im wesentlichen durch einen Feststoff/Gas/Feststoff-Konvektionsmechanismus
ein mit einem gewissen Anteil an Feststoff/Feststoff-Strahlung
und Leitungswärmeübergang.
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BOEIIMERT St BOnHiVlEFT
Der Betriebsdruck des Pyrolysereaktors liegt normalerweise oberhalb des atmosphärischen Druckes. Wenn der Druck gesteigert
wird, erfolgt eine Kompression des Trägergases und der verdampften Kohlenwasserstoffe. Hierdurch läßt sich eine
Verringerung des Volumens der sich an den Reaktor anschließenden Trennungseinrichtung erzielen.
Im allgemeinen bevorzugt man einen hohen Feststoffgehalt in
dem Pyrolysebeschickungsstrom, um die Größe der Einrichtung und die Kosten gering zu halten. Bevorzugt enthält jedoch der
Pyrolysebeschickungsstrom hinreichend Trägergas, damit der
en
Beschickungsstrom ein realtiv niedrigen Feststoffgehalt aufweist,
der zwischen O,l bis IO Vol. % bezogen auf das Gesamt
volumen des Stromes liegt, um eine Turbulenz zu erzeugen für die rasche Aufheizung der Kohle und die Verdünnung der Kohlepartikel
zur Verhinderung der Agglomeration zu unterstützen. Ein rasches Aufheizen führt zu hohen Ausbeuten und verhindert
ein Verkleben der agglomerierenden Kohlen. Die Feststoffe innerhalb des Pyrolysebeschickungsstromes sind Kohle und
Koks, wobei ein Koks zu Kohle Gewichtsverhältnis von etwa 2 bis etwa 20:1 vorliegt. Das hohe Verhältnis von Koks zu
Kohle hilft zu verhindern, daß agglomerierende Kohlepartikel aneinanderkleben. Der feinkörnige Koks besitzt eine Temperatur,
die auf die Erfordernisse der Pyrolysenzone abgestimmt ist, in Abhängigkeit von der Kohle- und Trägergastemperatur sowie
den Massenverhältnissen von Kohle, Koks und Trägergas. Bei dam oben angegebenen Koks zu Kohle Verhältnis liegt die Temperatur
des feinkörnigen Kokses etwa 56 bis etwa 278° C höher als die Temperatur in der Pyrolysenzone.
Die Temperatur in der Reaktionszone liegt im Bereich von mindestens 315 bis 1 O95 C. Es wurde herausgefunden, daß die
Art des Produktes und die Gesamtproduktausbeute in starkem Maße von der Temperatur in der Reaktionszone abhängen. Wenn
die Temperatur in der Reaktionszone über 76O° C ansteigt, ent-
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halten die in der Pyrolysenreaktion verdampften Kohlenwasserstoffe
einen höheren Anteil an nicht kondensierbarem Produktgas. Die feinkörnige Kohle wird auf eine Temperatur von
etwa 480 bis 750° C und bevorzugt auf 580° C erhitzt,- um
hohe Ausbeuten verdampfter Kohlenwasserstoffe zu erzeugen,
die einen hohen Prozentsatz wertvoller Mitteldestillate entr
halten. Mitteldestillate sind die im mittleren Siedebereich Kohlenwasserstoffe, d. h. C,--Kohlenwasserstoffe bis zu den
Kohlenwasserstoffen, die einen Endsiedepunkt von etwa 510° C
besitzen. Diese Kohlenwasserstoffe eignen sich für die Herstellung
von Benzin, Dieselöl, Heizöl und ähnlichem. Die Maximal temperatur innerhalb des Pyrolysereaktors wird durch
die Temperatur bestimmt, bei welcher der anorganische Teil der Kohle erweicht, was zum Schmelzen oder zur Schlackenbildung
führt. Eine Pyrolysentemperatur von 1 095° C ist etwa die maximale Temperatur, die erzielt werden kann, ohne
daß sich eine Schlacke mit der agglomerierenden Kohle bildet.
Die Pyrolysezeit in der Reaktionszone hängt von verschiedenen Faktoren ab, wie der Temperatur der Komponenten, der Art der
Kohlebeschickung usw. Die Verweilzeit in der Reaktionszone
ist vorzugsweise geringer als 5 Sekunden und liegt in stärkerem Maße bevorzugt zwischen etwa 0,1 bis etwa 3 Sekunden,
um die Ausbeute an verdampften Kohlenwasserstoffen zu erhöhen,
wobei längere Verweilzeiten bei niedrigeren Pyrolysetemperaturen gegeben sind. Längere Pyrolysezeiten können zum Kracken
der verdampften Kohlenwasserstoffe führen, die durch die Pyrolyse erzeugt worden sind, wobei die Ausbeute an kondensierbaren
Kohlenwasserstoffen vermindert wird.
Der hier verv/endete Ausruck "Pyrolysezeit" steht für die Zeit,
in welcher die Kohle die feinkörnige Wärmequelle berührt, bis die pyrolytischen Dämpfe, die durch die Pyrolyse erzeugt worden
sind, von der vebrauchten, feinkörnigen Wärmequelle abgetrennt sind. Ein zweckmäßiges Maß für die Pyrolysei'.eit ist die durchschnittliche
Verweilzeit des Träqergases in dem Pyrolysebe-
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BOEHMERT & BOEKMERT
reich des Pyrolysereaktors und des Zyklonabscheiders im Anschluß an den Reaktor. Eine hinreichende Pyrolysezeit muß
eingehalten werden, um die Kohle auf die Pyrolysetemperatur zu bringen.
Eine für die Zusammenführung des Kokses und der Kohle in dem
Mischbereich eines Pyrolysereaktors geeignete Vorrichtung ist
in Fig. 2 dargestellt. Verwendet man eine solche Vorrichtung, so wird der Koks- und Kohlestrom innig unter turbulenten Strombedingungen
miteinander vermischt, um eine wirkungsvolle Pyrolysereaktion und einen guten Wärmeübergang von dem heißen
feinkörnigen Koks auf den Kohlebeschickungsstrom sichergestellt, ohne daß sich Koks auf den Reaktorv/änden absetzt.
fc/ie in Fig. 2 zu erkennen ist, tritt der Kohlebeschickungsstrom,
der von einem Trägergas geführt wird, in einem im wesentlichen senkrecht orientierten Mischbereich 100 eines im wesentlichen
senkrecht orientierten, für eine abwärtige Strömung ausgelegten Pyrolysereaktors 102 über einen im wesentlichen senkrecht stehenden,
rohrförmigen ersten Einlaß 104 ein, der innerhalb des Mischbereiches ausläuft und an seinem Ende 106 verjüngt ist
und eine Düse bildet, so daß hierdurch ein Strahl geformt wird. Der Pyrolysereaktor 102 ist ringförmig ausgebildet und besitzt
ein oberes Ende 108, das offen ist und einen größeren Durchmesser besitzt, so daß er die Düse umgibt und dabei einen ringförmigen
Spalt 110 zwischen dem oberen Ende 108 des Reaktors und der Düse 106 bildet.
Eine ringförmige Flüdisierungskammer 112 wird durch einen rohrförmigen
Bereich 114 mit einem umlaufenden Rand 116 gebildet, der eine Verbindung zur Wand des ersten Einlasses 104 oberhalb
der Düse 106 herstellt. Die Kammer 112 umgibt den unteren Teil der Düse 106 sowie das obere Ende 108 des Reaktors.
Ein zweiter, im Querschnitt kreisförmiger Einlaß 120 ist im
wesentlichen vertikal an die Fluidisierungskammer 112 zur Auf-
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BOEHMERT ** PCHHMFFT
nähme eines Stromes von Koks angeschlossen. Der zweite Einlaß
führt den Koks in die Fluidisierungskarnmer unterhalb der Oberkante des Reaktors 1, so daß sich der eingeleitete Koks
in der Fluidisierungskarnmer 112 aufstaut und mittels des durch das obere Ende 108 des Reaktors gebildete Wehr zurückgehalten
wird, wodurch ein Feststoffver. chluß entsteht. Der
Koks wird mittels eines Fluidisierungs- oder Belüftungsgases innerhalb der Kammer 12 in einem fluidisierten Zustand gehalten,
wobei das Gas im wesentlichen nicht nachteilig in bezug auf die Pyrolyseprodukte reagiert, die durch den Einlaß
122 und ein umlaufendes Gitter 124 der Kammer zugeführt werden. Der Koks in der Kammer 112 strömt über die Oberkante
des Wehres und durch den ringförmigen Spalt 110 zwischen dem Wehr und der Düse in den Mischbereich des Reaktors. Ein Vorteil
dieser wehrartigen Ausbildung liegt darin, daß ein im wesentlichen gleichmäßiger Strom fluidisierten Kokses der
Mischkammer zugeführt wird, da der durch die Oberkante des Reaktors zurückgehaltene Koks geringe Schwankungen in dem
Koksstrom ausgleicht.
Der Koks wird zusammen mit dem Fluidisierungsgas dem Mischbereich des Reaktors zugeführt, um ein Entmischen der Kohle
in dem Mischbereich zu verhindern, welches zu einem Anbacken der Kohle an den Reaktorwänden führen könnte.
In dem Mischbereich 100 des Pyrolysereaktors wird die feinkörnige,
agglomerierende Kohle, die von dem Trägergas geführt wird, über die Düse als Strahl 130 freigegeben, der in
Richtung auf die Reaktorwandung in einem divergierenden Winkel von etwa 20 oder weniger expandiert, wie dies durch die
Linien 132 dargestellt ist, die den Strahlungskegel begrenzen. Nachdem die feinkörnige Wärmequelle sich innerhalb des Mischbereiches
befindet, fällt sie in den Strahl 130 hinein und wird von diesem mitgerissen, woraus sich eine turbulente
Mischung aus feinkörniger Wärmequelle Kohlebeschickung und Trägergas ergibt. Der Strahl besitzt eine aus Kohle bestehende
BOEHMERT & BOEHMERT
Kernregion 136, die durch die V-förmig gezeichneten Begrenzungslinien 138 dargestellt ist, welche sich in den Reaktor hineinerstreckt.
In dem Außenbereich 140 zwischen den Reaktorwän-
eine den und dem Strahl 13O befindet sich noch nicht mitgerissene,
feinkönrige Wärmequell«. Die feinkörnige Wärmequelle entlang der Strahlbegrenzungslinien 132 heizt die Kohle durch den
klebrigen Status hindurch auf, bevor die Kohle die Reaktor-wände berührt, worin erfindungsgemäße Merkmale zu sehen sind.
Diese Mischung der feinkörnigen Wärmequelle mit der Kohle in dem Mischbereich bewirkt einen Wärmeübergang von dem Koks auf
die Kohle, so daß innerhalb des im wesentlichen senkrecht orientierten Pyrolysebereich 14O des Pyrolysereaktors die
Pyrolyse eintritt.
Bei der in Fig. 2 dargestellten Vorrichtung wird der durch den zweiten Einlaß eingeführte Koks bei einer Strömungsgeschwindigkeit
unterhalb der turbulenten Strömung gehalten, während die Kohle und das Trägergas, die über den ersten Einlaß zugeführt
werden, unter einer turbulenten Strömung bei einer Geschwindigkeit gehalten werden, die hinreichend groß ist, daß die
sich ergebende Mischung durch den Kontakt von Koks und Kohle unter turbulenten Strömungsbedingungen steht. Der turbulente
Strom erzeugt einen innigen Kontakt zwischen der Kohle und den Koksparikeln, wodurch ein rasches Aufheizen der Kohle durch
den Koks eintritt und die Ausbeute verbessert wird. Eine "turbulente" Strömung bedeutet in diesem Zusammenhang, daß die
Reynolds-Zahl über 2 000 liegt. Die Reynolds-Zahl basiert
auf dem Trägergas bei Betriebsbedinungen. Eine laminare Strörmung in dem Pyrolysereaktor schränkt die Geschwindigkeit des
Wärmeüberganges innerhalb der Pyrolysezone beträchtlich ein. Verfahrensparameter wie beispielsweise der Düsendurchmesser
und die Massenstromungsgeschwindigke.it der feinkörnigen Kohle und deren Trägergas werden verändert, um die Strömungsgeschwindigkeit
dar Kohle und des Trägergases, die durch den ersten Einlaß in die turbulente Mischregion eintreten, aufrechtzuerhalten,
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BOEHMERT & BOEHMFiIT
Vorzugsweise v;ird die Düse 106 vor Abnutzung durch eine feuerfeste
Umkleidung geschützt,oder sie kann mit irgendeinem herkömmlichen Material wie vergütetem Edelstahl und Gußstahl oder
ähnlichem überzogen sein.
Das Ende das Kohlebeschickungseinlasses ist vorzugsweise durch
Wasser gekühlt, da der Einlaß bis oberhalb des Punktes erhitzt werden kann, bei welchem die Kohle infolge des Wärmeüberganges
von dem das Ende des Feststoffeinlasses umgebenden Koks klebrig wird.
Obzwar in Fig. 2 am Ende des Kohlebeschickungseinlasses eine Düse vorgesehen ist, um die hohen Zuführungsgeschwindigkeiten
in die Mischregion zu erzeugen, ist eine solche Düse nicht zwingend erforderlich. Die Kohle und ihr Trägergas kann auch
mit einer hinreichend hohen Geschwindigkeit durch den Einlaß zugeführt werden, so daß die sichergebende Mischung unter
turbulenten Strömungsbedingungen steht, ohne daß hierzu eine Düse erforderlich ist. ·
Der in Fig. 1 angegebene Pyrolyseproduktabstrom 22 aus der
Pyrolysereaktionszone enthält Koks und eine Dampfmischung, die aus verdampften Kohlenwasserstoffen sowie Träger- und Fluidisierungsgasen
zusammengesetzt ist. Zumindest der Hauptteil des Kokses 24 wird von der Dampfmischung 26 in einer Feststoff
/Dampf -Trennstuf e 28, die aus einem oder mehreren in Reihe angeordneten Zyklonen besteht, abgetrennt. Zumindest
ein Teil des abgeschieden Kokses 24 wird als Koksstrom 3O
im Kreislauf geführt, um die feinkörnige Wärmequelle zu bilden. Der verbleibende Koks stellt das eigentliche aus der Kohle
erhaltene Pyrolyseprodukt dar und wird als Koksprodukt abgezogen.
Der Koksstrom 30 wird zumindest einer tei.lv/eisen Oxydation in Gegenwart einer Sauerstoffquelle, wie Luft 48,in einem
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BOEMMERT & BOEHMERT
Brenner 50 ausgesetzt. Die exotherme Oxydation von Kohlenstoff
aus dem Koks in dem Koksbrenner 50 erhöht die Koksternperatur entsprechend den Erfordernissen des Pyrolysereaktors.
Der Äbstrom 52 aus dem Koksbrenner enthält heißen Koks, gasförmige Verbrennungsprodukte des Kokses und nicht
reagierende Komponenten aus der Sauerstoffquelle, wie Stickstoff.
Zumindest der wesentliche Teil des Kokses wird von
diesen Gasen 56 in einer Gas/Feststoff-Trennzone 58, die aus
einem oder mehreren in Reihe angeordneten Zyklonen bestehen kann, abgeschieden. Der abgetrennte Koksstrom wird dann als
feinkörnige Wärmequelle 14 dem Mischbereich 18 in dem Pyrolysereaktor 12 zugeführt.
Zunächst wird das System in Betrieb gesetzt, indem man Koks verwendet, der außerhalb des Verfahrens als Koksstrom dem
Koksbrenner zugeführt wird. Nachdem jedoch die flüchtigen Bestandteile aus den Kohlepartikeln entfernt worden sind,
eignen sie sich als für das System erforderliche Kokspartikel. Koks wird in einem solchen Überschuß erzeugt, daß er leicht
für den weiteren Verfahrensablauf verfügbar ist, wobei neue
Materialien bereitgestellt werden, die die Gesamtwirtschaftlichkeit
des Verfahrens erhöhen, wobei beispielsweise Brennstoffe für Kraftwerke oder Rohmaterial für die chemische
Industrie erzeugt wird.
Die Dampfmischung aus der Feststoff/Dampf-Trennstufe 28, die
verdampfte Kohlenwasserstoffe und Nicht-Kohlenwasserstoffgase
wie Kohlenmonoxid, Wasserstoff, Kohlendioxid, Schwefelwasserstoff und Wasser enthält, wird einem Sammelsystem 34 zur
raschen Kühlung zugeführt, um eine Zersetzung zu vermeiden. Die kondensierbaren, verdampften Kohlenwasserstoffe werden
abgetrennt und als flüssiges Produkt 44 mittels herkömmlicher Trenn- und Rückgewinnungsvorrichtung gewonnen, wie beispielsweise
Venturi-Wascher, indirekter Wärmetauscher, Waschtürme und ähnliches in einem Sammelsystem.
BOEHMERT & BOEHMERT
Nicht kondensierte Gase 42 aus dem Sammelsystem können durch herkömmliche Techniken weiterverarbeitet werden. Schwefelwasserstoff
und Kohlendioxid können mittels herkömmlicher Einrichtungen, wie beispielsweise einem chemischen Wasche^ gewonnen
werden. Die verbleibenden- Gase können als" Produktströme gewonnen v/erden. Der gesamte Gasstrom oder ein Teil
des Gasstromes können zur Förderung der zerkleinerten Kohle zu dem Pyrolysereaktor Ί2 eingesetzt werden.
Nach dem erfjndungsgemäßen Verfahren kann ein Reaktor, wie
beispielsweise der in Fig. 2 dargestellte, mit agglomerierender Kohle betrieben werden, ohne daß ein Anbacken der Kohle
an den Reaktorwänden eintritt. Dies kann erreicht v/erden durch eine entsprechenden Auswahl der Reaktorgeometrie, der
Temperatur und der Massenströmungsgeschwindigkeiten der in den Reaktor geführten Ströme, wie auch die maximale Partikelgöße
der Kohlebeschickung, so daß die Zeit, die erforderlich ist, bis die größten Kohlepartikel ihre Klebrigkeit verlieren,
nämlich Q geringer ist, als die Minimalzeit ώ , die benötigt
wird, bis die jeweils eingeführten Kohlepartikel die innere Oberfläche des Reaktors von der Öffnung aus erreichen. Wenn
dieses Kriterium erfüllt ist, tritt ein Anbacken der Kohle an den Wänden des Reaktors nicht auf.
Es soll nun erläutert werden, wie@ und ψ bestimmt werden
können, und wie dieses grundlegende Prinzip auf die Auslegung und den Betrieb eines Pyrolysereaktors für agglomerierende
Kohlen angewendet wird.
Die kürzeste Zeit, die erforderlich ist, bis ein Kohleteilchen die Oberfläche des Reaktors berührt, ist gleich dem kürzesten
Abstand zwischen dem Einlaß für den Kohlebeschickungsstrom und der dem Einlaß am nächsten liegenden Reaktoroberfläche,
dividiert durch die durchschnittliche Geschwindigkeit eines
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BOEHMERT & ROKHMEIiT
lsweise unt
Kohleteilchens entlang diesem VJeg. Wenn beispielsweise unter
Bezugnahme auf Fig. 2 die Kohle aus der rohrförmigen, vertikalen Düse 106 in einen vertikalen, rohrförmigen Pyrolysereaktor
102 konzentrisch zur Düse eingeführt wird, und der eintretende freie Kohlestrahl von der Düse in einem Winkel
von β divergiert, wie dies durch die Linie 156 dargestellt ist,
kann φ entsprechend der nachfolgenden Gleichung bestimmt
v/erden:
3 3 1 R-R
Tp 36 ν tan 0/2 R
Dabei ist:
ν = die Einlaßgeschwindigkeit der Kohle in den Reaktor,
β = der Divergenzwinkel des Kohlebeschickungsstromes von der Einlaßdüse aus,
R = die kürzeste Entfernung von der Achse der Düse am Düsenende bis zur innaren Wand des
Reaktors,
R = der längste Abstand zwischen der Längsachse der Düse und der Innenwand der Düse an deren
Ende,
To = die Einführungstemperatur des Kohlebeschickungsstromes in R und
Tp = die Pyrolysemischtemperatur in 0R.
Bei dem in Fig. 2 dargestellten Aufbau ist R gleich dem inneren
Radius dos Reaktors und R gleich dem inneren Radius der Düse.
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BOEHMERT & BOEHMERl
Nach der Gleichung 1 vergrößert sich die Zeit für ein Teilchen, bis es die Wand des Reaktors errreicht, mit einer
Steigerung der Temperatur der eintretenden Kohle und dem
Durchmesser des Reaktors und nimmt ab mit einem Anwachsen der Temperatur des eingeführten Kokses, dem Durchmesser der
Einlaßdüse und dem Divergenzwinkel.
Der Divergenzwinkel des Sprühkonus der Kohleteilchen kann im Bereich von etwa 10 bis etwa 20° liegen. Die Charakteristika
des turbulenten freien Strahls sind in "Perry's Chemical Engineering Handbook',' 4. Ausgabe, auf den Seiten 5 bis 18
beschrieben, wo der Divergenzwinkel des freien Strahls mit etwa 20° angegeben ist. Für die meisten Anwendungen kann man
ώ berechnen, indem man annimmt, daß β 20 ist. Wenn eine
größere Genauigkeit erforderlich ist, kann man mit gefärbten Kohleteilchen und einem Fenster in der Reaktorwand experimentieren,
wobei der Betrachter den Auftreffpunkt der Kohleteilchen
auf der Reaktorwand ermitteln und hierdurch p bestimmen kann.
Die Gleichung 1 läßt die Einwirkung des hinzutretenden Kokses außer Acht, den dieser auf den Weg der Kohleteilchen in dem
Reaktor haben kann. Der den Sprühkonus der Kohle umgebende Koks kann die Bewegung der Kohle in Richtung auf die Reaktorwand
stören, mit dem Ergebnis, daß der Divergenzwinkel verriirgert
und die durchschnittliche Geschwindigkeit der Kohlepartikel entlang der Begrenzungslinien 132 des Sprühkonus vergrößert
wird. Dementsprechend ist der Wert von φ, der gemäß Gleichung 1
berechnet worden ist, insofern reichlich bemessen, als bei in dem Reaktor eingeführten Koks die Kohleteilchen eine längere
Zeit als den durch die Gleichung 1 für <j>
errechneten Wert benötigen, bis sie eine And des Reaktors erreichen. Dementsprechend
besiezt ein Reaktor, der so aufgebaut und betrieben ist, daß θ geringer oder gleich <f) ist, wobei φ nach Gleichung
1 berechnet ist, einen wesentlichen Sicherheitsbereich, v;enn Koks in den Reaktor entlang dessen umlaufender Wand rund um
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BOEHMERT & BOEHMIIRT
den Sprühkonus der Kohle eingeführt wird. Die Berechnung von Θ:
Die Klebrigkeitszeit der Kohle &wird durch die gleichzeitige
Lösung der folgenden beiden Gleichungen bestimmt:
D2 12K0
<(Clη ΠTp-ToΠ (2)
ΠTp-ToΠ
[(Tp-Tt)J
" El(xb))-(El(xc) -
Dabei ist:
K die thermische Leitfähigkeit der Trägerund
Fluidisierungsgase zusammen in Btu/s/Fuß- R,
O die scheinbare Partikeldichte der Kohle in Pfund/Fuß3, .
C die spezifische Wärme der Kohle in Btu/Pfund-°R, Tp die Pyrolysentemperatur in 0R,
To die Einführungstemperatur des Kohlebeschickungsstromes in R,
Tt die Temperatur der Kohle am Ende der Klebrigkeitsperiode der Kohle in 0R,
O~ die plastische Zeitkonstante der Kohle bei
einem vorbestimmten Verhältnis von Feststoff—
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BOEHMERT & BOEHMERT
wärmequelle zu Kohle in Sekunden,
der Exponentialtemperaturfaktor für den
Verlust der Klebrigkeit der Kohle,
E. (x ) das Exponentialintegral von χ =»
Χα α
E1(X,) das Exponentialintegral von ::,= (<xS/To-ei/Tp)
E1(X ) das Exponentialintegral von χ =a/Tt
XC G
E.(x.) das Exponentialintegral von x,=oC/To.
Das Exponentialintegral E^ stel.lt einen Operator dar, wie
er in "Handbook of Mathematical Functions", (National Bureau of Standards AMS55), 1964, Seite 228, Definition 5.1.1
beschrieben ist. Dieses Exponentialintegral wird ausgedrückt als:
S1(X) - Γ
J 3
e"qdq
(4)
wobei q eine Scheinvariable und
χ, χ , χ, , χ und χ,, wie oben definiert, darstellt.
Die Gleichungen 2 und 3 basieren auf einem physikalischen Modell für den Verlust der Klebrigkeit der Kohle, wobei angenommen wird,
daß das plastische Material, das für die Agglomeration der Kohlenteilchen verantwortlich ist, ausgetrieben wird, oder die
Klebrigkeitseigenschaften während der Pyrolyse mit einer Geschwindigkeit
verliert, die der Konzentration des plastischen Materials in der Kohle proportional ist. Man nimmt an, daß die
Geschwindigkeitskonstante für den Verlust der Klebrigkeit
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der Kohle von dor Temperatur der Kohle entsprechend der
Arrhenius-Gleichung abhängt, wobei cL gleich der Aktivierungsenergie für den Verlust der Klebrigkeit, dividiert durch die
Gaskonstante R ist, welche gleich 1,98Btu/Pfund Mol-°R(8,314
Joule/g HoI-0K) ist. Dabei repräsentiert ^1 die plastische
Zeitkonstante der Kohle, die Dauer in Sekunden des plastischen Stadiums eines Kohleteilchens, das plötzlich bis zu einer unendlich
hohen Temperatur erhitzt wird. Um ein Verstopfen des Pyrolysereaktors zu verhindern, ist es erforderlich, daß φ
größer oder gleich^ist, da es unmöglich ist, daß ein Kohleteilchen
in einer kürzeren Zeit als % die Klebrigkeit verliert.
Die Analyse der Gleichungen 2 und 3 zeigt, daß die Klebrigkeitszeit
θ der Kohle durch Verfahrensparameter gesteuert werden kann, wie die Zuführungstemperatur der Kohle, die
maximale Teilchengröße der Kohle, die Pyrolysetemperatur, die Art der behandelten Kohle und das Verhältnis von Koks
zu Kohle. Im allgemeinen gilt, daß je.größer die maximale . .
Teilchengröße der Kohlebeschickung, je geringer die Pyrolysentemperatur,
je geringer die Temperatur der zugeführten Kohle, und wie nachfolgend im einzelnen beschrieben wird, je geringer
das Koks-zu-Kohlen-Verhältnis ist, um so langer ist die Klebri^gkeitsseit.
Bei einer langen Klebrigkeitszeit ist ein großer Viert für <j) erforderlich, um ein Verstopfen des Pyrolysereaktors
zu verhindern. Um jedoch einen großen Wert für <j>
zu erhalten, kann ein Reaktor mit großen Durchmesser erforderlich werden, was zu einer Erhöhung der Kapital- und Betriebskosten
für das Verfahren führt. Dementsprechend ist es irn allgemeinen erstrebenswert, den Wert 6 so niedrig wie
möglich zu halten. . -
Eine niedrige Klebrigkeitszeit für die Kohle kann bewirkt werden durch Zerkleinerung der Kohle.auf eine kleine Teilchengröße,
durch den Betrieb des Reaktors bei einer hohen Pyrolysetemperatur, durch eine Vorerhitzung der Kohlebeschickung,
durch den einsatz eines großen Verhältnisses von Koks zu Kohle und durch die Auswahl einer Kohle, welche
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BOEHMERT & BOEHMERT
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schnell ihre Klebrigkeit verliert, d. h. einer Kohle mit niedrigen Vierten für cC und "£ . Diese Verf ahrenspare.meter können
jedoch nur mit gewissen Einschränkungen manipuliert werden. So muß beispielsweise die Zuführungstemperatur der Kohle TQ
geringer sein als die Temperatur, bei welcher die Kohle zu plastifizieren beginnt, da sonst die Kohle die Zuführungsdüse
zum Reaktor verstopft. Die Pyrolysetemperatur T muß kleiner
sein als die Temperatur, bei welcher Schlacke gebildet wird, die bei etwa 1 095° C liegt. Das Koks zu Konle Verhältnis
ist beschränkt, da bei einem sehr hohen Verhall: is von feinkörniger
Wärmequelle zu Kohle die Kosten für d.i. ^ Aufrechterhai
tung eines Kreislaufs für die feinkörnige Feststoffwärmequelle
unwirtschaftlich hoch sein können.
Wenn andererseits die Kohle auf eine sehr kleine Teilchengröße zerkleinert wird, wachsen die Kapital- und Betriebskosten für
die Zerkleinerung stark an. Außerdem enthält die feinzerkleinerte
Kohle einen wesentlichen Prozentsatz an Feinstoffen, die mit der Dampfmischung in dem Feststoff/Gasabscheider weitergeführt
werden, wodurch eine Verunreinigung der Kohlenwasserstoffprodukte
verursacht wird.
Dementsprechend werden alle Verfahrensparameter, die Einfluß
auf den Viert θ besitzen, gesteuert, v/ie auch die Parameter,
die den Wert von 6 beeinflussen, um ein Verstopfen des für die Pyrolyse von agglomerierender Kohle eingesetzten Reaktors zu
verhindern.
Die Temperatur der Kohle am Ende ihrer Klebrigkeitsperiode
T. kann nicht gemessen werden. Da es sich jedoch bei den Gleichungen 2 und 3 um simultane Gleichungen handelt, die
nach T. oder jeder anderen Variablen aufgelöst werden können, ist es nicht erforderlich, daß man T, mißt, um sich diener
Gleichungen bedienen zu können.
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ÖRfölNAL INSPECTED
ßOEHMERT & BOEFMHRT
Es wurde bereits erwähnt, daß mit dem Ansteigen des Viertes
der Variablen Y, die das Gewichtsverhältnis der feinkörnigen
Wärmequelle zur in den Pyrolysereaktor eingeführten Kohle darstellt, der Viert von ^ abnimmt. Da Q mit "^ansteigt, führt
ein größeres Gewichtsverhaltnis von feinkörniger Wärmequelle
zu Kohle zu einem schnelleren Verlust der Klebrigkeit einer agglomerierenden Kohle. Man glaubt, daß dies zu einem Schmiereffekt
der feinkörnigen Wärmequelle beiträgt, wo ein flüchtiges
Material, das für die agglomerierenden Charakteristika der Kohle verantwortlich ist, von der Oberfläche der Kohlenteilchen
durch die umgebenden Teilchen der Wärmequelle abgewischt wird. Wie jedoch unten aufgezeigt wird, nähert sichΎ
einem assymtotischen Viert, wenn Y wesentlich über 5 ansteigt.
Man glaubt, daß dieses eintritt, da bei einem Wert von etwa 5 für Y jedes Kohleteilchen von Teilchen der Wärmequelle umgeben
ist, so daß die Hinsufügung v/eiterer Teilchen der Wärmequelle wenig oder keine Auswirkung auf das Abwischen flüchtigen
Materials von der Kohle durch die Wärmequelle hat.
Obwohl die Vierte für Ut und ^ von dem jeweiligen zu pyrolysiorenden
Kohlentyp abhängen, wurde herausgefunden, daß die Gleichungen 2 und 3 für die Pyrolyse der meisten Kohlen anwendbar
sind, wenn angenommen wird, daß <?6 13 916° C (25 54O°R)
—9 und 7^ in der Größenordnung von 2x10 Sekunden ist, wobei sich
der Wert nach der folgenden Gleichung ermitteln läßt:
=5-0,6Y (5)
Dabei äst Y das Gewichtsverhaltnis der feinkörnigen Wärmequelle
zu Kohle, wie dies bereits oben definiert wurde.
Wenn eine größere Genauigkeit erforderlich ist, können 06 und
s£ für einen bestimmten Kohletyp unter Verwendung der in Fig.
schematisch dargestellten Methode bestimmt v/erden.
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BOEHMERT & BCEi LVKiRT
Nach der in Fig. 3 dargestellten Anordnung ist eine Quells
für trockenen Stickstoff vorgesehen, von welcher aus der Stickstoff über ein Ventil 202, eine Druckreguliereinrichtung
204 und ein Durchflußmengenmeßgerät 2OG den Leitungen 208,
210 und 212 zugeführt wird, von denen jede mit einem Ventil 214, 216, 218 versehen ist. Diese Leitungen führen zu einem
Vorerhitzer 220, einer Koksleitung 222 bzw. einer Kohleleitung 224. Die Strömungsgeschwindigkeit des Stickstoffes durch jede
der Leitungen wird durch aufeinanderfolgendes Öffnen der
Ventile für jede Leitung und Ermittlung des jeweils über das Durchflußmengenmeßgerät 206 angegebenen Zuwachses bestimmt.
Der Vorerhitzer 220 ist ein vertikal orientiertes 40-er-Rohr
mit einem Durchmesser von 25,4 mm, das von fünf elektrischen Heizvorrichtungen 230 umgeben und in Aluminiumgranulat mit
einem Korndurchmesser von 6 mm zur Unterstützung des Wärmetransports umgeben ist. Der Vorerhitzer besitzt an seinem
oberen Ende einen Krümmer 232, der zu einem freien Horizontalrohr 234 des Vorerhitzers führt, das mit einer elektrischen
Heizvorrichtung 236 versehen ist. Das Horizontalrohr 234 läuft in einer vertikalen, ringförmigen Fluidisierungskammer 238
aus, die aus einem 40-er-Rohr von 50 mm Durchmesser hergestellt ist. Durch den Boden der Fluidisierungskammer ist ein 40-er-Rohr
von 3 353 mm Länge und 25 mm Durchmesser eingeführt, welches als Pyrolysereaktor 240 dient. Das Horizontalrohr
234 ist in einem Punkt an die Fluidisierungskammer 238 angeschlossen, der niedriger ist als die Oberkante 242 des Reaktors,
Konzentrische Ringe 242 umgeben den oberen Bereich 242 des Reaktors oberhalb des Endes des Horizontalrohres 234, um eine
Kanalisierung der Beschickungsströme zu verhindern, die von der Fliidisierungskammer 238 in den Reaktor übergehen. Auch die
Fluidisierungskammer ist mit Heizvorrichtungen 243 versehen.
Der Reaktor 24O ist mit fünf elektrischen Heizvorrichtungen
250 ausgerüstet, um Wärmeverluste an die Umgebung während der
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Durchführung der Pyrolyse auszugleichen. Der Reaktor 240 besitzt an seinem unteren Ende einen Krümmer 252, der in ein Horizontal—
rohr 254 überleitet, welches zu einem Zyklon 256 zur Trennung der Kohle- und Koksbeschickung von den Träger- und Heißgasströmen
253 führt. Die Gasströme von den Zyklon durchlaufen einen Filter 260,bevor sie an die Atmosphäre abgegeben v/erden, um mitgerissene
Feinstoffe zu entfernen.
Wenn dem Reaktor Koks zugeführt werden soll, leitet man diesen über eine Feststoffbeschickungsvorrichtung 270 in die Leitung
220, durch welche er mittels eines aus Stickstoff bestehenden Fluidisierungsstromes weitertransportiert wird. Der Koks durchläuft
dann das Horizontalrohr 234 der Heizvorrichtung bis in die Fluidisierungskammer 238, durch die konzentrischen Ringe 244
und über die Oberkante 242 des Reaktors in diesen hinein.
Zur Zuführung der Kohle in den Reaktor ist eine Feststoffbeschickungsvorrichtung
271 vorgesehen. Die Beschickungsvorrichtung 271 führt die Kohle der Leitung 224 zu, wo sie über die Leitung
212 mit Stickstoff als Trägergas zusammengebracht wird. Der kombinierte Strom aus Kohle und dem Stickstoffträgergas in der
Leitung 242 wird einem vertikalen 20-er-Rohrstück 280 von 9,5 ram Durchmesser, das sich nach unten durch die Fluidisierungskammer
100 mm tief in den Pyrolysereaktor 240 hineinerstreckt, zugeführt. An dem in Fig. 3 durch ein X gekennzeichneten Punkt 282
werden die eintretende Kohle mit ihrem Stickstofffluidisierungsgas,
das Heißgas von dem Vorerhitzer 220 und der Koks mit seinem Stickstoffträgergas zusammengeführt.
Kin (nicht dargestellter Druckmesser) ist vorgesehen, um den Druck in der Fluidisierungskammer und den zu dem Zyklon führen-rden
Auslaß des Pyrolysereaktors zu bestimmen. Temperaturfühler (nicht dargestellt) sind zur Messung der Gastemperatur in dem
Vorerhitzer und zur Messung der Oberflächen temperatur des
Pyrolyscreäktors vorgesehen. Mittels eines zurückziehbaren
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Temperaturanzeigers 286 wird die Temperatur bei der Zuführung
der Kohle durch den Beschickungseinlaß 280 im Mischpunkt 282 gemessen.
Die Verwendung dieser Vorrichtung zur Bestimmung der Werte von ^(jUnd O^ür eine agglomerierende Kohle wird durch die
folgenden Beispiele demonstriert.
Die Beispiele 1 bis 9 wurden durchgeführt, um die Werte für dj und *£ einer agglomerierenden, bituminösen Kentucky No. 9
Kohle aus der Hamilton No. 1 Zeche ohne die Anwesenheit einer feinkörnigen Wärmequelle unter Verwendung der in Fig. 3 dargestellten
Vorrichtung zu ermitteln. Der Reaktor wurde mit Hilfe von Stickstoffgas nach dem Durchlaufen des Vorerhitzers
220 aufgeheizt. Die Heizvorrichtung 243 für die Fluidisierungskammer
wurde nicht eingesetzt. Nachdem die gewünschten Temperaturen errreicht waren, wurde zerkleinerte Hamilton-Kohle mit
ihrem Trägergas durch den Kohleeinlaß 280 eingeleitet und mit dem heißen Stickstoffgasstrom zusammengeführt. Der Durchlauf
wurde fortgesetzt, bis der Druckabfall über den Reaktor 178 mn Wassersäule überstieg, womit angezeigt war, daß der Reaktor
zumindest teilv/eise verstopft war. Am Ende eines Durchlaufes
ließ man den Reaktor abkühlen, worauf das Innere des Reaktors inspiziert wurde, um den Bereich zu bestimmen, wo sich die
Kohle an den Wänden des Reaktors abgesetzt hatte. Es zeigte sich, daß sich die Teilchen mit einem bestimmten Anfangspunkt
und einem Endpunkt an den Reaktorwänden festgesetzt hatten. Der Abstand zwischen dem Kohleeinlaß und dem Endpunkt des
Teilchenniederschlags an den Reaktorwänden, der in Fig. 3 mit
Z bezeichnet ist, wurde mit einem Stahlband gemessen. Es wurde davon ausgegangen, daß dieser Abstand die Stelle angibt,
an welcher die größten Kohleteilchen der Kohlebeschickung ihre Klebrigkeit verloren hatten.
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BOEHMERr & BGEI
Die Verfahrensparameter für die Versuche 1 bis 9, wie auch
die Ergebnisse dieser Versuche, sind in Tabelle 1 dargestellt. Alle Beschickungsgeschwindigkeiten und Temperaturen wurden
direkt gernessen. Die Kohle und das Fluidisierungsgas für
die Kohle besaßen die Umgebungstemperatur. Die Einlaßgeschwindigkeit des Gases ν bezieht sich auf die Einlaßgeschwindig-
H keit des kombinierten Stromes, bestehend aus dem eißgas und dem Kohletransportgas am Injektionspunkt 182 der Kohle. Diese
Einlaßgeschwindickeit v/ird von der Beschickungsgeschwindigkeit des heißen Gases und des Kohleträgergases unter Verwendung
der idealen Gasgleichung ermittelt, v/obei die Querschnitts-
2 fläche des Reaktors am Kohleeinlaßpunkt 557 mm betrug, während
Umgebungsdruck herrschte und von der Temperatur die Pyrolysentemperatur angenommen wurde.
Um die Pyrolysentemperatur T zu bestimmen, wurde die Vorheiztemperatur
des Heißgases mit dem Temperaturanzeiger 286 gemessen, bevor die Kohle und ihr Trägergas in den Reaktor eingeführt
wurden. Dann wurde der Temperaturanzeiger 286 zurückgezogen, da sich zeigte, daß sich Kohle hieran absetzte, wenn
er an seinem Platz gelassen wurde. Die Pyrolysentemperatur T wurde durch das Energiegleichgewicht der in den Pyrolyse
eingeführten Ströme bestimmt, wobei angenommen wurde, daß ein adiabatischer Batrieb in dem Reaktor aufgrund der entlang des
Reaktors 240 angeordneten Heizvorrichtungen vorlag.
Das prozentuale Feuchtigkeitsgewicht und das prozentuale Gewicht an flüchtigen Materialien wurde nach der ASTM-Methode
D-271 bestimmt. Die scheinbare Teilchendichte ^ wurde nach
der ASTM-Methode D167-73 bestimmt. Die Zuführungsgeschwindigkeit der Kohle ν wurde als Einlaßgeschwindigkeit des Kohletransportgases
durch die ideale Gasgleichung bestimmt.
Die Kohleproben wurden erhalten, indem man die Kohle wiederholt zerkleinerte und absiebte, um eine Kohleprobe einer engen Korn-
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BOEHMERT & BORHMKRT
größenverteilung zu erhalten. Die maximale Teilchengröße der Kohle D wurde bestätigt, indem man die Kohleprobe durch
einen elektronischen Teilchengrößenzähler hindurchführte, der von der High Accuracy Products Corporation of Claremeont,
Kalifornien, V. St. A. als Modell No. PC-3O5-SS-TA hergestellt
wurde.
Für jeden Versuch wurde der Wert für O von der folgenden Aufstellung
der Stoke'sehen Gleichung bestimmt:
7 — | vn | V/ | vp | we e |
V
η |
W | V P |
+ V | II | |
ist: | ||||||||||
dabei | ||||||||||
= XOyU/iJ \ J \ I)
vn = vg + g «J -eg) D2 (8)
g die Gravitationskonstante,
ζ die Dichte des kombinierten Stromes von Heißgas und Kohlenträgergas am Kohlebeschik—
kungseinlaß berechnet nach der idealen Gasgleichung,
.u die Viskosität des Heißgasstromes am Kohleeinlaß,
wobei man den Wert für ^u erhielt durch Tebo, F. J. "Selected Values of the Physical
Properties of Various Materials" ANL-5914 (Argonne National Laboratory) (1958) und Z,
θ, ν , ^ und D, wie oben definiert.
Die Werte fxxroC und "£ , die nach den Beispielen 1 bis 9
bestimmt wurden, sind in Tabelle II dargestellt. Diese Werte wurden mittels der Gleichungen 2 und 3 durch Vielfach-
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- 32 -
BOEHMEUT & BOEiIMHRT
regressionsanalyse berechnet, wobei der fehler in θ minimiert
wurde. Die Tabelle II gibt die Zahl der Versuche an zur Berechnung spezieller Werte von ^ und "J^, wie auch das Kokszu-Kohle
-Verhältnis Y für diese Untersuchungen, die in dem Fall der Beispiele 1 bis 9 Null war. Die für die Regressionsanalyse erforderlichen Parameter wurden aus der Tabelle I erhalten
und von den Vierten für die Berechnung von Θ, wie oben beschrieben.
Die thermische Leitfähigkeit des Gases K v/urde nach
Powell, "Thermal Coductivity of Selected Materials" NSRDS-NBS8, 25. November 1966, erhalten. Die Wärmekapazität der Kohle C ist
die durchschnittliche spezifische Wärme der Kohle von der
Kohleneinlaßtetnperatur zur Pyrolysentemperatur, bestimmt nach de πι Verfahren von A. L. Lee, wie berichtet in "Heat
Capacity of Coal" ACS Division of Fuel Chemistry (Vorabdruck) Mo. 12, Seiten 19 bis 31 (1968), wo die spezifische Hitze der
Kohle im Hinblick auf die Feuchtigkeit korrigiert wird.
Die Beispiele 10 bis 13 wurden durchgeführt, um die Auswirkung der Anwesenheit von einer feinkörnigen Wärmequelle auf den
Wert von "£ zu bestimmen. Das gleiche Verfahren und die gleiche
Kohle, die für die Beispiele 1 bis 9 eingesetzt wurden, sind auch für diese Beispiele verwendet worden, wobei zusätzlich
Koks, geführt von einem Fluidisierungsgas/durch den Einlaß
222 in den Reaktor eingeführt wurde. Der Koks wurde durch eine Austreibung der flüchtigen Bestandteile von einer
Colorado agglomerierenden, bituminösen Kohle hergestellt, mit einer mittleren Teilchengröße von 26 Mikron und einer
maximalen Teilchengröße von 90 Mikron. Die in Fig. 3 dargestellte Vorrichtung wurde mit der Ausnahme eingesetzt, daß
die Heizvorrichtungen 243 für die Fluidisierungskammer eingesetzt wurde, da ein größerer Energieeintrag infolge der hohen
spezifischen Wärme des Kokses erforderlich war.
— 33 —
709881/0921
BOEHMHRT & DÜEHMER'I
2778197
Um die Pyrolysenternperatur T zu bestimmen, wurde die Vorheiztemperatur,
die sich durch die Einführung des Kokses, des Heizgases, des Fluidisierungsgases für den Koks und des
Fluidisierungsgases für die Kohle ergab, mittels des Temperaturfühlers 286 gemessen. Nachdem sich die Temperatur
stabilisiert hatte, wurde die Kohle zugeführt und die Pyrolysentemperatur wurde über das Energiegleichgewicht berechnet,
in der Annahme einer adiobatischen Betriebsweise des Pyrolysereaktorr..
Die Verfahrenspararneter für die Beispiele 10 bis 13 sind
in Tabelle 1 dargestellt, v/ie auch die für Z gemessenen Vierte und der unter Verwendung der Gleichungen 6 bis 8 berechnete
Wert für Θ. Die Werte für ν und 1^ , die in die
Gleichungen 6 bis 8 einzusetzen sind, basieren auf dem kombinierten Strom des Vorheizgases r des Kohleträgergases und
des Koksträgergases. Die Tabelle II zeigt die Werte von ob
und f für diese Versuche. Die Werte wurden bestimmt unter der Annahme, daß cC gleich 25 540° R war, also den gleichen
in den Beispielen 1 bis 9 erhaltenen Wert besaß, worauf V unter Verwendung der Gleichungen 2 und 3 berechnet wurde.
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T ab
Beispiel | Z(Fuß) | /mm) | D(Mikron) | Tp(0F) | (°C) | O(Sekunden) | |
1 | 0,97, | 296 | 32 | 1499 | 815 | .0129 | |
2 | 1,09 | 332 | 49 | 1493 | 812 | .0158 | |
3 | 1,98 | 604 | 49 | 1322 | 717 | .0277 | |
4 | 4,71 | 1437 | 49 | 1134 | 612 | .0737 | |
5 | 2,38 | 726 | 92 | 1480 | 804 | .0376 | |
6 | 4,17 | 1272 | 92 | 1308 | 709 | .0656 | |
7 | 7,25 | 3211 | 92 | 1141 | 616 | .1175 | |
8 | 2,46 | 750 | 32 | 1132 | 611 | .0361 | |
9 | 1,38 | 421 | 32 | 1325 | 7 IS | .0176 | |
10 | 2,53 | 772 | 49 | 1180 | 638 | .0345 | |
CD | 11 | 1,43 | 436 | 49 | 1354 | 734 | .0183 |
0» | 12 | 1,66 - | 506 | 49 | 1291 | 699 | .0156 |
BD | 13 | 2,72 | 830 | 49 | 1130 | 610 | .0332 |
rO92 |
- 35 -
T p. b G 1 1 e
Kb)
9 | Kohlebe schickung |
(kg/Std) | Gaszufuhr (SCFM bei | (kg/Std; | L 60°F) | 11,33 | (L: | 0 | bei | 15°C) | 204 | Temperatur (6C) |
Umgebungs temperat. (6O |
Umge bungs |
|
10 | (Pfd/Std) | 11,33 | 0 | Vorerhitsung | 204 | 21 | druck (mmHg) |
||||||||
gej.-. | 11 | 0,245 | 0 | Kohlengas | 11,33 | Lter/Minute | 0 | Heißgas | 215 | 885 | 23 | 742 | |||
12 | 0,540 | 0,259 | Koksbeschik- kung |
0 | 11,33 | 0 | 204 | 885 | 26 | 744 | |||||
13 | 0,570 | 0,259 | (Pfd/Std) | 0 | 0,4 | 11,33 | 0 | 7,2 | 204 | 777 | 22 | 739 | |||
1 | 0,570 | 0,259 | 0 | 0,4 | 11,33 | Koksgas | 0 | 7,2 | 204 | 666 | 22 | 743 | |||
2 | 0,570 | 0,313 | 0 | 0 | 0,4 | 11,33 | 0 | 7,6 | 204 | 882 | 22 | 741 | |||
3 | 0,691 | 0,313 | 0 | 0 | 0,4 | 22,66 | 0 | 0 | 7,2 | 204 | 77.7 | 23 | 744 | ||
4 «α |
0,691 | 0,313 | 0 | 0 | 0,4 | 22,66 | 0 | 0 | 7,2 | 215 | 674 | 22 | 742 J | ||
ο CO ώ |
0,691 | 0, 245 | 0 | 0 | 0,4 | 2,83 | 0 | 11, | 7,2 | 227 | 692 | 21 | C 741 |
||
OO οο 6 |
0,540 | 0,259 | 0 | 0 | 0,4 | 11,33 | 0 | IG, | 7,2 | 227 | 810 | 20 | 742 | ||
ο | 0,570 | 0,259 1 | 0 | 762 | 0,8 | 11,33 | 0 | 16, | 7,2 | 227 | 65 7 | 19 | ΊΖ3 | ||
0,570 | 0,259 5 | 0 | 595 | 0,8 | 28,32 | 0 | 28, | 7,6 | 227 | 757 | 22 | '/34 | |||
0,570 | 0,259 5 | 0 | 568 | 0,1 | 0 | 8,0 | 721 | 21 -J ro OO |
743 | ||||||
0,570 | 0,259 11 | 0 | 117 | 0,4 | 0 | 8,0 | 627 | 744 | |||||||
0,570 | ,679 0, | 0,4 | 0 | 8,0 | |||||||||||
,722 2, | 1,0 | 0,4 | 8,0 | ||||||||||||
,662 2, | 0,6 | ||||||||||||||
,28 5, | 0,6 | ||||||||||||||
1,0 | |||||||||||||||
,33 | |||||||||||||||
,99 | |||||||||||||||
,99 | |||||||||||||||
32 |
- 36 -
S*
BOEHMKKT & BOIiHMtKl
ο/
(!) U O)
ν»
O) •H O. Vi •H
O)
CTi | CM | σ\ | σι | Cs | (Ts | CT-. |
CM | CS | CNJ | CvI | in | in | CM |
CTi | CS | Cs | Cs | σι | σ> | |
σ·
Cs
Cs | Cs | CM | |
Cx! | CM | CM | CS |
CTi | Cs | σ» | |
G) (U | • | ä* | ο | C\l | CM | CM | ro | ro | O | O | CM | CM | CM | CM | |
I | Vl >—I | • | ιη | C- | C- | C- | LO | IO | in | in | C- | C- | C- | C- | |
•Η | in χ: | Ό O | ro | VO | VO | VD | co | co | ro | ro | VO | VO | VD | VD | |
-P | O O | O | O | co | ro | ro | CO | co | ro | ro | ro | ro | ro | ro | CO |
och | -ρ-α*: | . *"* | |||||||||||||
I
σ> |
ι
SZ |
O | vH | χ-i | co | ro | O | O | \H | ||||||
•Η | σι | Sf | s? | Sf | co | ro | σι | Cs | Sf | Sf | Sf | Sf | |||
-P | OJ | Sä* | Sf | Sf | Sf | Sf | CM | CM | Sf | Sf | Sf | Sf | |||
ro
CM
Ci | c— | in | CO | O | C- | CM | sf | CM | C- | VO | I |
VO | ω | VO | ro | VO | O | \H | in | CM | Sf | ||
ψ* | C- | ||||||||||
si1 | ro | O | Sf | O | O | m | Sf | c— | VO | VO | CO |
CM | CM | CM | CM | CM | CM | CM | CM | CM | CM | CM | |
in | O | co | VH | ro | VO | ro |
CM
ro |
CM | ro | CM | Ob |
ro | ω |
ro
C- |
VO
VO |
O
ro |
VO
vo |
C-
VD |
in
co |
O |
O
σ\ |
VO
ro |
VO
ro |
ro | CM | CM | ro | CM | CM | Sf | ro | ro | CM | oo |
CTv
CO |
sf | sf | Sf | sf | sf | Sf | ro | Sf | Sf | sf |
•
O |
|
C-ro
ro
ro
sT
CO ro
ro
ro
C-CM
Εν*
ro
ro
ro
ro
ro sf in VO
σ> ο
CM ro
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BOEHMERT & ΒΟΕΗΜΕΗΪ
Tabelle II
Beispiel Y et (°R) (°K) ^(1Ο~ Skunden)
1-9 C 25,540 14189 4,6
10 3 25,540 14189 2,3
- 12 10 25,540 14189 1,6
13 20 25,540 14189 1,3
- 38 -
709881/0921
BOKHMERT & BOEl IMER Γ
Eine graphische Darstellung von ^ gegen das Koks—zu— Kohle-Verhaltnis
zeigt die Fig. 4. Wie erwartet, nimmt "£ mit
steigendem Koks-zu-Kohle-Vcrhaltnis aufgrund des Wischeffektes
des Kokses an. Bei einem hohen Koks-zu-Kohle-Verhältnis
nähert sich jedoch 7 einem asymptotischen Viert, woraus
sicher ergibt, daß der Gewinn bei der Zuführung zusätzlicher feinkörniger Wärmequelle in den Pyrolysereaktor
abnimmt.
Dieses Beispiel zeigt, wie das erfindungsgemäße Verfahren
eingesetzt werden kann, um die maximale Teilchengröße zu bestimmen, bis auf welche eine agglomerierende Kohle
zerkleinert wird, um ein Verstopfen in dem Pyrolysereaktor zu verhindern. Ein Reaktor, der den in Fig. 1 dargestellten
Aufbau besitzt, wurde ausgevrählt, wobei der Mischbereich des Reaktors aus einem 255 mm lOS-Rohr und der Kohleneinlaß
aus einem 25 mm 40S-Rohr hergestellt war. Eine Hamilton Kohle , d. h. die Kohle, die für die Beispiele 1 bis 9 verwendet
worden ist, wurde mit einer Zufuhrgeschwindigkeit von 91 kg/Stunde mit einem Stickstoffstrom von 1 133 Litern/Minute
bei einer Temperatur von 16° C eingeführt. Aus der Pyro lyse von Hamilton Kohle entstandener Koks wurde mit einer
Zufuhrgeschwindigkeit von 9O7kg/Stunde durch den Kokseinlaß
injiziert und durch einen Stickstoffstrom von 57 Litern/Minute
bei 16° C fluidisiert, wodurch sich ein Koks-zu-Kohle-Verhältnis
von 10:1 ergab. Der Koks wurde auf eine Temperatur von 683° C ei
zu erzeugen.
zu erzeugen.
von 683° C erhitzt, um eine Pyrolysetemperatur von 579° C
Diese Vierte ergeben eine Injektionsgeschwindigkeit für
die Kohle von 23,11 m/Sek. un;d eine Reynolds-Zahl für
das Kohleträgergas von 2 917, die im turbulenten Bereich liegt.
- 39 -
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INSPECTED
BOEHMERT & BGE! IMKRT
Bei Anwendung der Gleichung 1 v/urde ein Wert für £) von
0,296 Sekunden bestimmt, d. h. die kürzeste Zeit, bis ein
Kohleteilchen die Wand dos Reaktors erreicht, beträgt
0,296 Sekunden. Diese Berechnung wurde durchgeführt unter Annahme eines Divergenzwinkels von 20 .
Unter Einsatz der Gleichungen 2 und 3 und der Werte und Tgfmäß den in Tabelle II aufgeführten Beispielen
und 12 wurde die maximale Teilchengröße D für ein Kohleteilchen in dem Beschickungsstrom,um ein Verstopfen des
Reaktors zu verhindern, auf 250 Mikron bestimmt. Wenn man dementsprechend einen Kohlebeschickungsstrom mit einer
maximalen Teilchengröße der Kohle von 250 Mikron,oder
geringer, verwendet, tritt ein Verstopfen des Reaktors nicht ein.
Beisoiele 15 A-B:
Diese Beispiele zeigen, wie das erfindungsgemäße Verfahren
eingesetzt wurde, um die Temperatur zu bestimmen, bei welcher eine agglomerierende Kohle zu pyrolysieren ist, um ein Verstopfen in einem Pyrolysereaktor zu verhindern. Ein Reaktor mit dem in Fig. 1 dargestellten Aufbau ohne Fluidisierungskammer, in welchem der Koks mit Hilfe von Sieben verteilt
wurde, gelangte zum Einsatz. Der Mischbereich des Reaktors
war aus einem 102 mm lOS-Rohr und der Kohleeinlaß aus einem 13 mm 40S-Rohr hergestellt. Eine Hamilton Kohle, d. h. die
in den Beispielen 1 bis 9 verwendete Kohle, wurde mit einer Zufuhrgeschwindigkeit von 9,25 kg/Stunde in einem Stickstoffstrom von 453 Litern/Minute bei einer Temperatur von 16°C
nach einer Verkleinerung auf 75 Mikron eingeführt. Aus der
Pyrolyse von Hamilton Kohle stammender Koks wurde mit einer Zuführgeschwindigkeit von 816 kg/Stunde durch den Kokseinlaß injiziert und durch einen Stickstoffstrom von 54 Litern/Minute bei einer Temperatur von 16°C fluidisiert, wodurch sich ein
eingesetzt wurde, um die Temperatur zu bestimmen, bei welcher eine agglomerierende Kohle zu pyrolysieren ist, um ein Verstopfen in einem Pyrolysereaktor zu verhindern. Ein Reaktor mit dem in Fig. 1 dargestellten Aufbau ohne Fluidisierungskammer, in welchem der Koks mit Hilfe von Sieben verteilt
wurde, gelangte zum Einsatz. Der Mischbereich des Reaktors
war aus einem 102 mm lOS-Rohr und der Kohleeinlaß aus einem 13 mm 40S-Rohr hergestellt. Eine Hamilton Kohle, d. h. die
in den Beispielen 1 bis 9 verwendete Kohle, wurde mit einer Zufuhrgeschwindigkeit von 9,25 kg/Stunde in einem Stickstoffstrom von 453 Litern/Minute bei einer Temperatur von 16°C
nach einer Verkleinerung auf 75 Mikron eingeführt. Aus der
Pyrolyse von Hamilton Kohle stammender Koks wurde mit einer Zuführgeschwindigkeit von 816 kg/Stunde durch den Kokseinlaß injiziert und durch einen Stickstoffstrom von 54 Litern/Minute bei einer Temperatur von 16°C fluidisiert, wodurch sich ein
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BOKfIMGKT & BGHr]IViERI
Kokr, -:Ύ.\χ -Kohle- Vernal tnis von 83:1 ergab.
Unter Anwendung dar Gleichung 1 wurde der V.'ert für O auf
0,052 Sekunden bestimmt. Diese Berechnung v/urde unter Annahme eines Divergenzwinkels von 15 durchgeführt.
Unter Einsatz der Gleichungen 2 und 3 wurde bestimmt, daß
die PyrolVGete/njjei.'ciLur auf 621 C oder höher gehalten werden
mußte, um ein Verstopfen zu verhindern. Obwohl das Kokszu-Kohle-Gewichtsverhaltnis
für das Beispiel 13 geringer war als das Verhältnis dieses Beispiels, verursachten die
aus dem Beispiel 13 entnommenen Vierte; für "£ und <^, wenn
überhaupt, nur einen geringen Fehler, da bei höheren Koks —
zu-Konle-Verhältnissen ein asymptotischen Verhalten für '£
vorlisgf.
Der Reaktor wurde denn bei 677 C bei dem Beispiel 15A langer
als eine Stunde ohne jedes Anzeichens eines Verstopfens betrieben.
Bei Beispiel 153, bei welchem der gleiche Reaktor unter
entsprechenden Bedingungen mit der Ausnahme betrieben wurde, daß die Pyrolysetemperatur 582 C betrug, trat jedoch nahezu
augenblicklich ein Verstopfen ein, wie dies durch einen wachsenden Druckverlust über dem Reaktor angezeigt wurde.
Der Versuch von Beispiel 15A wurde wiederholt, mit der Ausnahme, daß kein Fluidisierungsgas für den Koks vorgesehen
war. Der Reaktor verstopfte sich schnell oberhalb des Endes des Kohleneinlaso^a aufgrund des Rückmischens der KohleteiIchen.
Die anhan-J bf^arjuater Auc-führungsformen beschriebene Erfindung
lci.ßt verschiedene Abänderungen su, ohne daß hierbei
709881/0921
- 41 ORlGtNAL INSPECTED
BOliHiVIlikT&BOr; Πλ^Κ
der Rahmen tferErfindung verlassen wird. So kann beispielsweise,
obwohl Fig. 1 einen nach unten gerichteten Pyrolysereaktor
zeigt, das erfindungsqernäße Verfahren auch auf
Pyrolysereaktoren mit einem anderen Aufbau eingesetzt werden,
einschließlich solchen mit einem aufsteigenden Strom und
unregelmäßig geformten Reaktoren, wie auch solche, die Prallbleche enthalten..
t'.z ist weiterhin nicht erforderlich, eine feinkörnige 'Wärmequelle
um den divergierenden Kohlestrahl herum vorzusehen. Statt dessen kann die Wärme durch elektrische Heizvorrichtungen
oder ähnliches bereitgestellt werden. Es ist jedoch auch ohne
feinkörnige Wärmequelle ein gewisser Gasstrom erforderlich,
um eine Rückrnischung der Kohle zu verhindern, die zu einem
Verstopfen des Reaktors führen kann.
- 42 -
709881/0921 ORJGlNAL INSPECTED
Claims (18)
1. Vccxaiiron i',ur Gov/innur.cj von Kohlenwasserstoffbestandteilen
aus feinkörniger, agglomerierender Kohle, dadurch gekennzeichnet, daß man einen feinkörnigen Kohlebeschik—
kur.gr,stron; aus zerkleinerter, agglomerierender Kohle und
einem Trägergas bildet, das im wesentlichen nicht nachteilig
nit den Pyrolyseprodukten reagiert, bildet und als turbulenten, divergierenden Strahl strom von einer
Öffnung in eine Mischzone eines länglichen Pyrolysereaktors mit einer inneren Oberfläche einführt, wobei
die Mindestweite das Pyrolysereaktors größer ist als die maximale Weite der öffnung und gleichzeitig ein gasförmiges
Medium, welches im wesentlichen nicht nachteilig mit den Pyrolyseprodukten reagiert, entlang der
umlaufenden, inneren Reaktoroberfläche injiziert, wobei
der divert;.', eronde Beschickungsstrom aus feinkörniger
Kohle UiTd dem Medium sich in der Mischzone des Reaktors
vor dem Übergang in eine Pyrolysezone miteinander ver—
die
binden, wobei im wesentlichen gesamte Kohle in der Beschickung aus Partikeln selektiv gebildet ist, die ihre
Klebrigkeit vor dem Kontakt mit einer inneren Fläche des Pyrolysereaktors dicht an der Öffnung verlieren, worauf
das Medium entlang der umlaufenden V/and des Reaktors freigegeben wird, während gleichzeitig der feinkörnige
Kohlebeschickungsstrom durch die Öffnung bei einer Temperatur, die geringer ist als die Temperatur, bei welcher
die Kohle beginnt klebrig zu werden, in die Mischzone
injiziert wird, um eine turbulente Mischung des Mediums, der festen, feinkörnigen Kohle und des Trägergases in
der Mischsone zu bilden, wobei die Menge des zugeführten Mediums zumindest ausreicht, urn einen Rückfluß der Kohle
aus dem di ,vergierenden Strom zu verhindern, vorauf die
sich ergebende Mischung aus der Mischzone der Pyrolysezολο
des Pyrolysereaktors zugeführt wird, wo die feste, ioinkörnige Kohle pyrolysiert wird, und einen Pyrolyse-
- 43 -
709881/0921
ORIGINAL INSPECTED
BOEKMFRT &
produktstrom ergibt, der als Feststoffe einen kohlehaltigen
Feststoffrückstand aus der Pyrolyse und eine
Dampfmischung aus dem Medium, dem Trägergas und den pyrolytisehen Dämpfen einschließlich der verdampften
Kohlenwasserstoffe enthält.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Pyroiysetemperatur oberhalb etwa 5S9 K liegt.
3. Verfahre;"! nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die Pyrolysetemperatur nicht mehr als 1367 K beträgt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Pyrolysetemperatur mindestens 756 K beträgt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß das Gewichtsverhältnis der feinkörnigen Feststoffwärmequelle zur Kohle in dem Bereich von etwa
2:1 zu etwa 20:1 liegt.
6. Verfahren zur Gewinnung von Kohlenwasserstoffbestandteilen
aus feinkörniger, agglomerierender Kohle, wobei man die
Kohle in der Anwesenheit eines Trägergases, welches im wesentlichen nicht nachteilig mit den Pyrolyseprodukten
reagiert, als einen turbulenten, divergierenden Strahl von einer Öffnung innerhalb eines länglichen ^yrolysereaktors
mit einer inneren Fläche, deren maximale Weite geringer ist als die minimale innere Weite des Reaktors,
injiziert und gleichzeitig eine feinkörnige Feststoffv/ärmequelle in einem Fluidisierungsgas, welches im wesentlichen
nicht nachteilig mit den Pyrolyseprodukten reagiert, entlang der inneren, umlaufenden Oberfläche des Reaktors
zuführt, worauf sich der divergierende Strom aus feinkörniger Kohle und der FeststoffwärmequelJe in einer
Mischzone des Reaktors miteinander verbinden und in die
7 0 9 8 8 1 /θ49 2 1
INSPECTED
IK)HrIiVi-ΙΠ χ ROETiiYiiiKT
Pyrolysizono eintreten, dadurch gekennzeichnet,
daß man
(a) für den Pyrolysereaktor mit einer Ausnahme die
folgenden Variablen auswählt, nämlich O, die minimale
Zeit für ein Kohleteilchen,um von der öffnung bis zu
einem inneren festen Punkt der Oberfläche des Reaktors sich zu bov/ecjen in Sekunden, To, die Einf ührungsternpereitur
der Kohle in den Pyrolysereaktor, die geringer ist als die Temperatur, bei welcher die Kohle zu kleben
beginnt in 0R, Tp, die Temperatur der Pyrolysesone in 0R und D, der maximale Durchmesser der feinkörnigen
Kohlepartikel in Fuß,
(b) einen 'Wert für die nicht festgelegte Variable durch
die gleichzeitige Lösung der folgenden Gleichungen bestimmt:
D2 = 12 K fr
η Γ( Tp-To
und
l/D2 3
)J
wobei
K die thermische Konduktiv!tat der Träger- und
Fluidisierungsgase gemeinsam in Btu/s-Fuß 0R,
die scheinbare TeilfSchendichte der Kohle in
Pfund/Fuß3,
C die spezifische Wärme der Kohle in Btu/Pfund 0R,
709881/(ii21
ORIGINAL INSPECTED
EOEHMtRl -sr BOEHMFRT
Tt die Temperatur der Kohle am Cnde der Klebrigkeitspcriode der Kohle in R,
die plastische Zeitkonstante für die Kohle bei einem vorbestimmten Verhältnis von Fesi
stof fwärrnequelle zu Kohle in Sekunden,
j der Exponential tempeiraLurf aktor für den Verlust
der Klebrigkeit der Kohle in R,
E^ (x ) das Exponentialintegral von x. = (oC/Tt-ei/Tp)
la a
χ —(^/To —i^Tp)
E1(X,) das Exponentialintegral von b ^
E.(x ) das Exponentialintegral von χ =ߣ /Tt und
XC C
Ε.(χ,) das Exponentialintegral von x, - iC/To ist,
(c) die feinkörnige Kohle mit einem maximalen Teilchen durchmesser, der nicht größer ist als der bestimmte Durchmesser
D und das Trägergas von der Öffnung aus in die Mischzone des Pyrolysereaktors bei einer Temperatur, die
mindestens gleich der bestimmten Einführungstemperatur
To ist, injiziert und gleichzeitig eine feinkörnige Wärmequelle und ein Fluidisierungsgas in die Mischzone
entlang der inneren Oberfläche des Pyrolysereaktors bei einem vorbestimmten Verhältnis von feinkörniger
Wärmequelle zu Kohle in einer solchen Menge einführt, daß die Pyrolysezone bei einer Temperatur gehalten wird,
die mindestens gleich der vorbestimmten Pyrolysetemperatur Tp ist, wobei den Kohleteilchen innerhalb des
Reaktors eine Mindestzeit für die Bewegung von der öffnung bis zu einem festen inneren Punkt der Oberfläche
des Reaktor:;· zur Verfugung steht, die gleich dem vorge-
- 46 -
709881/0921
BOEH MFRT & ROEHMIiRT
wählten £) ist, um aus der sich ergebenden Mischung aus
feinkörniger Wärmequelle, der feinkörnigen Kohle und den Trägem und Flicclis.ierungsgason in der Mischzone eine turbulente
Mischung zu bilden, wobei die Menge des mit der Wärmequelle zugeführten Fluidisierungsgases zumindest hinreichend
groß ist, um einen Rückstrom der Kohle aus dem divergenten Strom zu verhindern und
(d) die resultierende turbulente Mischung aus der Mischzone
der Pyrolysezone des Pyrolysereaktors zuführt, um das kohlenstoffhaltige
Feststoffmaterial zu pyrolysieren und einen Pyrolyseproduktstrom zu erzeugen, der als Feststoffe die
feinkörnige Wärmequelle und einen kohlenstoffhaltigen Pyrolysefeststoffrückstand
und eine Dampfmischung aus Träger— gas, Fluidisierungsgas und einem pyrolytischen Dampf mit
den verdampften Kohlenwasserstoffen enthält.
7. Verfahren zur Gewinnung von Kohlenwasserstoffbestandteilen.
aus feinkörniger, agglomerierender Kohle, dadurch gekennzeichnet,
daß man
(a) einen feinkörnigen Kohlebeschickungsstrom, bestehend aus feinkörniger, agglomerierender Kohle und einem Trägergas,
das im wesentlichen nicht nachteilig mit den Pyrolyseprodukten reagiert, als turbulenten, divergierenden
Strahl von einer Öffnung in eine Mischzone eines länglichen Pyrolysereaktors mit einer inneren Oberfläche einführt,
wobei die maximale Weite der öffnung geringer ist als die minimale innere Weite des Reaktors, während man
gleichzeitig eine feinkörnige Feststoffwärmequelle in einem
Fluidisierungsgas, welches im wesentlichen nicht nachteilig mit den Pyrolyseprodukten reagiert, entlang der
inneren, umlaufenden Oberfläche des Reaktors einführt und den divergenten, feinkörnigen Kohlestrorn und die
.'„ Λ»."··.Η.Ηΐί:11ο in der Mischzone des Reaktors vor dem Übergang
- 47 -
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ORlQiNAL INSPECTED
BUK! !MlZRr-X HOE?IMIiUT
in eine Pyrolysezone zusammenbringt, wobei im wesentlichen
die gesamte kohlebeschickung eino geringere Teilchengröße
besitzt als ein vorbestimmter rrioxinaler Durchmesser
D in Fuß, der im wesentlichen die folgenden Gleichungen erfüllt:
D2 - 12K
CiP. (Tp-To)
(Tp-Tt)
(Tp-Tt)
l/.O2 = ζ C
die thermische Leitfähigkeit der Träger- und
Flviidisierungsgase zusammen in Dtu/s-Fuß R,
φ die minimale Zeit für den Übergang eines Kohl
teilchens von der öffnung bis zu einem festen Punkt der inneren Oberfläche des Reaktors in
Sekunden,
die scheinbare Teilchendichte der Kohle in Pfd/ Fuß3,
die spezifische Wärme der Kohle in Btu/Pfd ° R,
Tp die Pyrolyr.entoniperatur in R,
To die Einführungsternperatur der Kohle in 0Fi,
Tt di.5.; Temperatur der Ko'.ile am Ende der Klebrinkeitsporjode
der Kohle in °R,
709881/0921
- 48 ORIGINAL INSPECTED
EORHiV1ERT & ROEHMERT
^ die plastische Zeitkonstante für die Kohle
bei einem vorbestimmten Verhältnis von FeststoffwärrnequelIe
zu Kohle in Sekunden,
(h der Exponentialtemperaturfaktor für den Verlust
der Klebrigkeit der Kohle in R,
E. (x ) das Exponentialintegral von x=(-X./Tt-^/Tp)
la a
E.(x. ) das Exponentialintegral von χ -(o£/To-iwTp)
E„ (x ) das Exponentialinteqral vqtx =t>i/Tt und
Ic c
E.(x.) das Exponentialintegral vonx.=ai/To
bedeutet,
(b) die feinkörnige Wärmequelle und das Flddisierungsgas
in die Mischzone bei einer Temperatur einführt, die größer ist als Tp bei einem vorbestimmten Verhältnis von feinkörniger
Wärmequelle zu Kohle, die ausreicht, die Pyrolysezone auf der Pyrolysentemperatür Tp zu halten, während
man gleichzeitig die feinkörnige Kohle und das Trägergas von der Öffnung in die Mischzone bei einer Temperatur To
injiziert, die unterhalb der Temperatur liegt, bei welcher die Kohle zu kleben beginnt, um eine turbulente Mischung
aus der feinkörnigen Wärmequelle, der feinkörnigen Kohle und den Träger- und Fluidisierungsgasen in der Mischungszone zu bilden, wobei die Menge des Fluidisierungsgases,
das mit der feinkörnigen Wärmequelle injiziert wird, zumindest ausreicht, um einen Rückstrom der Kohle aus dem
divergenten Strom zu verhindern, und
(c) schließlich die resultierende, turbulente Mischung aus
der Mischzone in die Pyrolysezone des Pyrolysereaktors über-
70 9 881/ OsS 2-1
führt, um die feinkörnige Kohle zu yprolysieren und
einen Pyrolyseproduktstrom :-:u erzeugen, der als Feststoffe di"? foir.kornine Wärmequelle sowie einen kohlehaltigen
Pyrolyse!'eststoffrückstand und als Dampf eine
Mischung aus Träger- und Fluidisierungsgasen sowie die flüchtiger. Kohlenwasserstoffe enthaltenden pyrolytischen
Dämpfe enthält.
8. Verfahren zur Gev/innung von Kohlenwasserstoff bestandteilen
aus feinkörniger, agglomerierender Kohle, dadurch
gekennzeichnet, daß rn.an
(a) einen feinkörnigen Kohlebeschickungsstrorn aus feinkörniger,
agglomerierender Kohle und einem Trägergas, welches im wesentlichen nicht nachteilig mit den Pyro—
lyseprodukten reagiert, als turbulenten, divergierenden Strahlstrom von einer Öffnung in eine Mischzone eines
länglichen Pyrclysereaktors mit einer inneren Oberfläche einführt, wobei die maximale Weite der Öffnung geringer
ist als die minimale innere 'Weite des Reaktors und gleichzeitig eine feinkörnige Feststoffwärmequelle in einem
Fluidisierungsgas, v/elches im wesentlichen nicht nachteilig in Bezug auf die Pyrolyseprodukte reagiert, entlang
der inneren, umlaufenden Fläche des Reaktors einführt, und den divergierenden Strom feinkörniger Kohle und Feststoff
wärmequelle in einer Mischzone des Reaktors vor dem Übergang in die Pyrolysezone zusammenführt, wobei der
Pyrolysereaktor eine Ausbildung besitzt, bei welcher die minimale Zeit, die für ein Kohleteilchen erforderlich ist,
um von der öffnung bis auf einen inneren, festen Punkt der Oberfläche des Reaktors überzugehen, in Sekunden mindestens
gleich 0 ist, v/elches im wesentlichen die folgenden beiden Gleichungen erfüllt:
D2 = 12K θ
^CIn]CTp-To)
JCTp-To)T
[(Tp-TtJ
[(Tp-TtJ
70988J/5g921
ORIGINAL INSPECTED
BOEHMF RT * ROEHMHRT
l/D2 =
worin
K die thermische Leitfähigkeit der Träger- und
Fluidisierungsgase zusammen in Btu/s-Fuß R,
θ die Klebrigkeitszeit für die größten Kohleteilchen
in Sekunden,
O die scheinbare Teilchendichte der Kohle in Pfd/
3 Fuß ,
C die spezifische V/ärme der Kohle in Btu/Pfd 0R,
Tp die Pyrolysentemperatur in R, To die Einführungstemperatur der Kohle in R,
Tt die Temperatur der Kohle am Ende der Klebrigkeitsperiode der Kohle in°R,
sy die plastische Zeitkonstante für die Kohle bei
einem vorbestimmten Verhältnis von Feststoffwärmequelle
zu Kohle in Sekunden,
Jj der Exponentialtemperaturfaktor für den Verlust
der Klebrigkeit der Kohle in 0R,
1(X ) das Exponentialintegral von χ = (tft/Tt-^/Tp)
.(x ) da:; Kxponc-ntialintecjral von χ = (r,//To~^/Tp)
- 51 -
709881/0921
Γ.ΟΕΙ.'ΜΚΚΐ
F,„(x_) das nxpop.er.tinl integral von χ --^,/Tt und
E1Cx.) das Zxponen tialintegral von κ =cd/To
bedeutet,
(b) die feinkörnige- l-Mirrrsequel Ie und das Fl uidisierungr.-gas
in die Mischzone bei einer Temperatur einführt, die größer ist als Tp bei einem vorbestimmten Verhältnis von
feinkörniger Wärmequelle zu Kohle und ausreicht, die Pyrolysezone
bei der Pyrolysetemperatur Tp zu halten, während man gleichzeitig die feinkörribe Kohle und das Trägorgas
durch die öffnung der Ilischzone bei einer Temperatur To
zuführt, die unter derjenigen liegt, bei welcher die Kohle klebrig zu werden beginnt, um eine turbulente Mischung aus
feinkörniger Wärmequelle, der feinkörngien Kohle und don
Träger- und Fluidisierungsgasen in der Mischzone zu bilden,
wobei die Menge des Fluidisierungsgases, das mit der feinkörnigen
Feststoffwärmequelle eingeführt wird, mindestens ausreicht,
um einen Rückstrom der Kohle aus dem divergenten Strom zu verhindern, und
(c) schließlich die resultierende turbulente Mischung aus der Mischzone der Pyrolysenzone des Pyrolysereaktors zuführt,
um die feinkörnige Kohle zu pyrolysieren und einen Pyrolyseproduktstrom zu erzeugen, der als Feststoffe die feinkörnige
Wärmequelle und einen kohlehaltigen Pyrolysefeststoffrückstand
sowie als Dampf eine Mischung aus den Träger- und Fluidisierungsgasen sowie die verdampften Kohlenwasserstoffe
enthaltenden pyrolytischen Dämpfe enthält.
9. Verfahren zur Gewinnung von Kohlenwasserstoffbestandteilon
aus feinkörniger, agglomerierender Kohle, dadurch gekennzeichnet,
daC man einen feinkörnigen KohlebeschLckungs»
strom aus verkleinerter, feinkörniger, agglomerierender
709881/0921
- 52 -ORIGINAL INSPECTED
BOEIIMBRT «"* BOEKMFIlT
Kohle und eineiTi Trägergas, welches im wesentlichen nicht
nachteilig mit den Pyrolyseprodukten reagiert, als einen turbulenten divergierenden Strahlstrom von einer öffnung
aus in eine Mischzone eines länglichen Pyrolysereaktors mit einer inneren Oberfläche einführt, wobei die minimale
innere Weite größter ist als die maximale Weite der Öffnung und gleichzeitig eine feinkörnige Feststoffwärmequelle
in einem Fluidisierungr.gas, welches im wesentlichen
nicht nachteilig in Bezug auf die Pyrolyseprodukte reagiert, entlang der umlaufenden, inneren Oberfläche des Reaktors
einführt, worauf man den divergierenden Strom feinkörniger Kohle und die Festntoffwärmequelle in der Mischzone des
Reaktors vor dem Übergang in die Pyrolysezone zusammenführt, wobei im wesentlichen die gesamte Kohle der Beschickung
aus Teilchen besteht, die ihre Klebrigkeit vor dem Kontakt mit einem Punkt der inneren Oberfläche des Pyrolysereaktors,der
am dichtesten an der öffnung ist, verlieren, wobei man die feinkörnige Wärmequelle und das Fluidisierungsgas
der Mischsone bei einer Temperatur zuführt, die größer
ist als die Temperatur der Pyrolysezone bei einem vorbestimmten Verhältnis von feinkörniger Wärmequelle zu Kohle
ausreicht, um die Pyrolysezone bei der Pyrolysentemperatür
zu halter., während man gleichzeitig die feinkörnige Kohle mit dem Trägergas durch die Öffnung bei einer Temperatur
injiziert, die geringer ist als die Tempertur, bei welcher die Kohle klebrig zu werden beginnt, um eine resultierende,
turbulente Mischung aus feinkörniger Wärmequelle, der feinkörnigen Kohle und den Fluidisierungs- und Trägergasen in
der Mischzone zu bilden, wobei die Menge des zusammen mit
der feinkörnigen Wärmequelle eingeführten Fluidiserungsgases mindestens ausreicht, um einen Rückstrom der Kohle
aus dem divergierenden Strom zu verhindern, worauf man schließlich die sich ergebende turbulente Mischung aus der
Hischzone in die Pyrolysezone des Pyx"olysereaktors überführt,
um die feinkörnige Kohle zu pyrolysieren und einen
709881/0921
- 53 -
KOEH VIERI & BOEHMEHT
Pyrolyseproduktsbrom zu erzeugen, der als Feststoffe
die feinkörnige V.'ärrnequolle und einen Kohle enthaltendon
Pyrolyseieststoffrückstand und als Dampf eine Mischung
aus Träger- und Fluidisierungsgac- sowie die flüchtigen
Kohlenwasserstoffe enthaltenden, pyrolytischen Dämpfe
enthält.
10. Verfall--en zur Gewinnung von Kohlenwasserstoffbestandteilen
aus feinkörniger, agglomerierender Kohle, wobei man die Kohle in der Anwesenheit eines Trägergases, welches nicht
nachteilig in ber^ug auf die Pyrolyseprodukte reagiert, als
turbulenten, divergierenden Strahlstrom von einer Cffnung
in einem länglichen Pyrolysereaktor mit einer inneren Oberfläche aus injiziert, wobei die maximale Weite der
öffnung geringer ist als die minimale V/eite des Reaktors und gleichzeitig ein gasförmiges Medium, welches im
wesentlichen nicht nachteilig in bezug auf die Pyrolyseprodukte reagiert, entlang der inneren, umlaufenden Oberfläche
des Reaktors einführt, wobei die Kohle und das Trägergas mit dem Medium in einer Mischzone des Reaktors zusammengeführt
und in eine Pyrolysezone eingeleitet werden, dadurch gekennzeichnet, daß man
(a) für den Pyrolysereaktor mit einer Ausnahme die folgenden Variablen festlegt: ^, die minimale Zeit für die Kohleteilchen
von der öffnung bis zur Erreichung der inneren Oberfläche des Reaktors in Sekunden, To, die Eingangstemperatur der in den Pyrolysereaktor eintretenden Kohle
in 0R, Tp, die Temperatur der Pyrolysenzone in 0R und
D der Durchmesser der feinkörnigen Kohleteilchen in Fuß,
(b) den V/ert für die nicht festgelegte Variable durch die gleichzeitige Lösung der folgenden Gleichungen bestimmt:
- 54 -
709881/0921
OR/GINAL INSPECTED
BOEMMERT <k BOEHMFkT
2 = 12K O
η [(ΤΡ-Το)Ί LiTp-Tt)J
12K(5xlO Sek) 1^ .
v/ob ei
K die thermische Leitfähigkeit der Träger- und Fluidisierungsgase
in Btu/Sek. Fuß R
^ die scheinbare Teilchendichte der Kohle in Pfd/Fuß ,
C die spezifische V/ärme der Kohle in Btu/Pfd/°R,
Tt die Temperatur der Kohle am Ende der Klebrigkeitsperiode
der Kohle in 0R,
^y der Exponentialtemperaturfaktor für den Verlust der
Klebrigkeit der Kohle in 0R,
E..(x ) das Exponentialintegral von χ = (oi/Tt-ct/Ίρ)
Χα. α.
E^(X,) das Exponentialintegral von x, = (.cC/Ίο-ΰί/Τρ)
E1(X ) das Exponentialintegral von χ =ö£/Tt und
B.(x.) das Exponentialintegral von x, = ^./To
bedeutet,
(c) dan Hodium entlang der inneren, umlaufenden Oberfläche
des Reaktors gleichzeitig mit der Injektion der feinkörnigen Kohle und der, Trägcrgases bei einer Temperatur To einführt,
7098815/0921
λ\\ 7728197
die geringer ist als die Temperatur, b^i v/elcher die
Kohle klebrig zu \;erden beqinnt, wobei die minimale
Zeit für ein Kohlepartikel für den Übergang von der öffnung zu einem inneren, festen Punkt der Oberfläche
des Reaktors mindestens gleich der ausgewählten Größe φ ist, um eine resultierende, turbulente Mischung der
feinkörnigen Kohle, des Trägergases und des Mediums in
der Mischzone zu bilden, wobei die Menge des zugeführton
Mediums mindestens ausreicht, um einen Rückstrom der Kohle von den divergierenden Strom zu verhindern, und
(d) die sich ercjeb^nde turbulente Mischung aus der Mischzone
in die Pyrolysezone des Pyrolysereaktors überführt, urn die feinkörnige Kohle zu pyrolysieren und einen Pyrolyseproduktstrom
zu erzeugen, der einen Kohle enthaltenden Feststoffpyrolyserückstand sowie einen Dampf als Mischung
aus einem Trägergas, dem Medium und einem die flüchtigen Kohlestoffe enthaltenden pyrolytischen Dampf enthält.
11. Verfahren zur Gewinnung von Kohlenwasserstoffbestandteilen
aus feinkörniger, agglomerierender Kohle, dadurch gekennzeichnet, daß man
(a) einen feinkörnigen Kohlebeschickungsstrom aus feinkörniger, agglomerierender Kohle und einem Trägergas,
welches im wesentlichen nicht nachteilig in bezug auf die Pyrolyseprodukte reagiert,als turbulenten, divergierenden
Strahlstrom von einer Öffnung aus in eine Mischzone eines länglichen Pyrolysereaktors mit einer inneren Oberfläche
injiziert, wobei die maximale Vieite der öffnung geringer
ist als die minimale innere Weite des Reaktors und gleichzeitig ein Medium, welches im wesentlichen nicht nachteilig
in bezug auf die Pyrolyseprodukte reagiert, entlang der inneren, umlaufenden Wand des Reaktors einführt und
7 0 9 8 8 I5/ 0~9 2 1
ORiGlNAi.
BOEHMfRT .St HOEHMiLRT
den divergierenden Strom aus feinkörniger Kohle und das gasförmige Medium in der Mischzone des Reaktors
vor dem Übergang in die Pyrolysezone zusammenbringt, wobei im wesentlichen die gesamte Kohlebeschickung
eine Teilchengröße besitzt, die geringer ist als der bestimmte maximale Durchmesser D in Fuß, der
im wesentlichen die folgenden beiden Gleichungen erfüllt:
D2 = 12K Φ
F(Tp-To)I
[(Tp-Tt)J
[(Tp-Tt)J
2 =^c e -iC/Tt|(E1(xa)-E1(xb)-(E1(xc)-E1(xd))|
VD2 ^C
12K (5x10^1
K die thermische Leitfähigkeit der Träger- und Fluidisierungsgase
zusammen in Btu/s-Fuß R,
p die minimale Zeit für den Übergang eines Kohleteilchens
von der Öffnung bis auf einen festen Punkt auf der inneren Oberfläche des Reaktors
in Sekunden,
^ die scheinbare Teilchendichte der Kohle in Pfund/ Fuß3,
C die spezifische Wärme der Kohle in Btu/Pfd. 0R,
Tp die Pyrolysentemperatur in 0R,
- 57 -
709881/0921
BOEIIMERT <χ BOEKMHRT
ο To die Einf ührungsternperatur der Kohle in R,
Tt die Temperatur der Kohle am Ende der Klebrigkeitsperiode
der Kohle in °R,
der Exponentialtemperaturfaktor für den Verlust
der Klebrigkeit der Kohle in R,
E^ (x ) das Exponentialintegral von χ = (eC/Tt la
a
E1(X,) das Exponsntialintegral von x, = (fC/To -jC/Tp)
E1(X ) das Exponentialintegral von χ = ß^/Tt und
E-(x.) das Exponentialintegral von χ = c£/To
bedeutet,
(c) das Medium der Mischzone gleichzeitig mit der Injektion der feinkörnigen Kohle und dem Trägergas von der Öffnung
in die Mischzone bei einer Temperatur To, die unterhalb der Temperatur liegt, bei welcher die Kohle klebrig zu
werden beginnt, einführt, um eine resultierende, turbulente Mischung aus dem Trägergas, der feinkörnigen Kohle und dem
Medium in der Mischzone zu bilden, wobei de Menge des eingeführten Mediums ausreicht, um einen Rückstrom der Kohle
aus dem divergenten Strom zu verhindern und
(d) die resultierende, turbulente Mischung aus der Mischzone
in die Pyrolysezone des Pyrolysereaktors überführt, um die feinkörnige Kohle zu pyrolysieren und einen Pyro—
lyseproduktstrom zu erzeugen, der einen Pyrolysefeststoffrückstand
sowie eine Dampfmischung aus dem Träger, dem Medium und die flüchtigen Kohlenwasserstoffe enthaltenden
pyrolytischen Dämpfe enthält.
709881/^21
BOEHMtRl £ BOEKMFkT
12. Verfahren zur Gewinnung von Kohlenwasserstoffbestandteilen
aus feinkörniger, agglomerierender Kohle, dadurch gekennzeichnet,
daß man
(a) einen feinkörnigen Kohlebeschickungsstrom aus feinkörniger, agglomerierender Kohle und einem Trägergas,
welches im wesentlichen nicht nachteilig in bezug auf die Pyrolyseprodukte reagiert, als turbulenten, divergierenden
Strahlstrom von einer Öffnung in eine Mischzone eines länglichen Pyrolysereaktors mit einer inneren
Oberfläche einführt, v/obei die maximale Weite der Öffnung geringer ist als die minimale innere Weite des Reaktors
und gleichzeitig ein Medium·, das im wesentlichen nicht nachteilig in bezug auf die Pyrolyseprodukte reagiert,
entlang der inneren, umlaufenden Oberfläche des Reaktors injiziert, wobei man den divergierenden Strom aus feinkörniger
Kohle und dem gasförmigen Medium vor dem Übergang zur Pyrolysezone in der Mischzone des Reaktors zusammenführt
und der Pyrolysereaktor eine Ausbildung besitzt, bei welcher die minimale Zeit für den Übergang eines
Kohleteilchens von der Öffnung bis zu einem festen Punkt
der inneren Oberfläche des Reaktors in Sekunden mindestens, einem Wert von θ gleich ist, der im wesentlichen die
folgenden beiden Gleichungen erfüllt:
-V/Tt (Ε.ίχ )-E. (χ. ))-(£. (χ )-E.(x.)) /Sek
U-IaIb IcId-J
- 59 -
709881/0921
HHiVIL^T cc BOEiIMKRT
wobei
K die thermische Leitfähigkeit der Träger- und
Fluid.! sierungsgase zusammen in Btu/s-Fuß R,
G die Klebrigkeitsseit für die größten Kohleteilchon
in Sekunden,
^ die scheinbare Teilchendichte der Kohle in Pfd/ Fuß3,
C die spezifische Wärme der Kohle in Btu/Pfd-°R,
Tp die Pyrolysentemperatur in R, To die Einführungstemperatur der Kohle in R,
Tt die Temperatur der Kohle am Ende der Klebrig keitsperiode in R,
C^ der Exponential ternperaturfak tor für den Verlust
der Klebrigkeit der Kohle in 0R,
. (x ) das Exponentialintegral von χ = (οί/Tt-J/Tp)
XO. Cl
^(χ. ) das Exponentialintegral von x,=
-E1(X ) das Exponentialintegral von χ -t//Tt und
E^ (x,) das Exponentialintegral von x.=3d/To
bedeutet,
(c) das Medium der Mischzone gleichzeitig mit der Injektion
der feinkörnigen Kohle und dem Trägergas von der öffnung in die Mischzone bei einer Temperatur To, die unter-
70988ΐ7ί§2Ί
ORIGINAL INSPECTED
BC)EHMEKT & BOEhMbKT
halb der Temperatur liegt, bei welcher die Kohle beginnt, klebrig zu werden, zuführt, um eine turbulente Mischung
aus dem Trägergas, der feinkörnigen Kohle und dem Medium in der Mischzone zu erzeugen, wobei die Menge des zugeführten
Mediums ausreicht, um einen Rückstrom der Kohle aus dein divergenten Strom zu verhindern, und
(d) die sich ergebende turbulente Mischung aus der Mischzone der Pyrolysenzone des Pyrolysereaktors zuführt, um
die feinkörnige Kohle zu pyrolysieren und einen Pyrolyseproduktstrom zu erzeugen, der einen kohlestoffhaltigen
Pyrolysefeststoff und eine Dampfmischung aus dem Trägergas
dem Medium und pyrolytischen, die flüchtigen Kohlenwasserstoffe enthaltenden Dämpfen enthält.
13. Verfahren nach den Ansprüchen 6, 7 oder 8. dadurch gekennzeichnet,
daß X in der Größenordnung von 2xl0~ Sekunden oder (5 - 0,6 Y) χ 10*~9 Sek. liegt, wobei Y das Gewichtsverhältnis der feinkörnigen FeststoffwärmequelIe zur Kohle
ist,
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet,
daß Tp oberhalb etwa 1 0600R (589°K) liegt.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß Tp nicht oberhalb 2 400° R (1367°K) liegt.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß
Tp mindestens 1 36O°R (756°K) beträgt.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 16, dadurch gekennzeichnet,
daß uC 25 54O°R beträgt.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 17, dadurch gekennzeichnet,
daß das Gewichtsverhältnis von feinkörniger Fest-
- 61 -
709881/0921
BOiLhMFRr *
stoffwärmequelle zu Kohle innerhalb eines Bereiches von
etwa 2:1 zu etwa 20:1 liegt.
709881/0921
- 62 -
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