DE2742313A1 - Verfahren zur herstellung von metallurgischem kohlenstoffhaltigem material aus kohlematerialien - Google Patents
Verfahren zur herstellung von metallurgischem kohlenstoffhaltigem material aus kohlematerialienInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von metallurgischem kohlenstoffhaltigem Material
aus Kohlematerialien, insbesondere aus Kohlematerialien mit einem niedrigen Verkohlungsgrad, bei dem Feinkohle, Kohlengrus
od. dgl. und ein Lösungsmittel auf Kohlenwasserstoff-Basis, das einen Siedepunkt von 15o° bis 5oo°C aufweist, zu einer Aufschlämmung vermischt werden, dann diese Aufschlämmung einer
ersten Wärmebehandlung unterworfen wird, bei der sie in Gegenwart eines Mischgases, das Kohlenmonoxyd und Wasserdampf
enthält, bei einem Druck von 5o bis 3oo Atmosphären und einer Temperatur von 3oo° bis 6000C behandelt wird und bei dem dann
das so erhaltene Reaktionsprodukt einer zweiten Wärmebehandlung unterworfen wird, bei der dieses Reaktionsprodukt in Gegenwart
von Wasserstoff mit einem niedrigen Partialdruck bei einem Druck von 1o mm Hg bis 25o Atmosphären und einer Temperatur
von 4oo° bis 6000C behandelt wird.
Ersichtlich betrifft somit die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von metallurgischen kohlenstoffhaltigen
Materialien aus Kohlematerialien und insbesondere ein Verfahren zur Herstellung von kohlenstoffhaltigen Materialien aus
Kohleausgangsmaterialien mit einem niedrigen Verkohlungsgrad.
Bisher war es allgemein üblich, geringwertige Kohlematerialien einer Hydrierungsreaktion zu unterwerfen, um diese
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Materialien in verschiedene Arten von hochwertigen kohlenstoffhaltigen
Materialien umzuwandeln, die als flüssige oder feste Brennstoffe bei Raumtemperatur oder für andere Zwecke
Verwendung finden können. Darunter ist auch schon ein Verfahren zur Hydrierung von Kohlematerialien mit einem niedrigen Verkohlungsgrad
und einem hohen Sauerstoffgehalt, wie z.B. Moorkohle, Braunkohle, Lignit und Torf, bekannt, wobei die
Kohlematerialien einer Reduktionsreaktion bei einer hohen Temperatur und einem Druck (3oo°bis 45o C, 5o bis 15o
Atmosphären) in einem Mischgas unterworfen werden, das Kohlenmonoxyd, Wasserdampf und, falls dies erforderlich ist,
Wasserstoff in Gegenwart eines Lösungsmittels auf Kohlenwasserstoff-Basis
enthält, wodurch die Kohlematerialien in hochwertige kohlenstoffhaltige Materialien umgewandelt werden (H.R.Appell &
I. Wender: Preprints Symp. Natl. Meeting, Am.Chem.Soc. Div. Fuel Chem., Vol. 12, No. 3, Seite 22o) . Die nach dem vorstehend
beschriebenen bekannten Verfahren hergestellten kohlenstoffhaltigen Materialien sind unproblematisch, wenn sie als Brennstoff
verwendet werden. Es hat sich aber gezeigt, daß diese Materialien wegen ihrer geringen Festigkeit nicht für eine
Verwendung als metallurgische kohlenstoffhaltige Materialien, insbesondere als Fertigprodukte, wie z.B. als Eisenhüttenkoks,
geeignet sind. Wie sich bei näheren Untersuchungen herausgestellt hat, beruhen die vorstehend beschriebenen Nachteile
der nach den bekannten Verfahren hergestellten kohlenstoffhaltigen Materialien auf ihren hohen Sauerstoff- und Wasserstoff
gehalten, d.h. einem Sauerstoff/Kohlenstoff-Anteilverhältnis
(auf das Atom bezogen) von nicht weniger als o,o4 und
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einem Wasserstoff/Kohlenstoff-Anteilsverhältnis (auf das Atom bezogen) von nicht weniger als 1,o. Außerdem wurde gefunden,
daß für eine Verwendung als metallurgische kohlenstoffhaltige Materialien das Sauerstoff/Kohlenstoff-Anteilsverhältnis nicht
mehr als o,o5, vorzugsweise nicht mehr als o,o4, betragen sollte und das Wasserstoff/Kohlenstoff-Anteilsverhältnis in einem
Bereich zwischen o,5 und 1,o, vorzugsweise zwischen 0,6 und 0,8,
liegen sollte.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren zur wirkungsvollen wirtschaftlichen Herstellung
von metallurgischen kohlenstoffhaltigen Materialien aus Kohlematerialien
zu finden, wobei die kohlenstoffhaltigen Materialien Kohlenwasserstoffe mit einem Sauerstoff/Kohlenstoff-Anteilsverhältnis
(auf das Atom bezogen) von nicht mehr als o,o5 und einem Wasserstoff/Kohlenstoff-Anteilsverhältnis im Bereich
von o,5 bis 1,o sein sollen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Herstellung von metallurgischen kohlenstoffhaltigen Materialien
aus Kohlematerialien dadurch gelöst, daß Kohlematerialien mit einem Kohlenstoffgehalt von nicht mehr als 75 Gew.-% und einem
Sauerstoff/Kohlenstoff-Anteilsverhältnis (auf das Atom bezogen) von nicht weniger als o,2 oder Kohlengrus mit einem Kohlenstoffgehalt
von nicht mehr als 75 Gew.-% und einem Sauerstoff/Kohlenstoff-Anteilsverhältnis
(auf das Atom bezogen) von nicht weniger als o,2 sowie einem Ascheanteil von nicht mehr als 4 Gew.-%
mit einem Lösungsmittel auf Kohlenwasserstoff-Basis, das einen
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Siedepuntk von 15o° bis 5oo°C aufweist, zu einer Aufschlämmung
vermischt werden, daß dann diese Aufschlämmung einer ersten Wärmebehandlung unterworfen wird, bei der sie in Gegenwart
eines Mischgases, das Kohlenmonoxyd und Wasserdampf (dabei beträgt die Menge an Kohlenmonoxyd o,o5 bis 2,5 Nm /kg Kohle
und die Menge an Wasserdampf o,15 bis 2,ο kg pro 1 kg Kohle)enthält,
oder eines Mischgases, das Kohlenmonoxyd, Wasserdampf und Wasserstoff (wobei das Molarverhältnis zwischen Kohlenmonoxyd
und Wasserstoff zwischen 1 und 2 liegt) enthält, bei einer Temperatur von 3oo° bis 6oo°C und einem Druck von 5o bis 3oo
Atmosphären behandelt wird; und daß schließlich das aus dieser ersten Wärmebehandlungsstufe erhaltene Reaktionsprodukt einer
zweiten Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 4oo° bis 6oo C, vorzugsweise 42o bis 47o C,und einem Druck von 1o mm Hg
bis 25o Atmosphären in Gegenwart eines Wasserstoffgases von o,o5 bis 2,5 Nm pro kg Kohle unterworfen wird.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein Verfahren des vorstehend beschriebenen Typs vorgesehen,
wobei ein Eisenhaltiger Katalysator, der entweder reines Eisen und Schwefel oder Eisenoxyd und Schwefel enthält, der so hergestellten
Aufschlämmung zugegeben wird.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der
Erfindung kann zusätzlich noch die Aufschlämmung, bevor sie der ersten Wärmebehandlungsstufe unterworfen wird, auf eine
Temperatur von 3oo° bis 45o°C vorerwärmt werden.
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- 1ο -
der Erfindung ist vorgesehen, daB bei dem vorstehend beschriebenen
erfindungsgemäßen Verfahren das aus der ersten Wärmebehandlungsstufe erhaltene Reaktionsprodukt einer Gas-Flüssigkeits-Trennung
zum Abtrennen der Gasfraktion und dann einer Unterdruck-Abdampf-Destillation zum Abtrennen der Leichtölfraktion unterworfen wird.
Nach einer nochmals anderen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß das nach den vorstehend beschriebenen
Verfahren aus der zweiten Wärmebehandlungsstufe erhaltene Reaktionsprodukt einer Gas-Flüssigkeits-Trennung zum Abtrennen
der Gasfraktion unterworfen und dann die dadurch erhaltene Schwerölfraktion abgekühlt und verfestigt wird.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der nachfolgenden
Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen, die in Verbindung mit den anliegenden Zeichnungen näher erläutert
werden sollen. Dabei zeigen:
Fig. 1 ein Fließschema, das eine Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung von metallurgischen
kohlenstoffhaltigen Materialien aus Kohlematerialien darstellt; und
Fig. 2a bis 2d, Fig. 3a bis 3d und Fig. 4a bis 4d verschiedene AusfUhrungsformen von Reaktoren, wie
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sie im Fließschema 1 verwendet werden können.
Im folgenden sollen nun die Grundzüge eines Verfahrens zur Herstellung von metallurgischen kohlenstoffhaltigen
Materialien aus Kohlematerialien, die einen niedrigen Verkohlungsgrad
aufweisen, d.h. einen Kohlenstoffgehalt von nicht mehr als 75 Gew.-% (ohne Feuchtigkeit und Asche; m.a.f.) und ein
Sauerstoff/Kohlenstoff-Anteilsverhältnis (bezogen auf das
Atom) von nicht weniger als o,2, insbesondere zur Herstellung eines kohlenstoffhaltigen Materials, das als Ausyangsmaterial
für einen Eisenhüttenkoks bestens geeignet ist, erläutert werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst Feinkohle, Kohlengrus od. dgl. mit einem Kohlenwasserstoff-Lösungsmittel
zu einer Aufschlämmung vermischt und dann in einem Vorwärmer vorgewärmt und schließlich in einem Reaktor
einer Reduktions-Zersetzungsreaktion in Gegenwart eines Reduziergases unterworfen (erste Wärmebehandlungsstufe). Dann
wird das auf diese Weise aus der Verflüssigungsreaktion erhaltene Produkt einer Abdampf- bzw. Kurzwegdestillation
unterworfen und in einer Fest-Flüssig-Trenneinrichtung in ihre Phasen getrennt, wonach dann ein Gemisch aus einer Schwerölfraktion
und einer festen Fraktion vorerwnrmt wird, wobei vor und nach dieser Vorwärmung (vorzugsweise vor der Vorwärmung)
ein wasserstoffreiches Gas mit niedrigem Partialdruck in das Gemisch eingeblasen wird, und dann dieses Gemisch einer thermischen
Zersetzungs-Reformierungs-Reaktion unterzogen wird (zweite Wärmebehandlungsstufe). Das aus dieser thermischen
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Zersetzungs-Reformierungs-Reaktion erhaltene Reaktionsprodukt
wird schließlich einer Destillation zwecks Abtrennung einer Schwerölfraktion unterworfen, die dann abgekühlt und verfestigt
oder aus der eine feste Fraktion entfernt und dann abgekühlt und verfestigt wird.
Die Abdampf- bzw. Kurzwegdestillation, die Phasentrennung
und die Vorwärmeschritte können auch in einer anderen Reihenfolge durchgeführt werden.
Nach der vorliegenden Erfindung kann ein Mischgas aus Kohlenmonoxyd und Wasserdampf oder Kohlenmonoxyd, Wasserdampf
und Wasserstoff als das vorstehend erwähnte reduzierende Gas verwendet werden. Das aus der ersten Wärmebehandlung, die
in Gegenwart des vorstehend beschriebenen Mischgases durchgeführt wurde, erhaltene flüssige Produkt enthält eine geringe
Menge an aromatischen kondensierten ringradikalhaltigen Verbindungen und eine große Menge an komplexen alkylradikalhaltigen oder alicyclische Radikale enthaltende*.Verbindungen.
Die komplexen Alkylradikal-Verbindungen können in der thermischen Zersetzungs-Reformierungsreaktion in der zweiten
Wärmebehandlungsstufe durch Zersetzung in ein niedermolekulares Kohlenwasserstoffgas umgewandelt oder durch Polykondensation
in aromatische ringkondensierte Verbindungen übergeführt werden. Bei der thermischen Zersetzungs-Reformierungsreaktion ist
das Vorhandensein eines Wasserstoffgases nicht wesentlich. Um
jedoch ein metallurgisches kohlenstoffhaltiges Material mit einem gewünschten Wasserstoff/Kohlenstoff-Anteilsverhältnis
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zu erhalten, sollte diese Reaktion in Gegenwart eines Wasserstoffgases zur Unterdrückung der einseitigen Reaktion
durchgeführt werden. Die thermische Zersetzungsreaktion entspricht ihrem Wesen nach einer Radikalreaktion, bei der
das bei der Zersetzung erzeugte Kohlenwasserstoffradikal die gegenseitige Polymerisation zum Aufrechterhalten der
Reaktion solange wiederholt, solange das Radikal vorhanden ist, und dadurch einen Koks erzeugt, in dem die Kohlenstoffatome
in einem hohen Grad ringpolymerislert sind, für den Fall, daß die vorstehend genannte Reaktion unbegrenzt fortgeführt
wird. Der auf diese Weise erzeugte Koks klebt fest an den Wänden des Reaktorgefäßes an, wodurch er den gleichmäßigen
kontinuierlichen Betrieb des Reaktors behindert und die Erzeugung von Endprodukten mit einer gewünschten Oberfläche
verhindert. Wenn dagegen Wasserstoffgas gleichzeitig vorhanden ist, wird dieser Wasserstoff in ein Wasserstoffradikal zersetzt,
das seinerseits als Reaktionsbegrenzer für die Radikalreaktion wirkt und dadurch ein exzessives Fortschreiten der
Reaktion verhindert.
Für den Fall, daß Kohlematerialien mit einem niedrigen Verkohlungsgrad und einer geringen Aschemenge, d.h. Kohlematerialien
mit einem Kohlenstoffgehalt von nicht mehr als 75 Gew.-% (ohne Feuchtigkeit und Asche),einem Sauerstoff/
Kohlenstoff-Anteilsverhältnis von nicht weniger als o,2 und einem Aschegehalt von nicht mehr als 4 Gew.-%,im wesentlichen
als Rohmaterialien verwendet werden, wird vorzugsweise ein Katalysator, der Eisen enthält, der Aufschlämmung bei der
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Herstellung der Aufschlämmung aus dem Kohlenroaterial hinzugefügt.
Nach dem vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren kann ein gewünschtes hochwertiges Produkt erhalten
werden, das als Ausgangsmaterial für die Herstellung eines metallurgischen kohlenstoffhaltigen Materials verwendbar ist,
z.B. ein Produkt mit einem Sauerstoff/Kohlenstoff-Anteilsverhältnis (auf das Atom bezogen) von nicht mehr als o,o5 %,
vorzugsweise nicht mehr als o,o4 %, und mit einem Wasserstoff/ Kohlenstoff-Anteilsverhältnis (auf das Atom bezogen) von o,5
bis 1,o vorzugsweise 0,6 bis 0,8.
Das erfindungsgemäße Verfahren soll nun im Detail
unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher beschrieben werden.
Fig. 1 zeigt ein Fließschema, das eine Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung von metallurgischem kohlenstoffhaltigem Material aus Kohlematerialien nach der Erfindung
darstellt.
Dabei wird zunächst das Kohlematerial mit einem Fechtigkeitsgehalt von nicht mehr als 1o Gew.-% auf eine
Korngröße von weniger als I00 Maschen (vorzugsweise 200 Maschen)
gebrochen und dann, je nach Bedarf; ein geeigneter Anteil an Katalysator hinzugefügt, darauf das so erhaltene Gemisch
mit einem kohlenwasserstoffhaltigen Lösungsmittel vermischt und
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in einem Aufschlämmtank 1 zu einer Aufschlämmung aufgerührt.
Als Lösungsmittel wird öl auf Kohlenwasserstoff-Basis
verwendet, das aus einer Destillationskolonne abgezogen worden ist und einen Siedepunkt von 15o° bis 5oo°C aufweist, während
die Katalysatormenge in einem Bereich von 1 bis 4 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmenge des Kohlematerials (m.a.f.
Äquivalent).
Die so erhaltene Aufschlämmung wird dann mithilfe einer
Schlammpumpe 2 an einen Vorwärmer 3 weitergeleitet. Gleichzeitig wird ein Mischgas aus Kohlenmonoxyd (CO) und Wasserdampf
als reduzierendes Gas in den Vorwärmer 3 eingeblasen. Das hierbei verwendete Mischgas besteht aus Kohlenmonoxyd mit einem
Anteil von o,o5 bis 2,5 Nm /kg Kohle und Wasserdampf mit einem Anteil von o,15 bis 2,ο kg pro 1 kg Kohle, einschließlich
der in dieser Kohle enthaltenen Feuchtigkeit.
Das Gemisch aus der Aufschlämmung und dem reduzierenden Gas, das in dem Vorwärmer 3 auf etwa 3oo bis 45o C vorerwärmt
worden ist, wird dann in das untere Ende eines Reaktors 4 eingeleitet, wo eine Reduktions- Zersetzungs-Reaktion bei einer
Temperatur von etwa 3oo° bis 6oo°C und einem Druck von etwa 5o bis 3oo Atmosphären stattfindet. Das umgesetzte Gemisch
fließt aus dem Oberteil des Reaktors 4 ab und wird dann in einen Gas-Flüssigkeits-Separator 5 eingeleitet, in dem das
erzeugte Gas und das restliche reduzierende Gas voneinander abgetrennt werden. Dann wird das Gemisch aus einer flüssigen
und einer festen Fraktion in einem Druckreduzierventil 6 einer
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Abdampfdestillation unterzogen und anschließend In einen
Fest-Flüssig-Separator 7 eingeleitet, wo die Leichtölfraktion
vom Kopf dieses Fest-Flüssig-Separators 7 abgezogen, während ein Gemisch aus einer Schwerölfraktion und einer festen Fraktion
aus dem unteren Teil des Separators 7 abgezogen wird. Dann
wird dieses Gemisch aus der Schwerölfraktion und der Festfraktion in einem Vorwärmer 8 bei einer Temperatur von etwa
4oo° bis 5oo°C vorgewärmt, wobei gleichzeitig vor und nach, vorzugsweise vor dieser Vorwärmung, ein wasserstoffreiches Gas
in den Vorwärmer in einer Menge von etwa o,o5 bis 2,5 Nm /kg Kohle eingeblasen wird. Anschließend wird das vorgewärmte Gemisch
aus der Schweröl fraktion und der festen Fraktion einschließend!
des wasserstoffreichen Gases in einen Reaktor 9 eingeleitet,
der auf einem Druck unterhalb des im Reaktor 4 herrschenden Drucks und bei einer Temperatur von etwa 4oo°bis 6oo C,
vorzugsweise 42o° bis 47o°C, gehalten ist, wo es dann für 1o Minuten bis 3 Stunden verweilen kann, worauf eine
thermische Zersetzungs- Reformierungs-Reaktion folgt. Das Reaktionsgemisch, das aus dem Oberteil des Reaktors 9 abströmt,
wird einem Gas-Flüssigkeits-Separator 1o zum Zweck der Gas-Flüssig-Abtrennung, oder falls erforderlich, einem anderen
Gas-Flüssigkeits-Separator (nicht dargestellt) durch ein Druckreduzierventil, in dem eine Unterdruck-Abdampf-Destillation
stattfindet, zugeleitet, um dort in ein Gas und eine Flüssigkeit getrennt und dann in einer Destillationskolonne 11 destilliert
zu werden. Das öl auf Kohlenwasserstoff-Basis, das aus der Destillationskolonne 11 und dem Gas-Flüssigkeits-Separator
wiedergewonnen worden ist und das einen Siedepunkt von etwa
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15o° bis 5oo C aufweist, wird zur Wiederverwendung des Lösungsmittels im Kreis zurück zum Aufschlämmtank 1 geführt.
Die schwere Fraktion wird vom unteren Teil der Destillationskolonne 11 abgezogen, abgekühlt und verfestigt oder es wird,
falls dies gewünscht ist, eine feste Fraktion herausgenommen, anschließend gekühlt und verfestigt, so daß daraus das gewünschte
metallurgische kohlenstoffhaltige Material gewonnen werden kann.
Falls ein Katalysator hinzugefügt wird, sollte die Menge an eisenhaltigem Katalysator nicht unter 1o g, vorzugsweise
15 bis 3o g, pro 1 kg Kohle (feuchtigkeitsfreies, aschefreies Anteilsäquivalent) liegen.
Von diesen eisenhaltigen Katalysatoren sollen auch die diejenigen mitumfaßt werden, die aus reinem Eisen oder Eisenoxyden
bestehen oder welchen noch Schwefel hinzugesetzt ist. Dabei sollte das Eisen/Schwefel-Anteilsverhältnis (auf das
Atom bezogen) vorzugsweise in einem Bereich von 1 : o,5 bis 1 : 2 liegen, während die Korngröße dieses Katalysators weniger
als 1oo Maschen (vorzugsweise 2oo Maschen) betragen sollte.
Das reduzierende Gase, das bei der ersten Wärmebehandlung
angewandt werden soll, besteht aus einem Mischgas aus Kohlenmonoxyd,
Wasserdampf und Wasserstoff, und unterscheidet sich von dem vorstehend erwähnten Mischgas aus Kohlenmonoxyd und
Wasserdampf.
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In diesem Fall sollten vorzugsweise Kohlenmonoxyd in einer Menge von o,o5 bis 2,5 Nm /1 kg Kohle, Wasserdampf
mit einem Feuchtigkeitsgehalt von o,15 bis 2,ο kg pro 1 kg Kohle,
einschließlich der in der Kohle enthaltenen Feuchtigkeit, und Wasserstoff in einem Verhältnis von Kohlenmonoxyd zu Wasserstoff
von 1/2 bis 2/1 (Molverhältnis) vorhanden sein.
Im Reaktor 4 sind eine Gasphase, eine Flüssigkeitsphase und eine Feststoffphase nebeneinander vorhanden, wobei
die betreffenden Reaktionspartner im Reaktor in einen wirksamen Kontakt zueinander gebracht werden müssen, damit die
gewünschte chemische Reaktion vonstatten geht.
Nach der vorliegenden Erfindung, mit der die vorstehend genannten Probleme gelöst werden sollen und die eine kompakte
und wirtschaftlich arbeitende Anlage vorsieht, wird ein Reaktor mit einem großen Durchmesser verwendet, in dem ohne
Verwendung irgendeines Zirkulationsmotors zirkulierende Ströme erzeugt werden.
Die Fig. 2 bis 4 zeigen Beispiele für einen solchen Reaktor.
Dabei zeigen die Fig. 2a bis 2d einen Reaktor, in den ein inneres Rohr mit sich gegenüberliegenden offenen Enden
eingesetzt ist, wobei die Kohleaufschlämmung in den Reaktor
durch eine Öffnung in der Seitenwand eingeführt wird, während das Gas bzw. eine das Gas enthaltende Flüssigkeit über eine
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im Bodenteil des Reaktors angeordnete öffnung eingebracht wird, und wobei durch die Ausnutzung der Schwerkraftunterschiede
der Reaktionsgemische innerhalb und außerhalb des inneren Rohres eine Umwälzung des Reaktionsgemisches vom äußeren
Bereich des inneren Rohres zu dessen innerem Bereich und von da wieder zu dessen äußerem Bereich erreicht werden kann.
Die Fig. 3a bis 3d zeigen Reaktoren, in denen eine in
senkrechter Richtung verlaufende Trennwand angeordnet ist, wobei Freiräume oberhalb und unterhalb dieser Trennwand freigelassen
sind. Dabei wird ein gasreiches Reaktionsfluid auf der einen Seite der Trennwand eingeblasen,
wodurch sich eine Umwälzströmung rund um die Trennwand, wie
dargestellt, ergibt.
Die Fig. 4a bis 4d zeigen Abwandlungen des in Fig. 2a bis 2d dargestellten Reaktors, in denen gasreiche Reaktionsfluids
zwischen dem inneren und dem äußeren Rohr eingeblasen werden, wodurch, wie dargestellt, ein Zirkulationsfluß entsteht.
Die vorstehend bezeichneten Reaktoren sollen lediglich als Beispiele für solche Reaktoren angesehen werden, wobei
die vorliegende Erfindung nicht auf diese Beispiele beschränkt sein soll. Es können vielmehr irgendwelche Reaktoren zur
Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet werden, wenn damit nur drei Phasen in einen innigen Kontakt miteinander
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gebracht werden können» ohne daß sich dabei Im Reaktor eine
feste Fraktion absetzt.
Die folgenden Beispiele sollen die Merkmale der
vorliegenden Erfindung näher erläutern.
Es wurden 1oo Teile einer Braunkohle aus dem Staat Victoria, Australien (Kohlenstoffgehalt 59,3 %, Sauerstoff/
Kohlenstoff-Anteilsverhältnis von o,31, Asche o,81 %, Feuchtigkeit 1o %) mit 3oo Teilen eines ölgemisches auf Kohlenwasserstoff basis, das einen Siedepunkt von etwa 2oo° bis 415°C
aufweist, zu einer Aufschlämmung vermischt.
Dann wurde ein Mischgas aus Kohlenmonoxyd und Hasserdampf (CO : H2O = 2 : 1 in Molverhältnis) in die Aufschlämmung
eingeblasen und dann das Gemisch auf etwa 3oo°C erhitzt, anschließend in einen Reaktor eingeführt, in dem die Umsetzung
bei einer Reaktionstemperatur von 3oo°C und einem Druck von 1oo Atmosphären über etwa 4o Minuten erfolgt. Dieses Reaktionsgemisch wurde dann zum Zweck der Trennung in ein Gas und
eine Flüssigkeit einer Unterdruck-Abdampf-Destillation unterworfen, wobei ein Gemisch aus 216 Teilen einer Schwerölfraktion
und festen Fraktion erhalten wurden. Anschließend wurde ein wasserstoffreiches Gas in das zuletzt erwähnte Gemisch eingeführt und das ganze bei etwa 43o C vorerwärmt. Dann wurde
dieses Gemisch für etwa o,5 Stunden in dem Reaktor, der bei
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einer Temperatur von etwa 4 3o°C und einem Druck von 2 Atmosphären
gehalten wurde, verweilen lassen. Anschließend wurde das Reaktionsprodukt einer Unterdruck-Abdampf-Destillation zur
Trennung in Gas und Flüssigkeit unterworfen und schließlich in einer Destillationskolonne destilliert, wobei die schwere
Fraktion aus dem Bodenteil dieser Kolonne abgezogen, gekühlt und verfestigt wurde. Als Ergebnis wurden 59 Teile des
folgenden metallurgischen kohlenstoffhaltigen Materials mit einem Sauerstoff/Kohlenstoff-Anteilsverhältnis von o,o41
und einem Wasserstoff/Kohlenstoff-Anteilsverhältnis von o,775
erhalten.
Es wurde Braunkohle aus dem Staat Victoria, Australien mit der nachfolgenden Zusammensetzung in Gegenwart bzw.
Abwesenheit von eisenhaltigen Katalysatoren einer Kohleumwandlungsreaktion unterzogen:
Zusammensetzung der Kohle:
Kohlenstoff 66,5 % Wasserstoff 4,9 % Sauerstoff 27,7 % Stickstoff o,7 %
Schwefel o,7 % Sauerstoff/Kohlenstoff-Anteilsverhältnis o,31
Asche (feuchtigkeitsfreies Anteilsäquivalent) 3,6 % flüchtige Bestandteile (feuchtigkeitsfreies Anteils-
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äquivalent 51,7 % gebundener Kohlenstoff 47,4 %.
Die Reaktionsbedingungen und der Kohle-Umsetzungsprozentsatz (bezogen auf das Gewicht einer feuchtigkeitsfreien
Asche) waren folgendermaßen:
Reaktionstemperatur ( C) 39ο 39ο
Reaktionsdruck (Atmosphärendruck)
Reaktionszeit (Minuten) Katalysator CO/H2O/H2 +
Kohle/Lösungsmittel
Kohle-Umwandlungsprozentsatz +++ 80
39o 39o
loo loo loo I00
4o 4o 4o keiner Fe+S Eisenoxyd + S Fe+S
2/1/0 2/1/0 2/1/0 2/1/1
1/3 1/3 1/3 1/3
88 91
Anmerkungen:
Molverhältnis Gewichtsverhältnis
Kohle-Umwandlungsprozentsatz kann mit der folgenden Formel kalkuliert werden:
Kohle-Umwandlungs prozentsatz
eingebrachte Kohle (feuchtigkeits- und aschefreies Äquivalent)
Quinolin-unlösliche Bestandteile
eingebrachte Kohle (feuchtigkeits- und
aschefreies Äquivalent)
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Wie aus der vorstehenden Tabelle hervorgeht, weist das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung, bei dem ein
Katalysator verwendet wird, im Vergleich zu einem unter denselben Reaktionsbedingungen, jedoch ohne Katalysator durchgeführten
Verfahren einen bemerkenswert hohen Kohle-Umsetzungsprozentsatz auf, was darauf hindeutet, daß die Reaktionsrate
nach dem erfindungsgemäßen Verfahren extrem hoch liegt.
Anschließend wurde ein Reaktionsprodukt (D), das
aus der unter den vorstehend genannten Bedingungen durchgeführten Wärmebehandlung erhalten wurde, einer Unterdruck-Abdampf-Destillation
wie im vorstehenden Beispiel und dann einer Gas-Flüssigkeits-Trennung unterworfen, wobei ein Gemisch
aus einer schweren Flüssigkeitsphase und einer festen Phase erhalten wurde.
Anschließend wurde ein wasserstoffreiches Gas in das
vorstehend beschriebene Gemisch eingeblasen und dieses Gemisch auf etwa 4 3o°C vorerwärmt und für etwa 1/2 Stunde in dem
Reaktor verweilen lassen, der auf einer Temperatur von etwa 4 3o C und einem Druck von 2 Atmosphären gehalten wurde. Dann
wurde das Reaktionsprodukt einer Unterdruck- Abdampf-Destillation zur Trennung in Gas und Flüssigkeit unterworfen,
gefolgt von einer Destillation in einer Destillationskolonne. Dort wurden die schweren Bestandteile aus dem Bodenteil der
Kolonne abgezogen, gekühlt und verfestigt, wobei 59 Teile eines metallurgischen kohlenwasserstoffhaltigen Materials mit der
folgenden Zusammensetzung erhalten wurden:
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Sauerstoff/Kohlenstoff-Anteilsverhältnis o,o272
Wasserstoff/Kohlenstoff-Anteilsverhältnis 0,686.
Wie sich aus dem vorstehenden ergibt, besteht die
Erfindung darin, daß eine Kohleaufschlämmung einer ersten
Wärmebehandlung (Reduktions-Zersetzungs-Reaktion) und dann dieses aus der ersten Wärmebehandlung erhaltene Reaktionsprodukt einer zweiten Wärmebehandlung (thermische Zersetzungs-Reformierungs-Reaktion) unterworfen wird; dadurch kann auf wirkungsvolle und wirtschaftliche Weise aus minderwertigen Kohlematerialien ein metallurgisches kohlenstoffhaltiges
Material, beispielsweise zur Herstellung eines Kokses für die Eisenerzeugung, gewonnen werden.
Erfindung darin, daß eine Kohleaufschlämmung einer ersten
Wärmebehandlung (Reduktions-Zersetzungs-Reaktion) und dann dieses aus der ersten Wärmebehandlung erhaltene Reaktionsprodukt einer zweiten Wärmebehandlung (thermische Zersetzungs-Reformierungs-Reaktion) unterworfen wird; dadurch kann auf wirkungsvolle und wirtschaftliche Weise aus minderwertigen Kohlematerialien ein metallurgisches kohlenstoffhaltiges
Material, beispielsweise zur Herstellung eines Kokses für die Eisenerzeugung, gewonnen werden.
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Claims (22)
1. Verfahren zur Herstellung von metallurgischem
kohlenstoffhaltigem Material aus Kohlematerialien, dadurch gekennzeichnet,
daß Feinkohle, Kohlegrus od. dgl. mit einem Kohlenwasserstoff-Lösungsmittel,
das einen Siedepunkt von 15o° bis 5oo°C aufweist, zu einer Aufschlämmung vermischt wird; daß diese
Aufschlämmung einer ersten Wärmebehandlung unterworfen wird, bei der sie bei einer Temperatur von 3oo bis 6oo C und einem
Druck von 5o bis 3oo Atmosphären in Gegenwart eines Mischgases, das Kohlenmonoxyd und Wasserdampf enthält, behandelt
wird; und daß das aus dieser ersten Wärmebehandlung erhaltene Reaktionsprodukt einer zweiten Wärmebehandlung unterworfen wird,
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ORIGINAL INSPECTED
bei der dieses Reaktionsprodukt bei einer Temperatur von 4oo°bis 6000C und einem Druck von 1o mm Hg bis 25o Atmosphären
in Gegenwart von Wasserstoff mit einem niedrigen Partialdruck behandelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Wärmebehandlung vorzugsweise bei einer
Temperatur von 42o° bis 47o°C durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß bei diesem Verfahren eine Vorwärmstufe vorgesehen ist, in der die Aufschlämmung bei einer Temperatur von 3oo° bis
45o°C erwärmt wird, bevor sie der ersten Wärmebehandlung unterworfen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Verfahren außerdem noch eine Verfahrensstufe
aufweist, in der das aus der ersten Wärmebehandlung erhaltene Reaktionsprodukt einer Gas-Flüssigkeits-Trennung zur
Abtrennung einer Gasfraktion und dann einer Unterdruck-Abdampfdestillation
(reduced-pressure flash destillation) zur Abtrennung einer Leichtölfraktion unterworfen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Verfahren eine weitere Verfahrensstufe aufweist,
in der das Reaktionsprodukt aus dieser zweiten Wärmebehandlungsstufe zur Abtrennung einer Gasfraktion einer Gas-Flüssigkeits-Trennung
unterworfen wird.
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6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die aus der Gas-Flüssigkeits-Trennung erhaltene Schwerfraktion abgekühlt und verfestigt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Mischgas zwischen o,o5 und 2,5 Nm Kohlenmonoxyd/kg
Kohle und o,15 bis 2,ο kg Wasserdampf enthält.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß dieses Mischgas außerdem Wasserstoff enthält.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Molverhältnis von Kohlenmonoxyd zu Wasserstoff zwischen
1 und 2 liegt.
10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Menge an Wasserstoff mit dem genannten niedrigen Partialdruck
zwischen o,o5 und 2,5 Nm pro kg Kohle liegt.
11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Gewichtsverhältnis zwischen dem Lösungsmittel und
dem Kohlematerial zwischen 1 und 4 liegt.
dem Kohlematerial zwischen 1 und 4 liegt.
12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufschlämmung ein Katalysator auf Eisenbasis zugegeben
wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,
daß dieser Katalysator auf Elsenbasis aus reinem Eisen und Schwefel besteht.
14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,
daß dieser Katalysator auf Eisenbasis aus einem Eisenoxyd und Schwefel besteht.
15. Verfahren nach Anspruch 13 und/oder 14, dadurch
gekennzeichnet, daß das Atomverhältnis von Eisen zu Schwefel zwichen o,5 und 2 liegt.
16. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Katalysator in einer Menge von nicht weniger als
Io g pro 1 kg Kohle dieser Aufschlämmung zugegeben wird.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet,
daß dieser Katalysator in einer Menge von 15 bis 3o g pro
1 kg Kohle dieser Aufschlämmung zugegeben wird.
18. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kohleausgangsmaterial nicht mehr als 75 Gew.-%
Kohlenstoff enthält und daß es ein Anteilsverhältnis (auf das Atom bezogen) von Sauerstoff zu Kohlenstoff von nicht
weniger als o,2 aufweist.
19. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kohleausgangsmaterial nicht mehr als 75 Gew.-%
Kohlenstoff und nicht mehr als 4 Gew.-% Asche aufweist und daß es ein Anteilsverhältnis (auf das Atom bezogen) von
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Sauerstoff zu Kohlenstoff von nicht weniger als o,2 aufweist.
20. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Kohleausgangsmaterial aus Braunkohle besteht.
21. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das metallurgische kohlenstoffhaltige Material ein Sauerstoff/Kohlenstoff-Anteilsverhältnis (auf das Atom bezogen)
von nicht mehr als o,o5 und ein Wasserstoff/Kohlenstoff-Anteilsverhältnis
(auf das Atom bezogen) von o,5 bis 1,o aufweist,
22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß das Sauerstoff/Kohlenstoff-Anteilsverhältnis (auf das Atom
bezogen) vorzugsweise nicht über o,o4 und das Wasserstoff/ Kohlenstoff-Anteilsverhältnis (auf das Atom bezogen) zwischen
o,6 und o,8 liegt.
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