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Verfahren zum Aufarbeiten von Holz
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für dessen metallurgische Nutzung Diese Erfindung hat zum Ziel, Holz
thermisch zu metallurgisch unmittelbar verwertbaren Erzeugnissen aufzuarbeiten,
nämlich zu reicherem Schwelgas, zu wertvollerem Teer und .u tc'stcrem, weniger reaktiven
Holzkoks.
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hier; Erhitzen von Holz unter Luftabschluß entweicht bis :'OG C hauptsächlich
Wasser (Feuchte und Zersetzungswsser) mit wenig Kohlensäure, von 200 bis 280 C etwawird
vor allem Kohlensäure mit w@@@@ Essigsäure abgetrieben.
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bis Vorgänge bis zu 280 C etwa verlaufen endotherm.
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Bei rund 280 C setzen exotherme Zersetzungen eI;' .i; bis etwa 400
C selbstgehend verlaufen, wobei Kohlenwasserss @e und Kohlenmomoxid mit sehr wenig
Kohlensäure entsich Von 400 bis 700 C bildet sich viel dickflüssiger @@@@@ @@ im
Gas nimmt Wasserstoff zu.
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Oberhalb 700 C entsteht nur mehr wenig Gas, das vu aus Wasserstoff
besteht.
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Alle Vorgänge oberhalb 400 C etwa verlaufen endoLh-Holz enthält viel
Sauerstoff, was beim Schwelen Zt,'. ; Zersetzungswaser und Kohlensäure führt, sowie
zu der len "sauren" Verbindungen, wie Essigsäure, Phenolen und andere mehr.
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Beim Herstellen von Holzkohle in Meilern verzichtet .tC auf die Gewinnung
der flüchtigen Bestandteile. Sie weree verqualmt, wobei viel Energie verschwendet
und die Umwelt sehr belastet wird. Die Ausbeute an Holzkohle beträgt Jediglich 20
bis 25 % des lufttrockenen Holzes, in denen nu noch 20 bis 35 % vom ursprünglichen
Heizwert des Holzes enthalten sind.
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In Anlagen, die Holz in Retorten oder Schachtöfen verkebl@@@ gewinnt
man zumeist auch einen Teil der Schwelprodukte, besonders die Essigsäure. Doch bei
allen dieser Verfalren geraten die Feuchte und das Zersetzungswasser des He@-es
-- beiden ergeben zusammen das Schwelwasser -- und
die Kohlensäure
ins Schwelgas. Man erhält daher minderwertiges Schwelgas von geringem Heizwert (Holzgas),
schlechteren, weil mit viel Wasser und den sauren Bestandteilen verdorbenen Teer
(Holzteer) und sehr viel Schwelwasser, das Essigsäure enthält (Holzessig). Außerdem
ist das Schwelwasser durch Phenole vergiftet und gefährdet daher ernstlich die Umwelt.
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Die herkömmlich erhaltene Holzkohle enthält noch bis zu 25 % flüchtige
Bestandteile und sie ist sehr reaktiv, weil die Temperatur der Verkohlung selten
mehr als 500 C beträgt.
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Daher ist sie als Reduktionsmittel für die Gewinnung von Eisenschwamm
besonders in Drehrohröfen sehr geeignet, vor allem auch weil sie kaum Schwefel und
Phosphor und nur wenig Asche enthält. Doch fürs Erschmelzen von Roheisen ir Hochöfen
ist die große Reaktivität der Holzkohle von Nachteil. Sie begünstigt nämlich die
Boudouard-Reaktion, was zur Folge hat, daß man viel mehr Holzkohle als üblic Koks
verbraucht.
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Der herkömmlich gewonnenen Holzteer müßte man erst aufbereizum cn
ihn mit denselben Erfolg wie mineralisches Heizins Gestell des Hochofens eindüsen
zu können.
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Vas kerkömmliche Holzgas enthält mehr als 50 Vol-% Kohlensävrc-. Für
die Gasreduktion ist es nicht brauchbar und sein Heizwert ist gering.
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Diese Nachteile belasten die Wirtschaft tropischer Länder, in denen
heute schon mit Holzkohle beträchtliche Mengen von Roheisen erschmolzen werden.
In Zukunft wird diese Belastung wachsen, besonders wenn man von der Energie des
Holzes weiterhin nur den geringen Teil in der Holzkohle für die Eisengewinnung nutzt.
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Bei dieser Lage liegt nun der Erfindung die Aufgabe zugrunde, Holz
derart auf zuarbeiten, daß weitaus der größte Teil seiner Energie nutzbar wird und
daß alle Produkte seiner Verkohlung unmittelbar für die Eisengewinnung verwertbar
sind.
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Diese Aufgabe löst die Erfindung dadurch, daß sie die Verkokung des
Holzes in drei voneinander unabhängig geführte Stufen aufteilt, nämlich in -- die
Bertinierung des Holzes, -- die Verkohlung des bertinierten Holzes, -- die überhitzung
der Holzkohle zu Holzkoks.
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Diese Stufen haben also sehr verschiedene Arbeiten zu bew:1tigen.
Die Aufteilung macht die Arbeit jeder Stufe einft:C' t wodurch sie sicher zu steuern
und optimal zu führcn ist.
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Bei der Bertinierung wird das Holz bis auf knapp unterhalb der Temperatur
erhitzt, bei der seine Meilervorgänge anspringen und exotherm selbstgehend weiterverlaufen.
Diese Schwelle liegt bei den verschiedenen Hölzern zwischen 250 und 280 C. Beim
Bertinieren verdampft die Feuchte, entweicht das Zersetzungswasser und die Kohlensäure
wird fast ganz abgetrieben. Bei manchen Hölzern sind in diesen Brüden schon die
ersten Spuren von Essigsäure merklich.
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Gedarrtes Holz mit 0 % Feuchteverliert dabei ein Drittel seines Gewichtes
als Brüden, und lufttrockenes mit 15 t Feuchte etwa die Hälfte. Der Heizwert des
bertinierten Holzes (im folgenden B-Holz) ist hoch. Gedarrtes Holz hat im Mittel
einen H = 19.900 kJ/kg Holz (4600 kcal/kg), u und bertiniertes Hu = 29.600 kJ/kg
B-Holz (7000 kcal/kg).
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B-Holz ist also ein ausgezeichneter Brennstoff. Man kann es als festes
Reduktionsmittel verwenden, um in Drehrohröfen Eisenschwamm herzustellen. Dann kann
man es zerkleinert als Hilfsbrennstoff durch die Windformen in den Hochofen einbringen
und mit ihm Koks ersetzen. Fürs Bertiniern sind Schachtöfen sehr vorteilhaft. Stellt
man das Heißgas her, indem man Abgas mit den Brüden beimischt, dann ist ein guter
wärmetechnischer Wirkungsgrad zu erreichen.
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Das Verkohlen des B-Holzes verläuft sehr schnell. Den größten Teil
des Wärmebedarfs decken die exotherm verlaufenden Meilervorgänge. Im B-Holz selbst
wird keine Wärme mehr verbraucht, daher wird es von den Meilerreaktionen
sehr
schnell durchwärmt. Das B-Holz besteht aus rund 50 % offenen Poren. Gas und Teer
können das Holz ungehindert verlassen. Die Holzkohle aus B-Holz wird dichter und
fester, weil ein Teil der Kohlenwasserstoffe in den heißeren Randbereichen des Stückes
verkrackt und Kohlenstoff in den Poren ablagert. Das B-Holz enthält viel weniger
Sauerstoff als das getrocknete Holz. Aus ihm entstehen beim Verkohlen weniger saure
Verbindungen. Alle werden sie vom Teer aufgenommen, weil praktisch kein Schwelwasser
mehr anfällt.
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Diesen Teer kann man, so wie er ist, wie mineralisches Heizöl ins
Gestell des Hochofens eindüsen, und mit ihm Koks sparen. Im Gas ist sehr wenig Kohlensäure
zu finden.
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Vor allem besteht es aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff und es enthält
einige Prozent Methan. Sein Heizwert liegt bei 11.700 kJ/Nm3 (etwa 2.800 kcal/Nm3).
Es ist ein Reduktionsgas, das für die direkte Reduktion zu verwenden ist, ebenso
um Koks im Hochofen zu sparen. Teer und Gas sind einfach von einander zu trennen,
weil kein Schwelwasser diese Arbeit erschwert. Die Verkohlung des B-Holzes hinterläßt
keine Rückstände. Die Umwelt leidet daher nicht.
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Der Schachtofen eignet sich sehr gut für die Verkohlung des B-Holzes.
Doch in ihm sollte die die Temperatur des Verkohlens mit etwa 700 Cbegrenzt sein.
HöhereTemperaturen vergrößern die Abgaswärme und verschlechtern den wärmetechnischen
Wirkungsgrad. Auch die Trennung des Gases vom Teer wird durch sie erschwert. Bei
max. 700 C jedoch
erhält man Holzkohle mit ähnlich großer Reaktivität
wie bei den herkömmlich erzeugten. Daher ist es sehr angebracht, die Holzkohle getrennt
von der Verkohlung in einer dritten Stufe zu überhitzen, um ihre Reaktivität deutlich
zu vermindern.
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Das überhitzen der Holzkohle zu Holzkoks wird mit größtem Vorteil
ebenfalls in einem Schachtofen durchgeführt. Mit tragbarer Abgaswärme kann man die
Holzkohle bei 1300 C und mehr nachverkoken. Der so gewonnene Holzkoks enthält weniger
als 1 % flüchtige Bestandteile und ist um vieles weniger reaktiv als herkömmliche
Holzkohle. Mit Holzkoks würde man im Hochofen um 25 % weniger Kohlenstoff verbrauchen
als beim Fahren mit Holzkohle. Diese Ersparnis allein rechtfertigt schon den zusätzlichen
Aufwand der dritten Stufe.
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Fig.1 umreißt die Bertinierung des Holzes: Lufttrockenes I;rn 1 wird
dem Schachtofen 2 aufgegeben und als B-Holz 3 ausgetragen. Beheizt wird der Schachtofen
mit Heißgas 4, das im Heißgasbereiter 5 aus Brennstoff 6 und Luft und/oder Sauerstoff
7 sowie Umlaufgas 8 hergestellt wird. Das Ofenca 9 teilt sich Umlaufgas 8 und Ofengas-überschuß
10.
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Ei .2 bringt die Verkohlung des B-Holzes: Dem Schachtcren 2 wird B-Holz
1 aufgegeben, Holzkohle 3 wird ausgetragen. Beheizt wird mit Heißgas 4, das Heißgasbereiter
5 a1.- Brennstoff 6 Luft und/oder Sauerstoff 7 und Umlaufgas 8
hergestellt
wird. Heißgas 4 benötigt man zum Anfahren in großen Mengen. Nach dem Anfahren wird
der größte Teil des Wärmebedarfs durch die exothermen Meilervorgänge gedeckt.
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Im laufenden Betrieb wird nur wenig Heißgas benötigt, vorwiegend um
den Ofengang zu stabilisieren. Die Holzkohle 3 wird mit Spülgas 13 gekühlt, das
vom entteerten Reingas 12 abgezweigt wird. Das Ofengas 9 besteht aus den flüchtigen
Bestandteilen des B-Holzes, dem Spülgas 13 und dem Heißgas 4. Es wird im Teerwäscher
10 vom Teer 11 befreit, und in Spülgas 13 und Reingas-Uberschuß 14 geteilt.
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Fig. 3 zeigt das überhitzen der Holzkohle zu Holzkoks: Holkohle 1
wird dem Schachtofen 2 aufgegeben und aus ihm Holzkoks 3 ausgetragen. Beheizt wird
er mit Heißgas 4, das im Heißgasbereiter 5 aus Brennstoff 6 mit Luft und/oder Sauerstoff
7 und Umlaufgas 8 hergestellt wird. Holzkoks 3 wird mit Spülgas 9 gekühlt. Das Ofengas
10 wird aufgeteilt in Umlauf gas 8, Spülgas 9 und Gasüberschuß 11, der vorwiegend
aus Wasserstoff besteht.
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Ser vorteilhaft ist es statt Luft technisch reinen Sauerstoff zu verwenden,
weil man damit vermeidet, daß Stickstoff die Gas verschlechtert.
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B>im Bertinieren mit Sauerstoff (Fig. 1) besteht das Ofen-5 10
praktisch ausSwasserdampf und Kohlensäure allein.
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nicht man den Gasüberschuß 11 mit Wasser in Einspritzwäschern,
dann
erhält man fast reine Kohlensäure.
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Beim Verkohlen des B-Holzes besteht das Heißgas 7 und der Reingas-Überschuß
14 aus Reduktionsgas.
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Das gleiche gilt fürs überhitzen der Holzkohle zu Holzkoks nach Fig.
3.
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Das nachstehende Beispiel bringt durchschnittliche Werte, die je nach
der Holzsorte etwas schwanken werden. Man erhält demnach beim Bertinieren aus 1150
kg lufttrockenem Holz mit 15 % Feuchte (entsprechend 1000 kg Darrholz mit 0 % Feuchte)
650 kg B-Holz beim Verkohlen aus 650 kg B-Holz 330 kg Holzkohle ein ueberhitzen
aus 330 kg Holzkohle 250 kg Holzkoks die Beheizung aller drei Stufen benötigt man
etwa 12 % des Heizwerts des Darrholzes. Das Bertinieren wird mit Gas bcneizt, das
Verkohlen und das überhitzen mit Teer. Nach s.nzug des Heizbedarfs verbleiben noch
13> kg Teer und 340 Nm3 Gas.
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Diese Erfindung sichert den Fortschritt, indem sie mit einfachen und
bewährten Elementen erreicht, -- daß mehr als 80 % des Heizwerts des Darrholzes
metallurgisch zu nutzen sind, und -- daß sowohl Holzkoks als auch Teer und Gas sich
hervorragend für die metallurgische Reduktion eignen.
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Schrifttum: K. Winnacker und L. Küchler, Chemische Technologie, 2.
Auflage, Band 3, Carl Hanser Verlag, München 1959, Seiten 551 bis 573 W.J. Müller
und E. Graf, Kurzes Lehrbuch der Technologie der Brennstoffe, 2. und 3. Auflage,
Franz Deuticke, Wien 1945, Seiten 175 bis 177 und 339 bis 344.
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Deutsche Patentanmeldung P 24 36 489.4 "Vorbehandlung der Kohle für
deren Schwelung"