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Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Spaltgas
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung
von Spaltgas aus Brennstoffen und Vergasungsmedien in einem Schmelzbadreaktor.
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Es ist bekannt, Spaltgas aus Brennstoffen und Vergasungsmedien in
einem Eisenbadreaktor herzustellen (beispielsweise gemäß US-PS 3,533,739).
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Es handelt sich um ein fortschrittliches Kohlevergasungssystem, bei
welchem die Vergasung bei hohen Temperaturen oberhalb 1.300 0C und möglichst niedrigen
Drücken abläuft, welches dar-Uberhinaus infolge großer Flexibilität des Prozesses
unterschiedliche Kohlesorten zu vergasen erlaubt, wobei auch noch ein gewisser Spielraum
bezüglich des Körnungsspektrums der Kohle gegeben ist, und welches schließlich eine
hohe spezifische Vergaserleistung bei kontinuierlicher Betriebsweise aufweist.
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Das Verfahren führt bevorzugt zur Bildung von Kohlenmonoxyd (CO) und
Wasserstoff (H2). Die Entstehung von Methan (CH4) und Kohlendioxyd (cm2) ist dabei
minimiert. Das Produktgas ist im wesentlichen frei von Schwefel und Staub.
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Das Verfahren bedingt, daß zur Aufrechterhaltung einer ausreichenden
Schwefelaufnahmefähigkeit des Eisenbades sowie der darüber lagernden flüssigen Schlacke
eine ständige Zuführung von basischen Medien notwendig ist, um die Basizität der
Schlacke in demjenigen Bereich zu halten, welcher den Durchbruch von Schwefel verhindert.
Zu diesem Zweck müssen Bad und Schlacke ständig auf die entsprechenden Gehalte kontrolliert
werden. Darüberhinaus ist es notwendig, die abgezogene Schlacke zu wasserunlöslichem
CaSO4 deponierfähig aufzubereiten, oder in einem speziellen Prozess-Kreislauf unter
Gewinnung von elementarem Schwefel zu regenerieren.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein weiteres Verfahren zur Herstellung
von Spaltgas aus Brennstoffen und Vergasungsmedien in einem Schmelzbadreaktor zur
Verfügung zu stellen, welches die Zuführung eines speziellen schwefelbindenden Mediums
vermeidet und darüber hinaus die Durchbruchsgrenzen des Schwefels möglichst erweitert,
um dadurch übersichtlichere, unkompliziertere und insgesamt wirtschaftlichere Prozeßabläufe
zu ermöglichen.
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Es wurde nun überraschend gefunden, daß die Aufgabe der Erfindung
dadurch gelöst wird, daß als Schmelzbad flüssiges Kupfer verwendet wird.
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Die Vorteile der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik sind folgende:
- Niedrigere Temperaturen (1.200 OC) des Prozeßablaufes bedingen geringere Wärmeverluste
sowie niedrigere Temperatur des Produktgases.
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Kupfer hat die Fähigkeit, sich spontan mit Schwefel zu verbinden und
bis annähernd 20 Gewichts-% zu binden.
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Kupfer hat eine weitaus bessere Wärmeleitfähigkeit als Eisen oder
Schlacke.
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Kupfer hat darüberhinaus eine hohe Affinität zu Sauerstoff, so daß
beim Hindurchleiten von 02 eine Spontanreaktion zwischen Kupfer und Sauerstoff stattfindet.
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Dagegen wird Kohlenstoff in Kupfer nicht oder nur in vernachlässigbar
geringer Menge gelöst. Infolgedessen steht beim Hindurchleiten von Brennstoff und
Sauerstoff durch das Kupferbad dem einzelnen Brennstoffpartikel zur thermischen
Aufspaltung ein hohes Angebot an reaktionswilligem Sauerstoff aus der Cu-Schmelze
zur Verfügung, wodurch ideale Voraussetzungen für die Entstehung von Kohlenmonoxid
(CO) in dem vorherrschenden Temperaturbereich von ca.
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1.200 0C gegeben sind.
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- Die Einleitung eines speziellen basischen Mediums zur chemischen
Bindung von Schwefel ist bei der erfindungsgemäßen Verwendung eines Kupferbades
nicht erforderlich.
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Damit entfällt sowohl der Regelungsmechanismus zur Bemessung
der
Zugabemenge pro Zeiteinheit, als auch der Regenerationsprozeß für die mit Schwefel
aufgeladene Schlacke.
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- Der Prozeß wird bezüglich des apparativen Umfanges sowohl bezüglich
des Aufwandes zur Überwachung der Prozeßführung infolge Wegfall als auch von Regeneration
der Schlacke einfacher und übersichtlicher.
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Eine Ausgestaltung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß
der Brennstoff und das Vergasungsmedium durch das flüssige Kupfer hindurchgeleitet
werden.
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Dies kann dadurch verwirklicht werden, daß der Brennstoff und das
Vergasungsmedium an vorzugsweise tiefer Stelle in das Kupferbad eingeleitet werden.
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Dabei kann die Einleitung durch Bodendüsen vorgenommen werden, es
kann jedoch auch von der Maßnahme Gebrauch gemacht werden, daß die Einleitung durch
mindestens eine Lanze in die Tiefe des Kupferbades vorgenommen wird.
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In Ausgestaltung des Verfahrens wird Brennstoff mit Hilfe eines Trägergases
in das Kupferbad eingeführt. Durch diese Maßnahme wird auf unkomplizierte Weise
vorteilhaft sowohl der
Transport als auch die gleichmäßige Verteilung
des feinkörnigen Brennstoffs im Kupferbad bewirkt.
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Dabei ist es günstig, wenn das Trägergas Kohlenstoff oder Kohlenwasserstoffe
enthalt, vorzugsweise C02 und/oder CH4 und/oder rezirkuliertes Produktgas. Der Vorteil
einer solchen Beschaffenheit des Trägergases besteht darin, daß dieses ohne fremden
Rückstand zu Spaltgas zusammen mit den übrigen Kohlenwasserstoffen gecrackt wird.
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Für einen ungestörten Ablauf des Verfahrens nach der Erfindung ist
es wichtig, daß die zur Aufrechterhaltung der Kupferbadtemperatur, zur Deckung der
Strahlungs- und Konvektionsverluste sowie der zur Krackung der Kohlenwasserstoffe
benötigten Wärmemengen größenordnungsmäßig zwischen 1.500 bis 1.800 kcal/kg Brennstoff)
durch den Reaktionsmechanismus Brennstoff/Sauerstoff gedeckt werden.
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Bei der Vergasung von Brennstoffen mit relativ niedrigem Heizwert
kann es daher geschehen, daß ein Wärmedefizit entsteht.
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Als Folge davon würde das Kupferbad einfrieren und der Prozeß zum
Erliegen kommen, zumal eine Wärmezufuhr in das Kupferbad von außen her aus wirtschaftlichen
Gründen keine zufriedenstellende Lösung bietet.
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Dieser Schwierigkeit wird mit der Erfindung dadurch abgeholfen, daß
nach einer Ausgestaltung des Verfahrens die zum Trocknen und/oder Vorwärmen des
festen Brennstoffes benötigten Wärmemengen mindestens teilweise dem erzeugten Spalt
gas entzogen werden.
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Dies hat weiter den Vorteil, daß das Spaltgas in ein für dessen Fortleitung
und/oder Weiterverwendung günstigeres, weil niedriges Temperaturniveau gebracht
wird.
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Eine Ausgestaltung des Verfahrens, welche in der gleichen Richtung
wirkt, ist dadurch gekennzeichnet, daß die zum Erhitzen des Sauerstoffträgers benötigte
Wärmemenge mindestens teilweise dem produzierten Spaltgas entzogen wird.
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Wie bereits erwähnt, hat ein Kupferbad die Fähigkeit, Schwefel in
Mengen bis über 20 Gewichtsprozent zu binden. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen
Verwendung eines Kupferbades liegt dabei darin, daß dieser Schwefel bei Hindurchleiten
von Sauerstoff beim sogenannten entschwefelnden Frischen in einer Spontan-Reaktion
von großer Geschwindigkeit und Heftigkeit als nahezu reines S02-Gas wieder abgegeben
wird.
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Das Kupferbad übernimmt dabei die Funktion eines Schwefel-
Akkumulators6,
welcher Schwefel in beachtlicher Menge zu speichern und auf Abruf spontan wieder
abzugeben in der Lage ist.
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Hierbei besteht eine - erfindungswesentliche Maßnahme darin, daß -nach
Sättigung des- Kupferbades mit Schwefel die Brennstoffzufuhr unterbrochen und das
Bad durch Einleiten eines Sauerstoff enthaltenden Mediums ents-chwefelnd gefrischt
wird. Vorzugsweise geschieht dies mit technisch reinem Sauerstoff.
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Dabéi ist-es notwendig, daß zum entschwefelnden Frischen die Leitung
für das Produktions-Gas geschlossen und der Gassammelraum des-Reaktors mit einem
Leitungssystem zur Aufnahme des hoch-schwefelhaltigen Gases in Verbindung gebracht
wird.
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Weil bei dernentschwefelnden Frischen ein annähernd technisch reines
S02-Gas anfällt, kann dieses entweder in wirtschaftlicher --Art- ufld Weise zur
Gewinnung von elementarem Schwefel oder ~zur Herstellung von Schwefelsäure oder
für andere chemische Umsetzungen~zur Verfügung stehen, es kann jedoch auch als technisches
-Gas in Flaschen oder in einem Gasometer gespeichert werden.
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Eine vort-eilhafte Ausgestaltung des Verfahrens zum kontinuierlichen
Ablauf sieht .vor, daß mindestens 2 Kupferbäder je abwechselnd
im
Tandemtakt derartig entweder mit Brennstoff und Vergasungsmedium oder mit sauerstoffhaltigem
Gas beschickt werden, daß jeweils in einem der Bäder Spaltgas erzeugt wird, während
in dem anderen Bad Schwefel ausgetrieben wird.
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Ein ebenfalls vorteilhaftes weil vollkontinuierliches Verfahren besteht
darin, daß in ein Kupferbad an einer Stelle Brennstoff und Vergasungsmedium zur
Herstellung von Spaltgas, und gleichzeitig in dasselbe Kupferbad an einer anderen
Stelle Sauerstoff zum Frischen eingeleitet wird, und daß die dabei entstehenden
verschiedenartigen Gase in voneinander getrennten Gassammelräumen aufgefangen werden.
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Eine Ausgestaltung des Verfahrens nach der Erfindung sieht schließlich
vor, daß das Verhältnis von Sauerstoff zu Brennstoff nach Maßgabe der Analyse des
Spaltgases vorzugsweise nach dem Verhältnis CO/H2 eingestellt wird.
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Dies ist deshalb vorteilhaft, weil sich herausgestellt hat, daß eine
Verschiebung im Verhältnis Sauerstoff/Brennstoff eine Veränderung im Verhältnis
C0/H2 des Produktgases hervorruft, weshalb eine Korrektur nach Maßgabe des gemessenen
Verhältnisses CO/H2 ohne Schwierigkeiten möglich ist.
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Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist gekennzeichnet
durch eine Ventilgruppe, welche den Gasraum des Reaktors wechselseitig mit einem
Leitungssystem für Produktgas oder für S02-Gas verbindet.
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Dabei ist es vorteilhaft, wenn dem Leitungssystem für S02 ein Gasspeicher
zugeordnet ist.
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Eine Ausgestaltung der Vorrichtung ist gekennzeichnet durch zwei Reaktoren
in Tandem-Anordnung, wobei jeweils der Gasraum des einen Reaktors mit dem Leitungssystem
für S02 und der Gasraum des anderen Reaktors mit dem Leitungssystem für Produktgas
über entsprechende Ventilgruppen in Verbindung steht1 rund umgekehrt.
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Eine solche Anordnung hat bekanntlich den Vorteil, daß durch Aneinanderreihung
entsprechender Prozeßschritte ein quasi kontinuierlicher Prozeßablauf erzielt wird.
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Ein voll kontinuierlicher Prozeßablauf wird schließlich sichergestellt
durch einen Reaktor mit je einem getrennten Gasraum für S02-Gas und Produktgas,
welche durch eine unter die Oberfläche des Kupferbades eintauchende Scheidewand
gasdicht voneinander getrennt. sind, und daß der Gasraum für SO2Gas sowie
für
Produktgas an die entsprechenden Leitungssysteme angeschlossen sind, und daß dem
unter dem S02-Gasraum befindlichen Badteil des Reaktors eine Einrichtung zum Einblasen
von Sauerstoff unter die Badoberfläche und dem unter dem Sammelraum für das Produktgas
befindlichen Teil des Kupferbades eine Einrichtung zur Einleitung von Brennstoff
und Vergasungsmedium in die Kupferschmelze zugeordnet ist.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand von AusfUhrungsbeispielen in
der Zeichnung beschrieben und näher erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 das Blockschaltbild einer Spaltgas-Erzeugungsanlage
mit einem Kupferbadreaktor.
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Fig. 2 eine prinzipgleiche Anlage, jedoch mit zwei im Tandemverfahren
arbeitenden Reaktoren I und II.
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Fig. 3 eine prinzipgleiche Anlage, jedoch mit Doppelreaktor.
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In Fig. 1 enthält der Reaktor 1 das Kupferbad 2, dessen Spiegel mit
3 bezeichnet ist. Auf dem Kupferbad 2 schwimmt eine Schlakkenschicht 4. Darüber
befindet sich der Gassammelraum 5. über schüssige Schlacke wird durch den Auslaß
6 abgezogen. Der Gassammelraum
- 5 ist an eine Leitung 7 für Produktgas
sowie an eine Leitung 8 für S02-Gas angeschlossen. In den Leitungen 7 und 8 ist
die Umschalt-Ventilgruppe 9, 10 angeordnet, durch welche der Gasraum 5 des Reaktors
1 wechselseitig entweder mit der Produktgasleitung 7 oder mit der S02-Gasleitung
8 in Ver--bindung gebracht wird.
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Die Leitung 7 für das Produktgas führt zu dem Gaskühler 11.
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Dieser enthält die beiden Wärmetauscher 12 für Sauerstoffgas und 13
für Kohlenstoff-Trägergasgemisch.
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-Die Sauerstoffanlage 14 stellt technischen Sauerstoff (98 %) her,
welcher durch die Leitung 15 mit dem Ventil 16 und durch fden-Wärmetauscher 12 hindurchgeleitet
wird, wobei ein Wärmetausch-zwischen Produktgas und Sauerstoffgas in dem Sinne stattfindet
daß der Sauerstoff aufgeheizt und das Produktgas da--durch gekühlt wird.
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Der aufgeheizte Sauerstoff gelangt durch die Leitung 17 über eine
nicht dargestellte Bodendüsengruppe in den Reaktor 1.
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Der Vorratsbehälter 18 enthält Kohlenstaub. Dieser wird durch ein
dosierend austragendes, gasdichtes Zuteilorgan 19 in den geschlossenen Druck-Behälter
20 eingegeben. Dieser dient als
pneumatischer Transportbehälter
und weist sowohl ein Steigrohr 21 für den Kohlenstaub als auch einen Anschluß 22
für Trägergas auf. Im gezeigten Beispiel wird als Trägergas Produktgas verwendet,
welches an der Stelle 23 aus der Produktgasleitung 7 entnommen und mittels einer
Druckerhöhungspumpe 24 auf den zum Transport des Kohlenstaubes notwendigen Druck
gebracht worden ist. Kohlenstaub und Trägergas werden durch die Leitung 25 über
den Wärmetauscher 13 und die Anschlußleitung 26 mit dem darin angeordneten Ventil
27 durch eine nicht näher dargestellte Gruppe von Bodendüsen in das Kupferbad 2
eingeleitet.
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Dabei wird das Kupferbad 2 von unten her vom Kohlenstaub in inniger
Mischung mit dem Vergasungsmittel Sauerstoff durchdrungen. Auf die Kohlenstoffpartikel
wirken von allen Seiten her die Temperaturen des Kupferbades 2 mit einem Temperaturniveau
von ca. 1.250 0C ein, so daß die Kohlenstoffpartikel spontan gecrackt werden. Dabei
entstehen Blasen eines Kohlenstoff und Wasserstoff enthaltenden Gasgemisches. Dieses
befindet sich während der Aufwärtsbewegung durch das Kupferbad in innigster Phasenberührung
mit dem umgebenden Kupferbad, wobei aus der Kohle verflüchtigter Schwefel in das
Kupferbad diffundiert und dabei spontan, vorzugsweise als Cu2S, gebunden wird.
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Bei diesem Vorgang wird gleichzeitig Asche freigesetzt, welche
aufschwimmt
und eine Schlachenschicht 4 auf dem Kupferbad 2 bildet. In der Schlacke sind -wie
an sich bekannt- neben den mineralischen Anteilen wie Si02, A1203 etc. nicht unbeträchtliche
Mengen (zwischen 10 und 20 %) von Fe203 enthalten. Dieses Eisenoxid wird durch CO
und H2 in statu nascendi mindestens teilweise zu Eisen reduziert und verbindet sich
mit Kupfer, Schwefel und anderen Spurenelementen zu Kupferstein.
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Wenn eine gewisse Sättigung des Kupferbades 2 mit Schwefel erreicht
ist, beispielsweise knapp unterhalb einer Grenze von 20 Gewichts-%, wird die Zufuhr
von Sauerstoff und Kohlenstoff durch Schließen der Ventile 9, 16 und 27 unterbrochen.
Gleichzeitig wird durch offenen des Ventiles 10 der Ventil-Gruppe 9/10 der Gasraum
5 des Reaktors 1 mit der Leitung 8 für S02-Gas verbunden. Nunmehr wird nach öffnen
des Ventiles 16 erhitzter Sauerstoff in das Kupferbad 2 eingeleitet. Dieser verbrennt
mit Schwefel zu S02-Gas, welches durch die Leitung 8 und die Druckerhöhungspumpe
28 in den Gas speicher 29 zur beliebigen weiteren Verwendung eingeleitet wird.
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Bei diesem als entschwefelndes Frischen bezeichneten Vorgang wird
nach Erschöpfung des Schwefels im Kupferbad 2 auch ein erheblicher Ãnteil des im
Kupfer gelösten Eisens oxidiert und in die Schlackenphase überführt, wobei sich
die Schlacke zusammen
mit den weiteren, aus der Asche entstammenden
Schlackenbildern vermehrt. Die im Überschuß gebildete Schlacke wird vom Spiegel
3 des Kupferbades 2 durch die Abzugsöffnung 6 aus dem Reaktor 1 abgezogen, damit
die Schlackenschicht 4 nicht zu hoch wird.
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Fig. 2 zeigt eine hinsichtlich der Funktion prinzipiell gleiche Anlage,
jedoch mit den beiden Reaktoren I und II. Diese sind mit den Ventilgruppen 9, 9';
10, 10' ausgestattet, welche in einer solchen Weise geschaltet sind, daß sie wechselseitig
jeweils einen der Reaktoren mit einer der Produktgasleitungen 7, 7' respektive mit
einer der S02-Gasleitungen 8, 8' verbinden.
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Dabei wird die Prozeßführung vorzugsweise so gehandhabt, daß jeweils
einer der Reaktoren, beispielsweise der Reaktor I, entschwefelnd gefrischt wird
und dabei S02-Gas erzeugt, während der andere Reaktor II mit Kohle und Sauerstoff
beschickt wird und Produktgas erzeugt, und umgekehrt. Die Funktion jedes einzelnen
der Reaktoren I und II entspricht dabei jedoch der Funktion der in Fig. 1 dargestellten
Basis-Anlage.
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In Fig. 3 ist eine Anlage - ebenfalls im Blockschaltbild - dargestellt,
bei welcher ein sogenannter Doppel-Reaktor 30 angeordnet ist. Dieser ist gasseitig
durch eine in das Kupferbad 45 eintauchende Scheidewand 31 in zwei hermetisch voneinander
getrennte
Gasräume 32 und 33 unterteilt. Dabei stellt beispielsweise der Gasraum 33 den Gassammelraum
für das Produktgas dar, -während 32 als Gassammelraum für das S02 Gas dient. Dem
Doppelreaktor 30 ist zu beiden Seiten der Scheidewand 31 je ein über lauf 34 34t
für den Abzug von Schlacke zugeordnet.
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Weiter-ist dem Doppelreaktor 30 auf der Seite des Gasraumes 33 -für
Spaltgas eine Gruppe von Bodendüsen, symbolisiert durch die Pfeile 35, 35- zugeordnet,
wobei eine Bodendüse 35 durch die Leitung 36 über den Wärmetauscher 37 durch das
pneumatische Transportgefäß 38 in der bereits geschilderten Weise aus dem Vorratsbunker
39 mit Kohlenstaub versorgt wird, während die Düsengruppe 35' aus der 02-Anlage
40 mit der Leitung 41 Sauerstoff zugeführt erhält.
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In die- rechte Seite des Doppelreaktors 30 wird auf diese Weise permanent
Kohlenstoff und Sauerstoff eingeführt und durch das Kupferbad hindurchgeleitet,
und damit aus 112 und CO bestehendes Spaltgas erzeugt, welches über den Gassammelraum
33 und die Leitung 41- zum weiteren Verbrauch abgezogen wird.
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Gleichzeitig und ebenfalls permanent wird an der linken Seite des
Dopelreaktors 30 unterhalb des Sammelraumes 32 für SO2 -ständig Sauerstoff zum Frischen
aus der 02 Anlage über die
Leitung 41 und das Ventil 42 in das
Kupferbad 45 eingeleitet.
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Auf diese Weise wird das Kupferbad 45 ständig entschwefelnd gefrischt,
so daß die Konzentration an Cu2S in dem Kupferbad in annähernd konstanter Höhe gehalten
wird. In die Schlacke übergehende Asche und/oder durch das Frischen des Kupferbades
45 entstehende Schlacke wird mit den Überläufen 34, 34' von der Oberfläche des Kupferbades
45 abgezogen. Gleichzeitig wird durch das Frischen Eisen aus dem Kupfer zu Schlacke
oxidiert.
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Die in den Blockschaltbildern Fig. 1 bis Fig. 3 dargestellten Anlagen
zur Erzeugung von Spaltgas mit Hilfe eines Kupferbadreaktors sind lediglich beispielhaft
aufzufassen. Die Ausgestaltungen und Variationen solcher Anlagen liegen im Ermessen
des Fachmannes und fallen unter die Erfindung, sofern sie einem der geltenden Patentansprüche
genügen.