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BESCHREIBUNG
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Pla5mavergasung, insbesondere
auf ein Verfahren zur thermischen Veredlung von festen Brennstoffen.
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Die vorliegende Erfindung läßt sich in der WärmeQnergiewirtschaft
als Energiebrennstoff,beispielsweise in Feuerungen, Gasturbinen u.a.m., in der chemischen
Industrie als Rohstoff zur Synthese von Produkten wie Ammoniak (NH3), Methan (CH4),
Methanol (CH3OH), höhere Alkohole u.a.m., welchen man jährlich in zunehmendem Maße
benötigt und in der Hüttenindustrie zur Herstellung von reduzierendem Gas mit größtem
Erfolg verwendet.
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Der industrielle Verbrauch an organischen Brennstoffen, beispielsweise
an Erdöl, Naturgas und hochwertigen Kohlen, steigt von Jahr zu Jahr an. Ihre Vorräte
versiegeln jedoch, was die starke Verteuerung organischer Brennstoffe auf dem Weltmarkt
zur Folge hat. Deshalb wurde das Problem aktuell, billige feste Brennstoffe wie
Braunkohlen, Schiefer und andere durch Plasmavergasung zu veredeln und aus Plasmavergasungsprodukten
synthetische Brennstoffe herzustellen.
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Durch Plasmavergasung von festen Brennstoffen kann außerdem die Aufgabe
gelöst werden, die Umgebung vor Verunreinigung mit Schwefelverbindungen und Staub
zu schützen.
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Die Versuche, dieses Problem izu lösen, bewirkten die Entwicklung
eines Verfahrens zur thermischen Veredlung von festen Brennstoffen,beispielsweise
von bituminösen Kohlen, (siehe GB-PS 1089092).
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Dieses Verfahren besteht in folgendem. Man trocknet und zerkleinert
bituminöse Kohle und führt dann die staubförmige
Kohle in den Plasmastrahl,
der beim Durchlassen des Wasserstoffes durch elektrische Entladung entsteht, zu.
Danach kommt es zum Vermischen des WasseratoffplasmaEtrahls mit Kohlenstaub. Bei
einer mittleren Massentemperatur von 2500°C und einer Reaktionszeit von 0,003 s
entstehen Azetylen und Äthylen, wobei sie auf eine Temperatur von 500°C anschließend
abgeschreckt werden. Bei der Umsetzung des Wasserstoffplasmastrahls mit Kohlenstaub
kommt es aber zur Bildung eines aus Kohlenstoff und Asche bestehenden Festrückstands
neben Azetylen und Äthylen.
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Dieses Verfahren zeichnet sich durch einen niedrigen energetischen
Wirkungsgrad wegen hoher Prozeßtemperaturen und eine geringe Leistung wegen geringer
Ausbeute an Bndprodukt, bezogen auf den Kohlenstoff des Brennstoffs, aus.
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Binde andere Lösung des Problems der Herstellung von synthetischen
Brennstoffen stellt ein Verfahren zur thermischen Veredlung von festem Brennstoff,
beispielsweise von Brennschiefern im Argonplasmastrahl,dar (sieh M.S.Polak u.a.
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Plasmastrahlpyrolyse von Brandschiefern. Zeitschrift Chimiya vysokikh
energy, 1974, 8, Nr. 5 - in Russiech) Dieses Verfahren besteht in folgendem. Brennschiefer
in Pulverform und Oxydationsmittelstrom und zwar Wasserdampf führt man in eine Ausströmungszone
des Plasmastrahls, gebildet beim Argonleiten durch elektrische Entladung, zu. Im
Argonplasmastrahl erfolgt die Vergasung des organischen Brennstoff anteils bei einer
mittleren Reaktionsmassentemperatur von 2600 bis 280OO. Durch die Vergasung erhält
man das Synthesegas (CO und Zur Durchführung des bekannten Verfahrens ist ein großer
Elektroenergieaufwand
erforderlich, weil Argon als Wärmeträger und Wasserdampf als Oxydationsmittel zur
Verwendung kommen. Das Verfahren ist außerdem kostspielig wegen der Verwendung von
Argon und dessen Regenerierung aus den Vergasungsprodukten des Brennstoffs. Das
oben beschriebene Ver fahren weist eine geringe auf das Synthesegas bezogene Leistung
auf, weil die Vergasungsprodukte des Brennstoffs CO2 enthalten.
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Der Erfindung wurde die Aufgabe zugrundegelegt, ein ökologisch reines
und durch einen hohen energetischan Wir kungsgrad gekennzeichnetes Verfahren zur
thermischen Veredlung von festen Brennstoffen durch dLe Intensivierung der Vergasung
und die Ausnutzung der Eigenwärme von Vergasungsprodukten zwecks Herstellung von
überhitztem Dampf und Trocknung des Brennstoffs zu entwickeln.
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Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst daß man im Verfahren zur
thermischen Veredltng von festen Brennstoffen, durch Zerkleinerung eines festen
Brennstoffs, Erzeugung des Plasmastrahls durch Leiten eines Wärmeträgers durch die
Brennzone des Lichtbogens und anschließender Vergasung des zerkleinerten festen
Brennstoffs im Plasmastrahl in Gegenwart eines Oxydationsmittels unter Bildung von
Synthesegas (CO und I , erfindungsgemäß den zerkleinerten festen Brennstoff und
den Oxydationsmittelstrom im voraus vermischt, das erhaltene Gemisch als Wärmeträger
verwendet und es der Brennzone des Lichtbogens so zuführt, daß der Stromgeschwindigkeitsvektor
bei diesem Gemisch eine zur Liohtbogenachseparallellaufende Komponente besitzt,
indem man die mittlere Massentemperatur des Synthesegases in einem Tempe
rat
urbere ich von 1200 bis 17000C durch Regelung der Lichtbogenleistung konstanthält.
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Dank dieser Ausführungsform ist das Verfahren hochleistungsfähig
auch,weil der organische Brennstoffanteil in gasförmige Produkte und zwar Snthesegas
(CO und ß ) und H2S vollständig übergeht. Dies wird dadurch erreicht, daß man den
Wärme- und Stoffaustausch zwischen dem aus Oxydationsmittel und zerkleinertem festem
Brennstoff bestehenden Gemisch und der Brennzone des Lichtbogens unter Konstanthalten
der mittleren Massentemperatur der Vergasungsprodukte in einem Bereich von 1200
bis 1700°C intensiviert.
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Die Zufuhr des Gemisches, bestehend aus zerkleinertem festem Brennstoff
und Osydationsmittel, in die Brennzone des Lichtbogens in solcher Weise, daß der
Stromgeschwindigkeitsvektor dieses Gemisches eine zur Plasmastrahlachse paral,-lellaufende
Komponente besitzt, gibt die Möglichkeit, den Lichtbogen längs der Zufuhrrichtung'von
Reaktionsmitteln zu verlängern, wodurch es möglich wird, dert Prozeß bei größeren
Lichtbogenlängen durchzuführen.
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Durch die Wärmeentwicklung bei der elektrischen Shtladung und im
Laufe der Oxydation der Xohlenstoffmasse des Brennstoffs mit Sauerstoff zu CO wird
der notwendige Wärmezustand geschaffen, der den schnellen Verlauf der Vergasung
des staubförmigen Brennstoffs bewirkt.
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Als Oxydationsmittel verwendet man zweckmäßigerweise ein Gemisch
von überhitztem Wasserdampf mit Sauerstoff bei folgendem Gehalt der Komponenten,
bezogen auf die Eohlenstoffmasse des Brennstoffe, wie 45 bis 15 Gew.% Wasserdampf
und 55 bis 85 Gew.% Sauerstoff.
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Dies gestattet den energetischen Wirkungsgrad des Prozesses zu erhöhen.
Während der Vergasung steigt die Synthesegasausbeute (CO+H2) durch den teilweisen
Übergang der elektrischen Energie in die chemische Energie der gasförmigen Produkte
an, wenn man dem Oxydationemittel den Wasserdampf, auf 55O0C mittels der Eigenwärme
von Vergasungeabfallprodukten im voraus überhitzt, zugibt.
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Bei der Entladung erfolgt der Übergang der elektrischen Energie in
die Wärmeenergie, welche im Laufe der Vergasung sowohl für Zwecke der Steigerung
der Reaktionsmitteltemperatur auf den vorgegebenen Wert als auch für die Durchführung
der endothermen Reaktionen verbraucht wird. Die mittler Massentemperatur von Vergasungsprodukten
wird in einem Bereich von 1200 bis 1700°C durch Regelung der dem Lichtbogen zugeführten
Leistung konstantgehalten.
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Als Oxydationsmittel dient Heißdampf oder Sauerstoff oder ein Gemisch
derselben.
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Die höohste Synthesegasmenge (CO+H2) erhält man im Laufe der Vergasung
des festen Brennstoffs, der einen hohen Gehalt an der Kohlenstoffmasse aufweist,
wenn als Oxydationsmittel der Wasserdampf, überhitzt durch die Wasserstoffent-Wicklung
bei der H2O-Kohlenstoff-Wechselwirkung, dient Der energetische Wirkungsgrad des
Vergasungsprozesses beträgt etwa 7.
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Wird der Wasserdampf auf eine Temperatur von 550°C unter Ausnutzung
der Eigenwärme von Vergasungsprodukten erhitzt, so setzen sich etwa 80% Energie
der elektrischen Entladung in die potentielle Energie von Syathesegas (CO+H2) um.
Von größtem Interesse ist die Vergasung der trockenen
zerkleinerten
Kohle in einem Oxydationsmittel, das aus einem Gemisch von überhitztem Wasserdampf
und Sauerstoff besteht. Der Sauerstoffzusstz bewirkt die Verminderung des Elektroenergieverbrauchs
und erhöht somit den energetischen Wirkungsgrad des Vergasungsprozesses auf 88,6%
Bei oxydierten Braunkohlen, deren Aschegehalt 30s0 übersteigt, ist die Vergasung,
d.h. die vollständige Überführung der organiechen Masse solcher Kohlen in das Synthesegas
(CO+I), unter Anwendung von Sauerstoff-Oxydationsmittel vorteilhaft zu verwirklichen,
wobei das Gemisch von Sauerstoff mit zerkleinertem Brennstoff in die Brennzone des
Lichtbogens zugeführt wird. In diesem Falle beträgt der energetische Wirkungsgrad
des Vergasungsprozesses 87%.
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Andere Ziele und Vorteile der Erfindungwerden.aus der na¢hfolgenden
Beachreibung der Erfindung,den konkreten Ausführungsbeispielen derselben und der
Zeichnung, die schematisch ein Verfahren zur thermischen Veredlung von festen Brennstoffen
zeigt, ersichtlich.
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Der vorzerkleinerte und getrocknete feste Brennstoff gelangt nach
Pfeil in einen Bunker 1, aus dem er in eine Kammer 2 zum Vermischen mit einem Oxydationsmittel
aufgegeben wird. Nach Pfeil, gezeigt als unterbrochene Linie, führt man der Kammer
2 ein Oxydationsmittel, gewählt aus der Gruppe überhitzter Wasserdampf, Sauerstoff,
ein Gemisch von überhitstem Wasserdampf mit Sauerstoff, zu. Das erhaltene Gemisch
von zerkleinertem festem Brennstoff mit Oxydat ionsmittel kommt in einen Reaktor
3 nach Pfeil, gezeigt als strichpunktierte Linie, und zwar in die Brennzone des
Lichtbogens so, daß der Stromgeschwindigkeits
vektor dieses Gemisches
eine zur Plasmastrahlachse paralellaufende Komponente besitzt. Das Brennen des Lichtbogens
wird durch eine SpeiseQuelle 4 gesichert. Durch Regelung der Lichtbogenleistung
wird im Reaktor 3 die mittlere Massentemperatur von Vergasungsprodukten in einem
Bereich von 1200 bis 1700°C gehalten. Durch die elektrokatalytische Einwirkung der
Elektronen- und Ionenkomponenten des Entladungsstroms läuft die Vergasungsreaktion
der Kohlenstoffmasse des Brennstoffs unter Bildung von Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff
wirksam ab, wobei der im festen Brennstoff enthaltene Schwefel im Laufe der Umsetzung
mit Wasserstoff den Schwefelwasserstoff bildet. Die Vergasungsprodukte werden in
einen Zyklen 5 geleitet, wo aus diesen eine feste Phase,d.h.Asche, ebgetrennt wird,
und das gasförmige Gemisch von CO, H2 und H2S kommt zur Weiterverarbeitung0 Als
Beispiel werden Versuchsangaben, erhalten an trockener zerkleinerter Kohle, angeführt:
1. Kohle von Irscha--Borod ino folgender Elementarzusammensetzung in Gewichtsprozent:
C 65,07; H 4,55; 0 20,20; N 0,91; 5 0,27; A (Asche) 9,00; oberer Heizwert Q 6130
koal/kg; unterer Heizwert Q 5880 kcal/kg. 2. Moskauer Kohle folgender Zusammensetzung
in Gewichtsprozent: C 42,16; H 3,60; 0 13,53; N 0,68; S 8,03; A 32,00; oberer Reizwert
Q 4270 kcal/kg; unterer Heizwert Q 4070 kcal/kg.
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Die Tabelle 1 gibt den Verbrauch an einem Oxydationsmittel und zwar
an auf 5500C erhitstem Wasserdampf, Wasserdampf-Sauerstoff-Gemisch und reinem Sauerstoff
sowie den spezifischen Aufwand an trockener Kohle, Sauerstoff, Wasserstoff und Elektroenergie
ae 1 nm³ Synthesegas und den energetischen Wirkungsgrad der Plasmavergasung bei
einer mittleren
Massentemperatur von Vergasungsprodukten, die
12000C beträgt, an.
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Die Tabellenangaben zeigen, daß die Plasmavergasung einen hohen energetischen
Wirkungsgrad aufweist und ermöglicht, die ganze organische Masse des BrennEtoffs
in das Synthesegas und den Schwefelwasserstoff (H2S) überzuführen.
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Nach der Reinigung des Gases von H2S erhält man das reine Synthesegas
(CO+H2), welches zu heizwertreichem Gas CH4 und flüssigem Methylbrennstoff verarbeitet
werden kann.
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Tabelle 1 lfd. Oxydationsmittel- spezifischer Verbrauch energetischer
verbrauch je l t an Kohle, Sauerstoff.
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Wirkungsgrad trockene Kohle,kg Wasserdampf und Gesamtdes Prozesses
elektroenergie H2O O2 trockene O2 Wasser- Elekdampf, trode- #,% Kohle, kg kg energie
kg (insgesamt), kWh Kohle von Irscha-Borodino L 748,8 0 0,376 0 0,282 1,056 69,5
2 342,1 361,5 0,465 0,168 0,159 0,573 78,5 3 281,9 415,0 0,482 0,200 0,136 0,479
82,0 4 133,5 547,0 0,529 0,289 0,071 0,224 86,7 5 95,0 581,1 0,543 0,315 0,052 0,150
88,6 Moskauer Kohle 6 480,2 0 0,577 0 0,277 1,125 69,6 7 219,4 231,8 0,710 0,165
0,156 0,669 76,5 8 0 426,8 0,881 0,376 0 0,140 87,3