DE3042984C2 - Verfahren zum Hydrieren von Kohle - Google Patents
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Abstract
Kontaktelektroden-Anordnung für Lichtbogen- oder Widerstandsschmelzöfen, mit einer außerhalb der Ofenmauerung angeordneten Basisplatte, mit der die Hälse mehrere Elektroden leitend verbunden sind, wobei der übrige Teil der Elektroden in die Ofenausmauerung hineinragt und mit der in dem Ofenherd befindlichem Schmelze Kontakt hat. Die Basisplatte (6) ist unterhalb des Ofenbodens (4) in Abstand angebracht. Zwischen Basisplatte und Ofenboden ist damit ein Zwischenraum (7) geschaffen, in dem ein die Elektrodenhälse (8), die Ofen-Außenseite und die Basisplatte (6) kühlendes Fluid, insbesondere Luft, fließen kann.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Hydrieren von Kohle, bei dem die Kohle mit einem Anreiböl zu
einem Brei verrührt, der Kohlebrei auf Reaktionsdruck gepumpt, auf die Anspringtemperatur der Hydrierung
erhitzt und dann in Gegenwart von Wasserstoff in einer Reaktionszone der katalytisch beschleunigten Hydrierung
unterzogen wird.
Es ist bereits ein Verfahren zum Hydrieren von Kohle bekanntgeworden, bei dem die zu verarbeitende Kohle
getrocknet und fein gemahlen, mit Anreiböl verrührt, der anfallende Kohlebrei auf Reaktionsdruck gepumpt,
zunächst in Regeneratoren im Wärmetausch mit dem gas- und dampfförmigen Hydrierprodukt und dann in
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65 einem Vorerhitzer durch Zufuhr von Fremdwärme auf die Anspringtemperatur der Hydrierung erhitzt und
schließlich in eine Reaktionszone in Gegenwart von Wasserstoff und einem geeigneten Katalysator hydriert
wird. Die die Reaktionszone verlassende Produktfraktion wird in einem nachgeschalteten Heißabscheider in
eine dampfförmige Kopffraktion aus Gasen, Benzinen und Destillatölen sowie in eine flüssige Bodenf-aktion
aus nicht abgebauter Kohle, Asche, Katalysatorteilchen, anderen hochmolekularen schwer hydrierbaren Substanzen,
wie vor allem Asphaltenen, sowie Bitumen und Schweröl zerlegt.
Während die Kopffraktion im Wärmetausch mit dem Kohlebrei abgekühlt und aus der Anlage abgezogen
wird, wird aus der Bodenfraktion das Schweröl abgetrennt und als Anreiböl für die frische Kohle verwendet
Nachteile dieses bekannten Verfahrens liegen unter anderem in der Aufheizung des frischen Kohlebreis mittels
Regeneratoren und Vorerhitzer.
So ist aufgrund der Zähigkeit des Kohlebreis eine gleichmäßige Beaufschlagung der Wärmetauscherflächen
in den Regeneratoren nur schwer zu erreichen. Insbesondere stößt aber die weitere Aufheizung des
Kohlebreis im Vorerhitzer auf Schwierigkeiten, da infolge der hier bereits vorliegenden hohen Temperaturen
die im Kohlebrei suspendierte Kohle sehr stark aufquillt. Dies führt zu einer weiteren Erhöhung der Zähigkeit,
so daß letztlich nur noch ein mit starkem Materialabrieb verbundener pulsierender Durchsatz des Kohlebreis
durch den Vorerhitzer möglich ist. Dabei können Druckstöße bis zu 10 bar auftreten. Auch können bei
den hohen Temperaturen Verkokungen in den einzelnen Wärmetauschern auftreten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu entwickeln, daß
die Aufheizung des frischen Kohlebreis auf die Anspringtemperatur der Hydrierung wesentlich erleichtert.
Bei einem Verfahren der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst,
daß der auf Druck gepumpte Kohlebrei in einen ersten und einen zweiten Teilstrom aufgeteilt der Reaktionszone
zugeführt wird, wobei der erste Teilstrom außerhalb der Reaktionszone im Wärmetausch mit gas- und
dampfförmigem Hydrierprodukt und der zweite Teilstrom innerhalb der Reaktionszone durch Übertragung
der in der Reaktionszone erzeugten exothermen Überschußwärme auf die Anspringtemperatur der Hydrierung
erhitzt wird.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Wärme des heißen gas- und dampfförmigen Hydrierproduktes,
das entweder direkt am Kopf der Reaktionszone oder am Kopf eines der Reaktionszone nachgeschalteten
Heißabscheiders abgezogen wird, nicht wie beim Stand der Technik auf die Gesamtmenge des frischen
Kohlebreis, sondern nur auf einen Teilstrom dieses Breis übertragen. Dabei ist der Teilstrom so bemessen,
daß der Wärmeinhalt der bei etwa 4700C anfallenden
Hydrierdämpfe ausreicht, um diesen auf die Anspringtemperatur der Hydrierung von etwa 420°C zu
erhitzen. In der Regel umfaßt dieser Teilstrom etwa 50 bis 65 Gew.-°/o des gesamten frischen Kohlebreis.
Anschließend wird der erhitzte Teilstrom mit dem bereits erhitzten Hydrierwasserstoff vermischt und in
den unteren Bereich der Reaktionszone eingespeist.
Bei der Kohlehydrierung wird gerade zu Beginn der Hydrierreaktionen aufgrund der starken Einwirkung
des Wasserstoffs auf den noch frischen Kohlebrei ein
großer Teil der exothermen Reaktionswärme freigesetzt.
Diese Wärme wird nach der Erfindung nunmehr in der Reaktionszone selbst zu Erhitzung des zweiten Teilslroms
auf die Anspringtemperatur der Hydrierung genutzt, indem der zweite Teilstrom oberhalb des ersten,
im Bereich dieser starken Wärmetönung in die Reaktionszone eingeleitet wird. Dort nimmt er die exotherme
Wärme auf und erwärmt sich dabei auf die für die Hydrierung erforderliche Temperatur. Zweckmäßigerweise
erfolgt dabei die Einspeisung des zweiten Teilstroms in den Bereich der Reaktionszone, in dem etwa 50% der
gesamten exothermen Reaktionswärme anfallen. Mit Vorteil wird der zweite Teilstrom über mehrere übereinander
angeordnete Zweigleitungen der Reaktionszone zugeführt wobei zur Verbesserung der Durchmischung
und somit der Wärmeübertragung im Bereich der Zuführung noch zusätzliche Einbauten vorgesehen
werden können, beispielsweise eine Einschnürung der Reaktionszone bewirkende konzentrische Strömungsleitbleche.
Durch die Erfindung gelingt es somit auf einfache Weise, die gesamte Kohlebreimenge ohne den störanfälligen
Vorerhitzer auf die Anspringtemperatur der Hydrierung zu erhitzen.
Besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn nach einem weiteren Merkmal der Erfindung die Aufheizung
des ersten Teilstromes im direkten Wärmetausch mit den heißen Produktdämpfen erfolgt Hierzu wird dieser
zunächst innig mit den heißen Produktdämpfen vermischt Dann werden aus dem entstehenden Gemisch
aus Gasen bzw. Dämpfen, Flüssigkeiten und Feststoffen die Gase und Dämpfe abgetrennt und die verbleibende
heiße Mischung aus Flüssigkeiten und Kohle zusammen mit dem erhitzten Hydrierwasserstoff der Reaktionszone
zugeführt.
Diese Verfahrensvariante, zu deren Durchführung lediglich eine Mischeinrichtung für den direkten Wärmetausch
sowie ein dieser nachgeschalteter Abscheider erforderlich sind, ermöglicht es, nicht nur auf den Vorerhitzer,
sondern auch auf die Regeneratoren zu verzichten. Somit kann auch der frische Kohlebrei des ersten
Teilstromes nunmehr ohne jeden Wärmetauscher auf die Anspringtemperatur der Hydrierung aufgeheizt
werden. Darüber hinaus verringern sich aufgrund der direkten Wärmeübertragung die Wärmeverluste erheblich.
Als weiterer Vorteil der direkten Aufheizung des Kohlebreis kommt hinzu, daß im Zuge der Erwärmung
des Kohlebreis das gesamte in der Kohle physikalisch gebundene und zum Teil auch das chemisch gebundene
Wasser ausgetrieben wird, so daß die Kohle nahezu vollständig getrocknet wird. Die bisher übliche, sehr
aufwendige Trocknung im Zuge der Wiederaufbereitung kann daher erheblich reduziert werden.
Auch werden infolge der starken Erwärmung der Kohle im direkten Wärmetausch mit den heißen Produktdämpfen
weitere in der Kohle gebundene Gase, wie z. B. Methan, Äthan und andere, freigesetzt Die der
Hydrierung nach dem Wärmetausch zuzuführende Kohle ist somit bereits weitgehend entgast, so daß sich
in der Reaktionszone selbst weniger Gase bilden. Dies wiederum führt zu einer Erhöhung des Wasserstoffpartialdruckes
in der Reaktionszone, wodurch die Hydrierwirkung verbessert wird. Im Vergleich zu dem bekannten
Verfahren kann jetzt die Hydrierung bei einem niedrigeren Gesamtdiu^k durchgeführt werden, was
wiederum zu Einsparungen an Investitions- und Betriebskosten führt.
Weitere Erläuterungen zu der Erfindung sind dem in der Figur schematisch dargestellten Aasführungsbeispiel
zu entnehmen.
Die Figur zeigt ein Verfahren zum Hydrieren von Kohle, bei dem die zu verarbeitende Kohle über eine
Leitung 1 einem Anreibbehälter 4 zugeführt und dort mit noch warmem Anreiböl aus der Anlage, welches
über eine Leitung 2 zuströmt verrührt wird. Die für die Hydrierung benötigten Katalysatoren, beispielsweise
Verbindungen der Metalle der IV, VI und VIII Gruppe des Periodensystems bzw. Gemische dieser Metalle,
werden über eine Leitung 3 zugeführt und mit der Kohle vermischt bzw. auf diese aufgesprüht. Im Anreibbehälter
4 beträgt das Verhältnis der Mischung etwa 70 Gew.-% Kohle zu etwa 30 Gew.-% Öl.
Der warme Kohlebrei wird mittels einer Pumpe 5 auf einen Druck von etwa 200 bar gepumpt und dann in
zwei Teilströme aufgeteilt, von denen der erste durch eine Leitung 7 und der zweite durch eine Leitung 8
weiterströmt Über die Leitung 7 v.->d der erste Teilstrom in eine Mischvorrichtung 9 eingespeist und dort
innig mit dem über eine Leitung 10 zugeführten heißen Kopfprodukt (etwa 470°C) eines Heißabscheiders 11,
welcher einer aus zwei in Reihe geschalteten Reaktoren 12a und 126 bestehenden Reaktionszone 12 nachgeschaltet
ist sowie gegebenenfalls auch heißen Kopfdämpfen des Reaktors 12a, vermischt Innerhalb der
Mischvorrichtung 9 erhitzt sich aufgrund des direkten Wärmetausches mit dem heißen Kopfprodukt der frisehe
Kohlebrei auf eine Temperatur von 400° C und mehr, d. h. auf die Anspringtemperatur der Hydrierung,
die, je nach der eingesetzten Kohle, bei mindestens etwa 400° C liegt.
Nach der innigen Vermischung wird der Inhalt der Mischvorrichtung 9 einem Abscheider 13 zugeleitet und
dort in eine Gasphase und eine Fesistoff-rlüssigkeitsphase
zerlegt.
Die Gasphase, die neben den unterhalb der sich in der Mischvorrichtung einstellenden Temperatur siedenden
Komponenten des Heißabscheiderkopfproduktes noch hocnflüchtige Gase, wie Methan, Äthan usw., aus der
Kohle enthält, wird in einem Wärmetauscher 14 weiter abgekühlt, dabei partiell kondensiert und einem weiteren
Abscheider 15 zugeleitet. Das Kopfprodukt des Abscheiders 15 gelangt in eine Waschvorrichtung 16 und
wird dort einer Ölwäsche unterzogen. Wasserstofffreies Restgas wird über eine Leitung 17 abgezogen, während
der verbleibende Wasserstoff mit über eine Leitung 18 zuströmendem Frischwasserstoff vermischt, über eine
Leitung 19 zunächst dem Wärmetauscher 14 und dann einem Ofen 20 zur weiteren Aufheizung zugeführt wird.
Das Sumpfprodukt des Abscheiders 15, eine Fraktion
in: wesentlichen aus Naphtha und Mittelöl sowie aus
Wasser, strömt über eine Leitung 21 in eine Aufbereitungsanlage 22 und wird dort in die verschiedenen Produktfraktionen
zerlegt
Das erhitzte Sumpfprodukt des Abscheiders 13, welches neben Frisch^ohle und dem Anreiböl noch die in
der Mischvorrichtung 9 auskondensierten schweren Bestandteile des Heißabscheiderkopfproduktes enthält,
wird mittels einer Pumpe 23 dem unteren Bereich des Reaktors 12a der Reaktionszone 12 zugeführt, nachdem
es vorher noch mit heißem Wasserstoff (etwa 450° C) aus dem Ofen 20 vemischt worden ist.
B5 Zu Beginn der Hydrierung dieses Teilstromes ist aufgrund
der starken Einwirkung des Wasserstoffs auf die noch frische Kohle die Wärmetönung besonders stark,
d. h. gerade im unteren Bereich der Reaktionszone 12 ist
der exotherme Wärmeüberschuß besonders hoch. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird diese exotherme
Überschußwärme nunmehr in der Reaktionszone 12 selbst zur Erhitzung des zweiten Teilstromes des frischen
Kohlebreis auf die Anspringtemperatur der Hydrierung herangezogen, indem dieser über die Leitung 8
strömende Teilstrom über Zweigleitungen 24 und 25 oberhalb des ersten Teilstroms in die Reaktionszone 12
eingeleitet wird. Dabei erweist es sich als zweckmäßig, irii Bereich der Einleitung des zweiten Teilstroms innerhalb
der Reaktionszone 12 Einrichtungen 26, z. B. Strömungsleitbleche, anzubringen, die zu einer starken Vermischung
des bereits anhydrierten ersten Teilstroms mit dem noch unhydrierten zweiten Teilstrom beitragen.
Durch die geschilderte Verfahrensführung gelingt es somit, den gesamten frischen Kohlebrei ohne den Einsatz
von Regeneratoren und fremdbeheizten Vorerhitzern auf die Anspringtemperatur der Hydrierung zu erwärmen.
Falls es in besonderen Fällen, z. B. bei besonders reaktionsträgen
Kohlen oder aus Gründen der Temperaturregelung, doch einmal erforderlich sein sollte, der Reaktionszone
zusätzliche Wärme zuzuführen, dann kann dies in einfacher Weise durch stärkere Erwärmung des
Frischwasserstoffs im Ofen 20 erfolgen.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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Claims (6)
1. Verfahren zum Hydrieren von Kohle, bei dem die Kohle zu einem Brei verrührt, der Kohlebrei auf
Reaktionsdruck gepumpt, auf die Anspringtemperatur der Hydrierung erhitzt und dann in Gegenwart
von Wasserstoff in einer Reaktionszone der katalytisch
beschleunigten Hydrierung unterzogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der auf
Druck gepumpte Kohlebrei in einen ersten und einen zweiten Teilstrom aufgeteilt der Reaktionszone
zugeführt wird, wobei der erste Teilstrom außerhalb der Reaktionszone im Wärmetausch mit gas- und
dampfförmigem Hydrierprodukt und der zweite Teilstrom innerhalb der Reaktionszone durch Übertragung
der in der Reaktionszone erzeugten exothermen Oberschußwärme auf die Anspringtemperatur
der Hydrierung erhitzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der erste Teilstrom nach seiner Erhitzung auf die Anspringtemperatur der Hydrierung
zusammen mit heißem Wasserstoff dem unteren Bereich der Reaktionszone zugeführt wird, während
der zweite Teilstrom an mindestens einer, oberhalb der Zuführung des ersten Teilst* oms gelegenen Stelle
in die Reaktionszone eingespeist wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Teilstrom über mehrere
übereinander angeordnete Zweigleitungen im Bereich der stärKSten exothermen Wärmeerzeugung in
die Reaktioaszone eingespeist «,ird.
4. Verfahren nach der. Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im υ :ieren Bereich der
Reaktionszone Einrichtungen zur innigen Vermischung der beiden Teilströme vorgesehen sind.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhitzung des ersten
Teilstromes im direkten Wärmetausch mit dem heißen gas- und dampfförmigen Hydrierprodukt erfolgt,
wobei dieser zunächst innig mit dem Hydrierprodukt vermischt wird, dann aus dem entstehenden
Gemisch aus Gasen bzw. Dämpfen, Flüssigkeiten und Feststoffen die Gase und Dämpfe abgetrennt
werden und anschließend die verbleibende Mischung aus Flüssigkeiten und Feststoffen der Reaktionszone
zugeführt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Teilstrom etwa
50 bis 70 Gew. -% des gesamten der Hydrierung zuzuführenden Kohlebreis umfaßt.
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