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Verfahren zur Entwässerung und Veredelung von wasserhaltigen Materialien
mit kolloidalen Eigenschaften, insbesondere von Torf und Braunkohle Das Verfahren
befaßt sich mit der Entwässerung und Veredlung von wasserhaltigen Materialien, in
denen das Wasser kolloid festgehalten wird, insbesondere von Brennstoffen, wie Torf
und Braunkohle. Torf enthält bis zu 9o °o und Braunkohle bis zu 6o °/o Wasser.
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Die bisher für diesen Zweck vorgeschlagenen Verfahren beruhen in den
meisten Fällen darauf, daß durch Erhitzen, vorzugsweise durch direkte Einwirkung
von Druckdampf, das Kapillargefüge des Naßgutes verändert und dadurch die wasserbindenden
Kräfte geschwächt bzw. aufgehoben werden. Durch den Erhitzungsprozeß wird der Brennstoff
auspreßbar.
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Die auf Erhitzen und Pressen beruhenden Verfahren werden im allgemeinen
derart ausgeführt, daß das zu trocknende Material der direkten Einwirkung von Druckdampf,
gegebenenfalls unter Zusatz von wasserabstoßenden Stoffen, ausgesetzt und anschließend
gepreßt wird. Zwecks Energieeinsparung ist in jüngerer Zeit ein Verfahren vorgeschlagen
worden, bei dem das aus Behandlung mit Dampf und Pressen bestehende Verfahren mehrstufig
unter Anwendung von steigendem Druck und steigender Temperatur von Stufe zu Stufe
ausgeführt wird, wobei ausgepreßtes heißes Wasser und das Kondenswasser aus den
nachfolgenden Stufen in der vorhergehenden Stufe Verwendung finden.
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In der ersten Stufe wird der Torf mit etwa 130
°/o heißem Wasser
vermischt, das aus der folgenden Stufe stammt, und die Mischung daraufhin gepreßt.
In der nachfolgenden Stufe erfolgt das Pressen unter Erhitzen des Torfes mit Preßdampf
aus der nächsten Stufe, d. h. Rückdampf, und in weiteren Stufen wird Frischdampf
höheren Druckes angewandt unter anschließendem Pressen bei ebenfalls erhöhtem Druck.
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Den bisher vorgeschlagenen und zum Teil auch angewandten Verfahren
hängen erhebliche Nachteile an. Diese liegen im wesentlichen in dem hohen
Energie-
und Wärmeaufwand und in der apparativen Ausführung. Sie haben aber praktisch kaum
Verwendung gefunden, sondern nach wie vor trocknet man den Torf in uralter Weise,
indem man das ausgestochene Material in Fladen aufschichtet, wendet und wartet,
bis das Wasser an der Luft zum großen Teil verdunstet ist. Dazu gehören große Flächen
und wiederholte Handarbeit, und man gelangt nur zu einem minderwertigen Brennmaterial,
das nur als Feuerungsmaterial Veiwendung finden kann. Im allgemeinen jedoch liegt
der Torf unverwertet vor in großen Lagerstätten, die viele Millionen Hektar in Deutschland,
viele hundert Millionen Hektar auf der Erde überziehen und die für die heutigen
Ansprüche menschlicher Kultur weder industriell noch landwirtschaftlich verwertbar
sind.
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Es ist nun weiterhin schon vorgeschlagen worden, den Torf zu zerkleinern
und in Form eines Breies, gegebenenfalls unter Zusatz von Wasser, auf Temperaturen
von etwa 25o bis 300° zu erhitzen. Hierbei werden Drucke angewandt, bei denen das
Material sich in wäßrig-flüssiger Phase befindet. Durch diese Erhitzung wird die
Kolloidnatur der Trockensubstanz zerstört, und außerdem findet ein der Inkohlung
ähnlicher Vorgang statt. Dieser Vorgang besteht bei den genannten Brennstoffen in
einer Decarboxylierung organischer Säuren (C OZ Abspaltung) und in einer Abspaltung
von Hydroxylgruppen in Form von Wasser (Dehydratisierung) und gegebenenfalls in
einer geringen Abspaltung von vorzugsweise gasförmigen Kohlenwasserstoffen. Bei
den geschilderten Vorgängen erleidet das Material in der flüssig-wäßrigen Phase
eine Lösung des Zellenverbandes zu kleinfaserigen, staubfeinen, im trockenen Zustand
rußig anfärbenden Teilen, von denen das Wasser durch - Filtration oder Zentrifugieren
abgetrennt werden kann.
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Obwohl dieses Verfahren bereits eine weitgehende Durcharbeitung auch
hinsichtlich der wärmewirtschaftlichen Probleme gefunden hat mit dem Ziel der technischen
Verwertung dieses Weges zur Aufarbeitung und Verwertung von Torf, hat es sich in
der Praxis nicht durchsetzen können, und noch. heute wird Torf ausschließlich durch
Luft getrocknet.
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Die Dringlichkeit der Torfverarbeitung auf kürzerem Wege, als die
Lufttrocknung es gestattet, erkennend, hat die Erfindung sich um weitere Maßnahmen
bemüht, die die Trocknung durch Erhitzen möglich machen. Als wesentlich wurde erkannt,
daß die Trennung der festen und flüssigen Anteile bei der Erhitzungstemperatur erfolgen
muß, damit einerseits die Ausdampfung von Restwasser aus dem Festanteil durch Verdampfung,
d. h. Druckentlastung, gegebenenfalls unter Vakuum erfolgen und ferner das Filtrat
ohne Wärmeverlust wirksam als Wärmequelle für das aufzuheizende Frischmaterial dienen
kann. Schließlich sollen die entstehenden Gase unmittelbar einer Energieerzeugung
zugeführt werden.
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Die Aufarbeitung des Festanteils einerseits, die Verwertung des Filtrats
andrerseits hängen unmittelbar zusammen mit der Art der Trennung der festen und
flüssigen Bestandteile, d. h. mit der Trennungstemperatur, nachdem der aufgeschlämmte
Torf durch Erhitzen entwässert und decarboxyliert worden ist. Im einzelnen wird
das neue Verfahren wie folgt durchgeführt: Der Torf bzw. die Braunkohle wird nach
Zerkleinerung in Wasser aufgeschlämmt. Diese Aufschlämmung wird durch ein System
von Röhren oder Behältern mit ansteigenden Temperaturen bis etwa 25o bis 300°, je
nach Art des Materials und seinen kolloiden Eigenschaften auch niedriger, unter
den den Temperaturen entsprechenden Drücken gepumpt, derart, daß die Erwärmung in
flüssig-wäßriger Phase stattfindet.
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Nach Durchgang durch das Erhitzersystem läuft die Aufschlämmung bei
der Erhitzungstemperatur über eine Trennvorrichtung, wie Zentrifugen, Trommelfilter,
Zellenfilter oder andrer zweckmäßiger Vorrichtungen, die eine Trennung von Fest-Flüssig
durchführen. Das abfließende heiße Filtrat gibt anschließend im Gegenstrom seine
Wärme an die in die Erhitzungsvorrichtung eingespeiste, fiiSCheAUfSCldämmung ab,
wobei es je nach Bedarf auf 7o bis 95° und darunter abgekühlt wird. Mit dieser Temperatur
wird es zum Aufschlämmen von frischem zu entwässerndem Material verwendet und auf
diese Weise im Kreislauf zurückgeführt. Die überschüssige Wärme des Filtratanteiles
findet anderweitig Verwendung.
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Die auf dem Filter abgetrennte Festsubstanz wird in heißem Zustand
mittels Transportvorrichtungen, wie Gatschpumpen, Transportschnecken, Transportbändern,
Transporttrögen und anderen zweckentsprechenden Vorrichtungen, abgeführt und in
Sammelbehälterngesammelt, in welchen stufenweise derDampf abgelassen und zur Arbeitsleistung
Verwendung findet. Je nach dem Dampfdruck hat man es in der Hand, den Wassergehalt
des heißen Festmaterials auf io bis 25 °/o und darunter, wie er zur Weiterverarbeitung
des Materials, z. B. Brikettieren, erforderlich ist, einzustellen, gegebenenfalls
durch Anwendung von Unterdruck als Endstufe.
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Bei dieser Arbeitsweise wird die zur Erhitzung der Aufschlämmung aufgewandte
Wärme zur Aufheizung der in die Anlage gepumpten frischen Aufschlämmung weitgehend
wiedergewonnen, und in der Erhitzeranlage ist nur die Spitze zur Erreichung der
erforderlichen oder gewünschten Höchsttemperatur durch direkte Heizung oder anderweitige
Wärmezufuhr zu decken.
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In energiewirtschaftlicher Beziehung kann das vorliegende Verfahren
noch dadurch verbessert werden, daß vor der Zerlegung der erhitzten Aufschlämmung
in ihre festen und flüssigen Anteile bei optimaler Temperatur eine Teilverdampfung
zwecks Gewinnung von Druckdampf vorgenommen wird. Diese Maßnahme kann auch notwendig
werden, um infolge eintretender exothermer Prozesse Wärme abzuführen bzw. die Temperatur
konstant zu halten.
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Bei der Energiegewinnung aus dem Druckdampf durch Kondensation werden
die Gase, die bei den Erhitzungsvorgängen entstanden sind, frei, und ihre fühlbare
Wärme kann zur Vorwärmung des für den Umwandlungsprozeß vorgesehenen Materials verwandt
werden.
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Die zur Entwässerung und Zerstörung der kolloiden Eigenschaften des
Materials erforderlichen Endtemperaturen
richten sich nach der
Natur des zu behandelnden Materials. Bei jüngeren Torfen genügen Temperaturen von
19o bis 2oo°, bei älteren Torfen, besonders dann, wenn sie aschearm sind, sind Temperaturen
von etwa 300° und höher erforderlich. Bei stark wasserhaltigen Braunkohlen liegt
das erforderliche Temperaturgebiet in ähnlichen Grenzen.
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Bei einer Torfprobe betrug die Ausbeute an Trockenprodukt bei einer
Behandlungstemperatur 2oo° rund 95 °/o der Trockensubstanz des Rohtorfes. Bei weiterem
Temperaturanstieg begann dann die Decarboxylierung durch Abspaltung von C02, wobei
gegen Ende der Decarboxylierung auch geringe Mengen Methan abgespalten wurden. In
dem Temperaturgebiet von 25o bis 26o° wurde eine vollständige Decarboxylierung erhalten.
Das abgespaltene Gas betrug bei 25o° Zoo 1, auf Z kg angesetzte Trockensubstanz
bezogen, und bestand aus 99,5 Volumprozent C02 und o,5 Volumprozent CH" und
bei 26o° wurden Z52 1 Gas je Kilogramm Trockentorf abgespalten, bestehend aus 95
Volumprozent CO, und 5 Volumprozent CH,.
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Bei einer anderen Modertorfprobe war die CO,-Abspaltung erst bei 27o°
beendet, und bis 300° trat in der Hauptsache eine zusätzliche Abspaltung von Methan
auf, derart, daB der Methangehalt bei dieser Temperatur bis zu io Volumprozent im
Gesamtgas angewachsen war.
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Die Ausbeuten an decarboxyliertem Endprodukt liegen bei Torf zwischen
5o bis 68 Gewichtsprozent, bezogen auf angesetzten Trockentorf.
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Beispiel Z Erhitzung der Aufschlämmung eines Fasertorfes auf 265°
in flüssig-wäßriger Phase Ansatzmischung: Zoo Gewichtsanteile Rohtorf -f- Zoo Gewichtsanteile
Anmaischwasser Elementarzusammensetzung
| von Trockentorf des decarboxylierten |
| Produktes |
| C 43,9 Gewichtsprozent 57,9 Gewichtsprozent |
| H 56 - 7,1 - |
| 0 39,7 - 18,5 - |
| N 1,7 - 2,0 - |
| Asche 9,1 - 14,5 - |
Ausbeute an Endprodukt 62,7 Gewichtsprozent, bezogen auf angesetzten Trockentorf.
| Massenbilanz |
| i kg Trockentorf o,627 kg Endprodukt |
| bestehend aus bestehend aus Abspaltung von i kg Trockentorf |
| 439 g C 363,o g C 76,o g C als 269,5 g C02 |
| 56g H 44,5 9 H 11,5 g H - 3,5 9 C H4 |
| 39790 116,o g 0 281,o g 0 - 95,4 g 1120 |
| 17g N 12,6gN _ 4,6gN - _4,6gN |
| 91 g Asche 9o,9 g Asche 373,0 g Substanz |
Als Gas wurden abgespalten: 148 1 (o°, 76o mm) bestehend aus:
| 92 Volumprozent CO, |
| 3 - C H4 |
| 5 _ N2 |
| Zoo Volumprozent |
Oberer Heizwert des Endproduktes 67oo kcal/kg, oberer Heizwert des trockenen Ausgangstorfes
478o kcal/kg; Ausbeute an Heizwert bezogen auf den Einsatz:
| o,627 - 6700 - 100 |
| 478o = 87,90/0 als hochwertige |
| Im Gas sind als Methan Torfkohle. |
| 0,8% |
| 88,7°/o insgesamt. |
Danach ist der Gesamtvorgang der Decarboxylierung, der Dehydratation und Abspaltung
von Kohlenwasserstoffen (insbesondere Methan) exotherm.
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Der Aschengehalt des Ausgangsmaterials wirkt sich sowohl auf die Zerstörung
der kolloiden Eigenschaften und damit auf die Entwässerung als auch auf die Decarboxylierung-Dehydratation
günstig aus, besonders insofern, als die erforderlichen Behandlungstemperaturen
sinken und die Reaktionsgeschwindigkeiten wachsen. Diese Tatsache zeigt das folgende
Beispiel 2, welches einen Modertorf von nur 0,4 Gewichtsprozent Aschengehalt betrifft
und bei welchem die Behandlungstemperaturen gegenüber Beispiel i um etwa 30° gesteigert
werden muBten.
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In diesem günstigen Sinne wirken auch Gehalte des Aufschlämmwassers
an löslichen Salzen der Alkalien, Erdalkalien und Schwermetalle. Ebenso wirken anorganische
Säuren, die jedoch zur Korrosion führen.
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In diesem wachsenden Salzgehalt liegt auch der Vorteil bei Wiederverwendung
des Aufschlämmwassers.
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Beispiel 2 Erhitzung der Aufschlämmung eines Modertorfes auf 300°
in flüssig-wäßriger Phase Ansatz: Zoo Gewichtsteile Rohtorf + Zoo Gewichtsteile
Anmaischwasser Elementarzusammensetzung
| von Endprodukt: |
| Ausgangstrockentorf |
| Torfkohle |
| 48,3 Gewichtsprozent C 70,8 |
| 6,1 - H 5,2 |
| 43,2 - 0 21,8 |
| 2,0 - N 1,5 |
| . |
| 0,4 - Asche 0,7 |
| Zoo,o |
Ausbeute an Endprodukt (Torfkohle) 59,9 Gewichtsprozent, bezogen auf eingesetzten
Trockentorf.
| Massenbilanz |
| x kg o,599 kg Abspaltung aus x kg |
| Trockentorf |
| Torfkohle |
| Trockentorf |
| 483 9 C 424,19 C Ials 167,9 9 C02 |
| 58,9 g Cj - o,8 g C"Hm |
| l - 16,5 g CH4 |
| 61 g H 31,2 g H 29,8 g H als 3,2 g H2 |
| 43290 130,790 30i,3 g 0{ - 20r,6 g H20 |
| 2ogN g,ogN 11,89N - 11,ogN |
| 4 g Asche ` 4,0 g Asche |
| 599,09 I 401,09 401,0 g Substanz |
Als Gas wurden abgespalten 101,31(o', 76o mm)/kg, bestehend aus:
| g2,1 Volumprozent CO, |
| o,8 - Cn H",, |
| 3,4 - H2 |
| 1,6 - CH4 |
| 2,0 - N2 |
Oberer Heizwert der Torfkohle 7¢56 kcal/kg, oberer Heizwert des trockenen Ausgangstorfes
4885 kcal/kg; Ausbeute an Heizwert als Torfkohle bezogen auf eingesetzten Trockentorf:
Hierzu kommt die Verbrennungswärme des entwickelten Gases mit o,86°/0 des Heizwertes
des eingesetzten Trockentorfes; insgesamt sind also g2,280/0 in den Reaktionsprodukten
enthalten, d. h. daß bei dieser Veredlung des Torfes das Defizit gegenüber dem eingesetzten
Trockentorf von 378 kcal/kg als Reaktionswärme entwickelt wurde.
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Die durch diese Art der Veredlung gewonnene Torfkohle und veredelte
Braunkohle fallen in feiner pulvriger, blättriger, bei Braunkohle mehr feinkörniger
Struktur an und sind vollwertigen Steinkohlen im Heizwert äquivalent. Gegenüber
diesen zeichnen sie sich durch eine große Reaktionsfähigkeit aus.
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Nach teilweiser (bis auf etwa 1o bis 2o Gewichtsprozent Wassergehalt)
oder vollständiger Trocknung eignen sich die erhaltenen Endprodukte vorzüglich.
zur Staubvergasung und mit dem genannten Wassergehalt zur Brikettierung. Das trockene
Endprodukt eignet sich auf Grund seiner Reaktionsfähigkeit und der erfolgten Abspaltung
des größten Teiles des Sauerstoffgehaltes in Form von Kohlendioxyd und Wasser hervorragend
zur Hydrierung und dadurch zur Überführung in flüssige, aliphatische und zyklische
Kohlenwasserstoffe zur Verwendung als Kraftstoffe, Treibstoff, Heizöl und Schmieröle.
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Durch Brikettierung des Endproduktes mit Feuchtigkeitsgehalten von
etwa 15 bis 25 Gewichtsprozent, je nach der Natur des zur Veredlung eingesetzten
Ausgangsmaterials, werden feste und dauerhafte Briketts erhalten, die als solche
Verwendung finden oder zur Vergasung in Generatoren sowie zur Entgasung und Verkokung
in Verkokungsöfen hervorragend geeignet sind. Bei der Verkokung entsteht aus diesen
Briketts ein harter und sehr fest gefügter, stückiger Koks neben einer großen Ausbeute
an Gas, das einem hochwertigen Stadtgas in allen Eigenschaften äquivalent ist. Bei
Fasertorf und mulmiger Braunkohle als Ausgangsmaterialien entsteht aus den gewonnenen
Endkohlen bei der Verkokung praktisch kein Teer. Beispiel 3 Entgasung von Torfkohle
aus Fasertorf nach der Laboratoriumsmethode von Geipert
| Analyse der Versuchstorfkohle: 1 Gewichtsprozent |
| Feuchtigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . 2,5 |
| Aschengehalt . . . . . . . . . . . . . . . . 6,5 |
| Reinkohle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . g1,0 |
Oberer Heizwert 631o kcal/kg. Verkokung nach Geipertbeilloo' (Mittelwerte aus drei
Versuchen).
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Koksausbeute: 50,5 Gewichtsprozent mit 13,70/0 Asche, Beschaffenheit:
Fest, gebacken unter Beibehaltung der Brikettform mit metallisch glänzenden Bruchflächen.
Oberer Koksheizwert: 6goo kcal/kg.
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Gasausbeute: 49,5 Gewichtsprozent entsprechend 458 1 (o', 76o mm)
pro Kilogramm Torfkohle in luftfreiem Zustande).
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Zusammensetzung
| 7,8 Volumprozent C02 |
| 7,1 - C" Hm |
| 23,2 - C 0 |
| 30,1 - H2 |
| 27,1 - CH, |
| 4,7 - N2 |
| 1oo,o Volumprozent |
Oberer Heizwert (o', 76o mm) 529o kcal/N.m3, unterer Gasheizwert q.810 kcal/Nm3.
Heizwertzahl Ausbeute (Nm3) pro Kilogramm - oberer Gasheizwert (o', 76o mm) o,458
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5290 = 2423 entsprechend
des Kohlenheizwertes in Form von Gas.
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Die 5o,5 Gewichtsprozent Koks mit einem oberen Heizwert von 6goo kcal/kg
repräsentieren, auf 1 kg Torfkohle bezogen, 0,505 - 6goo = 3484,5 kdal/kg oder 55,20/0
des Kohleheizwertes in Form von Koks.
Zusammen sind demnach bei
der Verkokung in Form von Gas und Koks 93,6°/o des Kohleheizwertes bei der thermischen
Zersetzung nachgewiesen worden. Der zu ioo °/o fehlende Betrag ist zur Deckung der
fühlbaren Wärme von Gas und Koks bei der Verkokung aufgewendet worden.
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Hierbei ist das Entgasungsgas in Ausbeute und Eigenschaften in Vergleich
zu einer richtigen Gaskohle als hervorragend zu bezeichnen, während die Ausbeute
an Koks zwar mengenmäßig geringer, aber in der Qualität gleichwertig ist.
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Bei großen Mooren und bei Braunkohlenvorkommen ist die Aufstellung
einer Anlage zur Ausführung des beschriebenen Verfahrens mit und ohne Brikettieranlage
wirtschaftlich gerechtfertigt.
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Bei verstreut liegenden kleinen Mooren ermöglicht das beschriebene
Verfahren die Torfmassen in eine pumpbare Aufschlämmung überzuführen und zu einer
zentralen Anlage zu pumpen, die ihrerseits zweckmäßig so einzurichten ist, daß sie
ohne Schwierigkeiten an einen anderen Standort gesetzt werden kann.