DE2558533A1

DE2558533A1 - Verfahren zur vergasung und verbrennung von kohleteilchen

Info

Publication number: DE2558533A1
Application number: DE19752558533
Authority: DE
Inventors: Charles William Albright; Hubert Greenidge Davis; Jun John Johnson Potter; Carl Edwin Strick
Original assignee: Union Carbide Corp
Current assignee: Union Carbide Corp
Priority date: 1974-12-27
Filing date: 1975-12-24
Publication date: 1976-07-01
Also published as: TR19176A; BR7508640A; ES443885A1; JPS5189503A; AU8788075A; RO72183A; DD121951A5; ZA757405B; GB1529849A; CA1070948A; FR2296003A1; BE837092A; JPS543161B2; PL106251B1; US3988237A

Description

"Verfahren zur Vergasung und Verbrennung von Kohleteilchen"
beanspruchte Priorität: 27. Dezember 1974, Mr. 536,791 V.St.A.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vergasung und Verbrennung von Kohleteilchen.

Der zunehmende Energiebedarf hat die Aufmerksamkeit wieder auf den fossilen Brennstoff Kohle gelenkt, da diese in vielen Ländern in verhältnismäßig großem Überschuß vorhanden ist und wegen des potentiellen Wertes der Kohle nach Umwandlung in nützlichere
Energie- und Zuspeisungsmaterialien. Um Kohle auf wirtschaftliche und wirksame Weise in nützliche Produkte umzuwandeln, sind verschiedene Verfahren entwickelt worden.

Bei Carbonisierungsverfahren wird Kohle in einer inerten Atmosphäre verkokt und dabei werden ungefähr 10 bis 15 Gewichtsprozent bezogen auf die Kohlezuspeisung, flüssiges Produkt und ungefähr 70 bis 75 Gewichtsprozent einer festen verkokten Kohle herge-

6 0 9 8 2 7 / 1 0 Q 3 _miaiHM_ _INSPECTED

stellt. Die niedrige Ausbeute und schlechte Qualität dieser Produkte machen sie jedoch wirtschaftlich unvorteilhaft. Der gesamte Einheitsheizwert des festen verkokten Kohleprodukts und aller gasförmigen und flüssigen Produkte ist niedriger als der Heizwert der zugespeisten Kohle.

Zur Umwandlung des größten Teils der Kohle in ein flüssiges Produkt werden Hydrierungsverfahren-eingesetzt. Bei diesen Verfahren wird ein rückführbares "Anteigöl" für Jas am Anfang des Verfahrens durchgeführte Lösen oder Aufschlämmen der Rohkohle verwendet. Die Kohleaufschlämmung üblicherweise ein Katalysator in öl werden in Gegenwart von Wasserstoffgas bei 450 bis 550⁰C und Drücken von ungefähr l40,62 bis 703,08 at erhitzt. Dabei müssen bis zu zwischen 20 und 30 % der fein verteilten, nicht umgesetzten Kohle und Asche abfiltriert oder auf andere Weise von dem schweren, viskosen primären ölprodukt abgetrennt werden. Obwohl solche Verfahren wegen der erheblichen Vergrößerung der Menge an gewonnenen flüssigen Produkten erfolgreich verlaufen, sind sie bisher wegen der im Vergleich zu den hergestellten Produkten zu hohen erforderlichen Kapital- und Betriebskosten und insbesondere wegen des zu hohen WasserstoffVerbrauchs wirtschaftlich nicht annehmbar. Sie werden nur in besonderen wirtschaftlichen Situationen in Betracht gezogen, in denen andere Energiequellen, wie Rohöl, teuer oder nicht zugänglich sind. Andere Verfahren sind auf die vollständige Vergasung der Kohle ausgerichtet. Die vollständige Kohlevergasung erfordert jedoch einen hohen Wasserstoffverbrauch und ist schwierig und nur unter hohen Kosten durchzuführen.

Hydrierende Carbonisierungsverfahren, bei denen Kohle in Gegen-

609827/1003

wart von Wasserstoff carbonisiert wird, werden zur Herstellung von gasförmigen und flüssigen Produkten eingesetzt. Diese Verfahren werden jedoch im allgemeinen absatzweise durchgeführt und lassen sich offensichtlich nicht in kontinuierliche Verfahren umwandeln. In der US-PS J5 2^1 4-86 wird beschrieben, daß eine subbituminöse Kohle (Elkol-Kohle) in Gegenwart von V/asser st off in einem Fließbett unter milden Betriebsbedingungen carbonisiert werden kann. Die US-PS 2 6j>h 286 lehrt , daß in einer trockenen Hydrierungszone, die auf einem Druck von 17*58 bis 105,46 at gehalten wird, verkokte Kohleteilchen gebildet werden, die sich zur Herstellung von hochwertigem Synthesegas eignen, indem man sie direkt in eine auf einem Druck von ungefähr 21,09 bis 42,19 at gehaltene Vergasungszone überführt. Es ist jedoch immer noch Ziel erheblicher Forsehungsanstrengungen, ein wirksames, wirtschaftliches und kontinuierliches Verfahren zur Herstellung von gasförmigen und flüssigen Kraft- und Brennstoffen zur Verfügung zu stellen.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung gasförmiger und flüssigarKraft- und Brennst off produkte aus Kohle in wirksamer, wirtschaftlicher und kontinuierlicher Weise zur Verfügung zu stellen. Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, das Verfahren ungewöhnlich vorteilhafter durchzuführen, indem man die Vergasung und die hydrierende Carbonisierung in einem integrierten Verfahren durchführt. Wieder ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Verfugung zu stellen, mittels dessen sich als Nebenprodukt erhaltene verkokte Kohle bei erhöhten Drücken vergasen läßt und dadurch der Wasserstoff gewonnen wird, der für die Aufrechterhal-

609827/10U3

tung der Pluidisierung und der Reaktion in der Zone für die hydrierende Carbonisierung erforderlich ist.

,sich

Der Erfindung liegt zugrunde, daß/ein Verfahren für die hydrierende Carbonisierung, wie es in "Process for the Continuous Hydrocarbonization of Coal" beschrieben ist, mit einem Vergasungsverfahren, wie dem in der US-PS 3 171 369 beschriebenen Verfahren, integrieren läßt und daß auf di-ese Weise erhebliche Vorteile erzielt werden. Beim vorgenannten Verfahren zur hydrierenden Carbonisierung werden Kohleteilchen in einem in dichter Phase vorliegenden Strom mit hoher Geschwindigkeit in" praktisch senkrechter Richtung von unten nach oben in den unteren Teil einer Fließbett-Reaktionszone für die hydrierende Carbonis ierung eingeleitet, mit Wasserstoff umgesetzt und auf diese V/eise verkokte Kohle, gasförmige und flüssige Produkte hergestellt. Die Reaktion wird bei Temperaturen von ungefähr 480 bis ungefähr 600°C , Wasserstoffpartialdrücken von ungefähr 7*03 bis ungefähr 84,37 at und mittleren Verweilzeiten von ungefähr 5 bis ungefähr 60 Minuten durchgeführt. Die Reaktion wird in einem Kohle und die als Verfahrensrückstand erhaltene verkokte Kohle enthaltenden Fließbett durchgeführt, welches durch ein Gas fluidisiert wird. Als fluidisierendes Gas wird Wasserstoff oder ein wasserstoffreiches Gas verwendet.

In der US-PS 3 171 369 wird ein Verfahren zur Verbrennung und Vergasung von festen Kohleteilchen in zwei gesonderten, miteinander verbundenen Zonen beschrieben. Die Teilchen werden in eine Verbrennungszone eingeleitet und unmittelbar mit Luft zu Ascheteilchen verbrannt. Diese heißen feinen Ascheteilchen werden im Reak-

609827/1003

tionsbett zu größeren Aseheteilchen aggregiert, die auf einer solchen Temperatur gehalten werden, daß sie eine leicht klebrige Oberfläche aufweisen. Eine praktisch kohlefreie agglomerierte Asche wird aus der Verbrennungszone abgezogen und in eine Fließbett-Vergasungszone eingespeist. Außerdem wird ein praktisch feststofffreies Gas aus der Verbrennungszone abgezogen. Feste Kohleteilchen werden in die Vergasungszone eingespeist, die mit Dampf fluidisiert wird. Die heißen agglomerierten Ascheteilchen aus der Verbrennungszone werden von oben nach unten durch die Vergasungszone geführt und übertragen ihre fühlbare Wärme auf das Fließbett aus den Kohleteilchen und den Dampf in der Vergasungszone, wodurch die für die Vergasungsreaktion erforderliche Wärme zur Verfügung gestellt wird. Die Vergasung der festen Kohleteilchen findet bei Temperaturen von ungefähr 800 bis ungefähr 1000°C und die Verbrennung bei Temperaturen von ungefähr 1000 bis ungefähr 1200⁰C statt. Die festen Kohleteilchen aus der Vergasungszone werden zur Verbrennungszone zurückgeführt. Die Vergasungsund Verbrennungszonen können gegebenenfalls bei erhöhten Drücken betrieben werden.

Es wurde nun gefunden, daß ein solches hydrierendes Carbonisierungsverfahren symbiotisch mit einem Vergasungsverfahren unter Agglomerierung der dabei gebildeten Asche integriert werden kann, wie es in der US-PS 3 171 J569 beschrieben wird, wodurch die Ver-Wendung der Wärme, des Abwassers /die Herabsetzung der Gasabtrennung-und der Reinigungskosten auf vorteilhafte und einzigartige Weise kombiniert werden. Verunreinigungsabwasser aus der hydrierenden Carbonisierungsstufe kann dabei auf wirksame V/eise in der Vergasungsstufe verwendet werden. Die Abtrennung des Pro-

609827/10 ü 3

duktgases sowohl in der Stufe der hydrierenden Carbonisierung als auch bei der Vergasung kann in einer Stufe zusammengefaßt werden. Die bei der Vergasung auftretende Abhitze kann auf wirtschaftliche Weise zum Vorerhitzen der Zuspeisungsströme zum für die hydrierende Carbonisierung verwendeten Reaktor eingesetzt werden.

Die Erfindung betrifft demgemäß ein Verfahren zur Vergasung und . Verbrennung von verkokten Kohleteilchen, das dadurch gekennzeicnnet ist, daß in einer ersten Fließbett-Reaktionszone Kohleteilchen mit Dampf bei erhöhten Temperaturen und Drücken von ungefähr

verkokten 10,55 bis ungefähr 70,31 at zu modifizierten/Kohleteilchen und

einem ersten wasserstoffreichen Gasprodukt vergast werden, daß in

einer zweiten Fließbett-Reaktionszone, die mit der ersten Reaktiverkokten onszone verbunden ist, die in dieser gebildeten modifizierten / Kohleteilchen mit Luft bei einer Temperatur verbrannt werden, die für die Bildung von klebrigen Ascheteilchen ausreicht, die zu größeren Ascheteilchen aggregieren, daß die größeren Ascheteilchen aus der zweiten Reaktionszone als Wärmequelle für die in der ersten Reaktionszone für die Vergasungsreaktion erforderliche Wärme verwendet werden, indem man die Ascheteilchen von oben nach unten durch die erste Reaktionszone führt, wobei sie ihre fühlbare Wärme an die Kohleteilchen und den Dampf abgeben und daß dabei

(a) Kohleteilchen mit einem nicht oxydierenden Gas zu einer dichten Phase fluidisiert werden;

(b) die fluidisieren Kohleteilchen mittels eines wasserstoffreichen Gases mit Druck beaufschlagt werden;

(c) die Kohleteilchen in der dichten Phase in einer praktisch

609827/1003

sauerstoffreien Atmosphäre auf eine erste vorbestimmte Temperatur vorerhitzt werden, die unter der Temperatur liegt, bei der dje Kohleteilchen plastisch umgewandelt werden;

(d) eine dritte Fließbett-Reaktionszone für die hydrierende Carbonisierung mit einer zweiten vorbestimmten Temperatur zwischen 480 und 600 c zur Verfügung gestellt wird, die eine Matrix aus bei der zweiten vorbestimmten Temperatur nicht agglomerierenden Teilchen enthält, die mittels eines Wasserstoffreichen, sauerstofffreien Gases mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 3,05 bis ungefähr 16,94 cm» sek fluidisiert wird;

(e) die Kohleteilchen und ein wasserstoffreiches, sauerstofffreies Gas kontinuierlich in den unteren Teil der dritten Reaktionszone praktisch senkrecht von unten nach oben mit einer Geschwindigkeit eingespeist werden, die bei der ersten vorbestimmten Temperatur für die schnelle und einheitliche Dispersion der Kohlteilchen in der Matrix ausreicht;

(f) die zur Vergasung in der ersten Reaktionszone bestimmten verkokten Kohleteilchen, sowie ein kondensierbares Dampfprodukt hergestellt werden, wobei die hydrierende Carbonisierung bei der zweiten vorbestimmten Temperatur und einem Wasserstoffpartialdruck von 7,03 bis 84,37 at durchgeführt wird und daß eine mittlere Verweilzeit der festen Teilchen in der Zone für die hydrierende Carbonisierung von ungefähr 5 Minuten bis 60 Minuten angewendet wirdj

ig) die verkokten Kohleteiichen bei den vorbeschriebenen Reaktionsaus temperaturen und das kondensierbare Dampfprodukt kontinuierlich⁷

609827/1003

der betreffenden Reaktionszone abgezogen werden;

-verkokten
(h) die⁷ Kohleteilchen kontinuierlich in die erste Reaktionszone

zur Vergasung mit Dampf zugespeist werden;

(i) der kondensierbare Dampf im kondensierbaren Dampfprodukt zu einem oberhalb 200⁰C siedenden öl kondensiert wirdj und

(j) ein leichtes, unterhalb JfO⁰O siedendes öl und ein zweites wasserstoffreiches Gasprodukt vom kondensierbaren Dampfprodukt abgetrennt werden.

Kohleteilchen und insbesondere zusammenbackende, aufquellende oder agglomerierende Kohlen werden bei Erhitzen in einer wasserstoffreichen Atmosphäre klebrig. Sogar nicht zusammenbackende, nicht aufquellende und nicht agglomerierende Kohlen werden klebrig, wenn sie in einer solchen Atmosphäre erhitzt werden. Die Klebrigkeit geht auf ein teerartiges oder plastisches Material zu-

bzw. in des nähe

rück, das durch teilweises Schmelzen oder Zersetzen auf der/ Oberfläche jedes Kohleteilchens gebildet wird. Ein weiteres Erhitzen über eine gewisse Zeitspanne führt zur Umwandlung des teerartigen und plastischen Materials in ein im wesentlichen poröses und festes Material, das nachstehend als "verkokte Kohle" bezeichnet wird. Die Länge dieser Zeitspanne, die im allgemeinen in Minuten beschrieben wird, hängt von der im Einzelfall angewendeten Erhitzungstemperatur ab und ist umso kurzer, ,Ie höher die angewendete Temperatur ist. Unter dem Begriff "plastische Umwandlung" wie er im Verlauf der Patentbeschreibung verwendet wird, wird das vorstehend beschriebene Verfahren verstanden, bei dem die Kohleteilchen insbesondere bei Erhitzen in einer Wasserstoffatmosphäre klebrig und dann im wesentlichen in eine feste verkokte Kohle umgewandelt werden, die eine nicht klebrige Oberfläche aufweist.

609827/1003

Sowohl üblicherweise agglomerierende Kohlen als auch Kohlen, die nur in einer wasserstoffreichen Atmosphäre eine klebrige Oberfläche entwickeln, werden "plastisch umgewandelt"

Agglomerierende oder zusammenbackende Kohlen erweichen teilweise und werden klebrig, wenn sie einige Minuten auf Temperaturen von ungefähr 350 bis ungefähr 500⁰C erhitzt werden. Bestandteile der Kohleteilchen erweichen und aufgrund der Zersetzung der Kohleteilchen entwickelt sich Gas. Klebrige Kohleteilchen, die sich plastisch umgewandelt neigen dazu, auf den meisten Oberflächen, mit denen sie in Berührung kommen, -wie den Wänden oder Leitblechen im Reaktor, und insbesondere an verhältnismäßig kühlen Wänden und Leitblechen, anzuhaften. Außerdem führt das Kontaktieren mit anderen klebrigen Teilchen während der plastiscnen Umwandlung insgesamt zu einem Wacheturn der Teilchen durch Zusammenhaften der klebrigen Teilchen miteinander. Die Bildung und das Wachstum dieser Agglomerate stört die Aufrechterhaltung eines Fließbetts ganz erheblich und ein wesentliches Wachstum der Teilchengröße macht die Aufrechterhaltung der Fluidisierung eines Fließbetts im allgemeinen unmöglich.

Insbesondere die Zugangsöffnungen und die Gasverteilungsplatten bei Fließbett-Kohleumwandlungsverfahren werden dadurch zumindest teilweise verstopft. Außerdem neigen die klebrigen Teilchen auch bei einem nicht übermäßigen Verstopfen zum Anhaften an den 'Wänden des Behälters, in dem der Betrieb durchgeführt wird. Ein anhaltendes allgemeines' Wachstum der Teilchen und die Bildung von Xonglorreratan und Brücken aus mehreren Teilchen, stört den störungsfreien Betrieb und führt sogar häufig zu einer vollstän-

609827/1 0 ü 3

digen Unterbrechung des Betriebs. * ^¹ ^ ° ^ ^ *

Das Agglomerieren von Kohleteilchen beim Erhitzen hängt von den Betriebsbedingungen, wie der Erhitzungsgeschwindigkeit, den erzielten Endtemperaturen, der verwendeten Gasatmosphäre, den verwendeten Kohletypen, der Teilchengröße und dem Gesamtdruck ab. Beim Erhitzen in einer Wasserstoffatmosphäre agglomerieren sogar nicht agglomerierende Kohlen, wie Lignite oder Kohlen bestimmter subbiturainöser Arten und neigen zum Klebrigwerden. Demgemäß wird

das Agglomerieren der Kohleteilchen in einem

Reaktor für die hydrierende Carbonisierung noch verstärkt+ in dem das Erhitzen in Gegenwart einer wasserstoffreichen Atmosphäre zur Bildung einer klebrigen Oberfläche der umgesetzten Kohleteilchen führt. Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird das Agglomerieren der Kohleteilchen jedoch verhindert, indem man diese mit einer Geschwindigkeit in einen Reaktionsbehälter einspeist, die bei einer nicht zur plastischen Umwandlung der Kohle ausreichenden Temperatur zur schnellen und einheitlichen Dispersion der Kohleteilchen in der Matrix aus nicht agglomerierenden Teilchen in der unter Verwendung eines Fließbetts betriebenen hydrierenden Carbonisierungszone ausreicht. Diese nicht agglomerierenden Teilchen enthalten die heißen teilweise umgesetzten Kohle- und verkokten Kohleteilchen in der Pließbettzone für die hydrierende Carbonisierung bei Reaktionstemperaturen.

Erfindungsgemäß tritt der Strom aus fluidisierten Kohleteilchen in die Pließbettzone für die hydrierende Carbonsierung in einem länglichen senkrecht angeordneten Reaktionsbehälter mit einer Geschwindigkeit von mehr als ungefähr 60,96 und vorzugsweise mehr

609827/10Ü3

- - 11 -

als 121,92 m je Sekunde auf die vorbeschriebene Weise ein, wodurch die Agglomerierung des Fließbetts praktisch verhindert wird. Unter "Zone für die hydrierende Carbonisierung" wird in der vorliegenden Patentbeschreibung nachstehend die Stelle verstanden, an der kohlenstoffhaltige, verbrennbare, feste und in manchen Fällen flüssige Teilchen mit Wasserstoff zu verkokter Kohle, flüssigen und/oder dampfförmigen Kraft- bzw. Brennstoffprodukten unter hydrierender Carbonisierung umgesetzt werden. Andere allgemein bekannte Fluidisierungsanlagen oder -verfahren, wie Inneneinrichtungen von Reaktoren, die zur Verbesserung der Zirkulation des Fließbetts führen, eine Oxydierungsstufe oder ein externes Zurückführen der verkokten Kohle aus dem Reaktor, können zusammen mit dem Verfahren zur hydrierenden Carbonisierung ebenfalls angewendet werden.

Die vorbeschriebenen und andere symbiotische Vorteile werden nun anhand der Zeichnung eingehender beschrieben.

Die Zeichnung stellt eine haJtdiagrammatische Ansicht einer zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneten Anlage dar.

Erfindungsgemäß wird auf eine Teilchengröße unterhalb ungefähr 2,32 nun und vorzugsweise unterhalb ungefähr 0,841 mm zerstoßene zermahlene oder auf andere Weise zerkleinerte Kohle als Zuspeisung verwendet. Obwohl die als Zuspeisung verwendete Kohle Wasser enthalten kann, wird sie vorzugsweise in Form einer Kohle mit feuchtigkeitsfreier Oberfläche eingesetzt. Diese Bedingungen erfüllende Kohleteilchen werden nachstehend als "fluidisierbare

609827/10Ü3

Kohleteilchen" bezeichnet. Gegebenenfalls adsorbiertes Wasser wird beim Vorerhitzen verdampft. Außerdem muß gegebenenfalls adsorbiertes Wasser als Teil des inerten Trägergases angesehen werden und darf nicht in so großen Mengen vorhanden sein, daß es zu einer Vergrößerung der Trägergasmenge führt.

Die beim erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Kohle-Zuspeisungsbehälter 10 und 20 können jeweils ein Bett aus Kohleteilchen mit fluidisierbarer Teilchengröße enthalten. Der Kohle-Zuspeisungsbehälter 10 besteht typischerweise aus einem Behälter mit einer verschließbaren Zuspeisungseinrichtung, der praktisch unter Atmosphärendruck steht. Der Kohle-Zuspeisungsbehälter 20 besteht typischerweise aus einem Behälter mit einer verschließbaren Zuspeisungseinrichtung, in dem die fluidisierbare Kohle mit beim Verfahren anfallendem Gas oder mit einem anderen erwünschten Fluidisierungsgas unter Druck gesetzt werden kann.

Der Betrieb der Behälter ID, 20 und 30 kann unter Bezugnahme auf einen typischen Zuspeisungscyclus beschrieben werden. Bei geschlossenen Ventilen 16 und 22 wird der verschließbare Zuspeisungsbehälter 20 über die geöffneten Ventile 12 und 14 praktisch

dem
bei Atmosphärendruck mit Kohle aus/verschließbaren Zuspeisungsbehälter 10 bis auf eine vorbestimmte Höhe gefüllt. Dann wird „ der verschließbare Zuspeisungsbehälter 20 bei geschlossenen Ventilen -12 und 2"2 über die geöffneten Ventile 16 und 18 mit einem vorbestimmten, über dem Druck des Reaktionssystems liegenden Druck beaufschlagt. Die Ventile 12 und 16 werden dann geschlossen und Kohle wird über die geöffneten Ventile 22 und die Leitung 24 in den fluidisierten Zuspeisungsbehälter 30 eingespeist.

6Q9827/10U3

Der Kreislauf über dem verschließbaren Zuspeisungsbehalter 20 wird dann wiederholt. Der vorbeschriebene Kreislauf beansprucht typischerweise eine Zeit von ungefähr 10 bis ungefähr 30 Minuten. Bei geschlossenem Ventil 22 wird fluidisierte Kohle mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit durch Leitung 36 zu den angeschlossenen Einheiten der für das erfindungsgemäiSe Verfahren angewendeten Einrichtung zugespeist.

Es können natürlich auch andere Zuspeisungskreislaufe zu dem fluidisierten Zuspeisungsbehalter eingesetzt werden, die jedoch deshalb hier nicht beschrieben werden, da sie keine Stufen des erfindungsgemäßen Verfahrens darstellen. So können z.B. anstelle der verschließbaren Zuspeisungsbehalter Feststoffpumpen verwendet werden, wie sie in der tjs-PS 3 400 985 beschrieben sind. Bei Verwendung von Peststoffpumpen kann die Kohle mit einem geeigneten Trägergas, wie einem Rückführgas, aus dem Reaktor für die hydrierende Carbonisierung oder Ersatz-Wasserstoff, mit Druck beaufschlagt und absatzweise zu einem Druckbehälter, wie dem fluidisierten Zuspeisungsbehalter 30, zugespeist werden.

Im fluidisierten Zuspeisungsbehalter 30 strömt ein fluidisierendes Gas durch Leitung 34 mit niedriger Geschwindigkeit, die jedoch dazu ausreicht, die fluidisierbare Kohle mit sich zu reissen und sie in einem Strom mit dichter Phase durch Leitung -35 zum Boden des Kohlevorerhitzers 40 zu führen oder direkt durch Leitung" 44, sofern kein Vorerhitzen erforderlich ist. Andererseits kann zusätzliches Gas durch Leitung 35 in Leitung 36 eingeleitet v/erden, und dadurch das Überführen der Kohle in einem Strom mit dichter Phase unterstützt werden. Als Fluidisierungsgas

609827/10 ü 3

- - 14 -

kann ein beliebiges, nicht oxydierendes Gas, wie ein Heizgas, Stickstoff, Wasserstoff oder Dampf, verwendet werden, Vorzugsweise wird jedoch beim Verfahren anfallendes Gas oder zurückgeführtes Produktgas als Fluidisierungsgas verwendet. Unter "dichter Phase" wird in der vorliegenden Patentbeschreibung nachstehend eine Feststoffkonzentration im fluidisierenden Gas von ungefähr 0,096 bis ungefähr 0,72 g/cm-⁵ und insbesondere von ungefähr 0,24 bis ungefähr 0,64 g/cnr verstanden.

Der Kohlevorerhitzer 40 besteht aus einer Einrichtung, in der die fein verteilten fluidisierten Kohleteilchen praktisch in Abwesenheit von Sauerstoff erwünschtenfalls schnell auf eine Temperatur unterhalb der Mindesttemperatur erhitzt werden können, bei der die Kohleteilchen erweichen oder nennenswerte Reaktionen stattfinden. Die höchste zulässige Erhitzungstemperatur beträgt ungefähr 300 bis 420⁰C. Der Strom aus mit Gas fluidisierter Kohle in dichter Phase wird beim schnellen Durchleiten durch einen Vorerhitzer auf höhere Temperaturen gebracht, der ein vorteilhaftes Verhältnis von Heizflächen zum Innenvolumen aufweist. Die Kohle wird im Erhitzer 40 mittels herkömmlicher Wärmeaustauscheinrichtungen auf die erwünschte Temperatur gebracht, wie mittels Strahlungshitze oder eines heißen Abgases, wie in Fig. 1 beschrieben, das über Leitung J58 in den Boden des Erhitzers 40 eingeleitet und über Leitung 42 vom Kopf des Erhitzers 40 abgezogen wird.

Sofern ein direkt beheizter Vorerhitzer verwendet wird, kann dieser durch Verbrennung"eines kleinen Teils der verkokten Kohle aus dem Reaktor für die hydrierende Carbonisierung 50 oder der durch den Vergasungsbehälter SO geleiteten Kohle oder durch Ver-

609827/10Ü3

brennung eines Abgeisstroms oder einer kleinen Menge des Produktgases beheizt werden. Es ist jedoch vorteilhafter, das Vorerhitzen indirekt mittels eines heißen Abgases durchzuführen, das, wie in der Fig. beschrieben, in den Vorerhitzer über Leitung 38 eingeleitet wird. Das Abgas wird aus dem Verbrennungsbehälter 90 oder der Energie-Rückgewinnungseinheit I06 erhalten.

Die Temperatur, auf welche die Kohle vorerhitzt wird, hängt von der Menge an fühlbarer Wärme ab, die für den adiabatischen Betrieb des Reaktors 50 erforderlich ist. Diese Temperatur ist nach oben von dem Wert begrenzt, an dem die Kohle zu erweichen und klebrig zu werden beginnt bzw. von der Temperatur, bei der eine signifikante Verflüchtigung vergasbarer Kohlekomponenten stattfindet. Dies hängt von den Eigenschaften der im Einzelfall verwendeten Kohlezuspeisung ab und im allgemeinen beträgt die obere Grenze der vorbeschriebenen Temperatur ungefähr 300 bis ungefähr 420⁰C. Zusätzliche fühlbare Wärme kann erforderlichenfalls zum Reaktionsbehälter 50 zugeführt werden, indem man die Fluidisierungsgase, wie Rückführgas oder Ersatz-Wasserstoff, vorerhitzt. Es ist jedoch vorteilhafter, die Abhitze des Abgases aus den Einheiten 90 und 106 für diesen Zweck einzusetzen.

Die vorerhitzten fluidisierten Kohleteilchen verlassen den Vorerhitzer 4o über Leitung 44 und werden in den praktisch senkrecht angeordneten und üblicherweise aus einem zylindrischen Behälter bestehenden Reaktor 50 eingespeist. ErfindungsgemäS werden die Kohleteilchen in den unteren Teil einer FIießbett-Reaktionszone im Reaktor 50 durch einen oder mehrere Einlasse eingespeist, die sich am unteren Teil des Reaktors 50 befinden. Vor teilhaft er weise

609827/10 U 3

sind die Einlasse in den Boden des Reaktors 50 in der Nähe der Stelle eingebaut, an der sich die senkrechte Achse des Reaktors 50 mit dem Boden des Reaktors schneidet.

Die natürliche Zirkulation der Kohleteilchen in der Fließbett-Reaktionszone des Reaktors 50 stellt ein komplexes Fließschema dar. Dieses Fließschema kann jedoch in Annäherung beschrieben werden, indem man die Reaktionszone in zwei konzentrische Unterzonen, nämlich in eine innere Unterzone und eine äußere, die innere Unterzone umgebende Unterzone aufteilt. In der inneren Unter zone, die sich im wesentlichen um die Zentralachse des Reaktors 50 herum erstreckt, strömen die Kohleteilchen im allgemeinen von unten nach oben. In der äußeren Unterzone, die praktisch in der Nähe der Wände des Reaktors 50 liegt, strömen die Kohleteilchen im allgemeinen von oben nach unten. Das Einspeisen der Kohleteilchen in das Fließbett im unteren Teil des Reaktors 50 in praktisch senkrechter Richtung nach oben weist den Vorteil auf, daß die natürliche Zirkulation der Kohleteilchen im Fließbett gefördert wird und daß die Verweilzeit der Kohleteilchen auf einen Mindestwert herabgesetzt wird. Das Einspeisen der Kohleteilchen auf diese Weise in das Fließbett des Reaktors 50 fördert eine kanalisierte Zirkulation der Teilchen innerhalb der Reaktionszone entlang dem natürlichen Zirkulationsweg. Auf diese Weise werden Wirbelströmungen gefördert, welche die Dispersion der eintretenden Kohleteilchen in der Matrix aus nicht agglomerierenden Teilchen in der Fließbett-Reaktionszone fördern.

Die fluidisierten Kohleteilchen werden demgemäß vorteilhafterweise in die innere Unterzone, nämlich in die zentrale Zone des

60 9 8 27/1QU3

Reaktors 50, in der die Strömung von unten nach oben verläuft, eingespeist. Die zentrale Zone des Reaktors, in der die Strömung von unten nach oben verläuft, erstreckt sich in radialer Richtung von der senkrechten Achse des Reaktors 50 bis zu den Stellen, an denen die äußere Unterzone mit der peripheren Strömung von oben nach unten beginnt. Es ist dabei wesentlich, daß die Kohleteilchen in die zentrale Zone mit der Strömung von unten nach oben eingespeist werden, um eine Berührung mit den Wänden des Reaktors 50 bzw. ein Eintreten der Kohleteilchen in die periphere Zone mit der Strömung von oben nach unten zu verhindern. Vorteilhafterweise werden die Kohleteilchen durch den Boden oder den unteren Teil vom Reaktor 50 über einen oder mehrere Einlasse eingeleitet, die sich in der Nähe der Stelle befinden, an der sich die senkrechte Achse des Reaktors 50 mit dem Bodenteil des Reaktors 50 schneidet.

Erfindungsgemäß werden die Kohleteilchen in das Fließbett des Reaktors 50 mit hoher Geschwindigkeit auf die Art und Weise eingeleitet, wie sie von C.W. Albright und H.G. Davis in "Method of Avoiding Agglomeration in Fluidized Bed Processes" beschrieben wird. Unter' "Einspeisungsgeschwindigkeit" wird nachstehend in der vorliegenden Patentbeschreibung die Geschwindigkeit des Trägergases durch die Einrichtung verstanden, die zu einer Feststoffoder Flüssigkeitsgeschwindigkeit führt, die sich an das theoretisch größtmögliche Verhältnis zur Gasgeschwindigkeit annähert, nämlich 1:1. Diese theoretisch größtmögliche Feststoff- oder Flüssigkeitsgeschwindigkeit kann durch Beschleunigung der Kohleteilchen auf die erwünschte Geschwindigkeit innerhalb eines engen Weges rait begrenztem Querschnitt erreicht werden. Zur

609827/ 1 0Ü3

Beschleunigung der Teilchen auf die erwünschte Geschwindigkeit kann eine Düse, eine enge Einlaßöffnung, eine konische Einlaßlei-

ver'/er.det werden,

tung oder eine beliebige Einlaß einrichtung/ welche die Querschnittfläche, über die die fluidisierten Kohleteilchen in den Reaktor 50 eintreten, verengt, begrenzt oder einschnürt. Der Strom aus vorerhitzten, fluidisierbaren Kohleteilchen wird in den unteren Teil des Fließbetts des Reaktors 50 praktisch senkrecht von unten nach oben mit hoher Geschwindigkeit eingespeist.

Eine .Einlaßeinrichtung, wie eine Düse, die aus einer Übertragungsleitung mit einer verminderten bzw.- verengten Querschnitt fläche besteht, kann erfindungsgemäße eingesetzt werden. Das Verhältnis von Länge zu Querschnittfläche dieser Düse muß ausreichend groß sein, um die erwünschte Eindüsungsgeschwindigkeit der festen Kohleteilchen oder des nicht verdampfbaren Rückführöls zu erreichen. Ein Verhältnis von Länge zu Querschnittfläche dieses Teils der Übertragungsleitung oberhalb ungefähr 5 i 1 ist wünschenswert und vorzugsweise wird ein Verhältnis oberhalb ungefähr 10 : 1 -angewendet. Dadurch wird es möglich, die Kohleteilchen und/oder das verdampfbare Rückführöl innerhalb einer begrenzten Distanz annähernd auf die Geschwindigkeit des Trägergases zu bringen.

Das Einspeisen der Kohleteilchen über Leitung 44 durch den Boden des Reaktionsbehälters 50 mit hoher Geschwindigkeit verhindert das Agglomerieren des Fließbetts bei den erhöhten, für die Reaktion im Reaktionsbehälter 50 erforderlichen Temperaturen.

•Die Fließbettzone für die hydrierende Carbonisierung im Reaktor 50 wird mit einem wasserstoff reichen Rückführgas, das über Lei-

609827/ 1 GU3

- - 19 -

tung 46 zugeführt wird, fluidisiert. Außerdem ist es wünschenswert, einen Teil dieses wasserstoffreichen Rückführgases zur Erhöhung der Geschwindigkeit der Teilchen einzusetzen, die in den Reaktor 50 über Leitung 44 eingespeist werden. Über Leitung 47 wird wasserstoffreiches Rückführgas für diesen Zweck in die Leitung 44 eingeleitet. Unter "wasserstoffreiches Gas" wird in der vorliegenden Beschreibung ein Gas verstanden, das mehr als ungefähr 20 und vorzugsweise ungefähr J50 bis ungefähr 98 # und insbesondere von ungefähr 80 bis ungefähr 98 % Wasserstoff enthält. Geringere Wasserstoffgehalte können zwar verwendet werden, führen jedoch wegen des größeren, für die hydrierende Carbonisierung erforderlichen Gasstroms und die anschließend für die Entfernung des kein Wasserstoff enthaltenden, nicht umgesetzten Gases erforderlichen Kosten zu einem unwirtschaftlichen Betrieb.

Rückführflüssigkeit kann ebenfalls über Leitung 48 in den Reaktor 50 eingespeist werden. Das Eindüsen dieser Rückführflüssigkeit wird ebenfalls vorzugsweise mit einer Geschwindigkeit von mindestens ungefähr 6θ,9β und insbesondere von ungefähr 121,92 m/sek durchgeführt, wobei dis Rückführflüssigkeit durch dzn unteren Teiles Reaktors 50 in praktisch senkrechter Richtung in

die Zone des zentralen Stroms von unten nach oben mit der Fließbett-Reaktionszone eingedüst wird. Die auf die vorstehend beschriebene Weise eingedüste Rückführflüssigkeit steigt im großen und ganzen um den axialzentralen Teil des Reaktionsbehälters herum .nach obe'n. Beim Eindüsen des Rückführöls und der fluidisierbaren Kohleteilchen ist es wesentlich, daß diese in den Reaktionsbehälter auf solche Weise eingeleitet werden, daß sie nicht unmittelbar und direkt die Wände des Reaktionsbehälters berühren,

60982 7/10 ü 3

- - 20 -

was zu einer unerwünschten unnötigen Agglomeration führen würde.

In der Figur wird für jede Einspeiseinrichtung für die vorerhitzten Kohleteilchen nur eine Einlaßöffnung gezeigt. Diese Zuspeisungseinrichtungen können Jedoch aus einer Vielzahl von Einlaßöffnungen bestehen, wodurch der Betrieb des erfindungsgemäßen Verfahrens vereinfacht wird. Eine Vielzahl von Einlaßöffnungen kann z.B. erwünscht sein, sofern es sich um einen großen Reaktor handelt, bzw. wenn gesonderte Flüssigkeits-RUckführströme in den Reaktor eingedüst werden. Die Eingangsöffnungen für die Kohleteilchen und/oder das Rückführöl befinden sich vorzugsweise um den axialzentralen Teil des Reaktorbodens herum. Jeder Strom von Kohleteilchen und/oder Rückführöl wird vorzugsweise mit hoher Geschwindigkeit an jeder Einlaßöffnung in praktisch senkrecht nach oben gerichteter Richtung eingespeist. Die Einlasse befinden sich im unteren Teil des Reaktors im wesentlichen in der Nahe der senkrechte Achse oder nahe dem Reaktorboden. Auf diese Weise werden die gesonderten Ströme an zugespeistem Kohlenstoffmaterial voneinander getrennt gehalten, bis sie im Fließbett mit den teilweise umgesetzten Kohleteilchen und den Teilchen aus verkokter Kohle schnell vermischt werden.

Die flüssigen und die Dampfprodukte werden aus dem Reaktionsbehälter 50 über Leitung 5²J- abgezogen. Das Fluidisierungsgas wird in den Reaktionsbehälter 50 durch Leitung 46 eingespeist, und es handelt sich dabei um ein wasserstoffreiches, praktisch sauerstoff freies Gas. Das wasserstoffreiche, praktisch sauerstofffreie Gas, das zur Fluidisierung des Fließbett-Reaktors 50 verwendet wird, wird im Vergaser 39 hergestellt und kann außerdem

609827/1003

aus dem wasserstoffhaltigen Rückführgas gewonnen werden. Vorzugsweise wird eine Fluidisierungsgeschwindigkeit von 9,1 cm bis zu -ungefähr 6θ,9β cm je Sekunde angewendet. Niedrigere Fluidisierungsgeschwindigkeiten würden zu einem Reak-tor mit unerwünschten . Abmessungen führen, der zur Aufrechterhaltung der erwünschten Verweilzeit beim erfindungsgemäßen Verfahren einen größeren Durchmesser als eine Höhe aufweisen müßte. Außerdem wurden niedrigere Pluidisierungsgeschwindigkeiten zur Tendenz einer stärkeren Agglomerierung der Kohleteilchen in der Zone für die hydrierende Carbonisierung führen.

Im Reaktor 50 wird ein Teil des Wasserstoffs verbraucht und die zugespeiste Kohle reagiert mit dem Wasserstoff zu gasförmigen, flüssigen und festen Produkten. Das Gas enthält Methan, Ä'than, Propan, Butan, einige olefinische Cp-C^-Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Schwefelverbindungen, die hauptsächlich aus Schwefelwasserstoff bestehen. Das Gasprodukt liegt natürlich im Gemisch mit dem nicht umgesetzten Wasserstoff vor. Die Flüssigkeit, als welche alle Materialien mit einem Siedepunkt oberhalb 25°C bezeichnet werden, enthält leichte Kohlenwasserstoffe, wie'Benzol und Methylcyclopentan, Phenole, wie Fhanol und Cresole, Destillate im Leichtienzinbereich und in den Bereichen der Atmosphärendruck- und Vakuum-Gasöle und Rückstandsmater?alien.

Die Verteilung der vorgenannten Produkte sowohl in der Gas- als in der flüssigen Phase hängt von der Art der Kohlezuspeisung und/oder den Reaktionsbedingungen ab. Durch Veränderung des Wasser stoff par tialdrucks, der Temperatur, der Fluidisierungsgeschwindigkeit, der Verweilzeit der Kohle und des WasserstoffVerbrauchs ist es möglich, den Anteil der Produkte in der Gas- und in der

6 0 9 8 2 7 / 1 Q U 3

flüssigen Phase und die Verteilung der Komponenten innerhalb der Gas- und der flüssigen Phase zu verändern. Der Anteil der flüssigen Produkte gegenüber den Gasprodukten wird bei niedrigen Temperaturen, hohen Fluidisierungsgeschwindigkeiten und niedrigem Wasserstoff verbrauch größtmöglich. Bei höheren Temperaturen, höheren Wasserstoffverbrauchswerten und durch Verwendung eines flüssigen Rückführprodukts kann die Ausbeute an Gasprodukt auf Kosten der flüssigen Produkte vergrößert werden.

Das Gas und die verdampften flüssigen Produkte aus dem Reaktor werden vom Kopf des Reaktors über Leitung 5^ abgezogen und im Zyklon 56 und erforderlichenfalls in z.B. nachgeschalteten Filtern von Feststoffen gereinigt. Aus dem Zyklon 56 werden die ProLeitung dukte aus der hydrierenden Carbonisierung- durch/ p8 in einen Fraktion! er turm 60 geleitet. Der Fraktionier turm 63 kann so betrieben werden, daß alle leichteren Gase und die bis ungefähr 200⁰C siedenden flüssigen Produkte einschließlich der Benzinkoh-

,Kopf
lenwasserstoffe nahe an dessenmirch die Leitung 62 abgezoger werden.

Die höhersiedenden Flüssigkeiten, wie die Schweröle, können über Leitung 6j5 abgezogen und im Wärmeaustauscher 64 gekühlt werden, in dem Dampf hergestellt wird. Das Dampfprodukt kann über Leitung 65 abgezogen werden. Die gekühlten höhersiedenden Flüssigkeiten können durch Leitung 66 abgezogen und zu einem Öltank (nicht gezeigt) geführt werden, oder sie können durch Leitung in den Fraktionierturm 60 oder direkt in den Produktstrom 58 geleitet werden, um die weitere Auftrennung zu unterstützen, wobei der Produktstrom 58 auf eine niedrigere Temperatur abgeschreckt wird, um das erhaltene Gas-Flüssigkeitsprodukt über Kopf durch Leitung 62, wie vorstehend beschrieben, und die schwereren öle

609827/1003

■-23-durch Leitung 6j5 vom Boden abziehen zu können.

Die Gase und die niedrigsiedenden Produktgemische werden vom Fraktionierturm 60 über Leitung 62 abgezogen und zum Turm 70 geleitet, bei welchem es sich um einen Gas-Flüssigkeits-Kühler und eine Auftrenneinrichtung handelt. Aus Turm 70werden die kondensierte wässrige Flüssigkeit und die kondensierten flüssigen Produkte, die reich an Benzinkohlenwasserstoffen sind, vom Boden

.werden
über Leitung 7^ und die Gase⁷ durch Leitung 72 abgezogen. Die kondensierten flüssigen Produkte strömen über Leitung ¹Jk zum Phasenauftrenner 76. Die leichten öle werden über Leitung 75 zum Lagertank geleitet oder können zum Turm 60 zurückgeführt werden, um so einen Rückflußstrcm vom Phasentrenner *J6 zu erhalten und ein wässriges flüssiges Produkt wird über Leitung 77 abgezogen. Die Gasprodukte werden über Leitung 72 zur Gasbehandlungsanlage 120 geleitet, wo Komponenten, wie Wasserstoff, Methan, Kohlenmonoxid, Cp-Cc-Kohlenwasserstoffe und Kohlendioxid,abgetrennt werden, wodurch man ein restliches, im wesentliches aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid bestehendes Gas erhält. Unter Verwendung der bekannten- Wassergas-Verschiebungsreaktion kann das Kohlenmonoxid des Restgases in zusätzlichen Wasserstoff und Kohlendioxid umgewandelt werden, dan dann ohne weiteres zwecks Iso lie rcny von wasserstoff mit erwünschter Reinheit von üblicherweise 96 Volumprozent beseitigt werden kann.

Im Phasentrenner 76 wird das Wasserprodukt über Leitung 77 unter solchen Bedingungen abgetrennt, daß die Verunreinigung mit z.B. Phenolen und Stickstoffbasen, "die aus der Kohlezuspeisung gebildet worden sind, begrenzt wird. Auch unter diesen Bedingungen ist

609827/1ÜU3

jedoch eine erhebliche Wasserverunreinigung zu erwarten. Kostspielige Reinigungsbehandlungen sind deshalb gegebenenfalls unvermeidlich, bevor dieses Wasser über Leitung 78 wieder verwendet oder abgeleitet wird. Andererseits kann das Wasser selbst häufig eine wertvolle, begrenzt zugängliche Substanz darstellen. Beim erfindungsgemäßen integrierten Verfahren wurde gefunden, daß dieses verunreinigte Wasser direkt zur Gewinnung von Reaktionsdampf für den Vergaser 80 für die verkokte Kohle verwendet werden kann. Dieser Dampf kann extern in einem Heizkessel hergestellt werden, in dem verunreinigtes Wasser behandelt werden kann, oder der Dampf wird vorzugsweise direkt, wie in der Figur gezeigt, durch Ein- -dtisen des flüssigen Wassers durch Leitung 77 in den Vergaser 80 im Vergaser hergestellt. Die Hitze im Vergaser 80 wandelt das Wasser sofort in Dampf um, der für die Vergasungsreaktion verwendet werden kann.

Das heiße verkokte Kohleprodukt wird vom Reaktor 50 über Leitung 52 in einer dichten Phase abgezogen und über eine fluidisierte Zuspeisungseinrichtung in den Vergaser 80 eingespeist. Im Vergaser wird der gleiche Druck oder vorzugsweise ein geringfügig nierigerer Druck als im Reaktor 50 für die hydrierende Carbonisierung angewendet. Die verkokten Kohleprodukte fallen aus dem Reaktor 50 gegebenenfalls unter Verwendung von ßückfiihrdampf zur Fluidisierung der verkokten Kohle in einen Zwischenlagerbehälter 53, der eine fluidisierte Zuspeisungseinrichtung 55 ähnlich der fluidisierten Zuspeisungseinrichtung J50 versorgt..Der Dampf wird vorzugsweise vollständig oder teilweise ^^{11 situ} durch Eindüsen einer kleinen Menge an flüssigem Wasser hergestellt, was auch zur teilweisen Abschreckung der verkokten Kohle auf eine

609827/10U3

Temperatur dient, bei welcher heiße Ventile verwendet werden können und wodurch die Bildung von Teeren wesentlich herabgesetzt wird. Die hergestellte verkokte Kohle wird vorzugsweise unter Verwendung einer geringen Dampfmenge heiß und fluidisiert gehalten.· Die heiße verkokte Kohle wird dann vom Dampf über Leitung 52 zum Vergaser 80 geführt und in diesen eingedüst.

Die Überführung der Teilchen aus. verkokter Kohle von der Zone der

hydrierenden Carbonisierung zur Vergasungszone wird vorzugsweise unter Verwendung eines . Behälters 53- ..mit einer

verschließbaren Zuspejsungseinreichtung und einer fluidisierten Zuspeisungseinrichtung 55 durchgeführt, die jeweils 'mit den erforderlichen Druckventilen ausgestattet sind. Andere herkömmliche Mittel zum Transport von Feststoffen können ebenfalls erwünschtenfalls zur Überführung der Teilchen aus verkokter Kohle von der Zone der hydrierenden Carbonisierung zur Vergasungszone eingesetzt werden.

Die mittlere Verweilzeit in dem vorzugsweise verwendeten System

einrichtung zur Troekenzuspeisung aus dem Behälter 53 und der ^uspeisuncsbeträgt vorzugsweise ungefähr 15 bis ungefähr 60 Minuten. Es ist wünschenswert, die Temperatur der Teilchen aus verkokter Kohle auf unterhalb ungefähr 400°C und vorzugsweise auf ungefähr j500 bis 400°C herabzusetzen, um Probleme mit den Ventilen so klein wie möglich zu halten, die sich bei Hochamckvantiltn für Feststoffe (nicht gezeigt) für dag erforderliche unter-Druck-setzen ergeben. Die Temperatur der Teilchen aus verkokter Kohle wird vorzugsweise sehr schnell durch Abschrecken auf Werte herabgesetzt, die einen kontinuierlichen Betrieb der Ventile ermöglichen und bei denen keine nennenswerte Entgasung mehr auftritt. Es kann wünschenswert

609827/1ÜÜ3

sein, die Temperatur der Teilchen aus verkokter Kohle auf ungefähr j500 bis ungefähr 400°C herabzusetzen, wenn die Begrenzung durch Ventile kein Problem darstellt. Das Abschrecken kann z.B. durch Eindüsen von flüssigem Wasser in Leitung 52 an einer oder mehreren Stellen, an denen die verkokte Kohle vom Reaktor 50 abgezogen wird, durchgeführt werden.

Ein Hauptvorteil der erfindungsgemäßen Kombination der Vergasungsstufe mit der Stufe für die hydrierende Carbonisierung besteht darin, daß das Abkühlen auf den erforderlichen Mindestwert begrenzt wird, der/ für die Handhabung und das unter-Druck-setzen der verkokten Kohle aus dem Reaktor 50 in dem Aufnahmebehälter 53 und der Transportleitung 52 für die verkokte Kohle erforderlich ist. Ein anderer Hauptvorteil des er findungs gernäß en Verfahrens ist es, daß ein Wieder/ermahlen der verkokten Kohle vor der Vergasung nicht erforderlich ist. Die Kühlstufe wird aufgrund des nicht erforderlichen nochmaligen Vermahlens kleinstmöglich gehalten. Ein solches nochmaliges Vermählen ist z.B. bei Durchführung der Vergasung in einem Vergaser, wie er in vielen anderen Vergasungsverfahren verwendet wird, .erforderlich. Ein Großteil der fühlbaren Wärme der verkokten Kohle, die bei diesen zusätzlichen Verfahrensstufen verlorengehen würde, wird auf diese Weise zurückgewonnen, und die Energie und die anderen Kosten für das Wiedervermahlen werden auf diese Weise eingespart.

Der Vergaser 80 wird bei praktisch gleichen oder geringfügig niedrigeren Drücken als denen in der Zone für die hydrierende Carbonisierung 50 betrieben. Vorzugsweise wird der Reaktor für die hydrierende Carbonisierung 50 bei um ungefähr O,j55 bi-s 17*58

609827/1003

at höheren Drücken als der Vergaser 80 betrieben. Sofern der Vergaser mit annähernd den gleichen verhältnismäßig hohen Drücken des Reaktors für die hydrierende Carbonisierung betrieben wird, enthalten die Produktgase erhebliche Methanmengen. Dadurch ist es möglich, vorteilhafterweise bestimmte Stufen für die Gasauftrennung^und die Reinigung der Gasprodukte aus dem Reaktor für die hydrierende Carbonisierung und dem Vergaser beim erfindungsgemässen Verfahren zusammenzufassen. Solche kombinierte Verfahrensstufen setzen die Kosten herab und erhöhen den Gesaratwirkungsgrad des erfindungsgemäßen Verfahrens.

In 'Vergaser 8o können verunreinigtes Wasser produkt , heiße verkokte Kohle und Dampf über die Leitungen 77, 52 und 79 eingespeist werden. Da die verkokte Kohle nicht agglomeriert, findet die Vergasung der Kohle ohne die auf die Agglomerierung zurückgehenden Schwierigkeiten erheblich glatter statt, als bei nicht integrierten Kohlevergasungsverfahren. Die Wärme für die Reduktion der Kohle und den Dampf wird durch die heißen agglomerierten Ascheteilchen zur Verfügung gestellt, die aus der Verbrennungseinrichtung 90 über Leitung 92 in den Vergaser 80 eingespeist werden.

Der Vergaser 8o besteht aus einem fluidisierten Reaktor, in den die Zuspeisung durch seinen Boden eingespeist wird. Verkokte Kohle aus dem Reaktor für die hydrierende Carbonisierung 50 wird in der Nähe des Bodens des Reaktors 80 in das Fließbett aus heissen gesinterten Ascheagglomeraten eingeleitet. Diese heißen Ascheagglomerate zirkulieren kontinuierlich durch die Vergasungsreaktionszone und stellen die für die Vergasungsreaktion erforderli-

609827/1ÜU3

ehe Wärme zur Verfügung. Die heißen Ascheagglomerate aus der Ascheverbrennungs-Agglomerierungseinrichtung werden über Leitung 92 in den Vergaser 80 eingespeist und anschließend nach Übertragung ihrer fühlbaren Wärme über Leitung 84 wieder zur Verbrennungseinrichtung 90 zurückgeführt. Die Teilchen aus verkokter Kohle, die sowohl eine kleinere Teilchengröße als auch niedrigere Dichte als die Ascheagglomerate aufweisen, steigen durch das Fließbett nach oben, während die dichteren Ascheagglomerate durch das Fließbett absinken und vom Boden des Vergasers abgezogen werden. Das Fließbett wird mit über Leitung 79 zugespeisteni Dampf und/oder über Leitung 77 zugespeistem verunreinigten Wasser fluidisiert, welches unmittelbar durch die in der Vergasungszone herrschende Hitze in Dampf umgewandelt wird.

Wie vorstehend erläutert, kann der Dampf beim er-findungsgemäßen Verfahren mittels einer Reihe von Einrichtungen erzeugt werden. Dampf, der¹ in den Vergaser 80 über Leitung 79 eingespeist werden kann, läßt sich z.B. mittels Durchleiten von Wasser durch Leitung 91 herstellen, die durch die Verbrennuhgseinrichtung 90 führt. Durch Leitung 9I strömendes Wasser wird mittels Wärmeaustausch mit der durch die Verbrennungsreaktion in der Verbrennungseinrichtung 90 erzeugten Wärme in Dampf umgewandelt.

Beim Aufsteigen durch die heißen Agglomerate wird die verkokte -Kohle bei den im Fließbett herrschenden erhöhten Temperaturen und Drücken teilweise mit Dampf umgesetzt, wodurch man ein wasserstoffreiches gasförmiges Produkt erhält, das über Leitung 86 abgezogen wird, und als weiteres Produkt fällt ein Rückstand aus einer modifizierten verkokten Kohle an, der über Leitung 82 abge-

60982 7 / 1 0 ü 3

zogen wird-.

Der vorgenannte nicht vergaste Rückstand aus verkokter Kohle wird kontinuierlich über Leitung 82 abgezogen und durch Leitung 96 in die Verbrennungseinrichtung 90 geführt, wo er mit einem sauerstoffhaltigen Gas und vorzugsweise mit über Leitung 96 in die Verbrennungseinrichtung eingespeister Luft verbrannt wird. Das sauerstoffhaltige Gas wird über Leitung 9^ in den Kompressor eingespeist, dort verdichtet und zur Leitung 96 geführt. Die Verbrennung des Rückstands aus modifizierter verkokter Kohle mit Sauerstoff führt zu heißen Ascheagglomeraten, die über Leitung zum Vergaser 80 geführt werden. Außerdem wird die Verbrennung unter Bedingungen durchgeführt, die zu einem gasförmigen Produkt führen, das praktisch keine mitgerissenen Feststoffe enthält. Die Kohleteilchen brennen bei erhöhten Temperaturen nahezu unter Verschlackungsbedingnngen und agglomerieren zu kühleren größeren zirkulierenden Agglomeraten, uid dabei fällt ein praktisch aschefreies Abgas an. Der Hauptteil der Asche verbleibt als Agglomerate im Verbrennungsbett und Hochleistungszyklone stellen eine fast vollständige Entfernung der restlichen Asche aus dem Abgas sicher.

Bei der Verkohlung der verkokten Kohle mit Dampf erhält man nach der Behandlung ausreichende Mengen an wasserstoffreichem Gas, das zur Sicherstellung des kontinuierlichen Betriebs des Reaktors 50 fü"*¹ die hydrierende Carbonisierung zu diesem zurückgeführt wird. Andererseits wird bei der hydrierenden Carbonisierungsreaktion eine ausreichende Menge an verkokter Kohle hergestellt, die nicht nur ausreichende Kohlemengen für die Vergasungsreaktion mittels Dampf zur Verfügung stellt, sondern auch eine

609827/1003

-3C-

überschüssige Menge, die zur Herstellung von Dampf oder Energie für das integrierte Verfahren und/oder für eine anderweitige "Verwendung liefert. Die Vergasung der verkokten Kohle mit Dampf bei erhöhten Drücken erfordert zwischen ungefähr 25 und 80 % der bei der hydrierenden Carbonisierungsreaktion anfallenden verkokten Kohle und es fällt dabei ein Produkt gas an, das seinerseits nach entsprechenden Maßnahmen ausreichende Wasserstoffmengen für die hydrierende Carbonisierung zur Verfügung stellt. In der Verbrennungseinrichtung 90 wird verkokte Kohle verbrannt und dadurch Wärme für die Vergasungsreaktion zur Verfügung gestellt. Außerdem wird bei erhöhten Drücken durch die Vergasung in Gegenwart von Dampf eine wesentliche Menge an Methan

von ungefähr j3 bis ungefähr 10 %_s bezogen auf die ursprüngliche feuchtigkeits- und aschefreie

(MAi)-Kohlezuspeiaung zum Reaktor für die hydrierende Carbonisierung 50, gebildet. Die Menge an je hydrierend carbonisierter Mengeneinheit an MAF-Kohle gebildeter verkokter Kohle kann zwischen ungefähr 38 und 62 % variiert werden. Durch Veränderung der Betriebsbedingungen können die Energieanforderungen des gesamten integrierten Verfahrens erfüllt werden, und durch eine symbiotische Kopplung der Viasserstoff-Erzeugungseinheiten mit den Einheiten, in denen Wasserstoff verbraucht wirdi läßt sich der Betrieb außerordentlich wirtschaftlich gestalten.

Das Abgasprodukt aus der Verbrennungsreaktion wird von der Verbrennungseinheit 90 über Leitung 98 abgezogen und zum Wärmeaustauscher 100 geführt, von dem der gebildete Dampf über Leitung 102 abgezogen wird. Das Abgasprodukt wird dann vom Wärmeaustauscher 100 über Leitung 104 zur Energie-Rückgewinnungseinheit 106 geführt, welche die Wärme- und Druckenergie über Leitung I08 in

6 0 9827/10U3

elektrische und/oder mechanische Energie umwandelt. Das abgekühlte Abgas wird über Leitung 110 von der Energie-Rüekgewinnungseinheit 106 abgezogen und zu einer Einrichtung 112 zur Entfernung des Schwefeldioxids geführt. Andererseits kann es wünschenswert sein, das Abgas vor der Rückgewinnung der Energie teilweise abzukühlen, das Schwefeldioxid und/oder die anderen Verunreinigungen zu entfernen und dann das Abgas wieder zu erhitzen. Die Jetztinerten Abgase können erwünschtenfalls in einem anderai Teil des integrierten Verfahrens verwendet werden und werden über Leitung 114 abgezogen oder über Leitung 116 in die Atmosphäre abgeleitet.

Das gasförmige Produkt aus dem Vergaser 80 wird über Kopf durch Leitung 86 abgezogen und zur Entfernung der mitgerissenen Peststoffe durch den Zyklon I30 geleitet. Aus dem Zyklon IJO wird das gasförmige Produkt über Leitung 132 in den Wärmeaustauscher 134 geführt, in dem das Gasprodukt abgekühlt und Dampf gewonnen wird, der über Leitung I36 abgezogen wird. Das abgekühlte gasförmige Produkt wird aus dem Wärmeaustauscher 13^ über Leitung I38 abgezogen und in die Leitung 72 eingeleitet, durch welche das Gasprodukt vom Gas-Flüssigkeitsabtrenner 70 in die Gasbehandlungsanlage 120 geleitet wird. Eine solche Kombination führt zu einer größeren Wirtschaftlichkeit des Betriebs und vereinfacht das Gesamtrückgewinnungssystem beim erfindungsgemäßen Verfahren.

In der Gasbehandlungsanlage 120 werden die Schwefelverbindungen, (auch Schwefelwasserstoff) und,Kohlendioxid entfernt. Die gemischten Gase, die praktisch noch den im System herrschenden Druck aufweisen, werden mittels Gasauftrennungsverfahren abgekühlt und die C,- und C^-Kohlenwasserstoffe voneinander getrennt, wodurch

609827/10Ü3

man einekonzentrierte Cp-C₂,-Kohlenwasserstoffe enthaltende Fraktion als gesonderten Produktstrom und ein restliches Gemisch aus rohem Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Methan erhält. Durch weiteres Abkühlen werden Kohlenmonoxid und Methan voneinander -getrennt, wodurch man einen Methan-Produktstrom erhält, der sich als 329 kcal/m -Pipelinegas eignet. Der restliche Wasserstoff-Kohlenmonoxid-Strom wird dann durch eine einstufige Verschiebungsumwandlungseinheit geleitet und das Kohlendioxid entfernt und dann von der Gasbehandlungsanlage durch Leitung 122 als nahezu reiner Wasserstoffstrom zum Reaktor für die hydrierende Carbonisierung 50 zurückgeführt; Dieses wasserstoffreiche Rückführgas enthält ungefähr 80 bis 98 % Wasserstoff und typischerweise ungefähr 96 % Wasserstoff. Andere vorstehend beschriebene Produktgase « ziehen aus der Gasbehandlungsstufe 120 über die Leitung 124 ab. " . Die vorbeschriebenen C₂-C^- Kohlenwasserstoffgemische können unter Verwendung zusätzlicher Säulen weiter in Ä'than? Propan- und Butanströme aufgetrennt werden. Minimale Verbesserungen der Gasbehandlungsanlage lassen sich durch Kombination von Entfernungsstufen für die sauren Gase und Was s er gas -Ve rs chi ebungs stufen zur Herstellung von Rückführwasserstoff und Ersatzströmen erzielen. Die weiteren Vorteile der kombinierten Abtrennung von Methan von den Wasserstoff-Kohlen- -monoxidströmen und der gesonderten Abtrennung der Cp-Ch-Kohlenwasserstoff ströme werden je nach den Wirtschaftlichkeitserforder- -Hissen genutzt.

6 09827/1003

Claims

Pate nt ansprüche

1. Verfahren zur Vergasung und Verbrennung von verkokten Kohleteilchen, dadurch gekennzeichnet, daß in einer ersten Fließbett-Reaktionszone verkokte Kohleteilchen mit Dampf bei erhöhten Temperaturen und Drücken von ungefähr 10,55 bis ungefähr 70*31 at zu modifizierten verkokten Kohleteilchen und einem ersten wasserstoffreichen Gasprodukt vergast werden, daß in einer zweiten Fließbett-Reaktionszone, die mit der ersten Reaktionszone verbunden ist, die in dieser gebildeten modifizierten verkokten Kohleteilchen mit Luft bei einer Temperatur verbrannt werden, die für die-Bildung von klebrigen Ascheteilchen ausreicht, die zu größeren Ascheteilchen aggregieren, daß die größeren Ascheteilchen aus der zweiten Reaktionszone als Wärmequelle für die in der ersten Reaktionszone für die Vergasungsreaktion erforderliche Wärme verwendet werden, indem man die Ascheteilchen von oben nach unten durch die erste Reaktionszone führt, wobei sie ihre fühlbare Wärme an die Kohleteilchen und den Dampf angeben, und daß dabei

(b) die fluidisierten Kohleteilchen mittels eines wasserstoffreichen Gases mit Druck beaufschlagt werden;

(c) die Kohleteilchen in der dichten Pha.se in einer praktisch sauerstofffreien Atmosphäre auf eine erste vorbestirr.mte Temperatur vorerhitzt werden, die unter der Temperatur liegt, bei der die Kohleteilchen plastisch umgewandelt werden;

(d) eine dritte Fließbett-Reaktionszone für die hydrierende Carbonisierung mit einer zweiten vorbestimmten Temperatur

609827/1003

zwischen 4 8Q und 600°C zur Verfügung gestellt wird, die eine Matrix aus bei der zweiten vorbestimmten Temperatur nicht agglomerierenden Teilchen enthält, die mitteis eines wasserstoffreichen, sauerstofffreien Gases mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 3,05 bis 60,94 cm/sek fluidisiert wird;

(e) die Kohleteilchen und ein wasserstoffreiches, sauerstoff-.freies Gas kontinuierlich in den unteren Teil der dritten Reaktionszone praktisch senkrecht von unten nach oben mit einer Geschwindigkeit eingespeist werden, die bei der ersten vorbestimmten Temperatur für die schnelle und einheitliche Dispersion der Kohleteilchen in der Matrix ausreicht;

(f) die zur Vergasung in der ersten Reaktionszone bestimmten verkokten Kohleteilchen sowie ein kondensierbares Pampfprodukt hergestellt werden, wobei die hydrierende Carbonisierung bei der zweiten vorbestimmten Temperatur und bei einem Wasserstof fpartialdruck von 7,03 bis 34,37 at durchgeführt wird und daß eine mittlere Verweilzeit der festen Teilchen in der Zone für die hydrierende Carbonisierung von ungefähr 5 bis ungefähr 60 Minuten angewendet wird;

(g) die verkokten Kohleteilchen bei der vorbeschriebenen Reaktionstemperatur und das kondensierbare Dampfprodukt kontinuierlich aus der betreffenden Reaktionszone abgezogen werden;

(h) die verkokten Kohleteilchen kontinuierlich in die erste Reaktionszone zur Vergasung mit Dampf eingespeist werden;

(i) der kondensierbare Dampf im kondensierbaren Dampfprodukt zu einem oberhalb 200 C siedenden Ö.1 kondensiert wird; und

(j) ein leichtes oberhalb 30°C siedendes öl und ein zweites

wasserstoffreiches Gasprodukt von kondensierbaren Dampfpro-

609827/1003

dukt abgetrennt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Stufe (g) die Stufe (g). durchgeführt wird, in der die Temperatur der verkokten Kohleteilchen auf eine dritte vorbestimmte Temperatur unterhalb ungefähr 400°C herabgesetzt wird und daß nach der Stufe (J) die Stufen (k) und (1) durchgeführt werden, gemäß denen

(fc) Dampf kontinuierlich für die Vergasungsreaktion in der ersten'Reaktionszone durch Abtrennen von Wasser von dem in Stufe (j) erzeugten leichten öl und Einspeisen des abgetrennten Wassers in die erste Reaktionszone unmittelbar erzeugt wird; und

(1) kontinuierlich das wasserstoffreiche, säuerstofffreie Gas für die dritte Zone erzeugt wird, indem man das erste und ein zweites wasserstoffreiches Gasprodukt miteinander vereinigt und ein Endprodukt von diesem kombinierten Gasprodukt abtrennt, das aus einem wasserstoffreichen Rückführgas besteht.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der dritten Zone praktisch der gleiche oder ein größerer Druck als in der ersten Zone angewendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der dritten Zone ein ungefähr 0,35 bis 17*57 at höherer - Druck als in der ersten Zone angewendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine

609827/1003

erste vorbestimmte Temperatur von ungefähr 300 bis ungefähr 420⁰G angewendet und eine teilweise aus umgesetzter Kohle und verkokten Kohleteilchen bestehende Matrix verwendet werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5* dadurch gekennzeichnet, daß die Vergasungsreaktion in der ersten Reaktionszone bei Temperaturen von ungefähr 800 bis ungefähr 1000⁰C und die Verbrennung in der zweiten Reaktionszone bei Temperaturen von ungefähr 1000 bis ungefähr 1200⁰C durchgeführt werden, und daß als nicht oxydierendes Gas in der Stufe (a) ein Gas aus der Gruppe Heizgas, Stickstoff, Wasserstoff und Dampf verwendet wird.

7. . Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Stufe (g) eine dritte .vorbestimmte Temperatur von ungefähr 300 bis ungefähr 400°C verwendet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß in Stufe (e) die Kohleteilchen und das wasserstoffreiche, sauerstofffreie Gas in die dritte Reaktionszone durch den praktisch axialzentralen Teil des unteren Teils dieser Zone eingespeist werden.

9· Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß in Stufe (e) die Kohleteilchen und das Gasgemisch mit einer Geschwindigkeit von mehr als ungefähr βθ,9β iti/sek eingespeist werden.

10. Verfahren nach Anspruch 9 j dadurch gekennzeichnet, daß in Stufet (e) die Kohleteilchen und das Gasgemisch mit einer Geschwindigkeit von mehr als.ungefähr I2l,98m/sec eingespeist'werden.

609827/1003

11. Verfahren nach Anspruch 9> gekennzeichnet dadurch, daß in Stufe- (e) zusammen mit den Kohleteilchen Rückführöl mit der gleichen Geschwindigkeit wie die Kohleteilchen und wasser st of fr ei ehe s, sauerstoff freies Gas in die dritte Reaktionszone eingespeist wird und daß in Stufe (f) außerdem in der dritten Reaktionszone die Kohleteilchen und das RückführÖl mit dem -Wasserstoff umgesetzt werden.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das RückführÖl mit einer Geschwindigkeit von mehr als ungefähr .121,98 m/sek in die dritte Reaktionszone eingespeist wird.

13· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ifi Stufe (f) zwischen ungefähr- 25 und ungefähr 80 % der bei der hydrierenden Carbonisierungsreaktion in der dritten Zone erzeugten verkokten Kohle für die Vergasung in der ersten Zone verbraucht werden.

14. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in Stufe (1) ein aus ungefähr 80 bis ungefähr 98 % Wasserstoff bestehendes Endproduktgas hergestellt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß in Stufe (1) ein aus ungefähr.96 % Wasserstoff bestehendes Gas als Endprodukt hergestellt'wird.

Le

erseite