DE2558616A1

DE2558616A1 - Verfahren zur praktischen verhinderung des agglomerierens von festen kohlenstoffhaltigen teilchen in einer fliessbett-reaktionszone

Info

Publication number: DE2558616A1
Application number: DE19752558616
Authority: DE
Inventors: Charles William Albright; Hubert Greendge Davis
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: JPS5189502A; DD121950A5; ZA757406B; FR2296004A1; IN144879B; ES443884A1; BR7508642A; GB1530483A; JPS5415442B2; PL99629B1; RO71036A; BE837093A; AU8787975A; TR19183A; CA1086951A

Description

"Verfahren zur praktischen Verhinderung de-s Agglomerierens von festen kohlenstoffhaltigen Teilchen in einer Fließbett-Reakti-

Oiis zone

Beanspruchte

Priorität: 27. Dezember 1974 - V.St.A. - Nr. 5^6

Die Errindung betrifft ein Verfahren zur praktischen Verhinderung des Agglomerierens von festen kohlenstoffhaltigen Teilchen in einer Fließbett-Reaktionszone.

Der zunehmende Energiebedarf hat die Aufmerksamkeit auf feste fossile Brennstoffe gelenkt, da diese in vielen Ländern im Überfluß zur Verfügung stehen und wegen ihres potentiellen auf die Umwandlung in nützlichere Energieformen und Ausgangsmaterialien zurückgehendenWertes.Verfahren zum Carbonisieren, Vergasen, hydrierenden Carbonisieren und zur hydrierenden Vergasung, mittels derer synthetische Kraft- und Brennstoffprodukte durch Einspeisen eines fluidisieren Stroms aus fein verteilten Kohleteilchen in

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eine Fließbett-Reaktionszone und Umsetzen der Kohleteilchen bei

z.B.

erhöhten Temperaturen in Gegenwart/eines inerten Gases,

hergestellt v/erden können,

von Luft, Dampf und Wasserstoff/sind allgemein bekannt. Eine hauptsächliche Schwierigkeit beim Betrieb solcher Verfahren besteht in der Neigung der Kohleteilchen, bei den" für die Reaktion erforderlichen erhöhten Temperaturen,insbesondere in einer wasserstoffreichen Atmosphäre, zu agglomerieren..

Kohleteilchen und insbesondere zusammenbackende, aufquellende oder agglomerierende Kohlen, werden beim Erhitzen in einer wasserstoff reichen Atmosphäre klebrig. Sogar nicht zusammenbackende, nicht aufquellende und nicht agglomerierende Kohlen werden beim Erhitzen in einer solchen Atmosphäre klebrig. Kohleteilchen beginnen bei Temperaturen von ungefähr 350 bis ungefähr 500⁰C klebrig zu werden, was im einzelnen von den spezifischen Eigenschaften der verwendeten Kohle, der angewendeten Atmosphäre und der Erhitzungsgeschwindigkeit abhängt. Die Klebrigkeit geht auf ein teerartiges oder plastisches Material zurück, das in der Nähe oder auf der Oberfläche Jedes Kohleteilchens durch partielles Schmelzen oder Zersetzen gebildet wird. Beim weiteren Erhitzen über eine gewisse Zeitspanne wird das teerartige oder plastische Material weiter in ein im wesentlichen poröses, festes Material überführt, das als "verkokte Kohle" bezeichnet wird. Die Länge der dafür erforderlichen Zeitspanne, die.im allgemeinen in der Größenordnung von Minuten liegt, hängt von der im Einzelfall angewendeten Erhitzungstemperatur ab und ist umso kürzer, je höher die angewendete Tempera.tur ist. Unter "plastischer umwandlung" wird in der vorliegenden Beschreibung das vorbeschriebene Verfahren verstanden, bei dem die Oberflächen der Kohleteil-

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chen, beim, Erhitzen insbesondere m einer Wasserstoff-Atmosphäre, eine klebrige Konsistenz annehmen und schließlich in praktisch feste verkokte Kohle mit nicht klebrigen Oberflächen überführt werden. Sowohl üblicherweise agglomerierende Kohlen als auch Kohlen, die gegebenenfalls eine klebrige Oberfläche nur in einer wasserstoffreichen Atmosphäre entwickeln, werden "plastisch umgewandelt.

Agglomerierende oder zusammenbackende Kohlen erweichen teilweise und werden klebrig, wenn sie auf Temperaturen von ungefähr 350 bis ungefähr 500⁰C über eine Zeitspanne von einigen Minuten erhitzt werden. Die Bestandteile der Kohleteilchen erweichen,und es entwickelt sich aufgrund der Zersetzung der Kohleteilchen

umgewandeIt

Gas. Klebrige Kohleteilchen, die plastisch werden, neigen dazu, an den meisten Oberflächen, mit denen sie in Berührung kommen, wie an Wanden oder Leitblechen im Reaktor und insbesondere an verhältnismäßig kühlen Wänden oder Leitblechen, anzuhaften. Außerdem führt das Kontaktieren mit anderen klebrigen Teilchen während der piastisehenUmwandlung insgesamt zu einem Wachstum der Teilchen durch Zusammenhaften der klebrigen Teilchen. i)ie Bildung und das Wachstum dieser Agglomerate stört die Aufrechterhai tung eines Fließbetts in drastischer Weise, und gegebenenfalls auftretendes Wachstum der' Teilchen macht es üblicherweise unmöglich, die Fluidisierung aufrecht zu erhalten.

Insbesondere die Eingangsöffnungen und die Gasverteilungsplatten der bei Fließbett-Kohleumwandlungsverfahren verwendeten Anlagen werden dadurch vollständig oder teilweise verstopft. Außerdem neigen die klebrigen Teilchen sogar dann, wenn lein übermäßiges

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Verstopfen stattfindet, dazu, an den Wänden der Behälter anzukleben,, in denen der Betrieb durchgeführt wird. Portgesetztes Wachstum der Teilchen und die Bildung von aus mehreren Teilchen bestehenden Konglomeraten und Brücken stört den glatten Betrieb und führt häufig zu seiner vollständigen Unterbrechung.

Das. Agglomerieren der Kohleteilchen beim Erhitzen hängt von den Betriebsbedingungen, .wie von der Erhitzungsgeschwindigkeit, den erzielten Endtemperaturen, der Zusammensetzung der angewendeten Gasatmosphäre, dem Typ der verwendeten Kohle, der Teilchengröße und dem angewendeten Gesamtdruck, ab. Beim Erhitzen in einer Was-

serstoff-Atmosphäre agglomerieren sogar nicht agglomerier/ Kohlen, wie Lignite oder Kohlen aus bestimmten subbituminösen Arten, und neigen dazu, eine klebrige Konsistenz anzunehmen. Demgemäß wird das Agglomerieren von Kohleteilchen besonders in einem Reaktor für die hydrierende Carbonisierung begünstigt, in dem das Erhitzen in Gegenwart einer wasserstoffreichen Gases die Bildung einer klebrigen Oberfläche auf den umgesetzten Kohleteilchen wirklich fördert.

Außerdem kann das Einspeisen beliebiger, verbrennbarer, fester Teilchen und sogar solcher Teilchen, die üblicherweise nicht agglomerieren, in ein Fließbett mit einer Atmosphäre, welche das Agglomerieren herbeiführt, zum Agglomerieren und Entfluidisieren des Reaktionsbetts führen.

In manchen Fällen werden bei Kohleumwandlungsverfahren auch schwere, flüssige Materialien zum Fließbett zugespeist. Sie können aus zurückgeführten schweren Teerprodukten bestehen, die in Produkte

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_ 5 —

mit niedrigeren Molekulargewichten, leichte Flüssigkeiten und Gase, umgewandelt werden sollen. Außerdem können sie aus schweren Flüssigkeiten aus einer externen Quelle bestehen, die z.B. zur Anreicherung der normalen gasförmigen und/oder flüssigen Produkten oder als Mittel zur Beseitigung der Abfallmaterialien zugesetzt werden. Es ist bekannt, daß das Zusetzen solcher Flüssigkeiten zu einer schnellen , Aufhebung der Fluidisierung aufgrund des Agglomerierens der Teilchen- und des Verstopfens des Reaktionsbetts führt.

Bei einem Versuch, die mit dem Agglomerieren verbundenen Probleme zu Überwinden, wird verkokte Kohle als Rückführmateriai aus Fließbettverfahren mit einer agglomerierenden Kohlezuspeisung in einem Verhältnis bis zu 8 : 1 vermischt. Außerdem wird Teer in einer Kugelmühle mit einem großen Überschuß an adsorbierender verkokter Kohle zermahlen und dann als Zuspeisung für das Verfahren verwendet. Da solche Maßnahmen jedoch den Durchsatz durch die Anlage verringern, sind sie anergieraubend und kostspielig. Andere Versuche in der vorbeschriebenen Richtung schließen eine Vorbehandlungsstufe ein, in der Kohle oberflächlich oxydiert und/oder entgast wird, um dadurch das Kleben und Agglomerieren der Teilchen zu verhindern, wodurch jedoch die Ausbeute an nützlichen Produkten vermindert und die Kosten erhöht werden. Demgemäß ist es wirtschaftlich außerordentlich wünschenswert, zumindest das Ausmaß solcher Vorbehandlungsmaßnahmen oder einer solchen Kohlerückführung zu vermindern.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur praktischen Verhinderung des Agglomerierens von festen kohlenstoff-

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haltigen Materialien in einer Fließbett-Reaktionszone bei Kohleumwandlungsverfahren zur Verfügung zu stellen. Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, hydrierende Carbonisierungsverfahren zur Herstellung von Kraft- bzw. Brennstoffprodukten zu verbessern. Außerdem ist es Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, das die Handhabung aller Arten von teilchenförmiger Kohle in einem kontinuierlichen Verfahren ohne Agglomerieren und Verstonfen zuläßt.

Die Erfindung betrifft demgemäß ein Verfahren zur praktischen Verhinderung des Agglomerierens von festen kohlenstoffhaltigen Teilchen in einer PIießbett-Reaktionszone, das dadurch· gekennzeichnet ist, daß es in folgenden Verfahrensstufen durchgeführt wird:

(a) Zurverfügungstellen einer Fließbett-Reaktionszone für die Umsetzung fester kohlenstoffhaltiger Teilchen mit einem geeigneten Reagens bei Reäktionstemperaturen von oberhalb ungefähr 500⁰C, die eine Matrix aus bei Reaktionstemperatüren nicht agglomerierenden Teilchen enthält;

(b) Überführen der festen kohlenstoffhaltigen Teilchen in dichter Phase in die Nähe der Fließbett-Reaktionszone mit einer ersten vorbestimmten Geschwindigkeit bis zu 12,19 m

je Sekunde;

(c) Erhöhen der ersten vorbestimmten Geschwindigkeit der Teil-

zweite vorfcestimmte
chen auf eine/Geschwindigkeit von mehr als ungefähr 60,96 m

je Sekunde;

(d) Einleiten der festen kohlenstoffhaltigen Teilchen und eines Trägergases in den unteren Teil der Fließbett-Reaktionszone in senkrechter Richtung von unten nach oben mit der zweiten

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vorbestimmten Geschwindigkeit, wobei die kohlenstoffhaltigen Teilchen eine vorbestimmte Temperatxir unterhalb des

Punkts ihrer plastischen Umwandlung aufweisen und eine solche
/ vorbestimmte zweite Geschwindigkeit angewendet wird, die

bei der vorbestimmten Temperatur zum schnellen und einheitlichen Dispergieren der festen kohlenstoffhaltigen Teilchen in der Matrix ausreicht; und (e) Umsetzen der festen kohlenstoffhaltigen Teilchen mit dem Reagens bei Reaktionstemperaturen in der Fließbett-Reaktionszone unter weitgehender Verhinderung des Agglomerierens der kohlenstoffhaltigen Teilchen.

Die vorliegende Erfindung geht darauf zurück, daß das Agglomerieren von Kohleteilchen in einem Fließbett praktisch verhindert werden kann, wenn man die Kohleteilchen mit hoher Geschwindigkeit in eine Fließbett-Reaktionszone einleitet. Das Fließbett wird herkömmlicherweise mittels Durehleiten eines Fluidisierungsmediums durch fein verteilte feste Teilchen aufrecht erhalten. Unter "Einspeisungsgeschwindigkeit" wird in der vorliegenden Patentbeschreibung die Geschwindigkeit des Trägergases beim Durchströmen einer Einrichtung verstanden, die zu einer Geschwindigkeit der Feststoffe oder der Flüssigkeiten führt, die dem theoretisch höchstmöglichen Verhältnis von Gasgeschwindigkeit zur Geschwindigkeit der Feststoffe oder Flüssigkeiten, d.h. einem Verhältnis von 1:1, entspricht. Unter "hohe Geschwindigkeit" wird eine Geschwindigkeit verstanden, die bei Temperaturen unterhalb des Punkts der plastischen Ctowandlung für das schnelle und einheitliche Dispergieren der frischen, in das Fließbett eingespeisten Kohleteilchen in der Matrix aus nicht agglomerierenden Teilchen

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im Fließbett ausreicht. Die im Fließbett enthaltenen, nicht

agglomerierenden Teilchen können aus inerten Materialien, wie

und
Asche, Sand/ zurückgeführter verkokter Kohle, bestehen, welche nicht agglomerieren. Vorzugsweise werden als nicht agglomerierende Teilchen die heißen, teilweise umgesetzten Kohleteilchen und Teilchen aus verkokter Kohle verwendet, die plastisch umgewandelt worden sind und die in der Fließbett-Reaktionszone bei Reaktionstemperatur vorliegen. Wegen des Unterschieds der Temperatur der eingespeisten Kohleteilchen und der Temperatur der Reaktionszone wird die Wärmeenergie der Reaktionszone schnell auf die eingespeisten Kohleteilchen übertragen, die dann dazu neigen, sich plastisch umzuwandeln und zu agglomerieren. Es wurde nun gefunden, daß beim Einspeisen der Kohleteilchen in das Fließbett mit hohen Geschwindigkeiten die eingespeisten Kohleteilchen schnell und einheitlich in einer Matrix aus nicht agglomerierenden Teilchen im Fließbett dispergiert werden, bevor diese plastisch umgewandelt werden.

Das Einspeisen der Kohleteilchen in das Fließbett mit hoher fördert

Geschwindigkeit, /wie vorstehend beschrieben, ein schnelles, turbulentes Vermischen der eintretenden Teilchen mit den im Fließbett zirkulierenden Teilchen. Dadurch wird das Zusammenhaften und das Entfluidisieren des Fließbetts verhindert. Anstelle dessen werden die eingespeisten, klebrigen oder potentiell klebrigen Kohleteilchen schnell bei einer Temperatur unterhalb des Punkts ihrer plastischen Umwandlung verteilt und innig mit den nicht klebrigen heißen Teilchen in der Fließbett-Reaktionszone kbntaktiert. Die eintretenden Teilchen haften an diesen nicht agglomerierenden heißen Teilchen, welche den für die plastische

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Umwandlung erforderlichen Temperaturbereich durchlaufen haben und die demgemäß die vorstehend beschriebenen, nicht agglomerierenden Materialien sind, nicht an. Die heißen, nicht agglomerierenden Teilchen oder Materialien, welche die Fließbett-Temperaturen aufweisen, übertragen die Wärmeenergie auf die zugespeisten Kohleteilchen. Diese Wärmeübertragung ermöglicht es den eintretenden Kohleteilchen, den für die plastische Umwandlung erforderlichen Temperaturbereich zu durchlaufen, ohne vorher mit einer signifikanten Anzahl an anderen klebrigen Kohleteilchen kontaktiert zu werden. Demgemäß werden die frischen Kohleteil-

umgewandelt,

chen plastisch . ohne daß dabei in der Fließbett-Reaktionszone eine signifikante Agglomerierung auftritt.

Die Erfindung eignet sich insbesondere als Verbesserung für ein hydrierendes Carbonisierungsverfahren unter Verwendung eines Fließbetts in dichter Phase. Unter "hydrierende Carbonisierung" wird in der vorliegenden Beschreibung die Pyrolyse oder Carbonisierung in einer wasserstoffreichen Atmosphäre unter solchen Bedingungen verstanden, daß eine signifikante Reaktion von Wasserstoff mit Kohle und/oder partiell umgesetzter Kohle und/oder flüchtigen Reaktionsprodukten der Kohle stattfindet. Unter "dichter Phase" wird in der vorliegenden Beschreibung eine Konzentration an Feststoffen im Fluidisierungsgas von ungefähr 0,08 bis ungefähr 0,72 g/cnr und typischerweise von ungefähr 0,24 bis ungeführ 0,64 g/cnr verstanden. Bei einem hydrierenden Carbonisierungs verfahr en unter Verwendung eines in dichter Phase vorliegenden Fließbetts werden die Teilchen im Bett praktisch vollständig wieder miteinander vermischt, wodurch sichergestellt wird, daß im gesamten Fließbett eine nahezu einheitliche Zusammenset-

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zung der Teilchen vorliegt. Da das Fließbett in dichter Phase vorliegt , müssen die frischen Kohleteilchen zum Bett mit einer Geschwindigkeit zugespeist werden, die zu einer schnellen Durchdringung des Betts und zu einer schnellen Verteilung der Kohle im gesamten Bett ausreicht.

Einefür das erfindungsgemäße Verfahren geeignete Geschwindigkeit, kann mittels beliebiger geeigneter Maßnahmen erzielt werden. So kann z.B. eine Einlaßeinrichtung verwendet werden, die einen Durchgang aufweist, dessen Querschnitt konisch verläuft., und sich nach unten verengt,, wodurch die Kohleteilchen auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigt werden. Außerdem kann beim Verfahren hergestelltes Gas als solches zu dem fluidisierten Strom aus frischen Kohleteilchen an einer Stel]e zugesetzt werden, bevor der fluidisierte Strom in den Reaktor eingespeist wird. Das Zusetzen von beim Verfahren gewonnenem Gas erhöht die Fließgeschwindigkeit des fluidisierten Stroms und demgemäß die Geschwindigkeit der Kohle teilchen. Dabei soll ein zur Erzielung der erwünschten Einspeisungsgeschwindigkeit der Kohleteilchen

dem Verfahren zugeführten bzw. ausreichender Teil des/beim Verfahren gewonnenen Gases verwendet

werden.

Da die fluidisierten Kohleteilchen durch die Leitungen in einem in dichter Phase vorliegenden Strom transportiert werden, ist es üblicherweise nicht erforderlich und wegen der Abreibeigenschaften der Kohle außerdem unerwünscht, eine gleich große Fließgeschwindigkeit wie die Einsp.eisungsgeschwindigkeit anzuwenden. Eine hohe Fließgeschwindigkeit der Kohleteilchen durch die Leitungen würde den Einbau von Verschleißblechen in die Leitungen

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zur Kontrolle der sonst schnellen Erosionsgeschwindigkeit der Leitungen erforderlich machen, was einen unerwünschten Kostenaufwand darstellen würde. Erfindungsgemäß ist Jedoch nur eine kleine Oberfläche in der unmittelbaren Nachbarschaft des Reaktors dem Abriebverschleiß ausgesetzt,und dieser Teil kann innerhalb sehr kurzer Zeit ohne weiteres und auf wirtschaftliche Art und Weise ausgewechselt werden.

Beim er findlingsgemäßen Verfahren'wird'vorzugsweise z.B. eine Einlaßvorrichtung aus einem Material mit verschleißfester Oberfläche als Einrichtung zur Erhöhung der Geschwindigkeit der in die Reaktionszone eintretenden Teilchen und als Vorrichtung zur kontrollierten Einspeisung der Teilchen verwaidet. Die Verwendung einer solchen Einspeisungselnrichtung verlängert die Verschleißzelt der den schnell strömenden Kohleteilchen ausgesetzten Oberfläche. Geeignete verschleißfeste Oberflächen können aus Materialien, wie Wolframcarbid, Siliciumcarbid oder anderen bekannten verschleißfesten Materialien in beliebiger Kombination oder in einem beliebigen Gemisch bestehen. In den Beispielen der vorliegenden Patentbeschreibung wird hauptsächlich Wolframcarbid als 'verschleißfeste Oberfläche des Materials, das die Erosion der Leitungen herabsetzt, verwendet, obwohl sich auch eine Anzahl von anderen verschleißfesten Materialien erfolgreich für das erfindungsgemäße Verfahren einsetzen läßt.

Eine Zuspeisungseinrichtung, wie eine Düse, die eine Übertragungsleitung mit. verminderter oder eingeengter Querschnittfläche " aufweist, kann erfindungsgemäß, eingesetzt werden. Das Verhältnis von Länge zu Querschnittfläche der Düse muß ausreichend groß

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sein, um däe erwünschte Einspeisungsgeschwindigkeit für die Feststoffteilchen oder das nicht verdampfbare RückfUhröl zu erreichen. Ein Verhältnis von Länge zu Querschnittfläche in diesem Teil der Übertragungsleitungen von mehr als ungefähr 5 '· 1 ist wünschenswert, und vorzugsweise wird ein Verhältnis von ungefähr 10 : angewendet. Dies, macht es möglich, die Kohleteilchen und/oder das verdampfbare Rückführöl innerhalb einer kurzen Distanz auf eine an die Geschwindigkeit des Trägergases angenäherte Geschwindigkeit zu beschleunigen.

Erfindungsgemäß wird vorzugsweise ein fluidisierter Strom von Kohleteilchen in den unteren Teil einer praktisch senkrecht angeordneten Fließbett-Reaktionszone eingespeist. Insbesondere werden die Teilchen in die Reaktionszone durch mindestens eine Zuspeisungseinrichtung in einen Reaktor senkrecht von unten nach oben eingespeist. Die Einspeisungseinrichtung befindet sich praktisch

am bzw. in der Nähe der senkrechten Achse oder/in der Nähe des Bodens des Reaktors. Die Kohleteilchen werden mit einer Geschwindigkeit 'in den Reaktor eingespeist, die zu einem schnellen Vermischen der frischen Kohle, die eine Temperatur unterhalb der plastischenUmwancllungstemperatur aufweist, mit nicht agglomerierenden Teilchen, wie mit teilweise umgesetzter Kohle und Teilchen aus verkokter Kohle, in der Reaktionszone bei den Reaktionstemperatur en ausreicht, wodurch das Agglomerieren des Fließbetts praktisch verhindert wird.

Im Reaktor, der vorzugsweise senkröcht angeordnet ist, stellt die natürliche Zirkulation der Kohleteilchen innerhalb der Fließbett-Reaktionszone ein komplexes Fließschema dar. Dieses Fließ-

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scheman kann jedoch annähernd mittels Aufteilung der Reaktionszone.in zwei konzentrische Unterzonen, nämlich eine innere Unterzone und eine äußere Unterzone, welche die innere Unterzone umschließt, beschrieben werden. In die innere Unterzone, die sich praktisch um den axialzentralen Teil des Reaktors herum erstreckt, fließen die Kohleteilchen im allgemeinen von unten nach oben. In-der äußeren Unterzone, die praktisch an den Wänden des Reaktors liegt, fließen die Kohleteilchen im allgemeinen von oben nach unten. DJe Vorteile des Einspeisens der Kohleteilchen in das Fließbett durch den Boden des Reaktors in praktisch senkrechter Richtung von unten nach oben bestehen darin, daß die natürliche Zirkulation der Kohleteilchen im Fließbett gefördert wird und daß die Kohleteilchen eine kleinstmögliche Verweilzeit im Reaktor aufweisen. Das Einspeisen der Kohleteilchen in das Fließbett durch den Boden des Reaktors fördert eine kanalisierte Zirkulation der Teilchen innerhalb der Reaktionszone entlang des natürlichen Zirkulationsweges. Dadurch v/erden Wirbelströmungen gefördert, und die Dispersion der eingespeisten Kohleteilchen in "der Matrix aus nicht agglomerierenden Teilchen in der Fließbett-Reaktionszone gefördert.

Die fluidisierten Kohleteilchen müssen in die vorgenannte innere Unterzone, nämlich die zentrale Zone, in der die Teilchen im Reaktor von unten nach oben strömen, eingespeist werden. Diese zentrale Zone mit der Strömung nach oben erstreckt sich radial von der senkrechten Achse des Reaktors bis zu dem Gebiet, an dem die äußere periphere Unterzone beginnt,^welche eine Strömung von oben nach unten aufweist. Es ist wesentlich, daß die Kohleteiichen in die zentrale^eine Strömung nach oben aufweisende Zone

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eingespeist werden, um eine Berührung der Teilchen mit den Wänden des Reaktors oder ein Eintreten der Teilchen in die periphere äußere Unterzone mit der Strömung nach unten zu vermeiden. Vorzugsweise werden die Kohleteilchen durch den unteren Teil oder den Boden des Reaktors durch eine oder mehrere Einlaßöffnungen eingespeist, die in der Nähe des Punkts angeordnet sind, an dem sich die senkrechte Achse des Reaktors und der Boden des Reaktors schneiden. -«*.."

Es wird gefunden, daß das Einleiten eines fluidisieren Stroms von. Kohleteilchen in eine in dichter Phase vorliegende Fließbett-Reaktionszone mit einer Geschwindigkeit von mehr als 60,96 m/sec auf die vorbeschriebene Weise das Agglomerieren oder das Zusammenbacken des Pließbetts praktisch verhindert. Bei Anwendung einer niedrigeren Einspeisungsgeschwindigkeit von z.B. 30,48 m/sec wird das Agglomerieren des Pließbetts nicht verhindert. Um das Agglomerieren der Fließbett-Reaktionszone praktisch zu verhindern, muß die Kohle mit hoher Geschwindigkeit in die Zone in einem .Strom mit hoher Geschwindigkeit, d.h. mit einer Geschwindigkeit von mehr als ungefähr 60,96 und vorzugsweise von mehr als ungefähr 121,92 m/sec^ auf die vorbeschriebene Weise eingespeist werden. Unter "Reaktionszone" wird in der vorliegenden Beschreibung das Gebiet verstanden, in dem kohlenstoffhaltige, verbrennbare, feste und manchmal flüssige Teilchen zu verkokter Kohle, sowie flüssigen und/oder dampfförmigen Kraft- oder Brennstoffprodukten bei Kohleumwandlungsverfahren, wie bei der Carbonisierung, der Vergasung und der trockenen Hydrierung (hydrierende Carbonisierung) umgesetzt werden. Unter einer Reaktionszone kann auch der Name des Verfahrens verstanden werden; so ist z.B. die

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Zone der hydrierenden Carbonisierung die Reaktionszone, die in einem Verfahren zur hydrierenden Carbonisierung angewendet wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sieh bei den verschiedenen vorbeschriebenen Kohleumwandlungsverfahren anwenden. So kann z.B. ein Verfahren zur hydrierenden Carbonisierung sowohl unter Anwendung von agglomerierenden und/oder nicht agglomerierenden Kohlen auf verbesserte Weise kontinuierlich -durchgeführt und dabei die Pluidisierung des Fließbetts aufrecht erhalten werden. In einem Verfahren zur hydrierenden Carbonisierung kann ein in dichter Phase vorliegender Strom von Kohleteilchen durch eine Vörerhitzungszone geleitet werden, bevor er in eine Fließbett-Reaktionszone für die hydrierende Carbonisierung eingespeist wird, in der die Kohleteilchen schnell in Gegenwart eines wasserstoffreichen, praktisch sauerstofffreien Gases auf erhöhte Temperaturen oberhalb 500⁰C erhitzt werden, bei denen die erwünschten Reaktionen stattfinden. Die Verbesserungen des erfindungsgemäßen Verfahrens umfassen auch das Einspeisen der vorerhitzten fluidisierten Kohleteilchen in das Fließbett durch den Boden einer Zone für die hydrierende Carbonisierung in praktisch senkrechter Richtung von

mit

unten nach oben hoher Geschwindigkeit. Dadurch werden die zugespeisten Kohleteilchen sehr schnell hoch erhitzt, und in einen nicht klebrigen, teilweise umgesetzten Zustand überführt, ohne daß ein zu großer Anteil der Kohleteilchen miteinander kontaktiert wird, wobei der Temperaturbereich für die plastischeümv.-andlung ebenfalls durchlaufen wird. Vorzugsweise wird die vorerhitzte, teilchenförmige Kohle in fluidisiertem Zustand in eine Fließbett-Reaktionszone für die hydrierende Carbonisierung senkrecht von unten nach oben, wie vorstehend beschrieben, mit einer

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Geschwindigkeit von oberhalb ungefähr 60,96 und vorzugsweise von mehr als ungefähr 121,92 m/sec eingespeist.

Kohlen werden gemäß der nachstehenden Tabelle A klassifiziert.

TabelleA

(Legende: P.C.
B. t. u. =

= nicht/Kohle; V.M. = flüchtige Kohlebestandteile;

Klasse

Gruppe

bzw. B.t.u., aschefreie Basis

I. Anthrazit

1. Meta-anthrazit

2. Anthrazit

3. S emianthrazi t trockene P.C., mindestens 98 % (trockene V,M., höchsten? 2 %)

trockene P.C., mindestens 92 %, Jedoch weniger als 98 % (trockene V.M.,höchstens und mehr als 2 %)

trockene P.C., mindestens 86 % und weniger als 92 % (trockene V.M., höchstens 14 und - über 8 %)

II. Bituminöse
Kohle ^d

1. Bituminöse Kohle mit einem niedrigen Anteil an flüchtigen Bestandteilen

2. Bituminöse Kohle mit einem mittleren Anteil an flüchtigen Bestandteilen

3. Bituminöse Kohle A mit einem hohen Anteil an flüchtigen Bestandteilen

4. Bituminöse Kohle B mit einem hohen Anteil an flüchtigen Bestandteilen

5. Bituminöse Kohle C mit einem hohen Anteil an flüchtigen Bestandteilen^ trockene F.C, mindestens 78 und weniger als 86 fo (trockene V.M., höchstens 22 und mehr als 14 %)

trockene P.C., mindestens 69 und weniger als 78 % (trockene V.M, höchstens 31 und mehr als 22 %)

trockene P.C., weniger als 69 % (trockene V.M., mindestens 31 %)

B.t.u. der feuchten Kohle⁰, mindestens I3OOO, jedoch weniger als 14000^e

B.t.u. der feuchten Kohle, mindestens 11000 und weniger als I3OOO ^e

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Ports et zurig

- 17 Tabelle A

	1.	Subbituminöse	B.t.u. der	feuchten	Kohle.	feuchten	feuchten	feuchten	Kohle,
		A-Kohle	mindestens	11000 und weni-	9500 und	8300 und	8300	weni-
			ger als I3OOO ^c	ger als 11000 ^e	ger als 9500 ^e	feuchten
	2.	Subbituminöse	B.t.u. der		• B.t.u. der	8300
		B-Kohle	mindestens	B.t.u. der	weniger als		Kohle,
			mindestens	B.t.u. der	weni-
III. Subbituminöse	3.	Subbi tuminös e		weniger als
Kohle		e-Kohle	Kohle,

	1.	Lignitkohle	Kohle,

	2.	Braunkohle
IV. Lignitkohle		-

Diese Klassifizierung umfaßt einige wenige Kohlen mit unüblichen physikalischen und chemischen Eigenschaften nicht, die Gehalte an" nicht flüchtigen Kohlebestandteilen oder B.t.u. von hochflüchtigen bituminösen und subbituminösen Kohlen aufweisen. Alle diese Kohlen enthalten entweder weniger als 48 % Feuchtigkeit und an aschefreier,

oder
nicht flüchtiger Kohle / weisen in feuchtem Zustand

B.t.u.-Werte von mehr als 15500 auf.

Sofern es sich um agglomerierende Kohlen handelt, werden diese in die niedrigflüchtige Gruppe der bituminösen Kohlen eingestuft.

Der B.t.u.-Wert der feuchten Kohle bezieht sich auf Kohle mit dem natürlichen Feuchtigkeitsgehalt, der jedoch siehtbares Wasser auf der Oberfläche der Kohle nicht einschließt.

In jeder Gruppe der bituminösen Kohlen kommen auch nicht 609827/0908

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zusammenbackende Arten vor.

e -' Kohlen mit einem Anteil von mindestens 69 % F.C.,bezogen auf die trockene, mineralstofffreie Substanz, sind ohne Rücksicht auf ihre B.t.u.-Werte nach ihren P.C.-Gehalten zu klassifizieren.

f - Die hochflüchtigen C -bituminösen Kohlen liegen in drei Arten vor, nämlich als Kohle 1, agglomerierend und nicht verwitternd; Kohle 2, agglomerierend und verwitternd; und Kohle 3* nicht agglomerierend und nicht verwitternd. • Quelle: ASTM D388-38 (ref. 1)

Ein B.t.u. (British thermal unit) entspricht 0,253 Kilokalorien.

Wie aus der vorstehenden Tabelle A ersichtlich, können die am niedrigsten klassifizierten Kohlen, nämlich die nicht agglomerierenden bituminösen und Lignitkohlender Klasse III und IV beim erfindungsgemaßen Verfahren ohne irgendeine Vorbehandlungsstufe zur Verhinderung des Agglomerierens behandelt werden.

Agglomerierende Kohlen, wie die meisten bituminösen und einige subbituminöse Kohlen, agglomerieren in einer Wasserstoff-Atmosphäre stark. Sie können bei herkömmlichen Verfahren auch bei Anwendung einer Vorbehandlungsstufe nicht als Zuspeisung verwendet werden. Diese Kohlen können jetzt ohne übermäßige Entfluidisierung des Reaktionsbetts mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens allein oder erforderlichenfalls in Kombination mit einer Vorbehandlungsstufe behandelt werden. Sofern eine Vorbehandlungsstufe erforderlich ist, kann die Vorbehandlung milder und unter gerin -

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ger Kosten durchgeführt werden. So führt z.B. bei herkömmlichen Verfahren die Verwendung von stark agglomerierenden Kohlen, wie von Pittsburgh seam Coal, sogar nach einer durchgreifenden Vorbehandlung bei einem Verfahren zur hydrierenden Carbonisierung zu Problemen aufgrund der Agglomerierung im Reaktions-Fließbett. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich diese Agglomerierungsprobleme vorteilhafterweise überwinden. In Kombination mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können natürlich eine beliebige Anzahl geeigneter VorbehandHungsstufen angewendet werden, wenn entweder stark agglomerierende Kohlen oder stark agglomerierende Kohle in einer wasserstoffhaltigen Atmosphäre gehandhabt werden sollen. Diese Vorbehandlungsstufen schließen z.B. chemische Vorbehandlungsmaßnahmen, wie die Oxydation oder das Vermischen mit inerten Feststoffen, wie r.ückgeführter verkokter Kohle, ein, sind jedoch nicht auf diese beschränkt.

Die Erfindung wird nun anhand der eine halbdiagrammatische Ansicht einer Ausführungsform eines Systems, mittels welchem das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann, darstellenden Zeichnung eingehender erläutert.

Die Zeichnung zeigt Kohle vorratsbehälter 10 und 16, eine Kohlezuspeisungseinrichtung 22, einen Vorerhitzer 30 und einen Reaktionsbehälter 4o. Die fein verteilte Kohle wird durch entsprechende Leitungen durch die nacheinander angeordneten Behälter transportiert. Eine Leitung 26 führt die Kohle vom J>.ustragbehälter 18 zum Vorerhitzer JO. Durch Leitung ]54 wird die Kohle vom Vorerhitzer 30 zum Reaktionsbehälter 40 geführt. Über Leitung 44 wird die entgaste. Kohle ("verkokte Kohle") vom Reaktionsbehälter

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4θ abgezogen und als festes Produkt gewonnen oder zurückgeführt. Über Leitung 42 werden flüssige und dampfförmige Produkte aus dem Reaktionsbehälter 4θ ihrer weiteren Verarbeitung zugeführt und/oder zurückgeführt.

Erfindungsgemäß wird die Kohle in Teilchenform z.B. nach Zerstossen, Zermahlen und Pulverisieren, auf eine Teilchengröße unterhalb ungefähr 2,3«8mm und vorzugsweise auf kleiner als ungefähr 0,841 mm zugespeist. Außerdem kann die als Zuspeisung verwendete Kohle adsorbiertes Wasser enthalten, vorzugsweise wird jedoch Kohle zugespeist, deren Oberfläche keine Feuchtigkeit enthält. Diese Anforderungen erfüllende Kohleteilchen werden in der Beschreibung nachstehend als "fluidisierbar" bezeichnet. Gegebenenfalls adsorbiertes Wasser wird beim Vorerhitzen verdampft. Außerdem muß das adsorbierte Wasser als Teil des inerten Trägergases angesehen werden und darf nicht in so großen Mengen vorliegen, daß es zu einer Vergrößerung der Menge an Trägergas über das erforderliche Maß hinaus führt.

Die Kohle-Vcrratsbehälter 10 und 16 können jeweils ein Bett aus fluidisierbaren Kohleteilchen, die beim Verfahren angewendet werden, enthalten. Der Kohle-^: Vorratsbehälter 10 besteht typischerweise aus einem Behälter mit einer verschließbaren Zuspeisungseinrichtung und wird praktisch auf Atmosphärendruck gehalten. Der Kohle- Vorratsbehälter 16 besteht typischerweise aus einem Behälter mit einer verschließbaren Zuspeisungseinrichtung, in dem Kohle mit beim Verfahren anfallendem Gas oder einem anderen erwünschten Pluidisierungsgas fluidisiert werden kann.

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Der Betrieb der Behälter 10, 16 und 22 kann mittels eines typischen Zyklus beschrieben werden. Bei geschlossenen Ventilen Ik und 17 wird der Behälter 16 bis auf einen vorbestimmten Pegel über die verschließbare Zuspeisungseinrichtung 10 und das offene Ventil 12 und die Leitung 11 praktisch bei Atmosphärendruck mit Kohle gefüllt. Dann wird der Behälter 16 bei geschlossenen Ventilen 12 und 17 durch die geöffneten Ventile 14 und IjJ mit einem oberhalb des im Reaktionssystem herrschenden Drucks, liegenden Druck beaufschlagt. Die Ventile 12 und 14 werden dann geschlossen und Kohle wird in den fluidisierten Zuspeisungsbehalter 22 durch das geöffnete Ventil 17 und die Leitung 20 eingespeist. Der Zyklus des Behälters l6 wird dann wiederholt. Ein solcher Zyklus nimmt typischerweise eine Zeit von ungefähr 10 bis ungefähr 30 Minuten in Anspruch. Bei geschlossenem Ventil 17 wird fluidisierte Kohle mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit über Leitung 26 in die anschließenden Verfahrenseinheiten eingespeist. Andere Abarten des Zuspeisungszyklus zum fluidisierten Zuspeisungsbehalter sind natürlich möglich, sie sind jedoch, da sie keine Stufe des erfindungsgemäßen Verfahrens darstellen, nicht wiedergegeben.

Im fluidisierten Zuspeisungsbehalter 22 durchströmt ein fluidisierendes Gas die Leitung 2h mit niedriger Geschwindigkeit, die jedoch ausreicht, um die fluidisierbare Kohle mitzureißen und in einem Strom in dichter Phase durch Leitung 26 und in den Boden des Kohlevorerhitzers 30 oder, sofern kein Vorerhitzen erforderlich ist, direkt in die Leitung ^>h einzuspeisen. Andererseits kann "zur,Unterstützung des Transports zusätzliches Gas in die Leitung eingespeist werden, durch welche die Kohle in einem Strom

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in dichter Phase durch Leitung 2.6 geführt wird. Ein beliebiges nicht oxydierendes Gas kann als Fluidisierungsgas verwendet werden, wie Kraft- bzw. Brennstoffgas, Stickstoff, Wasserstoff und Dampf. Vorzugsweise wird im allgemeinen ein beim Verfahren anfallendes Gas oder zurückgeführtes Produktgas für diesen Zweck verwendet. .

Der Kohlevorerhitzer 30 besteht aus einer Einrichtung zur erwünschtenfallc schnellen Vorerhitzung der fein verteilten Kohleteilchen unter Pluidisierungsbedingungen auf eine Temperatur, die unterhalb der Mindesttemperatur für die Erweichung oder von signifikanten Reaktionen in einer praktisch sauerstofffreien Atmosphäre liegt. Die höchste zulässige Temperatur beim Vorerhitzen beträgt von ungefähr 325 bis ungefähr 400°C. Der Strom aus mit Gas fluidisierter Kohle in dichter Phase wird beim schnellen Durchströmen des Vorerhitzers, der ein vorteilhaftes Verhältnis von Heizflächen zu Innenvolumen aufweist, aufgeheizt. Die Kohle wird im Vorerhitzer 30 mittels herkömmlicher Wärmeaustauschmaßnahmen, wie mittels Strahlungshitze oder eines heißen Abgases,

welches durch Leitung 28 in den Boden des Vorerhitzers 30

eingespeist und über Leitung 32 vom Kopf des Vorerhitzers 30 abgezogen wird, wie in der Zeichnung beschrieben, auf die erwünschte Temperatur gebracht.

Die vorerhitzten und fluidisierten Kohleteilchen verlassen den Vorerhitzer 30 über Leitung 34 und werden in den Boden des Reaktionsbehäljjers 40 oder in dessen Bodenteil in der Nähe des Zentrums des Bodens eingespeist. Erfindungsgemäß werden Kohleteilchen mit hoher Geschwindigkeit durch den Boden des Reaktors in

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. - 23 -

die Fließbett-Reaktionszone ehgeispeist. Diese hohe Geschwindigkeit kann durch Beschleunigen des fluidisierten Stroms aus Kohleteilchen auf die erwünschte Geschwindigkeit über eine eingeengte Leitung mit einem sich verengenden Querschnitt erzielt werden. Eine Düse mit einer engen Einlaßöffnung, einem konischen Einlaßkanal oder irgendeine Einspeisungseinrichtung, deren Querschnittfläche sich in Strömungsrichtung der fluidisierten Kohleteilchen verengt, kann zur Beschleunigung"des 5troms aus fluidisierten Kohleteilchen auf die erwünschte Geschwindigkeit verwendet werden. Der Strom aus vorerhitzten, fluidisierbaren Kohleteilchen wird in die zentrale Zone mit der Strömung nach oben des Fließbetts im Reaktionsbehälter mit hoher Geschwindigkeit praktisch senkrecht von unten nach oben, vorzugsweise durch den Boden des Reaktionsbehälters eingespeist.

Rückführöl kann ebenfalls durch Leitung 36 in den Reaktor 40 eingespeist werden. Das Eindüsen des Rückführöls wird ebenfalls vorzugsweise mit einer Strömungsgeschwindigkeit von mehr als ungefähr 60,96 und insbesondere von mehr als ungefähr 121,92 m/sec 4.n die zentrale Zone des Fließbetts des Reaktors mit der Strömung nach oben in praktisch senkrechter Richtung von unten nach oben durch den Boden des Reaktionsbehälters durchgeführt. Wie die eingespeisten Kohleteilchen folgt der RückführÖlstrom einem im we-

axial sentlichen aufsteigenden Weg ungefähr um φη/zentralen Teil des Reaktionsbehälters herum. Beim Eindüsen des Rückführöls und der fluidisierbaren Kohleteilchen ist es wesentlich, daß sie in den Reaktor auf solche Weise eingespeist werden, daß sie nicht unmittelbar und direkt die Wände des Reaktionsbehälters berühren, was zu einer ,unnötigen und unerwünschten Agglomerierung führen kann*.

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- 24 -

In der Zeichnung ist für Jede Einlaßeinrichtung für die Kohleteilchen und das Rückführöl nur eine Einlaßöffnung wiedergegeben. Diese Einlaßeinrichtungen können jedoch auch eine Vielzahl von Einlaßöffnungen zur Erleichterung des Betriebs des Verfahrens aufweisen. Eine Vielzahl von Einlaßöffnungen kann z.B. wünschenswert sein, wenn es sich um einen großen Reaktor handelt,bzw. wenn gesonderte Rückführströme an öl in den Reaktor eingedüst werden. Die Eintrittsöffnungen für die Kohleteilchen und/oder das Rüekführöl befinden sich vorzugsweise nahe der Stelle, an der sich die senkrechte Achse des Reaktors mit dem Boden des Reaktors schneidet. Jeder Strom aus Kohleteilchen und/oder Rückführöl wird vorzugsweise mit hoher Geschwindigkeit an jeder Einlaßöffnung praktisch senkrecht von unten nach oben eingespeist, und die Einlaßöffnungen befinden sich im Boden des Reaktors oder in dessen Nähe praktisch in der Nähe des Punkts, an dem sich die senkrechte Achse des Reaktors mit dem Reaktorboden schneidet. Auf diese Weise werden gesonderte Einspeisungsströme des kohlenstoffhaltigen Materials getrennt gehalten, bis sie sich schnell mit der teilweise umgesetzten Kohle und den verkokten Kohleteilchen im Fließbett des Reaktors vermischen.

Das eingespeiste kohlenstoffhaltige Material wird in der Reaktionszone bei Temperaturen oberhalb ungefähr 50O⁰C mit einem geeigneten Reagens umgesetzt. . -

Verkokte Kohle aus dem Reaktionsbehälter. 40 wird kontinuierlich durch Leitung 44 abgezogen.

Flüssige· und dampfförmige Produkte werden aus dem Reaktionsbehäl-

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- 25 -

ter 4θ über Leitung 42 abgezogen. Fluidisierungsgas wird in den Reaktor 40 über Leitung 38 eingespeist, wobei der Typ des verwendeten Gases von der. Art des verwendeten Verfahrens abhängt. Zum Beispiel wird Dampf oder Dampf und Sauerstoff in einen Vergaser bei einem Vergasungsverfahren eingespeist. Bei einem Carbonisierungsverfahren wird ein inertes Gas in eine Carbonisierungseinrichtung eingespeist. Bei einem Verfahren zur hydrierenden Carbonisierung wird ein wasserstoffhaittges, praktisch sauerstofffreies Gas in einen Reaktor für die hydrierende Carbonisierung eingeleitet.

Die Beispiele erläutern die Erfindung.

Beispiel -1

Der in der Zeichnung schemat-isch wiedergegebene Apparat enthält zwei mit Kohle gefüllte Behälter 10 und l6 mit verschließbaren Zuspeisungseinrichtungen, die parallel mit einem fluidisierten Zuspeisungsbehälter 22, einem Vor erhitzer J>0 und einem Reaktor verbunden sind. Die gesamte Kohle-Beförderungsleitung besteht aus Rohrleitungen mit einem Innendurchmesser von 9*55 und einem Außendurchmesser von 15*88 nun. Die beiden Kohlezuspeisungsbehälter mit verschließbaren Zuspeisungseinrichtungen 10 und 16, über die der fluidisierte Zuspeisungsbehälter abwechselnd beschickt wird, weisen jeweils einen Innendurchmesser von 17*78 cm und eine Höhe von 2,43 m . auf. Der fluidisierte Zuspeisungsbehälter 22 weist einen Innendurchmesser von 60,96 cm" und eine Höhe von 6,10 η auf. Der Vorerhitzer 30, der mittels "Oberflächenverbrennungs¹-Brennern in einem Bleibad erhitzt wird, weist einen Innendurch-

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-_: 2.6 -

messer von 6θ,96 cm .und eine Höhe von 3,66 m_auf. Der Reaktor 4-0 enthält ein Fließbett mit einem Innendurchmesser von 27>94 om und weist eine Außen-Querschnittflache von 6,lj5 dm auf.

Die mittlere Geschwindigkeit des Stroms in der Leitung für die in dichter Phase vorliegende Kohlezuspeisung ist nicht besonders hoch, und die Höchstgeschwindigkeit in dieser Leitung beträgt ungefähr 12,19 m je Sekunde am EinlaflTdes Reaktors und nur 4,57 m je Sekunde am Auslaß des Kohlezuspeisungsbehälters, wodurch die Erosion der Rohrleitungen noch auf annehmbaren Werten gehalten wird. Versuche, die Kohle- in den Reaktor mit Geschwindigkeiten von ungefähr 50,48 m je Sekunde einzuspeisen, führen zum Agglomerieren und zum Zusammenbacken des Pließbetts. Zur Erhöhung der Geschwindigkeit, mit welcher der fluidisierte Kohle-Wasserstoff strom in den. Reaktor eingespeist wird," auf 60,96 m je Sekunde und zur Verfügungstellungeiner verschleißfesten Oberfläche wird eine Wolframcarbid-Düse mit einem Durchmesser von 11,90 cm verwendet.

Während des Betriebs ist der Reaktor mit Kohle gefüllt und wird langsam bis auf die erwünschten Bedingungen erhitzt, und die Gasströme und Drücke werden auf die erwünschten Werte eingeregelt. Als Gasphase wird Wasserstoff verwendet. Wenn die erwünschten Bedingungen erreicht worden sind^ird mit der- Zuspeisung der Kohle begonnen. Nach Beendigung des Versuchs wird der Reaktor geöffnet. Es werden keine großen Agglomerate oder Koksteilchen gefunden. Die Betriebsbedingungen bei der hydrierenden Carbonisierung sind in der nachstehenden Tabelle I wiedergegeben.

6 0 9827/0908 ORIGINAL INSPECTED

O <Q OO

Tabelle I (Lake de Smet Kohle) Betriebsbedingungen

- 27 -

Versuch Nr.

XX

Reaktordruck	35,15 - 42, ic	? atü	42,19 atü	28,12 - 70,31 atü	49,22 atü
Reaktortemperatur	*47O - 520⁰C		*47O - 520⁰C	480 - 57O⁰C	520 - 56O⁰C
Pluidisierungs- geschwindigkeit	0,15 m/sec		0,15 m/seo	0,075-0,15 m/sec	0,15 m/sec
Kohlezuspeisungs- geschwindigkeit ·	453,6-544,3 kg/Std.		453,6-544,3 kg/Std.	272,2-453,6 . kg/Std.	453,6 kg/Std.
Zum Reaktor zuge speistes Gas	Wasserstoff,		Wasserstoff	Wasserstoff	Wasserstoff
Dauer des Versuchs	45 Std.		. 34 Std.	78 Std.	29 Std.
Geschwindigkeit des eingespeisten Kohlestroms	60,96 m/sec		00,96 m/sec	60,96 m/sec	60,96 m/sec
Nominelle Verweil zeit der Peststoff teilchen im Reak torbett
18-22 Min. '		18-24 Min.	19-46 Min.	9,4 Min.

Beträgt anfänglich 470 C und wird stufenweise alle 6 Stunden um Io C erhöht mit

acr zusätzlicnen

Beschränkung, daß der Reaktor nach Unterbrechung der Kohlezuspeisung und der

Wiederaufnahme der Kohlezuspeisung auf 450 bis 470⁰C abgekühlt wird. Dietsettliöhe im Reaktor wird vor diesem Versuch auf 2,18 m verringert. Die Analyse der Zuspeisung ist nachstehend in der Tabelle II wiedergegeben.

OT

cn

OO

cn cn

Tabelle II Lake de Smet-Kohle, Wyoming

® ί^?§·1ϊ§§2

frei von Feuchtigkeit und Gewichtsprozent auf aschefreier Basis _;

^mm ■" ^*™ «w ·" ·" ^ «Μ ^ ■— ^ ^ ^ -™ ^ -β -ρ« HB ^ «Β Μ· ν— ■· ^w

C 72,0 • H ' 5,3

N . 1,J ■

S . 1,0

■ 0 20,4

Asche 11,9 (trockene Basis)

Wasser jK> (wie geliefert)

Beispiel *2

Zwei zusätzliche Versuche werden unter Einsatz des gleichen Apparats und des gleichen Verfahrens wie in Beispiel 1 durchgeführt, mit der Ausnahme, daß öl, d.h. die höhersiedenden Fraktionen (das gesamte oberhalb 2j55°C siedende Produkt) des flüssigen Produkts zum Reaktor zurückgeführt wird. Diese zusätzlichen Versuche werden durchgeführt, um zu bestimmen, ob ein schweres öl mit hoher Geschwindigkeit in den Reaktor ohne Agglomerieren des Fließbetts eingedüst werden kann. Die an die Versuchsanlage angeschlossene

Öl-Rückführeinrichtung enthält einen Lagertank für das zurück- und -

geführte öl / einen Öl-Vorerhitzer zum Vorerhitzen des Öls vor dem Eindüsen in den Reaktor.

Der Hauptwasserstoffstrom zum Reaktor wird in zwei ungefähr gleich große Ströme aufgetrennt, von denen jeder auf 300 bis 350⁰C vorerhitzt wird. Das schwere Rückführöl wird in einen dieser Wasser-

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Stoffsströme gepumpt .und durch eine Wolframcarbid*-Düse mit einem Durchmesser von 6,35 mm mit einer Stromgeschwindigkeit von ungefähr 121,92 m/sec in den Reaktor eingedüst. Die von unten senkrecht in den Reaktor hineinführende Düse befindet sich im Zentrum des Reaktorbodens 1,52 m über dem Einlaß für die "Kohle. Der andere Wasserstoffstrom wird mit vorerhitzter Kohle vermischt und durch eine Wolframcarbid-Düse mit einem Durchmesser von 11,91 mm mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 48,6? m/sec in senkrechter Richtung von unten nach oben in den Boden des Reaktors eingedüst. Die bei diesen Versuchen erhaltenen Werte sind nachstehend in Tabelle III zusammengefaßt.

Tab	Versuch	eile III	2
Kohle-Zuspeisungsge- schwindigkeit	1	453,6 kg/Std.
Druck iia Köhlezuspeisungs- behälter	■453,6 kg/std."	77,34 atü
Reaktordruck	77,34 atü	35,15 atü
Reaktortemperatur	35,15 atü	58O⁰C
Reaktor-Fluidisierungs- geschwindigkeit	55O°C	0,15 m/sec
Ver suchs dauer	0,15 m/sec	5 Std.
Rückführöl-Zuspeisungs- geschwindigkeit	5 Std.	108,86 kg/Std.
Kohle-Hg-Einspeisungs- geschwindigkeit	45,36 kg/Std.	48,77 m/sec
Öl-Hp-Einspeisungs- ges chwindigkei t	48,77 m/sec	128,02 m/sec
128,02 m/sec

Bei den vorstehenden Versuchen treten keine Probleme auf. Sogar beim Eindüsen des Öls mit einer Geschwindigkeit von 108,86 kg/Std.

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. - 30 -

sind keine Anzeichen einer Agglomerierung im Fließbett zu erkennen.

Beispiel 3

Der in diesem Beispiel verwendete Labor-Apparat enthält eine Zuspeisungseinrichtung für pulverisierte Feststoffe Bit einem Fassungsvermögen von 4,5 Litern und besteht aus einem Bohr aus

von 76,2 iran Durchmesser und' JL, 22 m Höhe unlegiertem Stahl/. Ein Reaktor wird aus einem Edelstahlrohr mit einem Innendurchmesser von 25*4 mm und einer Höhe von 22,85 cm mit einer Wanddicke von 6,35 mm und einem ausgeweiteben Kopf mit einer Höhe von 10,16 cm und einem Innendurchmesser von 5*08 cm hergestellt. Die Feststoff-Überlaufleitung besteht aus einem

Rohr mit einem Innendurchmesser von 1,27 cm. Eine Dampfleitung ist aus einem Edelstahlrohr mit einem Außendurchmesser von 9*53 mm hergestellt und außerdem enthält die verwendete Apparatur eine Feststoff-Zuspeisungseinrichtung. Zwei Pumpen für die flüssige Zuspeisung (Lapp. Microflow Pulsafeeders) werden verwendet, von denen eine die zu untersuchene flüssige Zuspeisung und die andere Wasser für die Erzeugung von Dampf einspeist. Elektrisch beheizte Flüssigkeit und Wasserverdampfer und Überhitzer aus Edelstahlrohren mit einem Außendurchmesser von 6,35 mm werden zwischen den Zuspeisungspumpen und den Zuspeisungsdüsen zum Reaktor installiert. 7,62, 15,24, 20,32 und 27,94 cm vom Boden des Reaktors ι entfernt werden Thermoelemente in einem Meßrohr mit einem Außendurchinesser von 6,35 mm angebracht, das axial im Zentrum des Reaktors angeordnet ist. Die unteren drei Thermoelemente befinden sich im fluidisierten Bett, während sich die oberen Thermoelemente in der Dampfphase über dem Bett befinden.

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BeimBetrieb werden oberhalb 235°C siedende, bei der hydrierenden Carbonisierung einer Lake de Smet-Kohle erhaltene Teermaterialien als Zuspeisungsmaterial zur Reaktionszone für die Umwandlung in unterhalb 230⁰C siedende öle eingesetzt. Die Teere werden vom gesamten flüssigen, bei der hydrierenden Carbonisierung erhaltenen Produkt ab_<destill±ert_/und dabei werden verschiedene Destillations fr akt Ionen erhalten und ein Verschnitt dieser Fraktionen, wie er im vorliegenden Beispiel verwendet wir-d, weist einen nominalen Atmosphärendruck Temperaturbereich von 75 % des Te*=»rs zwischen

235 und 46O°C auf. Die restlichen 25 % des Materials sieden oberhalb 4'6O°C.

Die Zuspeisungseinrichtung für die Feststoffe wird mit Lake de Smet-Kohle für die hydrierende Carbonisierung, wie vorstehend beschrieben, gefüllt. Die Versorgungsbehälter für das Wasser und den Teer werden gefüllt und auf die Betriebstemperatur erhitzt. Während des Erhitzens wird ein vorbestimmter Wasserstoffstrom durch den leeren Reaktor geleitet. Nach Erreichen der Betriebsbedingungen wird die Kohlezuspeisung und die Wasserzuspeisung (die beim Einströmen in den Reaktor durch die EindüsungsÖffnungen aus überhitztem Dampf besteht) eingespeist. Die drei Thermoelemente im Fließbett, die in den vorstehend angegebenen Abständen angeordnet sind, dienen als Meßeinrichtungen für das Verhalten des Betts. Versuche, diese Teerströme mit Geschwindigkeiten von 30*^8, 60,96 und 91,29 m/sec in den Reaktor einzuspeisen, führen zu einem schnellen Agglomerieren des fluidisierten Reaktorbetts. Eine Injektionsnadel mit'einem Durchmesser von 0,405 mm wird zur Erzielung einer Eindüsgeschwindigkeit der gesamten Teerzuspeisung von 121,92 m/sec verwendet. Bei Anwendung dieser Eindüsungsgeschwindigkeit für die gesamte Zuspeisung wird das Zusammenbacken

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des fluidisierten Betts im Reaktor unter den nachstehend in der Tabelle IV aufgeführten Betriebsbedingungen verhindert.

T a b e 1 1 e IV

Betriebsbedingungen Lake de Smet-Kohle

Druck

Wasserstoffpartialdruck

Verweilzeit des Dampfes im Bett aus verkokter Kohle, bezogen auf die Lineargeschwindigkeit des überhitzten .Dampfes

Zuspeisung aus verkokter Kohle Öl-Zuspeisungsgeschwindigkeit Wasser-Zuspeisungsgeschwindigkeit (als Dampf)

Wasserstoffstrom zum Reaktor Mole H₂/Mole öl
Temperatur

Oberflächenlineargeschwindigkeit des Wasserstoffs

Versuchsdauer
Pluidisierendes Gas

10.	,54 atü	,15 m/Sek
8,	,08 atü	Std.
1.	,33 sek.	Wasserstoff
250	g/Std.
2	ml/Min.
3	ml/Min.
IO 670 Nl
45/1
650⁰C
o,
5

Beispiel 4

45,36 kg je Stunde Pittsburgh No. 8 Seam-Kohle mit einer Teilchengröße bis zu 0,841 mm werden in einem Niedertemperatur-Fließbettreaktor für die Pyrolyse bei einer Reaktortemperatur von 54O°C eingespeist und dadurch flüssige Produkte, gasförmige Kraft- und Brennstoffe und trockene verkokte Kohle hergestellt. Pittsburgh

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No. 8 Seam-Kohle ist eine stark aufquellende, agglomerierende, hochflüchtige A-bifcuminöse Kohle. Die nominelle Verweilzeit der Kohle und der als Produkt erhaltenen verkokten Kohle im Reaktorbett beträgt 15 Minuten. Wenn die Kohle mit dem zurückgeführten Produktgas mit einer Kohle- und Gas-Eindüsgeschwindigkeit, von 6,10 m/sec in den Reaktor eingespeist wird, agglomeriert das Reaktorbett sofort. Innerhalb von J50 Minuten ist das Bett hochgradig agglomeriert, so daß keine Fluidisierung mehr vorhanden ist, und aus praktischen Gründen keine weitere Kohle mehr in den Reaktor eingedüst werden kann.

Wenn die frische Kohle jedoch mit Eindüsgeschwindigkeiten von 6θ,9β, 91,44 und 121,9 m/sec in das Fließbett des Reaktors eingespeist wird, wird bei Reaktionstemperaturen von ungefähr 500 bis ungefähr 700⁰C ein Fließbett ohne wesentliche Agglomeration aufrecht erhalten. Die frisch zugespeiste Kohle vermischt sich schnell mit der teilweise carbonisierten Kohle (verkokte Kohle), die im Bett zirkuliert, so daß nach der plastischen umwandlung der frischen Kohle und deren Klebrigwerden die frischen Kohleteilchen hauptsächlich auf Teilchen treffen, welche bereits plastisch Uiug«- wandeltworden sind und die jetzt keine klebrige Konsistenz mehr aufweisen. Die Carbonisierungsprodukte, die Gase, Teere und andere Flüssigkeiten, Wasser und verkokte Kohle werden kontinuierlich vom Carbonisierungsreaktor abgezogen.

Beispiel5

In einem agglomerierenden Asche-Vergaser des in der US-PS

3 171 369 beschriebenen Typs werden 455,6 kg je Stunde frische Pittsburgh No. 8 Seam-Kohle mit einer Teilchengröße bis zu 0,25 mm

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bei Tenperaturen von ungefähr 8l6 bis ungefähr 1000⁰C mit Dampf

von

vergast. Die Beheizung erfolgt durch Zirkulation/544^ kg je Stunde an agglomerierten Ascheteilchen aus einer, mit verkokter Kohle beheizten Fließbett-Verbrennungseinrichtung durch den Vergaser. Wenn die frische Kohle mit einer Geschwindigkeit von 6,10 m/sec mit Dampf in das Fließbett, aus Asche und teilweise umgesetzter Kohle eingedüst wird, _ agglomeriert dieses teilweise. Große Koksaggregate werden gebildet, die nicht von den Ascheagglomeraten abgetrennt werden können, und dies hat eine schlechte Fluidisierung und nach kurzer Zeit einen schlechten thermischen Wirkungsgrad zur Folge. Es ist wesentlich für den Betrieb des Verfahrens, daß die Kohle nach ihrer Carbonisierung und Vergasung frei fließend und fein verteilt bleibt.

Wenn die Pittsburgh No. 8-Kohle und Dampf mit einer erhöhten Geschwindigkeit von 121,92m/sec eingespeist werden, führt dies zu einer ausgezeichneten Dispersion innerhalb des Fließbetts. Es findet keine signifikante Agglomerierung statt, und die Abtrennung der gebildeten feinen verkokten Kohle von den größeren und dichteren Teilchen aus agglomerierter Asche ist einfach durchzuführen. Das Einspeisen der frischen Kohle in das fluidisiertes im allgemeinen nach unten strömende Bett aus heißer agglomerierter Asche mit einer Geschwindigkeit von 121,9²m/sec findet an einem Punkt in der Nähe des Bodens des Betts statt, der sich jedoch geringfügig oberhalb des Bodens befindet, um das Mitnehmen der Kohle oder der verkokten Kohle durch die durch das Bett geführte Asche von oben nach unten zu verhindern. Das Eindüsen wird allgemein in senkrechter Richtung von unten nach oben durchgeführt. Dies fördert die große Turbulenz der Asche, der Kohle und der verkokten

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Kohle in der Nähe der Einspeisungsstellen, durch welche die Kohle über das gesamte Reaktionsbett dispergiert und wodurch das Agglomerieren auf wirksame Weise verhindert wird.

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Claims

- 36 Patentansprüche

1/ .Verfahren zur praktischen Verhinderung des Agglomerierens von festen kohlenstoffhaltigen Teilchen in einer Fließbett-Reaktionszone, dadurch gekennzeichnet, daß es in folgenden Verfahrensstufen durchgeführt wird:

(a) Zur Verfügungstellen einer Fließbett-Reaktionszone für die Umsetzung fester kohlenstoffhaltiger Teilchen mit einem geeigneten Reagens bei Reaktionstemperaturen oberhalb ungefähr 50O⁰C, die eine Matrix aus bei Reaktionstemperaturen

. nicht agglomerierenden Teilchen enthält;

(b) Überführender festen kohlenstoffhaltigen Teilchen in dichter Phase in die Nähe der Fließbett-Reaktionszone mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit bis zu ungefähr 12,19 m/sec;

(c) Erhöhen der ersten vorbestimmten Geschwindigkeit der Teilchen auf eine zweite 'vorbestimmte Geschwindigkeit von mehr als ungefähr 60,96 m/sec,

(d) Einleiten der festen kohlenstoffhaltigen Teilchen und eines Trägergases in den unteren Teil der Fließbett-Reaktionszone in senkrechter Richtung von unten nach oben mit der zweiten vorbestimmten Geschwindigkeit, wobei die kohlenstoffhaltigen .Teilchen eine vorbestimmte Temperatur unterhalb des Punkts ihrer plastischen Umwandlung aufweisen .. und eine solche vorbestimmte zweite Geschwindigkeit angewendet wird, die bei der vorbestimmten Temperatur zum schnellen und einheitlichen Dispergieren der festen kohlenstoffhaltigen Teilchen in der Matrix ausreicht; und

(e) Umsetzen der festen kohlenstoffhaltigen Teilchen mit dem

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Reagens bei Reaktionstemperaturen in der Fließbett-Reaktionszone unter weitgehender Verhinderung des Agglomerierens der kohlenstoffhaltigen Teilchen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite vorbestimmte Geschwindigkeit oberhalb 121,92 m/sec angewendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

als feste kohlenstoffhaltige Teilchen Kohleteilchen und als nicht agglomerierende Teilchen teilweise umgesetzte Kohleteilchen und Teilchen aus verkokter Kohle verwendet werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3* dadurch gekennzeicnnet, daß die Kohleteilchen praktisch in den axialzentralen Teil der Reaktionszone eingespeist werden,
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es außerdem . die Verfahrensstufen (b¹) und (c¹) enthält, wobei in

(b¹) flüssige Kohlenwasserstoffe in den unteren Teil der Reaktionszone in praktisch senkrechter Richtung von unten nach oben eingespeist werden, welche eine vorbestimmte unterhalb der Reaktionstemperatur liegende Flüssigkeitstemperatur aufweisen und daß die flüssigen Kohlenwasserstoffe mit einer vorbestimmten Plüssigkeitsgeschwindigkeit oberhalb 60,96 m/sec eingespeist werden, die ausreicht, um die flüssigen Kohlenwasserstoffe bei der vorbestimmten Plüssigkeitsteraperatur schnell und einheitlich in der Matrix zu verteilen; und in

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(c¹)· flüssige Kohlenwasserstoffe mit dem Reagens bei den Reaktionstemperaturen in der Reaktionszone unter praktisch vollständiger Verhinderung des Agglomerierens dieser Zone umgesetzt werden.
6." Verfahren nach Anspruch 5* dadurch gekennzeichnet, daß als flüssigerKohlenwasserstoff öl verwendet wird.
7· Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als. flüssigerKohlenwasserstoff ein in der Fließbett-Reaktionszone gebildetes öl verwendet wird," das von dieser Zone abgezogen und zum unteren Teil der Reaktionszone geführt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Reaktionszone eine Zone zur hydrierenden Carbonisierung und als Reagens ein wasserstoffreiches, sauerstofffreies Gas verwendet wird und daß in der Reaktionszone Temperaturen von ungefähr 500 bis ungefähr 600°C angewendet werden.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Reaktionszone eine Carbonisierungszone und als Reagens nur die gasförmigen und dampfförmigen Produkte aus der Carbonisierung und ein im wesentlichen inertes Trägergas verwendet werden und daß eine Reaktionstemperatur von ungefähr 500 bis ungefähr 700 C angewendet wird.
10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Reaktionszone eine Vergasungszone und als Reagens Dampf verwendet werden und daß eine Reaktionstemperatur von ungefähr 816

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bis ungefähr 1000°C angewendet wird.
11. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite vorbestimmte Geschwindigkeit der Peststoffe und Flüssigkeiten oberhalb ungefähr 121,92 m/sec angewendet wird.
12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit der Teilchen in ei-ner Düse mit einem Verhältnis von Länge zu Querschnittfläche oberhalb ungefähr 5 : 1 von der ersten auf die zweite Geschwindigkeit erhöht wird.

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