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Dokumentenidentifikation DE69018091T2 27.07.1995
EP-Veröffentlichungsnummer 0500744
Titel Verfahren zum Behandeln von Kohlenstoffmaterial.
Anmelder KFX, Inc., Denver, Col., US
Erfinder KOPPELMAN, Edward, Encino, CA 91316, US
Vertreter Rechts- und Patentanwälte Lorenz Seidler Gossel, 80538 München
DE-Aktenzeichen 69018091
Vertragsstaaten AT, BE, CH, DE, DK, ES, FR, GB, GR, IT, LI, LU, NL, SE
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 30.10.1990
EP-Aktenzeichen 909175572
WO-Anmeldetag 30.10.1990
PCT-Aktenzeichen US9006297
WO-Veröffentlichungsnummer 9106617
WO-Veröffentlichungsdatum 16.05.1991
EP-Offenlegungsdatum 02.09.1992
EP date of grant 22.03.1995
Veröffentlichungstag im Patentblatt 27.07.1995
IPC-Hauptklasse C10F 5/00
IPC-Nebenklasse C10L 9/00   

Beschreibung[de]
HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung ist insbesondere anwendbar, aber nicht unbedingt beschränkt auf die Veredlung von kohlenstoffhaltigem Material unter hohem Druck bei hohen Temperaturen, wobei die zum Aufheizen des Einsatzmaterials und zum Herbeiführen der gewünschten Reaktion eingeleitete Energie im wesentlichen zurückgewonnen wird, so daß ein besserer Wirkungsgrad und eine bessere Wirtschaftlichkeit bei der praktischen Durchführung des Verfahrens erreicht werden. Typisch für Verfahren, auf die die vorliegende Erfindung anwendbar ist, ist die Behandlung verschiedener natürlich vorkommender organischer kohlenstoffhaltiger Materialien, wie zum Beispiel Holz oder Torf, um zu erreichen, daß ein Großteil der Feuchtigkeit daraus entfernt wird, und die Behandlung subbituminöser Kohlearten wie zum Beispiel Lignit, damit sie sich besser als feste Brennstoffe eignen.

Die GB-A-2 067 732 beschreibt ein Verfahren zum Trocknen und Modifizieren organischer Feststoffe durch Behandlung in einer Dampfatmosphäre bei erhöhten Temperaturen.

Bei jedem der obengenannten Verfahren wird das kohlenstoffhaltige Material einem Hochdruckdampf ausgesetzt, damit es eine erhöhte Temperature erreicht, während es sich für eine gewisse Zeit in einer kontrollierten Umgebung befindet, um die gewünschte Wärmebehandlung durchzuführen. Eine Vielzahl von Vorrichtungen und Veredelungsverfahren wurden bisher verwendet oder vorgeschlagen, um kohlenstoffhaltiges Material so zu behandeln, daß es sich besser als fester Brennstoff eignet. Diese Verfahren waren jedoch problematisch bezüglich der effizienten Nutzung der eingeleiteten und/oder erzeugten Energie, der Schwierigkeit und Komplexität von Steuerungen, die in vielen Fällen notwendig waren, um eine kontinuierliche Durchführung solcher Verfahren zu ermöglichen, und einer allgemein mangelnden Flexibilität und Vielseitigkeit solcher Vorrichtungen hinsichtlich einer Anpassung an die Veredelung anderer Materialien bei anderen Temperaturen und/oder Drücken.

Das Verfahren der vorliegenden Erfindung beseitigt viele der bei bekannten Vorrichtungen und Verfahren bestehenden Probleme und Nachteile, indem es eine Einheit bereitstellt, die einfach gebaut ist und eine dauerhafte Konstruktion aufweist, vielseitig im Gebrauch ist und ohne weiteres für die Veredelung unterschiedlicher Einsatzmaterialien bei unterschiedlichen Temperaturen und/oder Drücken zu unterschiedlichen Produkten umgerüstet werden kann. Das Verfahren der vorliegenden Erfindung ist des weiteren dadurch gekennzeichnet, daß es einfach zu steuern ist und eine effiziente Nutzung und Rückgewinnung der Wärmeenergie erlaubt, so daß ein kostengünstiger Betrieb und eine Einsparung von Ressourcen möglich sind.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die Nutzen und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch eine Vorrichtung und ein Verfahren erreicht, bei dem kohlenstoffhaltige Materialien im wesentlichen im abgebauten Zustand mit einem Feuchtigkeitsgehalt von 20% bis 80% in einen Autoklaven gefüllt werden und für einen kontrollierten Zeitraum mit Dampf mit einem hohen Druck und einer hohen Temperatur beaufschlagt werden, um eine kontrollierte thermische Umstrukturierung des kohlenstoffhaltigen Materials und eine Umwandlung der Feuchtigkeit und eines Teils der darin enthaltenen flüchtigen organischen Bestandteile in eine Gasphase zu erreichen. Wasser, Wachs und Teer werden bei der Behandlung im Autoklaven gewonnen. Am Ende der Behandlung im Autoklaven wird das kohlenstoffhaltige Material abkühlen gelassen und dann aus dem Autoklaven herausgenommen.

In einer alternativen Anordnung wird kohlenstoffhaltiges Material mit einem Feuchtigkeitsgehalt von 20% bis 80% in eine eigene Vorheizkammer gefüllt, in der das Einsatzmaterial unter einem relativ niedrigen Druck im Bereich von 13,7 bar bis 41,4 bar (200 bis 600 psig), wobei etwa 34,5 bar bis 37,9 bar (500 bis 550 psig) bevorzugt sind, auf eine Temperatur von 204ºC bis 260ºC (400ºF bis 500ºF) und vorzugsweise 240ºC bis 246ºC (465ºF bis 475ºF) erhitzt wird. Von Kohlenteer und anderen Verunreinigungen im wesentlichen freies Wasser wird aus der Vorheizkammer abgelassen, entgast und als dampferzeugendes Speisewasser zu dem Dampfkessel zurückgeleitet. Das vorgeheizte Einsatzmaterial wird dann an die Atmosphäre entlüftet und in einen zweiten Autoklaven geleitet, wo es für einen kontrollierten Zeitraum mit unter Druck stehendem Dampf beaufschlagt wird, um eine kontrollierte thermische Umstrukturierung herbeizuführen. Während der Behandlung im Autoklaven werden Wasser, Wachs und Teer gewonnen, wobei wenigstens ein Teil des unter Druck stehenden Wassers gefiltert wird und ein Teil seines wärmeliefernden Anteils über Verdampfungstöpfe gespült und zu der Vorheizkammer zurückgeleitet wird, um eine zweite Charge Einsatzmaterial vorzuheizen, die in die Vorheizkammer eingeleitet wurde. Die aus dem zweiten Autoklaven gewonnenen Wachs- und Teerprodukte können als Wärmequelle für den Dampfgenerator verwendet werden, wodurch ein sich selbst erhaltendes dampferzeugendes Behandlungssystem entsteht.

Das veredelte Produkt besitzt eine innere Struktur, die ausgehend von dem eingefüllten ursprünglichen kohlenstoffhaltigen Material sichtbar umgewandelt wurde und erhöhte Heizwerte besitzt, die im allgemeinen im Bereich von 26,68 bis 31,32 kJ/g /(11.500 bis 13.500 btu/lb) liegen. Im Gegensatz dazu besitzt beispielsweise bituminöse Braunkohle im abgebauten Zustand einen Heizwert von etwa 18,56 kJ/g (8.000 btu/lb), während sie im feuchtigkeitsfreien Zustand einen Heizwert im Bereich von 23,9 bis 26,68 kJ/g (10.300 bis 11.500 btu/lb) besitzt. Diese Zunahme des Heizwertes ist auch bei anderen kohlenstoffhaltigen Materialien festzustellen. Des weiteren besitzen der Teer und das Wachs, die bei der Behandlung im Autoklaven gewonnen wurden, einen Heizwert von 24,82 bis 25,52 kJ/g (10.700 bis 11.000 btu/lb).

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Weitere Nutzen und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden bei der Lektüre der Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform in Verbindung mit den dargelegten speziellen Beispielen und der Zeichnung offensichtlich; darin zeigen:

Fig. 1 ein Funktionsschema eines mit einem Autoklaven arbeitenden Veredelungssystems, das nach den Prinzipien der vorliegenden Erfindung angeordnet ist; und

Fig. 2 ein Funktionsschema eines alternativen Veredelungssystems, das nach den Prinzipien der vorliegenden Erfindung angeordnet ist.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG

Das Verfahren der vorliegenden Erfindung eignet sich zum Veredeln von kohlenstoffhaltigen Materialien wie zum Beispiel unter anderem Braunkohle, Lignit und subbituminöse Kohlearten, die im allgemeinen im Bereich liegen zwischen Holz, Torf und bituminösen Kohlearten, die in ähnlichen Lagerstätten zu finden sind wie höherwertige Kohlearten. Solche kohlenstoffhaltigen Materialien enthalten im abgebauten Zustand im allgemeinen 20% bis 80% Feuchtigkeit und können ohne Vorbehandlung direkt verwendet werden, wobei sie beim Einfüllen in den Autoklaven 101 von Fig. 1 lediglich gesiebt werden. Normalerweise wird bevorzugt, das kohlenstoffhaltige Material im abgebauten Zustand zu sieben und/oder zu zerkleinern, um große Teilchen zu entfernen, die vielleicht noch daran hängen, damit die Charge besser zu handhaben ist und leichter in den Autoklaven 101 gefüllt werden kann. Die Größe und Konfiguration des kohlenstoffhaltigen Materials ist jedoch nicht entscheidend für die Erzielung der Vorteile des Verfahrens der vorliegenden Erfindung.

Mit Bezug auf Fig. 1 kann es sich bei dem verwendeten Autoklaven 101 um jeden beliebigen im Stand der Technik bekannten Typ handeln, der in der Lage ist, den erforderlichen Temperaturen und Drücken standzuhalten, und während die vorliegenden Erfindung insbesondere auf Kammerautoklaven gerichtet ist, können selbstverständlich auch kontinuierlich arbeitende Autoklaven bei der praktischen Durchführung der Erfindung verwendet werden. Das kohlenstoffhaltige Material wird in einen Einlaß an einem Ende des Autoklaven 101 eingefüllt, indem ein Ventil 102 geöffnet wird, und Hochdruckdampf aus einem Dampfkessel 108 wird dann durch ein Ventil 109 in eine Öffnung 103 in dem Autoklaven 101 an einer Stelle im Bereich des Einlaßventils 102 eingeleitet.

Wenn der Hochdruckdampf in den Autoklaven 101 eingeleitet ist, kommt der Dampf mit dem kohlenstoffhaltigen Material in dem Autoklaven in Kontakt und kondensiert fast sofort. Dieser kondensierte Dampf (Wasser) wandert nach unten zum Boden des Autoklaven 101 und beginnt das kohlenstoffhaltige Material aufzuheizen, während der Hochdruckdampf weiter oben in den Autoklaven 101 eingeleitet wird, bis eine vorbestimmte Temperatur und ein vorbestimmter Druck in dem gesamten Volumen des Autoklaven 101 erreicht sind. Es zeigt sich also, daß die Charge von oben bis unten einer wandernden Atmosphäre von Hochdruckdampf ausgesetzt ist.

Der Druck in dem Autoklaven 101 wird durch einen Drucksensor 116 überwacht, und man läßt ihn einen vorbestimmten Wert erreichen. Dann wird ein Überdruckventil 104 am Boden des Autoklaven 101 geöffnet, um diesen Druck aufrechtzuerhalten. Die Temperatur des Dampfes im Inneren des Autoklaven 101 wird durch eine Thermoelementanordnung 107 überwacht, bis er eine vorgewählte Temperatur an dem am Boden angebrachten Überdruckventil 104 erreicht. Alternativ kann die Temperatur in der Ausgangsleitung des Autoklaven und nicht im Inneren des Autoklaven selbst überwacht werden. Wenn diese Dampftemperatur erreicht ist, wird das am Boden angebrachte Überdruckventil 104 geschlossen, und man läßt das kohlenstoffhaltige Material solange darin liegen, bis ein gewünschter Grad der thermischen Umstrukturierung und/oder Zersetzung erreicht ist.

Es können Dampftemperaturen in einem Bereich von 271ºC (520ºF) bei einem Druck von 55,2 bar (800 psig) bis 343ºC (650ºF) bei einem Druck von 165,5 bar (2400 psig) verwendet werden, um eine thermische Umstrukturierung des kohlenstoffhaltigen Materials zu erreichen. Die besten Ergebnisse bei der Behandlung von Kohle wurden jedoch erreicht, wenn man die Dampftemperatur einen Wert in der Größenordnung von 326,7ºC (620ºF) erreichen läßt, und wenn man den Druck in dem Autoklaven 101 einen Wert in der Größenordnung von 124,1 bar (1800 psig) erreichen läßt.

Die Verweildauer des kohlenstoffhaltigen Materials in dem Autoklaven 101 wird je nach dem gewünschten Grad der thermischen Umstrukturierung und dem gewünschten Heizwert schwanken. Die Verweildauer wird allgemein im Bereich von 5 bis 15 Minuten liegen, wenn das am Boden angebrachte Überdruckventil eine Dampftemperatur von etwa 326,7ºC (620ºF) erreicht hat.

Die erforderliche Verweildauer nimmt mit zunehmender Temperatur und mit zunehmendem Druck in dem Autoklaven 101 ab. Längere Verweildauern sind dagegen erforderlich, wenn niedrigere Temperaturen und Drücke verwendet werden.

Die Druckbeaufschlagung des Inneren des Autoklaven 101 läßt sich mit Hilfe eines Überdruckventils 104 steuern, das am Boden des Autoklaven 101 angebracht ist. Wenn der Druck im Inneren des Autoklaven 101 124,1 bar (1800 psig) erreicht, kann das Überdruckventil 104 geöffnet werden, um diesen Druck aufrechtzuerhalten. Dieser Druck von 124,1 bar (1800 psig) wird aufrechterhalten, bis der Dampf das am Boden angebrachte Überdruckventil 104 mit einer Temperatur von 326,7 ºC (620ºF) erreicht. Wenn der Dampf am Ventil 104 eine Temperatur von 326,7ºC (620ºF) erreicht, wird das am Boden angebrachte Überdruckventil 104 geschlossen, und man läßt das kohlenstoffhaltige Material in dem Hochdruckdampf bei 326,7ºC (620ºF) für eine Dauer von vorzugsweise 5 bis 15 Minuten liegen. Die Veredelungsdauer - die Zeit, in der der Hochdruckdampf eingeleitet wird, bis die gewünschte Temperatur und der gewünschte Druck erreicht sind und das Überdruckventil 104 am Boden geschlossen ist - kann im Bereich zwischen 5 und 60 Minuten liegen.

Am Ende der Behandlung im Autoklaven wird der Autoklav 101 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung an die Atmosphäre oder in einen angrenzenden oder verfügbaren Auffangbehälter entlüftet, und ein Ventil 105 am Boden des Autoklaven 101 wird geöffnet. Das kohlenstoffhaltige Material wird dann durch einen Filter, beispielsweise ein Johnson-Sieb, 115 über einen Extruder 106 aus dem Autoklaven 101 extrahiert.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird auch in Erwägung gezogen, daß während der Behandlung im Autoklaven das entstandene Wasser, Wachs und Teer durch ein Überdruckventil 104 am Boden des Autoklaven 101 gewonnen und zu einem angrenzenden herkömmlichen Abscheider 110 befördert werden können. Sobald sie sich im Abscheider 110 befinden, können Teer und Wachs beispielsweise durch Zentrifugalkraft vom Wasser getrennt und zum späteren Gebrauch zu einem angrenzenden Tank 111 befördert werden. Das Wasser kann dann durch ein Ventil 112 abgelassen und als Abwasser zu einem angrenzenden Tank 113 befördert werden, bis das Wasser eine Temperatur von etwa 121,1ºC (250ºF) erreicht. Wenn die Wassertemperatur 121,1ºC (250ºF) erreicht, wird das Wasser zum späteren Gebrauch abgelassen und zu einem angrenzenden Auffangbehälter 114 befördert. Alternativ könnte das heiße Wasser mit einer Temperatur über etwa 121,1ºC (250ºF) zu einem weiteren Autoklaven befördert werden, wo es zum Vorheizen des darin befindlichen Einsatzmaterials verwendet wird.

Anhand von Fig. 2 ist ein gemäß den Prinzipien der Erfindung in einer alternativen Weise angeordnetes Veredelungssystem veranschaulicht, bei dem eine getrennte, mit Druck beaufschlagte Vorheizkammer für das Einsatzmaterial verwendet wird, bevor das Einsatzmaterial in den Hochdruckautoklaven, wie zum Beispiel den Autoklaven 101 von Fig. 1, eingeleitet wird. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, wird Einsatzmaterial wie zum Beispiel subbituminöse Kohle von einer Fördereinrichtung an der Leitung 250 über das Hochdruckventil 230 in eine Vorheizkammer 201 geleitet. Die Ausgangsleitung 251 des Gefäßes 201 ist mit einem Filter 203 (beispielsweise ein Johnson-Sieb) gekoppelt und wird dann über das Hochdruckventil 231 zu der Eingangsleitung 252 geführt, die in den Hochdruckautoklaven 205 führt.

Das in dem Gefäß 205 behandelte Material wird dann über die Ausgangsleitung 253 und den Filter 207 (beispielsweise auch ein Johnson-Sieb) und das Ventil 232 über die Leitung 254 zu einer Ausgangsfördereinrichtung oder zu einem Extruder befördert.

Der Dampfgenerator 213 erzeugt an seinem Ausgang 255 Hochdruckdampf, der über das Ventil 233, den Thermokompressor 219, das Ventil 234 und die Eingangsleitung 256 zum Inneren der Vorheizkammer 201 geleitet wird. Außerdem ist der erzeugte Dampf am Ausgang 255 über das Ventil 235 mit einem Eingang 260 zu dem Filter 203 gekoppelt, über das Ventil 236 mit der Eingangsleitung 259 des Autoklaven 205, und über das Ventil 239 mit der Eingangsleitung 261 zu dem Filter 207.

Ein Ausgang des Filters 207 ist über das Ventil 240 mit einem ersten Verdampfungstopf 209 gekoppelt. Ein Ausgang des Verdampfungstopfes 209 ist über das Ventil 238 mit der Eingangsleitung 256 der Vorheizkammer 201 gekoppelt, während ein zweiter Ausgang des ersten Verdampfungstopfes 209 über das Ventil 241 mit einem Eingang eines zweiten Verdampfungstopfes 211 gekoppelt ist. Ein Ausgang des Verdampfungstopfes 211 ist über das Ventil 242 mit dem Eingang 258 zu einem herkömmlichen System 217 zur Entfernung von Wachs und Teer gekoppelt, während ein zweiter Ausgang des Verdampfungstopfes 211 über das Ventil 237 mit dem Thermokompressor 219 verbunden ist.

Wachs und Teer, die über das System 217 aus dem Abwasser des Verdampfungstopfes 211 entfernt wurden, können dann über die Leitung 261 zu dem Dampfgenerator 213 geleitet werden, um dort als Wärmequelle für die Dampferzeugung verwendet zu werden.

Ein Ausgang des Filters 203 ist über das Ventil 243 mit dem Eingang 257 eines herkömmlichen Entgasungs- und Speichersystems 215 gekoppelt. Das über den Filter 203 zu dem Entgasungs- und Speichersystem 215 geleitete Wasser wird dann aufbereitet und in einem im wesentlichen sauberen Zustand über die Leitung 262 zu dem Dampfgenerator 213 geleitet, um darin als Speisewasser verwendet zu werden.

Der in der Vorheizkammer 201 entstandene Innendruck wird über den Druckfühler 223 überwacht, während die Temperatur des in dem Gefäß 201 verwendeten Vorheizmediums durch einen Temperaturfühler (beispielsweise ein Thermoelement) 221 überwacht wird, der in der Ausgangsleitung 251 des Gefäßes 201 angeordnet ist. In ähnlicher Weise wird der Druck in dem Hauptveredelungsautoklaven 205 über den Druckfühler 227 überwacht, und die Temperatur des Heizmediums in dem Gefäß 205 wird über einen Temperaturfühler (beispielsweise ein Thermoelement) 225 überwacht, der in der Ausgangsleitung 253 des Gefäßes 205 angeordnet ist.

Durch Verwendung einer getrennten Vorheizkammer 201 betreibt das System von Fig. 2 den Vorheizkessel 201 bei relativ niedrigem Druck, so daß aus der Vorheizkammer über den Filter 203 austretendes Wasser sauber genug ist, um in dem Dampfgenerator 213 wieder verwendet werden zu können. Dieser größere Wirkungsgrad wird ohne besondere zusätzliche Kosten erreicht, da das obere Gefäß 201 aufgrund der darin verwendeten niedrigeren Drücke eine preiswertere Bauweise besitzen kann.

Bei Verwendung des Systems von Fig. 2 wird eine Charge Einsatzmaterial über die Leitung 250 und das Hochdruckventil 230 in das Gefäß 201 eingeleitet. Das Ventil 230 wird dann geschlossen, und Dampf mit einem Druck in der Größenordnung von 13,7 bis 41,4 bar (200 bis 600 psig), vorzugsweise 34,5 bis 37,9 bar (500 bis 550 psig) wird in die Vorheizkammer 201 eingeleitet. Kondensiertes Wasser gelangt dann über den Filter 203 und das Ventil 243 aus dem Gefäß 201 in ein Entgasungs- und Speichersystem 215, wo es aufbereitet und dann über die Leitung 262 zu dem Dampfgenerator 213 zurückgeleitet wird, damit noch mehr Dampf erzeugt werden kann.

Nach dem Vorheizen der Charge in dem Gefäß 201 auf eine vorbestimmte Temperatur (vorzugsweise 240-246ºC bzw. 465- 475ºF) wird das Gefäß 201 an die Atmosphäre entlüftet und das Ventil 231 wird geöffnet, so daß das Einsatzmaterial unter atmosphärischem Druck in den Hauptautoklaven 205 entleert wird.

Das Ventil 231 wird dann geschlossen, und zu diesem Zeitpunkt kann neues Einsatzmaterial über die Leitung 250 und das Ventil 230 in das Vorheizgefäß 201 eingeleitet werden. Gleichzeitig wird Hochdruckdampf (vorzugsweise mit einem Druck von 124,1 bar bzw. 1800 psig) über das Ventil 236 in den Hauptautoklaven 205 geleitet, um mit dem vorgeheizten Einsatzmaterial in Berührung zu kommen, das von der oberen Vorheizkammer 201 aus eingeleitet wurde.

Kondensiertes heißes Wasser tritt am Auslaß 253 aus dem Autoklaven aus, wenn das Gefäß 205 einen Druck von vorzugsweise 124,1 bar (1800 psig) erreicht hat, und wird von dem Filter 207 über das Ventil 240 zu einem ersten Verdampfungstopf 209 geleitet. Da das in den Verdampfungstopf 209 einfließende Wasser einen Druckabfall erfährt, wird Dampf mit dem zugehörigen Heizwert (btu-Wert) über das Ventil 238 und die Eingangsleitung 256 zu dem Vorheizgefäß 201 zurückgeleitet und heizt dabei die anschließend in das Gefäß 201 eingeleitete Charge auf.

Der Rest des Wassers aus dem ersten Verdampfungstopf 209 wird dann zu einem zweiten Verdampfungstopf 211 geleitet, wo zusätzlicher Dampf ausgetrieben wird, weil es aufgrund eines Unterdruckes am Thermokompressor 219 zu einem weiteren Druckabfall gekommen ist. Dieser zusätzliche Dampf wird ebenso über das Ventil 237, den Kompressor 219, das Ventil 234 und die Eingangsleitung 256 in das Vorheizgefäß 201 geleitet, um weiter zu dem Vorheizen beizutragen.

Die in dem Verdampfungstopf 211 verbleibende Mischung aus Wasser, Teer und Wachs wird dann über das Ventil 242 zu dem Eingang 258 eines herkömmlichen Systems 217 zum Entfernen von Wachs und Teer geleitet. In dem System 217 wird Wasser nach herkömmlichen Verfahren von dem Wachs und dem Teer getrennt, und das Wachs und der Teer können dann über die Leitung 261 zu dem Dampfgenerator 213 geleitet werden, um als Brennstoff zum Sieden des Speisewassers zu dienen, damit der von der Anordnung gemäß Fig. 2 benötigte Dampf erzeugt werden kann.

Wenn das aus dem Autoklaven 205 austretende Wasser bei der vorgewählten Temperatur und dem vorgewählten Druck in Dampf übergeht, werden die Ventile 232 und 240 geschlossen, und das Einsatzmaterial läßt man bei der vorbestimmten Temperatur für die vorbestimmte Dauer (vorzugsweise 5-15 Minuten) in dem Hochdruckdampf liegen, ähnlich wie im Zusammenhang mit dem Autoklaven 101 von Fig. 1 beschrieben.

Zur weiteren Veranschaulichung der vorliegenden Erfindung werden die folgenden speziellen Beispiele angegeben. Es versteht sich, daß diese Beispiele als Veranschaulichung brauchbarer Variationen der in der vorliegenden Erfindung verwendeten Zeit-, Temperatur- und Druckverhältnisse dienen und den Rahmen der Erfindung, wie sie hier beschrieben und in den beigefügten Ansprüchen dargelegt ist, nicht einschränken sollen.

BEISPIEL 1

Kohle mit einem Feuchtigkeitsgehalt von 30 Gew.-% und einem Heizwert von etwa 18,79 kJ/g (8100 btu/lb) wurde in einen Autoklaven gefüllt. Dann wurde Hochdruckdampf für eine Dauer von 15 Minuten in den Autoklaven eingeleitet, während der Druck im Inneren des Autoklaven auf 124,1 bar (1800 psig) gehalten wurde, und die Temperatur des Dampfes im Inneren des Autoklaven ließ man einen Wert von 326,7ºC (620ºF) erreichen. Der Autoklav wurde dann verschlossen, und die Kohle ließ man bei einem Druck von 124,1 bar (1800 psig) und einer Temperatur von 326,7ºC (620ºF) für eine Dauer von 15 Minuten darin liegen. Am Ende der Behandlung im Autoklaven wurde ein Ventil am Boden des Autoklaven geöffnet, und die Charge wurde herausgenommen. Das veredelte Kohleprodukt hatte einen Feuchtigkeitsgehalt von 0,04 Gew.- % und einen gemessenen Heizwert von 28,94 kJ/g (12475 btu/lb).

BEISPIEL 2

Kohle mit einem Feuchtigkeitsgehalt von 30 Gew.-% und einem Heizwert von etwa 18,79 kJ/g (8100 btu/lb) wurde in einen Autoklaven gefüllt. Dann wurde Hochdruckdampf für eine Dauer von 16 Minuten in den Autoklaven eingeleitet, während der Druck in dem Autoklaven auf 110,3 bar (1600 psig) gehalten wurde, und die Temperatur des Dampfes in dem Autoklaven ließ man 315,6ºC (600ºF) erreichen. Der Autoklav wurde dann verschlossen, und die Kohle ließ man bei einem Druck von 110,3 bar (1600 psig) und einer Dampftemperatur von 315,6ºC (600ºF) für die Dauer von 20 Minuten darin liegen. Am Ende der Behandlung im Autoklaven wurde ein Ventil am Boden des Autoklaven geöffnet, und die Charge wurde herausgenommen. Das veredelte Kohleprodukt hatte einen Feuchtigkeitsgehalt von 3,17 Gew.-% und einen gemessenen Heizwert von 28,19 kJ/g (12149 btu/lb).

BEISPIEL 3

Kohle mit einem Feuchtigkeitsgehalt von 30 Gew.-% und einem Heizwert von etwa 18,79 kJ/g (8100 btu/lb) wurde in einen Autoklaven gefüllt. Dann wurde Hochdruckdampf für die Dauer von 15 Minuten in den Autoklaven geleitet, während der Druck in dem Autoklaven auf 79,3 bar (1150 psig) gehalten wurde, und die Temperatur in dem Autoklaven ließ man 293,3ºC (560ºC) erreichen. Der Autoklav wurde dann verschlossen, und die Kohle ließ man bei einem Druck von 79,3 bar (1150 psig) und einer Dampftemperatur von 293,3ºC (560ºF) für die Dauer von 10 Minuten darin liegen. Am Ende des Vorgangs im Autoklaven wurde die Charge aus dem Autoklaven genommen. Das veredelte Kohleprodukt hatte einen Feuchtigkeitsgehalt von 3,9 Gew.-% und einen gemessenen Heizwert von 26,98 kJ/g (11631 btu/lb).

BEISPIEL 4

Kohle mit einem Feuchtigkeitsgehalt von 30 Gew.-% und einem Heizwert von 18,79 kJ/g (8100 btu/lb) wurde in einen Autoklaven gefüllt. Dann wurde Hochdruckdampf für die Dauer von 15 Minuten in den Autoklaven geleitet, während der Druck in dem Autoklaven auf 124,1 bar (1800 psig) gehalten wurde, und die Temperatur des Dampfes in dem Autoklaven ließ man 326,7ºC (620ºF) erreichen. Während dieses Vorgangs im Autoklaven wurde durch ein Ventil Teer abgelassen und zusammen mit dem sich als kondensierter Dampf bildenden Wasser zu einem Abscheider befördert. Der Teer wurde dann von dem Wasser getrennt, und der Teer hatte einen gemessenen Heizwert von 25,11 kJ/g (10824 btu/lb).

BEISPIEL 5

Kohle mit einem Feuchtigkeitsgehalt von ungefähr 30 Gew.-% und einem Heizwert von 18,56 kJ/g (8000 btu/lb) wurde in eine Vorheizkammer gefüllt. Dampf mit einem Druck von 34,5 bar (500 psig) wurde in die Vorheizkammer eingeleitet, bis der am Boden der Vorheizkammer austretende Dampf eine Temperatur von ungefähr 240ºC (465ºF) erreichte. Die Vorheizkammer wurde an die Atmosphäre entlüftet, und die Charge wurde dann in einen Hauptveredelungsautoklaven gefüllt, und es wurde Dampf mit einem Druck von 124,1 bar (1800 psig) eingeleitet. Als die Temperatur am Boden des Hauptveredelungsautoklaven 326,7ºC (620ºF) erreichte, wurde der Autoklav verschlossen, und die Kohle ließ man für die Dauer von 10-15 Minuten darin liegen. Am Ende der Behandlung im Autoklaven wurde der Autoklav an die Atmosphäre entlüftet, und die Kohle wurde herausgenommen. Das veredelte Kohleprodukt hatte einen Feuchtigkeitsgehalt von 0,4-2,0 Gew.-% und einen gemessenen Heizwert von ungefähr 28,54 kJ/g (12300 btu/lb).


Anspruch[de]

1. Verfahren zur Dampfbehandlung von kohlenstoffhaltigem Material, umfassend die folgenden Schritte:

Einfüllen von kohlenstoffhaltigem Material in ein Gefäß;

Einleiten von Hochdruckdampf in das Gefäß, bis die Innenseite des Gefäßes einen Druck zwischen 55 bar (800 psig) und 165 bar (2400 psig) erreicht;

Messen der Temperatur des aus dem kohlenstoffhaltigen Material ausgetriebenen Dampfes und Wassers und des kondensierten Dampfes in dem Gefäß;

Abziehen des Wassers und des kondensierten Dampfes aus dem Gefäß;

Verschließen des Gefäßes, wenn die gemessene Temperatur des Dampfes zwischen 271ºC und 343ºC (520ºF und 650ºF) liegt, und das kohlenstoffhaltige Material solange in dem unkondensierten Dampf einweichen lassen, bis eine weitere thermische Umstrukturierung des kohlenstoffhaltigen Materials möglich ist; und

anschließend Herausnehmen des kohlenstoffhaltigen Materials aus dem Gefäß.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Gefäß einen Autoklaven umfaßt, der Hochdruckdampf in ein erstes Ende des Autoklaven eingeleitet wird, und man den Dampf über eine Ladung kohlenstoffhaltiges Material zu einem zweiten Ende des Autoklaven wandern läßt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der Autoklav verschlossen wird, wenn die gemessene Temperatur des Dampfes zwischen 316ºC und 327ºC (600ºF und 620ºF) liegt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem Hochdruckdampf eingeleitet wird, bis die Innenseite des Gefäßes einen Druck zwischen 110 bar und 124 bar (1600 psig und 1800 psig) erreicht.

5. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem Hochdruckdampf eingeleitet wird, bis die Innenseite des Autoklaven einen Druck zwischen 117 bar und 124 bar (1700 psig und 1800 psig) erreicht.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das kohlenstoffhaltige Material mindestens 5 Minuten in unkondensiertem Dampf einweicht.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das kohlenstoffhaltige Material mindestens 15 Minuten in dem unkondensierten Dampf einweicht.

8. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem:

das kohlenstoffhaltige Material in den Autoklaven gefüllt wird, indem ein oberes Ventil desselben geöffnet wird;

das erste Ende des Autoklaven einen oberen Abschnitt desselben umfaßt, und das zweite Ende des Autoklaven einen unteren Abschnitt desselben umfaßt,

der Dampfdruck aufrechterhalten wird, indem ein Überdruckventil im unteren Abschnitt des Autoklaven geöffnet wird;

das abgezogene Wasser und der abgezogene kondensierte Dampf zu einem angrenzenden Tank befördert wird;

die Dampftemperatur an dem Überdruckventil im Boden des Autoklaven gemessen wird;

der Autoklav durch Schließen des oberen und des unteren Ventils verschlossen wird; und

der Autoklav vor dem Herausnehmen des kohlenstoffhaltigen Materials an die Atmosphäre entlüftet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem der Autoklav verschlossen wird, wenn die gemessene Dampftemperatur 327ºC (620ºF) und der Dampfdruck 124 bar (1800 psig) beträgt.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, bei dem der Zeitraum im Bereich von 5 Minuten bis 15 Minuten liegt.

11. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem der Zeitraum im Bereich von 15 Minuten bis 20 Minuten liegt.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem vor dem Einfüllen von kohlenstoffhaltigem Material in das Gefäß weiterhin die folgenden Vorstufen stattfinden:

Einbringen des kohlenstoffhaltigen Materials in eine Vorheizkammer;

Einleiten von Dampf mit einem Druck zwischen 13,8 bar und 41,3 bar (200 psig und 600 psig) in die Vorheizkammer;

Überwachen der Temperatur des aus der Vorheizkammer austretenden kondensierten Wassers; und

Unterbrechen der Dampfzufuhr und Entlüften der Vorheizkammer an die Atmosphäre, wenn der aus der Vorheizkammer austretende Dampf eine Temperatur zwischen 204ºC und 260ºC (400ºF und 500ºF) erreicht.

13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem die Dampfzufuhr zu der Vorheizkammer unterbrochen wird und die Vorheizkammer an die Atmosphäre entlüftet wird, wenn der aus der Vorheizkammer austretende Dampf eine Temperatur zwischen 241ºC und 246ºC (465ºF und 475ºF) erreicht, und wenn der Dampfdruck in der Vorheizkammer zwischen 34,5 bar und 37,9 bar (500 psig und 550 psig) liegt.

14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, bei dem des weiteren als Vorstufe das aus der Vorheizkammer austretende Wasser zu einem Dampfgenerator zurückgeleitet wird, wo es als Speisewasser verwendet wird.

15. Verfahren nach Anspruch 12, 13 oder 14, bei dem weiterhin das aus dem Gefäß austretende Wasser mit vermindertem Druck in einen Verdampfungstopf eingeleitet wird, um weiteren Dampf von dem Wasser abzutreiben und den abgetriebenen Dampf zu der Vorheizkammer zurückzuschicken, wo er verwendet wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, bei dem des weiteren Wachs und Teer von dem aus dem Gefäß austretenden Wasser abgetrennt und zu einem Dampfgenerator geschickt werden, um dort als Brennstoff verwendet zu werden.

17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das umstrukturierte kohlenstoffhaltige Material über einen Extruder gewonnen wird, um das umstrukturierte kohlenstoffhaltige Material zu Kügelchen zu formen.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, bei dem des weiteren Teer sowie Wasser und kondensierter Dampf aus dem Gefäß abgelassen werden und Wasser und Teer zu einer Trenneinrichtung befördert werden, um Teer und Wasser getrennt zu gewinnen.







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