Untersuchungen über die Zusammensetzung und Verwendbarkeit von Schwelteerfraktionen

35 Pages·1952·4.026 MB·German

by  Prof. Dr. phil. Walter Fuchs (auth.)

FORSCH U NGS BERICHTE
DES WI RTSCHAFTS- UND VE RKEH RSMI NISTE RI UMS
NORD RH EIN-WESTFALE N
Herausgegeben von Ministerialdirektor Dipl.-Ing. L. Brandt
Nr.6
Prof. Dr. phil. Walter Fuchs
Untersuchungen über die Zusammensetzung
und Verwendbarkeit von Schwelteerfraktionen
Als Manuskript gedruckt
WESTDEUTSCHER VERLAG / KOLN UND OPLADEN
1952
ISBN 978-3-663-03223-6 ISBN 978-3-663-04412-3 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-04412-3
Forsohungsberiohte des Wirtsohafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen
G 1 i e der u n g
Untersuchungen über die Zusammensetzung und Verwend
barkeit von Schwelteerfraktionen
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. s.
Vorbemerkung 5
Abschnitt I Allgemeines über Schwelung und Schwelin
dustrie:
1. Allgemeines über Schwelung ••••••••••• S. 7
2. Geschichte der Steinkohlenschwelung •• S. 8
3. Gegenwärtig arbeitende Betriebe •••••• S. 13
Abschnitt II Allgemeine Chemie des Steinkohlenschwel
teers:
1. Abhängigkeit der Teerausbeute von
Variablen •........................... S. 14
2. Charakteristik des Schwelteers ••••••• S. 15
3. Entstehung, Pyrolyse und Thermodynamik
des Schwelteers •••••••••••••••••••••• S. 18
Abschnitt III Spezielle Chemie des Steinkohlenschwel
teers:
1. Chemie des Kohlenwasserstoff-Anteils
a) Die Gewinnung des Kohlenwasserstoff
Anteils aus dem Rohteer ••••••••••• S. 20
b) Konventionelle Charakterisierung •• S. 21
o
) Analytische Bestimmung der Kohlen
wasserstoff-Klassen ••••••••••••••• S. 21
d) Präparative Isolierung der Kohlen-
wasserstoff-Klassen ••••••••••••••• S. 24
e) Lösungsmittelextraktion ••••••••••• S. 25
2. Chemie der restlichen Verbindungs-
gruppen •••••••••••••••••••••••••••••• S. 25
Abschnitt IV für den Schwel
Umwandlungsm~glichkeiten
teer und seinen Kohlenwasserstoff-Anteil:
1. Veredelung des Rohteers durch veränder-
te Teerabführung, thermische Nachbe
handlung oder Hydrierung ••••••••••••• S. 25
2. Umwandlung des Kohlenwasserstoff-An-
teils durch Behandlung mit Schwefel,
Katalysatoren oder Luft •••••••••••••• S. 26
Abschni tt V ten für den Kohlen
Verwendungsm~glichkei
wasserstoff-Anteil des Schwelteers •••••• S. 28
Abschnitt IV Darstellung der Resultate vor der
Öffentlichkeit •••••••••••••••••••••••••• S. 30
Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen
Vorbemerkung
Die im Ruhrgebiet anfallenden schwelwUrdigen Kohlen können - im
Gegensatz zu den im Saarrevier vorkommenden Schwelkohlen - zum
großen Teil den Kokskohlen zugeschlagen werden, da deren ausge
zeichnete Verkokungseigenschaften einen solchen Zusatz erlaubeno
Es bestehen aber viele Gründe, eine Schwelung auch im Ruhrgebiet
wieder aufzunehmen. Erstens liefert die Schwelung Produkte, die
die Verkokung nicht zu liefern vermag, deren Erzeugnisse aber
gut ergänzen können (z.Bo Phenole). Zweitens wäre die Schwelung
(ev. mit Nachentgasung) ein Weg, die vielbesprochene Verwendung
der Kohle als chemischen Rohstoff anstatt als Brennstoff zu er
weiterno Drittens ist die Schwelung geeignet, minderwertige Koh
len sowie Abfallprodukte der Kohlenaufbereitung sehr nutzbrin
gend zu verwerten. Durch erweiterte Verwendung des Schwelkoks als
Hausbrand könnte auch der (den Vorräten nicht entsprechende) Ab
bau hochwertiger Kokskohlen verringert werdeno
Es ist nicht daran gedaCht, die Verkokung durch die Schwelung zu
ersetzen; vielmehr hat man eine Ergänzung der Verkokung durch die
Schwelung im Sinn. Zu dieser Entwicklung hat man in der vergangen
heit oft angesetzt, wurde aber durch wirtschaftliche und politi
sche Ereignisse stets unterbrochen; im letzten Weltkrieg wurden
ZoBo sämtliche Schwelanlagen des Ruhrgebietes zerstört, und die
umfangreichen Anlagen in Oberschlesien gingen verloreno
Eine Schwelung wird wirtschaftlich sein, wenn der Schwelkoks zum
gleichen Wärmepreis wie die eingesetzte Kohle verkäuflich ist,
oder der Teer einen Preis erzielt, der die Differenz deckto Da
beides in der Vergangenheit nicht möglich war, ist man bestrebt,
eine billige Kohle, z.Bo Kohlenschlamm wie beim amerikanischen
"Disco" - Prozess, zum Einsatz zu bringeno Wir haben versucht,
dieses Kostenproblem von der Teer-Seite her anzupacken und durch
die Erschliessung neuer Verwendungsmöglichkeiten den Wert des
Teers zu steigern, auch durch Veredelung versuchten wir dieses
Ziel zu erreicheno Dabei muss man von der herkömmlichen Verwen
dung des Teers als HeiZÖl, Dieselöl etco abgehen und chemische
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verwendungsmöglichkeiten sucheno Dass das möglich ist, zeigt die
erfolgreiche Arbeit englischer Industrieller, die den in Bolsover,
Enßland, hergestellten Schwelteer einer weitgehend chemischen Ver
wendung zuführen Ebenso ist man im Saargebiet und in Lothringen
0
mit einschlägigen Untersuchungen beschäftigto Der Schwelteer ist
infolge seiner Labilität für Veredelung und Umwandlung sehr geeig
net, wie übrigens auch das Schwelgas.
In unserer Arbeit wurden im Wesentlichen die folgenden Resultate
erzielt:
Die Zusammensetzung des Neutraloels sowie seiner technischen Frak
tionen "Leichtoel" und "Schwelbenzin" wurde durch eine Analyse
auf Kohlenwasserstoff-Klassen geklärt. Der Ausbau der
angew~~dten
analytischen Methode zu einem präparativen Verfahren wurde auf ge
zeigto
Auf der Suche nach Veredelungsmöglichkeiten für das Neutralöl
wurden Untersuchungen über die Thermodynamik der Neutraloelkompo
nenten angestellto Die darauf basierenden Experimente ergaben,
dass die Umwandlung von Kohlenwasserstoff-Klassen ineinander,
besonders die Dehydrierung von Hydroaromaten, bereits bei sehr
viel tieferen Temperaturen möglich ist, als man bisher angenom
men hatteo Die Aromatisierung des Neutraloels, die im Hinblick
auf die Weltmarktlage und die forcierte Herstellung von Aromaten
aus Erdoel besonders wichtig erschien, wurde durch katalytische
Prozesse und durch Behandlung mit Luft erreichto Entsprechende Pa
tente wurden angemeldeto
Im Hinblick auf die schwindenden Vorräte an Kokskohlen im Ruhrge
biet, die allgemein gewünschte Erweiterung der Kohle-Veredlung,
die Konkurrenz der Erdölindustrie auf dem Markt für aliphatische
und aromatische Grundstoffe, die Notwendigkeit der Verwertung von
Abfallprodukten des Bergbaus sowie in Anbetracht der Notwendig
keit, die Kohleförderung durch chemische Verwertung der Kohle in
den Anlagen des Bergbaus von Subventionen unabhängig zu machen,
erscheint es als dringend angebracht, dieser Seite der Kohlever
edelung die ihr gebührende Aufmerksamkeit und Förderung entgegen
zubringen.
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Abschnitt I Allgemeines über Schwelung und Schwelindustrie
10 Allgemeines über Schwelung
Unter der Schwelung eines Brennstoffes versteht
man seine thermische Zersetzung unter Luftabschluss bei Temperatu
ren von 300 bis 600°0. Der Vorgang wird auch als Tief-Temperatur
- Entgasung oder - speziell bei der Steinkohle - als Tief-Tempera
tur-Verkokung bezeichneto Den gleichen vorgang bei 600 bis 800°0
durchgeführt nennt man Mittel-Temperatur-Verkokung; werden Tempe
raturen von 800 bis 110000 angewandt, so spricht man von Hoch-Tem
peratur-Verkokung und hat es mit den Arbeitsverfahren der Koke
reien und Gasanstalten zu tun. Die primären Produkte der Entgasung,
Koks, Teer, Gas und Wasser, tragen entsprechende Namen. Der Schwel
koks der Steinkohle wird auch als Halbkoks (da er nicht vollständig
entgast ist, sondern noch etwa 10 ~ flüchtige Bestandteile enthält),
ihr Schwelteer auch als Tieftemperaturteer, Urteer oder Primärteer
bezeichneto Während bei der Entgasung von Braunkohle, Oelschiefer
und anderen (wirtschaftlich nicht sehr bedeutenden) Naturprodukten
der anfallende Teer das Ziel des Prozesses ist, war das Hauptpro
dukt der Steinkohlenentgasung bei Tief- und Hochtemperaturverkokung
stets der Kokso Allerdings hat sich der Hochtemperatur-Teer von
einem lästigen Nebenprodukt zur Basis der organischen Grossindustrie
aufgeschwungen, welche erst in den letzten Jahrzehnten durch andere
auf Kohle basierende Prozesse und durch Erdoel die notwendige Ver
breiterung fando Bei der Steinkohlenschwelung wurde der anfallende
Teer des öfteren als Hauptprodukt gewonnen, um erdoelarmen Ländern
als Treibstoff- und Brennstoffquelle zu dienen. Die Hochtemperatur
verkokung liefert infolge der hohen Temperaturen und der damit ver
0
bundenen Orackung des bei etwa 550 0 vollständig abgegebenen Bitu
mens eine geringe Teerausbeute von 3-4 und eine hohe Gasausbeute
~
von 350 cbm pro Tonne Kohle mit einem Verbrennungswert von etwa
4000 kcal/cbmo Dagegen erhält man bei der Schwelung eine Teeraus
beute von 8-10 ~ und eine Gasausbeute von etwa 100 cbm pro Tonne
Kohle mit einem infolge des Reichtums an Kohlenwasserstoffen sehr
hohem Verbrennungswert von 8000 kcal/cbmo Die folgende Zahlenta
fel 1 gibt einen Uberblick über die Ausbeute bei Tief-, Mitte1- und
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Hochtemperaturverkokung.
Zahlentafel 1
Ausbeuten bei Tief-, Mittel- und Hochtemperaturverkokung einer
Steinkohle mit 32 flüchtigen Bestandteilen.
~
Werkstoff Tieftemp. Mitteltemp. Hochtemp.
Koks 80 75 72
~
Teer ~ 10 7 4
Benzol/Benzin ~ 1 1 1 ,3
Ammoniak Spuren Spuren 0,3
~
Gas Nm3/t 120 200 330
(Entnommen aus: Winnacker Weingärtner, Chemische Technologie
Uo
I, S048, München 1952)
Das Schwelgas zeichnet sich durch einen hohen Gehalt an Methan,
Äthan und Olefinen auso Es erscheint für ei.ne chemische Auswer
tung sehr geeignet. Das Schwelwasser enthält grössere Mengen sau
rer Oele, die auf wirtschaftlich erfolgreiche Weise gewonnen wer
deno
2. Geschichte der
Steinkohle~schwelung
Entwicklung in England
Die Schwelung von Steinkohlen lässt sich bereits im 17. Jahrhun
dert nachweisen. handelt es sich bei diesen Verffilchen
Nati~lich
um einzelne und bedeutungslose Massnahmen, so dass von einer so
weit zurückliegenden Geburtsstunde der Schwelindustrie nicht die
Rede sein kanno Es ist wohl berechtigt und sinnvoll, den Beginn
der Steinkohlenschwelung in den Anfang des Jahrhunderts zu legen,
obwohl die erste Leuchtgasfabrikation in eisernen Retorten bei
Schwel temperaturen vor sich ging, und in den 60 er Jahren des vo
rigen Jahrhunderts die Schwelung auch als solche vorgeschlagen
und entsprechende Patente erteilt wurden. Die letzteren dienten
vor allem einer hohen Oelausbeute und hatten die Entwicklung von
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Schwelwerken in Südwales zur Folgeo Diese Industrie fand jedoch
in den 70 er Jahren einen frühen Tod, als die Einfuhr von ameri
kanischem Petroleum nach England einsetzte. Um die Jahrhundert
wende jedoch hoben einige Engländer ein Schwelverfahren aus der
Taufe, das sich bis heute bewährt hat, und als Geburtsjahr der
Steinkohlenschwelung lässt sich das Jahr 1906 angeben, in welchem
die englische 0 0 a 1 i t e - Gesellschaft gegründet wurde. Al
lerdings liesse sich für Deutschland wieder ein anderes Geburts
jahr angeben, da hier die Entwicklung vollkommen unabhängig von
der englischen stattfand.
Die Ooalite-Gesellschaft hatte die Produktion eines leicht ent
zündlichen und rauchlosen Brennstoffes für die in England fast
ausschliesslich verwandten offenen Kamine zum Ziel. Die Anregung
für die Produktion eines solchen Brennstoffes gab die berüchtigte
Rauchplage der englischen Großstädte, die auf die vollkommen über
holte Bauart der Kamine zurückzuführen waro Hochtemperatur-Koks
ist in diesen ausserordentlich unpraktischen, aber sehr beliebten
Feuerstätten nicht zu verwenden, da seine Zündtemperatur (Schwel
koke-Zündtemp. 350-400°0, Hüttenkoks-Zündtemp. 550-750°0) zu hoch
liegto Die Zugwirkung der Kamine ist zu schlecht. Im Scbwelkoks
der Ooalite-Gesellschaft, "Ooalite" genannt, waren die für Russ
und Rauch verantwortlichen Bestandteile der Kohle weitgehend ent
fernt, aber doch so vielleichtflüchtige Bestandteile noch vorhan
den, dass eine leichte Entzündbarkeit noch gegeben war. Die Initia
toren der neuen Industrie waren Thomas PARKER, die Professoren
VoBoLEWES und Ho ARMSTRONG und der Finanzier SALISBURY-JONESo Die
Gesellschaft hatte viele Schwierigkeiten zu überwindeno Auch in
technischer Hinsicht wurden viele Umwandlungen vorgenommen, doch
ist man heute zu dem ursprünglichen von PARKER angegebenen Verfah
ren zurückgekehrto Die wissenschaftliche Entwicklung wurde beson
ders von LEWES und ARMSTRONG betrieben, die dann von dem 1917 ge
gründeten staatlichen Fuel Research Board abgelöst wurdeno Obwohl
die wissenschaftlichen UnterSUChungen in zahlreichen Arbeiten wei
terbetrieben wurden, lässt sich eine grössere industrielle Ent
wicklung bis zum zweiten Weltkrieg nicht erkennen. In den Nach
kriegsjahren wurden jedoch in Bolsover moderne Betriebe errich-
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tet, die den Schwelteer weitgehend aufarbeiten und einen wirt
schaftlich zufriedenstellenden Absatz zu verzeichnen habeno
Entwicklung in den Vereinigten staaten von Amerika
Unsere eingangs gemachte Bemerkung, dass sich die Schwelindustrie
oft auf solche Brennstoffe beschränken muss, die nicht in die Ko
kerei gehen können, war auch der Grund für die Anlage der seiner
zeit grö5sten Steinkohlenschwelanlagen der Welt. In der Nähe von
South Chinchfield im Staate Virginia fand man eine schlecht backen
de Kohle mit etwa 35 flüchtigen Bestandteilen, die zur Errichtung
~
einer Großschwelerei mit 600 t Tagesdurchsatz veranlassteo Das an
gewandte Verfahren wurde "Carbocoal-Verfahren" genannt und war auf
einer Versuchsanlage im staate New Jersey ausprobiert worden. Das
Bemerkenswerte des Verfahrens war, dass man den anfallenden Schwel
koks zu Presslingen verarbeitete, die man hernach der Hochtempera
tur-Verkokung unterwarfo Der Bau der Grossanlage wurde staatlicher
seits unterstützt, 1916 begonnen und 1920 so vollendet, dass der
angestrebte Tagesdurchsatz erreicht wurde. Es stellten sich jedoch
in kürzester Zeit zahlreiche Fehler der Anlage heraus und bereits
1922 wurden die Anlagen stillgelegt. Heute sind diese Anlagen ab
gerisseno Trotz dieses Fehlschlages wurde die Steinkohlenschwelung
in kleineren Anlagen weiter betriebeno 1949 wurde ein neuer Gross
betrieb vollendet, dessen Errichtung 3 Millionen Dollar kostete.
Dieser Betrieb war in kleiner Form schon seit etwa 15 Jahren in
Tätigkeito Es handelt sich dabei um die" D i Schwelanla
8 C 0 -
ge " der Pittsburgh Oonsolidation Ooal 000 of Pittsburgh, Pennsyl
vania. "Disco" ist eine Wortbildung aus "distilled coa1"0 Die kon
tinuierlich arbeitende Anlage verarbeitet Feinkohle aus einer zen
tralen Waschanlage und setzt täglich 1050 t getrockneter Feinkohle
durch. Der Koks fällt in charakteristischen Stückformen an, der
Teer wird an die KOPPERS-Gesellschaft abgegeben. Die Anlage bezweckt
bezeichnenderweise die Aufarbeitung eines Abfallproduktes, nämlich
der Feinkohle unter 3/8" Grösseo Sie wird weiter unten noch näher
beschrieben werden.
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Geschichtliche Entwicklung in Deutschland
In Deutschland beschäftigte man sich zunächst rein wissenschaft
lich mit der Steinkohlenechwelungo Die erste, erwähnenswerte Ar
beit stammt von BÖRNSTEIN aus dem Jahre 19060 Sie beschäftigt
sich mit der Zersetzung fester Brennstoffe bei verschiedenen Tem_
peraturen und dürfte wohl als die erste ernsthafte Arbeit über
Schwelung der Steinkohle zu bezeichnen seino Zu dieser Zeit fehl
te es an einem Bedarf für die Schwelprodukte gänzlicho Erst als
mit dem ersten Weltkrieg und der Blockade ein lebensbedrohender
Mineraloelmangel einsetzte, wurde die Steinkohlenschwelung tech
nisch interessanto Das im Jahre 1914 gegründete Kaiser-Wilhelm
Institut für Kohleforschung arbeitete intensiv auf diesem Gebieto
In den letzten Kriegsjahren wurden in kürzester Zeit fünf Schwel
anlagen errichtet, vier im Ruhrgebiet und eine in Hamburgo Die
Anlagen lehnten sich in keiner Weise an englische Vorbilder an;
das Ziel war ja auch nicht, wie in England, der Schwelkoks, sondern
der Urteer, der als Marineheizoel verwendet wurde. Man arbeitete
mit Drehöfen, weil man mit diesen aus anderen Gebieten der Technik
her vertraut war und Eile notwendig waro Der in diesen Betrieben ge
wonnene Schwelkoks war von sehr minderwertiger Beschaffenheit. Der
Versuch, ihn zur Schiffsfeuerung zu verwenden, hatte den katastropha
len Erfolg, dass sich der Schwelkoks in mehreren Fällen auf hoher
See entzündete und die schiffe in Brand setzteo
Die Naohkriegszeit erlebte den Abbruch dieser unwirtschaftlichen
BetriebeX), gab jedoch infolge der weiterhin anormalen wirtschaft
lichen Lage (Inflation) Impulse zu neuen Anlagen. Die wissenschaft
liche Forschung wurde weitgehend verbreitert, besonders bezüglich
des Schwelteerso Sie ist mit den Namen BROCHE, FISCHER, GLUUD,
GOLLMER, HOFMANN, JAEGER, KLEIN, KRUBER, SCHRADER, THAU, WEISS
GERBER sowie besonders Alfred POTT und Fritz MOLLER verknüpfto
Die technische Entwicklung kam jedoch nach den Inflationsjahren
nicht wesentlich über einige Versuchsanlagen hinauso Im Ruhrgebiet
x)Eine Doppeldrehtrammel der Kohlescheidungsgesellachaft war
von 1924 bis 1929 auf einer Stinnes-Zeche in Betrieb.
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