CIV. Ueber die Verkohkung der mageren Steinkohlen; von Ernest  Vériot und Till-Appolt. Nach dem Bulletin de la Société minérale, t. XIV, 4. livr. 1869, durch die berg- und hüttenmännische Zeitung, 1870, Nr. 25 und 27. Vériot und Till-Appolt, über Verkohkung der mageren Steinkohlen. Die Steinkohle ist bekanntlich eine brennbare mineralische Materie, welche zum größten Theile aus Kohlenstoff, aus condensirtem Sauer- und Wasserstoff besteht, mit einer mehr oder weniger großen Menge erdiger Bestandtheile vermengt. Sie hat auch einen sehr schwachen Stickstoffgehalt, welcher durch Destillation ammoniakalisches Wasser liefert. Die Steinkohle ist nicht eine bestimmt zusammengesetzte Masse, sondern eine Mischung nach sehr verschiedenartigen Verhältnissen ihrer Elemente. Wegen der geologischen Art und Weise, auf die sie gebildet ist, d.h. nach Art unserer gegenwärtigen Torfmoore, konnte es auch nicht anders seyn. Wir haben auf unsere Rechnung mehr als 200 Steinkohlenproben von überall her untersucht und nie davon auch nur zwei identisch gefunden, es sey denn, daß sie von einer und derselben Grube oder nahe belegenen Punkten desselben Flötzes gestammt hätten. Die erdigen Bestandtheile können bis in's Unendliche variiren; denn sie sind zufällig mit der Steinkohle während ihrer Bildung und Ablagerung vermischt. Aber wenn man von diesen Bestandtheilen bei den untersuchten Exemplaren abstrahirt, so erkennt man daß Kohlenstoff, Sauerstoff und Wasserstoff allein in gewissen Grenzen variiren. Diese bezüglichen Verhältnisse geben den verschiedenen Steinkohlen ihre unterschiedlichen und besonderen Eigenschaften, welche ihre mannichfachen Anwendungen in der Industrie veranlaßt und gestattet haben sie zu classificiren. Wenn man die erdigen Substanzen ausscheidet, so findet man daß im Allgemeinen in den verschiedenen Steinkohlensorten des eigentlichen Steinkohlengebirges der Sauerstoff in dem Verhältniß von 3 1/2 zu 17 1/2 Procent in denselben vertreten seyn kann, der Wasserstoff in dem von 2 1/2 zu 6, der Kohlenstoff von 77 zu 94 Proc. und selbst noch ein wenig darüber; denn wir haben einen wirklich reinen Anthracit aus Wales untersucht, welcher uns 93 Proc. festen Kohk geliefert hat. In den Formationen die jünger sind als das Steinkohlengebirge, können die brennbaren Mineralien (Anthracite, Steinkohlen, Braunkohlen, Asphalte, Torf) diese Elemente und besonders den Sauerstoff in weit höherem Verhältnisse enthalten. Der Kohlenstoff kann bis 96 Proc., der Wasserstoff bis 9 1/2 und der Sauerstoff bis 37 1/2 Proc. geben. Aber durch die Calcination oder durch die Destillation kann man nicht das Ganze dieses Kohlenstoffes als festes Product erhalten; es ist immer ein gewisser Theil, welcher als flüchtige Materie mit Wasserstoff verbunden entweicht. Durch die Calcination in dem Schmelztiegel, d.h. durch unmittelbare Analyse erhält man verschiedene Steinkohlen mit 55 bis 93 Proc. festem Kohk und mit 45 (selbst 50 ausnahmsweise) bis 7 Proc. flüchtigen Stoffen. Die Steinkohlen können mager seyn (d.h. nicht backen, keine Kohks geben, wenn man sie in einem Schmelztiegel, einem Ofen oder einer Retorte erhitzt) aus drei verschiedenen Gründen: 1) durch Ueberschuß von Kohlenstoff, wie der Anthracit; 2) durch Ueberschuß von Sauerstoff, wie verschiedene Steinkohlen mit langen Flammen aus dem Saône- und Loire-Becken, von Saarbrücken etc., welche davon 17 und mehr Procent enthalten, oder 3) durch Ueberschuß an erdigen Substanzen. Je mehr der Wasserstoff vorherrscht, um so mehr ist die Steinkohle fett und bituminös. Wenn man langsam die verschiedenen Steinkohlensorten (z.B. in einer Glasretorte) destillirt, so kann man das Bitumen in einem Verhältnisse welches so zu sagen von Null bis zu 16 Proc. variirt, erhalten, abgesehen von einigen Varietäten ausnahmsweise und seltener Steinkohlen, welche noch mehr abgeben. Das Verfahren im Großen in Kohksöfen ist thatsächlich eine langsame Destillation, gleich der, welche in der Glasretorte vor sich geht, weil mit einer großen Masse operirt wird und weil überdieß der Proceß nicht weniger als 24 Stunden dauert. Je langsamer die Destillation ist, um so weniger gibt die Steinkohle Gas ab zum Vortheile hinsichtlich der Vermehrung des Bitumens, aber dann ist auch der Kohk weniger zusammenhaltend und weniger hart. Es ist das Bitumen, welches die Steinkohlenpartikeln während der Verkohkung agglomerirt. Wenn es genügend vorhanden ist, so zeigt es fette Steinkohlen an. Steinkohlen welche wenig oder fast kein Bitumen abgeben, wie die Anthracite, können nicht in Kohks verwandelt werden, weder im Großen noch im Schmelztiegel, ohne die Mitwirkung beigemischter Fettkohlen. Diejenigen Steinkohlen welche sehr wenig oder wenig Bitumen enthalten, sind magere resp. halb magere Steinkohlen. Das wenige Bitumen dieser letzteren muß auf die möglichst wirksame Weise benutzt werden, um ihre Theilchen unter sich zu nähern und zusammenzuschweißen. Man kann praktisch dahin nur gelangen, wenn man die Steinkohle einer sehr starken, wohl unterhaltenen Hitze bei einer hohen und beständigen Temperatur aussetzt und wenn man die Annäherung der Theilchen dieser Steinkohlen durch die passendsten mechanischen Vorrichtungen erleichtert. Durch Experimente im Schmelztiegel haben wir uns zu unterrichten gesucht über die Art und Weise, auf die sich die Steinkohlen in Kohks verwandeln und über die Nothwendigkeit einer starken Hitze, um dahin zu gelangen, die fast mageren Steinkohlen zu verkohlen. Dieses hat uns bei Aufsuchung aller zur Erreichung dieses Zweckes geeigneten Mittel geleitet. Auf den Boden eines kleinen Probirofens haben wir 4 bedeckte Schmelztiegel gestellt, jeder 600 Gramme Steinkohle enthaltend, und der Wirkung der Hitze ausgesetzt, die man ungefähr in einem großen Kohksofen hat. Die Gasentwickelung hat überall zugleich eine Viertelstunde nach dem Einsetzen begonnen. Nach einer zweiten Viertelstunde haben wir den ersten Schmelztiegel herausgezogen, dann wieder nach einer Viertelstunde den zweiten und so den dritten und vierten Schmelztiegel. Wir haben dabei Folgendes wahrgenommen: In dem ersten Schmelztiegel hatte sich eine Lage von sehr deutlich erkennbarem Kohk, 1 1/2 Centimeter dick, an den Wänden gebildet und von der übrigen unberührten Steinkohle durch ein schimmerndes Häutchen, ähnlich einem Ueberzuge von ausgebreitetem Bitumen, getrennt. Der zweite Schmelztiegel hatte eine ein wenig dickere Kohkslage, ebenfalls parallel den Tiegelwänden mit einer breiteren glänzenden Haut. Der dritte mit einer noch dickeren Kohkslage zeigte dieselbe Erscheinung, nur war die fette Haut mehr gezerrt, ausgedehnter. Der vierte Schmelztiegelinhalt endlich war fast vollständig in Kohks verwandelt, mit Ausnahme eines schwachen Steinkohlenkernes, merklich von der glänzenden Oberfläche abgesondert, d.h. von dem Punkte an wo die Wirkung der Hitze im Zuge war die Steinkohle zu zersetzen und sie in Kohks zu verwandeln, in dem Moment wo man die Tiegel vorgezogen hatte. Wenn diese vier Steinkohlenproben 6/4 Stunden der Hitze ausgesetzt worden wären, so würden sie bis zum Mittelpunkte zu Kohks verwandelt worden seyn. Aus diesen für unseren Zweck wichtigen Experimenten ergab sich, daß die Steinkohle einer starken Hitze ausgesetzt in einem Gefäß, einem Schmelztiegel oder in einer Ofenabtheilung nicht gleichzeitig in ihrer ganzen Masse erweicht wird, um in einem gegebenen Augenblicke mit einem Male in den Zustand von Kohks überzugehen. Die Art und Weise der Kohksbildung findet im Gegentheil auf eine successive und continuirliche Weise statt, von den erhitzten Wänden des Gefäßes an bis zum Mittelpunkte der Steinkohlenmasse. Die Hitze, welche quer über diese Wände streicht, trifft, bei ihrem Contact, auf eine erste Schicht, ein erstes Steinkohlenhäutchen (wir wenden den Begriff „Häutchen“ an, um das Phänomen besser zu erklären). Die mechanische Thätigkeit dieser ersten Hitzemenge zersetzt die Steinkohle dieser Schicht, läßt ihr Bitumen wirksam werden, erweicht sie dadurch und schweißt die Theilchen als Kohks zusammen. Eine zweite Hitzemenge durchdringt die erste Schicht der gebildeten Kohks und bildet daraus auf dieselbe Art eine zweite. Eine dritte Portion Hitze durchdringt wiederum die zwei vorigen Kohksschichten und bringt eine dritte hervor; so geht es fort bis zu den Schichten des Mittelpunktes der Steinkohle. Aber die Thätigkeit jeder Hitzemenge, die so erschöpft und angewandt wird, eine Steinkohlenschicht zu zersetzen, bleibt für die folgende Schicht latent, so daß die Steinkohle unberührt hinter der zersetzten Schicht bleibt. Hierauf haben wir in schärfster Weise durch Experimente im großen Ofen das vorstehend Gesagte bestätigen können. Vier Stunden nach dem Füllen einer Ofenabtheilung mit Kohlen wurde die gußeiserne Ofenthür geöffnet. Die den mittleren Raum ausfüllende Kohle wurde in demselben Zustande wie sie eingesetzt war und selbst noch kalt vorgefunden. Die große Hitzemenge welche durch die Wände des Ofens gegangen, war consumirt und hatte ihre Thätigkeit nur auf die Bildung einer Kohksschale von ungefähr 10 Zentimeter Dicke erstrecken können. Diese Kohksschicht befand sich an den Wänden und zeigte innere sehr glatte und leuchtende Oberflächen parallel denen der Ofenwände. Die Einwirkung der Hitze hatte an der Trennungsoberfläche des schon gebildeten Kohk und der unveränderten Steinkohle aufgehört. Die geringe Leitungsfähigkeit dieser letzteren für die Hitze stellte sich ihrer Erhitzung entgegen. Experimente, 2 Stunden, auch 6 Stunden nach dem Einsetzen angestellt, haben ähnliche Resultate ergeben, bei einer mehr oder weniger großen Dicke von gebildetem an den Wänden hängenden Kohk, nach der mehr oder weniger großen Dauer der Wirksamkeit der Hitze. Man konnte auch wahrnehmen, daß die Dicke des gebildeten Kohk nicht der Dauer der Behandlung im Ofen proportional ist; sie war verhältnißmäßig schwächer für eine längere Hitzedauer. Der Grund davon ist, daß die sich bildenden Kohksschichten als wenig gute Leiter der Wärme immermehr sich der schnellen Verbreitung der Hitze entgegenstellen. Auch die letzten Kohksschichten bilden sich langsam und da jede Oberfläche des Ofens ihr Theil an Hitze abgibt, so entsteht daraus ein freier Raum, parallel den Umflächen, in der Mitte der Kohksschale. Dieser centrale freie Raum bezeichnet auch den Transport, die Annäherung der Steinkohlentheilchen, der Schicht welche sich bildet, auf die Schicht des gebildeten Kohk mit Hülfe des flüssig gemachten Bitumens, welches als Transportmittel dient. Es war wichtig, daß man diese Art und Weise der Kohksbildung kennen lernte in Bezug auf die verschiedenen Steinkohlenarten, auf die mageren, fetten, langsam backenden, um die genauen Dimensionen zu bestimmen, welche man den Ofenabtheilungen für ein vollständiges Verkohlen in etwas weniger als 24 Stunden zu geben hat, und um die passendste Art und Weise einer vorläufigen Ermittelung der leichtesten Verkohkungsmethode für jede Steinkohlensorte oder Steinkohlenmischung zu finden. Das Aussehen einer Steinkohle gestattet nicht, über ihre Beschaffenheit zu urtheilen und über die Art und Weise, auf die sie im Ofen wird behandelt werden müssen. Zu diesem Zwecke muß man sie einer vorläufigen Untersuchung unterwerfen und es genügte uns ein einfacher Versuch im Schmelztiegel und eine Verbrennung, um ihre Beschaffenheit zu bestimmen und um im Voraus zu wissen, wie sie sich im Großen in unserem Apparate machen wird und folglich, wie man sie wird präpariren müssen, wie man den Ofen wird anzuordnen und zu reguliren haben. Die Verbrennung lehrt uns, ob die Steinkohle gewaschen werden muß. Wenn nun die Steinkohle schon mehr oder weniger mager von Natur ist, so ist es in allen Fällen von Vortheil, sie zu zerkleinen und zu waschen. Wir haben in der That gesehen, daß Steinkohlen durch Ueberschuß an erdigen Substanzen mager werden können, d.h. die backende Eigenschaft verlieren. Die erdige Substanz ist oft und größtentheils schon getrennt von der Steinkohle im Kohlenklein enthalten. Hieraus kann man sie vermittelst Waschens entfernen. Aber wenn sie einen wesentlichen Bestandtheil der Steinkohle bildet, wenn sie darin im normalen Zustande enthalten ist, so kann man sie nicht wegschaffen. Der mineralische Anflug ist auch, wie die erdigen Gemengtheile, ein Hinderniß der Verkohkung. Es gibt Steinkohlen welche so viel davon enthalten, daß man sie nicht verkohlen kann und welche, von diesem Anfluge befreit, gute Kohks geben können. Das haben wir bei einer Steinkohle aus Zwickau (Sachsen) erreicht, welche davon sehr viel enthielt. Die fein zerstoßene Steinkohle wurde in's Wasser geschüttet, der mineralische Anflug, welcher obenauf herumschwamm, abgerahmt und die auf dem Boden des Wasserbehälters zurückgebliebene Steinkohle hat uns nach vorausgegangener Trocknung einen sehr guten Kohk gegeben. Wir haben gleichfalls diesen Anflug durch Windseparation abscheiden können. Der Versuch im Schmelztiegel, dem Verfahren im Großen ähnlich, läßt uns sehen, ob die Steinkohle reich an Kohlenstoff, an Wasserstoff oder Sauerstoff ist, ob sie mehr oder weniger leicht backt, ob sie fett oder durch Ueberschuß von Kohlenstoff oder Sauerstoff mehr oder weniger mager ist. Das Ansehen ihres Kohk und der Ertrag an selbigem klären uns genügend in dieser Beziehung auf, und zeigen uns die anzuwendende Behandlungsweise. Wenn die Steinkohle nicht sehr viel erdige Gemengtheile führt, d.h. wenn sie nicht mehr als beiläufig 2 bis 3 Proc. davon enthält und wenn ihr Kohksertrag im Schmelztiegel zu 78–83 Proc. ermittelt ist, so ist sie wegen Ueberschusses von Kohlenstoff halb mager und kann im Allgemeinen für sich allein behandelt werden. Wenn ihr Kohksertrag von 84–87 Proc. geht, so gibt sie gewöhnlich einen gefritteten, wenig fetten Kohk, der unter dem Drucke des Fingers leicht zu Staub oder Korn zerdrückt werden kann. Dieß sind anthracithaltige Steinkohlen, welche man im Großen nur durch eine mehr oder weniger schwache Hinzufügung fetterer Steinkohle, verbunden mit angemessener Zerkleinerung und Mischung behandeln kann. Wenn der Kohksertrag von 88 bis zu 93 Proc. steigt, so fällt man in die wahren Anthracite, welche nicht mehr backen und im Schmelztiegel ganz unverändert bleiben. Um diese an Kohlenstoff reichen Steinkohlen als brauchbare Kohks für metallurgische Zwecke passiren zu lassen, muß man sie mit fetter Steinkohle in höherem Maaße als die vorigen mischen. Man muß beide Kohlensorten zerkleinen und die fette Steinkohle muß wenigstens, dem Gewichte nach, der Mischung als 1/4 des Ganzen beigefügt werden. Je mehr die fette Steinkohle fein zerkleint worden ist, um so weniger wird nöthig seyn, um die Anthracittheilchen zu agglomeriren. Wir haben sehr guten Kohk fabriciren können, indem wir den Anthracit in Körnern so groß wie Erbsen oder wie der vierte Theil einer kleinen Erbse anfeuchteten und vom Staube befreit, mit fetter sehr feiner Steinkohle zu ein Fünftel der Mischung vermengten. Die fette Steinkohle haftete nur in ganz dünner Schicht an der Oberfläche der benetzten Anthracitkörner. Nun begreift man, daß die Summe der Oberflächen, um sie mit solch dünner Schicht zu bedecken, zu groß ausgefallen seyn würde, wenn die Anthracitkörner ebenfalls zu feinerem Staube zermalmt worden wären. Diese Anthracitkörner bleiben unverändert während der Verkohkung, wie Körner von feuerfesten Backsteinen und glänzen hell wie kleine Sterne in den producirten Kohks, ohne auf ihrer Oberfläche die geringste Schmelzung wahrnehmen zu lassen. Wenn man also die fette Steinkohle beim Mischen mit Anthracit, um gute feste Kohks zu erzeugen, sparen will, so wird man dieselbe und den Anthracit, jeden Gemengtheil für sich, wie in den beiden angezeigten Fällen, bevor man sie mischt, zerkleinen. Wenn man nun beide ohne Unterschied auf eine kleine Korngröße zerkleint oder die Mischung vorher macht, so wird man, um ein sehr gutes Product zu erhalten, die fette Steinkohle im Verhältnisse wie 1: 3, dem Gewichte der ganzen Masse nach, beifügen müssen. Wenn die Steinkohle in Folge eines Ueberschusses von Sauerstoff mager ist, so gelangt man zu sehr schwachem Kohksertrage. Ein Ertrag von 60 Proc. gibt ungefähr die Grenze dieser Steinkohlenarten an, welche noch backen können bei der Verkohkung im Großen. Gewöhnlich wenn der Ertrag des Ausbringens unter 60 Proc. steht, so backen die Steinkohlen nicht mehr oder nur schwach, wie das bei anthracithaltigen Kohlen stattfindet oder bei Anthraciten die an Kohlenstoff allzu reich sind. Die sauerstoffhaltigen Steinkohlen nähern sich den Braunkohlen, welche nicht backen und mehr als die Hälfte ihres Gewichtes an flüssigen Stoffen abgeben, in welche der Sauerstoff größtentheils übertritt. Wegen des schwachen Ausbringens hat man also kein großes Handelsinteresse, diese zweite Classe von mageren Steinkohlen zu verkohlen, wofern man sie nicht zu billigen Preisen haben und mit wohlfeilen fetteren, an Kohlenstoff reichen Kohlen vermengen kann. Wenn die erdigen Beimengungen der Agglomeration der der Verkohkung unterworfenen Steinkohlentheilchen im Allgemeinen schaden, so ist dieses weniger bei geringen Mengen beigemischter pulverförmigen Kohks der Fall. Wir haben einen harten und soliden Kohk aus einer Steinkohle aus dem Saarbecken fabriciren können, welcher bis zu 12 Proc. caustischen Kalk neben anderen erdigen Substanzen enthielt. Diese Kohksart brennt sehr gut und läßt leichter den Schwefel der Steinkohle als Schwefelcalcium in die Schlacken der Hohöfen überführen. Man thut besser, calcinirten Kalk als pulverisirten Kalkstein anzuwenden. Wir haben gleicherweise Kohk fabriciren können, welcher politisches Eisenerz enthielt. Dieses Erz war nach dem Brennen in den Zustand des Roheisens übergegangen und konnte nach Pulverisirung der Kohks vermittelst des Magnetes abgeschieden werden. Das Wasser welches man mit der angefeuchteten Steinkohle in die Abtheilungen unseres Ofens bringt, schadet im Allgemeinen weder dem Gange dieses letzteren, noch der Qualität der Kohks, falls es nicht im Uebermaaße vorhanden ist. Ein Verhältniß von 4 bis 5 Proc. Wasser in der Steinkohle bringt eine lebhaftere Gasentwicklung in den leeren Räumen oder in den Feuerzügen des Ofens hervor. Indessen, gewisse Steinkohlen und besonders die in Folge eines Ueberschusses von Sauerstoff halb mageren Steinkohlen backen weniger gut und geben einen weniger dichten Kohk, wenn man sie fein einbringt und mit mehr als 5 Proc. Wasser anfeuchtet. Die an Kohlenstoff reichen Steinkohlen bieten gewöhnlich dieses Hinderniß nicht. Aber einige von denselben nehmen durch die Verkohkung an Volumen zu. Für diese Steinkohlenarten ist eine vorsichtige Bereitung der Chargen nothwendig, damit der Kohkskuchen aus der Abtheilung herausgezogen werden kann. Folgendes ist das Mittel, das wir anwenden, um diesem Uebelstande vorzubeugen und das Hinderniß zu bestätigen. Nehmen wir ein massives Stück Kohle von 1 Kubikcentimeter Inhalt und zerschlagen es in kleine Stücke, so werden wir sie alle nicht wieder in den Raum von einem Kubikcentimeter eintreten lassen können. Die leeren Räume der Stücke werden ein gewisses Volumen bilden, welche das primitive Volumen vergrößert. Es wird sich ebenso verhalten, wenn wir diese Stücke zu feinem Staube bringen, wegen der großen Masse kleiner leerer Räume, welche aus diesem Zerkleinen entstehen. Aber wenn wir complet und sorgfältig diesen feinen Staub mit 6 bis 8 Proc. seines Wassergewichtes anmengen, so wird sich das Volumen dieses Staubes beträchtlich vermehren und sogar mit dem Feinheitsgrade des Staubes steigend, ein dreimal so großes Volumen als das ursprüngliche einnehmen. Man begreift daß diese vorher so aufgeschwellte und in den Ofen gebrachte Masse eher eine Schwindung als ein Aufblähen während ihrer Verwandlung zu Kohks erleiden wird. In einem Ofen der nicht wie der unserige besonders in die Höhe gebaut seyn würde, erzeugt dieser feine mit Wasser aufgeschwellte Steinkohlenstaub einen porösen und leichten Kohk. Aber so ist es nicht in unserem Ofen wegen der Zusammenwirkung der relativen Hitze der Chargen und seiner hohen Temperatur, Hauptursache der Dichtigkeit der Kohks. Wir haben in der That keinen großen Unterschird in der Dichtigkeit von Stücken gefunden, die dem unteren und oberen Theile der fertigen Kohksmasse entnommen wurden. Unten waren sie allerdings ein wenig dichter. Eine hinreichend große Anzahl von Versuchen über die Dichtigkeiten der mit derselben Steinkohle in gewöhnlichen niedrigen Oefen und in unserem Ofen fabricirten Kohks hat gezeigt, daß unser Ofen einen Kohk von größerer Dichtigkeit gibt. Mittelst der Formel d = p/(P – E) finden wir die Dichte (im Verhältnisse zum scheinbaren Volumen), eine Formel, welche für jeden porösen Körper dienen kann, der nicht im Wasser löslich ist, und in welcher d die Dichtigkeit des Kohksstückes, p das Gewicht des trocken in der Luft gewogenen Kohk bezeichnet und außerdem P das Gewicht des Kohksstückes angibt, nachdem man es ungefähr 10 Minuten lang im Wasser hat kochen und darauf im kalten Wasser 20 oder 30 Minuten lang hat abkühlen lassen. E ist das Gewicht des vermittelst des Aräometers unter Wasser abgewogenen Körpers. Diese Formel bleibt gültig, wenn das kochende Wasser selbst nicht in alle kleinen Poren des Stückchens Kohk eindringen sollte.