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Die Erfindung hat eine Vorrichtung zum Aktivieren, insbesondere Vergasen, von Kohlenstoff enthaltenden Substanzen mit einem Reaktor und einer Vorrichtung zur Bildung von Plasma zum Gegenstand.
Kohlenstoff enthaltende Substanzen sind für die Energieumwandlung, beispielsweise von Erdgas, Destillationsprodukten oder Derivaten von Erdöl, aber auch festen Stoffen, wie Steinkohle, Braunkohle, Schieferöl, Holz, Stroh od. dgl., in andere Energieträger, insbesondere gasförmige Energieträger, bzw. zum Aktivieren von bereits in gasförmiger Form vorliegenden Energieträgern von besonderer Bedeutung.
Eine derartige Umwandlung kann in Abwesenheit oder in Anwesenheit von Oxidationsmitteln durchgeführt werden, wobei höhere Temperaturen erforderlich sind. Diese höheren Temperaturen können bei einer exothermen Umwandlung der Ausgangsstoffe vom Ausgangsstoff selbst erreicht werden oder auch bei endothermen Vorgängen durch zusätzliche Energiezufuhr erhalten werden.
Die Energiezufuhr für derartige Umwandlungen kann vielfach erfolgen, wobei die Umwandlung in einem Plasma von besonderer Bedeutung ist. Unter einem Plasma ist u. a. ein Gas zu verstehen, das sehr hohe Temperaturen, also z. B. 7000 K, aufweist. Wird ein derartiges Plasma durch Durchleiten eines Gasstromes durch mit Gleichstrom oder Wechselstrom gespeisten Elektroden erhalten, so kann dieser Plasmagasstrom vielfältig zum Einsatz gebracht werden. So ist es beispielsweise bekannt, Erze unter zusätzlichem Einsatz von Reduktionsmitteln zu verhütten oder brennbare Stoffe einer Pyrolyse zu unterwerfen.
Aus der US 6 200 430 B1 wird eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmas und zur Konvertierung von gasförmigen Kohlenwasserstoffen bekannt. Diese Vorrichtung ist dreiteilig aufgebaut, wobei zwischen einem ersten Teil, in welchem das Plasma erzeugt wird, einer Mischkammer, in welcher eine Oxidation stattfindet und einem Teil, der die Oxidationsprodukte aufnimmt, unterschieden wird. Im ersten Teil sind die Elektroden zur Erzeugung eines Plasmas mit elektrischem Strom angeordnet, wobei als Gas für das Plasma Kohlenwasserstoffe, Stickstoff, Argon od. dgl. dienen kann. Es liegt eine hohle erste Elektrode vor, durch welche das zur Oxidation bestimmte Fluid, beispielsweise Methan, Kohlenstaub od. dgl. zugeführt wird. In der Verbrennungskammer wird am oberen Ende Sauerstoff, Dampf od. dgl. zugeführt und ein Synthesegas abgezogen.
In der Vorrichtung zur Erzeugung des Plasmas liegen zwei Elektroden, die aus Grafit bestehen, aber auch aus Wolfram aufgebaut sein können. Die Elektroden werden mit Gleichstrom oder Wechselstrom versorgt, wobei die untere Elektrode, u. zw. die Anode, eine feststehende Elektrode mit einer Durchflussöffnung für das Plasma bildende Gas versehen ist, und eine obere Elektrode, u. zw. die Kathode, ebenfalls aus Kohlenstoff, Wolfram od. dgl. stabförmig ausgebildet ist und zur unteren Elektrode über ein Elektrodenpositioniersystem positioniert werden kann. Die obere Elektrode weist eine Führung auf, entlang welcher ein Halter für die Elektrode entlang eines Stabes auf- und abwärts bewegt werden kann.
Eine derartige Vorrichtung weist den Nachteil auf, dass die zur Reaktion bestimmten Substanzen an beiden Elektroden vorbeigeführt werden, so dass einerseits eine Beaufschlagung der Elektroden mit Zersetzungsprodukten des zur Umwandlung bestimmten Substrates erfolgt, und weiters ein Verbrauch der Elektroden in besonders grosser Weise zwangsmässig erfolgt. Eine Führung der oberen Elektrode durch einen Führungsstab, der die Elektrode über einen Arm trägt, weist den Nachteil auf, dass je nach Stellung des Armes unterschiedliche Auslenkungen der stabförmigen Führung vorliegen, so dass zusätzlich zu dem aus dem Verbrauch der Elektrode errechneten Vorschub auch noch eine Zentrierung derselben erforderlich wird. Weiters erfolgt über den Arm auch die Zuführung des elektrischen Stromes.
Die vorliegende Erfindung geht von einem internen Stand der Technik aus, wie er durch die vor dem Anmeldetag der vorliegenden Erfindung noch nicht veröffentlichten österreichischen Patentanmeldung A 1662/2002 gegeben ist. In dieser Patentanmeldung sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Aktivieren, insbesondere Vergasen, von Kohlenstoff enthaltenden Substanzen mit einem Reaktor beschrieben. Der Reaktor weist am oberen Ende eine Öffnung auf, über welche laufend, insbesondere kontinuierlich, zerkleinertes Holz eingebracht wird. Unterhalb dieser Öffnung sind drei Vorrichtungen zur Erzeugung eines Plasmas angeordnet, die in etwa normal zur Schwerkraft, also zur Fallrichtung der Holzpartikelchen, angeordnet sind. Dieselben weisen feststehende Elektroden und jeweils eine eigene Gaszufuhr für das das Plasma bildende Gas auf.
Unterhalb der Elektroden ist ein Rost od. dgl. angeordnet, welcher für den Austrag der Oxidationsprodukte Sorge
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trägt oder gegebenenfalls ein Durchfallen der Oxidationsprodukte durch den Rost in einen darunter angeordneten Behälter gestattet. Eine derartige Vorrichtung erlaubt eine hervorragende Aktivierung bzw. Vergasung von Kohlenstoff enthaltenden Stoffen, jedoch besteht die Gefahr, dass die spezifische Anordnung der Elektroden, u. zw. in unmittelbarer Nähe des Reaktionsraumes, einen Verbrauch derselben verursacht, wodurch der Lichtbogen zwischen den Elektroden abgebrochen wird, so dass kein Plasma mehr entsteht und der gesamte Aktivierungsvorgang zwangsweise abgebrochen wird.
Der vorliegenden Erfindung ist zur Aufgabe gestellt, eine Vorrichtung zum Aktivieren, insbesondere Vergasen, von Kohlenstoff enthaltenden Substanzen zu schaffen, die sicherstellt, dass eine fortlaufende Zufuhr von Kohlenstoff enthaltenden Substanzen, beispielsweise partikulierte Hölzer, Stroh od. dgl., durchgeführt werden kann, wobei eine Vergasung derselben durch ein stetiges Plasma sichergestellt ist. Das stetige Plasma ist nur durch einen konstanten Abstand zwischen den Elektroden, u. zw. Kathode und Anode, bei Gleichstrom oder auch bei Wechselstrom mit wechselnder Bezeichnung sicherzustellen. Bei einem Plasma, das kontinuierlich erzeugt wird, liegt auch ein kontinuierlicher Verbrauch zumindest der als Kathode vorliegenden Elektrode vor.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, dass der Abstand zwischen den beiden Elektroden in vorgegebenen Grenzen konstant gehalten wird, damit ein Lichtbogen zwischen den Elektroden aufrechterhalten werden kann.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung zum Aktivieren, insbesondere Vergasen, von Kohlenstoff enthaltenden Substanzen mit einem Reaktor, in welchem die Kohlenstoff enthaltenden Substanzen, z. B. partikulierte Feststoffe, Fluide, über zumindest eine Öffnung einbringbar sind, in welchem Reaktor insbesondere unterhalb der/die Öffnung/en für die Einleitung von Kohlenstoff enthaltenden Substanzen zumindest eine Öffnung für eine Vorrichtung zum Erzeugen von Plasma angeordnet ist, wobei das Plasma im Reaktor vorliegt, und die mit einer Stromquelle, insbesondere Gleichstromquelle, verbundenen Elektroden der Vorrichtung zum Erzeugen von Plasma in Strömungsrichtung des Plasma bildenden Fluids hintereinander angeordnet sind, besteht im Wesentlichen darin,
dass eine stabförmige Elektrode in der Vorrichtung zum Erzeugen von Plasma über einen elektrischen Motor in Längsrichtung der stabförmigen Elektrode in einer Führung in Richtung zur oder ab von zumindest einer weiteren Elektrode bewegbar ist, und die stabförmige Elektrode über eine Kupplung, insbesondere einen Kupplungsstab, mittel- oder unmittelbar mit dem elektrischen Motor verbunden ist.
Durch die Trennung des Reaktors von der Plasma erzeugenden Vorrichtung kann eine das Plasma erzeugende Vorrichtung erhalten werden, bei welcher die Elektroden derselben vor einer Verschmutzung durch die zu zersetzenden bzw. oxidierenden Substanzen verschont werden. Liegt die Öffnung bzw. liegen die Öffnungen für das/die Plasma erzeugenden Vorrichtungen unterhalb der Einleitung für die Kohlenstoff enthaltenden Substanzen vor, so können dieselben durch Schwerkrafteinwirkung ohne zusätzliche Fördereinrichtung in den Reaktor gefördert werden. Ist eine stabförmige Elektrode in der Vorrichtung zum Erzeugen von Plasma vorgesehen, so kann eine Bewegung derselben besonders einfach durchgeführt werden, wobei die Bewegung über einen elektrischen Motor in Längsrichtung der stabförmigen Elektrode einfach und exakt durchführbar ist.
Ist die stabförmige Elektrode in einer Führung in Richtung zur oder ab von zumindest einer weiteren Elektrode bewegbar, so kann die Elektrode auch genau zentriert positioniert werden. Ist die stabförmige Elektrode über eine Kupplung, insbesondere einen Kupplungsstab, mitteloder unmittelbar mit dem elektrischen Motor verbunden, so kann eine thermische Trennung zwischen dem elektrischen Motor und der Elektrode besonders einfach und auch auf beliebig langem Wege erfolgen.
Ist der elektrische Motor ein Schrittmotor, so kann die Verstellung der Elektrode in kleinsten Teilen erfolgen, wobei gleichzeitig auf bewährte Konstruktionselemente zurückgegriffen wird.
Ist der stabförmigen Elektrode der elektrische Strom über einen Schleifkontakt zuführbar, so besteht die Möglichkeit, eine zusätzliche Ablenkung der Elektrode von ihrer Position zu vermeiden, da keine feste Anordnung von Stromzuführungen an der Elektrode vorgesehen sein müssen.
Ist der elektrische Strom über die Führung der stabförmigen Elektrode zuführbar, so kann über eine besonders exakte Führung neben der mechanischen Führung auch die Zuleitung des elektrischen Stromes erfolgen.
Ist die Kupplung, insbesondere der Kupplungsstab, in einem Kugelgewinde geführt, so kann
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mit besonders geringen Kräften die stabförmige Elektrode bewegt werden, so dass eine besonders genaue Positionierung der stabförmigen Elektrode gewährleistet ist.
Ist für die Zuführung des Plasma bildenden Fluids in Strömungsrichtung desselben vor dem Ende der stabförmigen Elektrode zumindest eine Öffnung für dasselbe vorgesehen, so kann eine negative Beaufschlagung der Elektroden durch Zersetzungsprodukte der umzusetzenden Substanzen einfach und auch sicher vermieden werden. ist die stabförmige Elektrode elektrisch isoliert gegenüber dem elektrischen Motor, so können Störungen des elektrischen Motors besonders einfach und sicher verhindert werden.
Ist/sind die weitere/n Elektrode/n aus einer Kupferbasislegierung, insbesondere aus Kupfer, aufgebaut, so kann eine besonders exakte Führung der Elektrode erreicht werden, wobei ein besonders geringer Verschleiss verwirklichbar ist.
Ist die stabförmige Elektrode mit, insbesondere aus, Wolfram aufgebaut, so kann die hohe elektrische Leitfähigkeit gewährleistet sein, wobei Erwärmungen von Zuleitungen und die damit verbundenen Störungen auf einfache Weise vermeidbar sind.
Ist die Führung aus einer Kupferbasislegierung, insbesondere aus Kupfer, aufgebaut, so kann der elektrische Strom besonders einfach an die stabförmige Elektrode weitergeleitet werden, wobei sowohl die Zusammensetzungen der Führung für die Elektrode als auch der Elektrode einen besonders geringen Verschleiss der Führungspartner bedingen kann.
Ist/sind die weitere/n Elektrode/n aus einer Kupferbasislegierung, insbesondere aus Kupfer, aufgebaut, so kann ein besonders geringer elektrischer Widerstand und damit für geringe Leitungsverluste aufgrund von Erwärmungen als auch für eine besonders exakte Stromführung Sorge getragen werden.
Ist der elektrische Motor mit zumindest einer Zeitsteuerung zur Beaufschlagung desselben mit elektrischem Strom verbunden, so kann die stabförmige Elektrode mit dem elektrischen Motor, bezogen auf ihren zeitmässigen Verbrauch, in ihrer Position, insbesondere in Vorschub derselben, beaufschlagt werden.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 in schematischer Darstellung einen Reaktor und
Fig. 2 im Schnitt eine Vorrichtung zum Erzeugen von Plasma.
Der in Fig. 1 schematisch dargestellte Reaktor 1 weist eine Öffnung 2 auf, über welche Kohlenstoff enthaltende Substanzen, im vorliegenden Fall Holzchips 3, über ein Förderrad 4 kontinuierlich in den Reaktor eingebracht werden. Am unteren Ende des Reaktors sind, bezogen auf den im Querschnitt kreisförmigen Reaktor, in Abstand von 120 jeweils Plasmainjektoren 5 angeordnet, die eine Zuleitung 6 für das Plasma bildende Gas, im vorliegenden Fall Luft, aufweisen sowie mit Stromleitungen 7 für die Elektroden verbunden sind. Unterhalb der Plasmastrahlen 8 ist ein Wanderrost 9 angeordnet, der an den beiden Rollen 10 umgelenkt und angetrieben wird.
Die Holzchips 3 fallen schwerkraftbedingt im Reaktor nach unten und werden in den Plasmastrahlen 8 unter teilweiser Oxidation vergast. Das Gas gelangt über die Öffnung 11zum Abzug.
Die festen bzw. flüssigen Rückstände gelangen auf den Wanderrost 9, werden dort weiter vergast und können sodann über die Öffnung 12 abgezogen werden.
Die in Fig. 2 dargestellte Vorrichtung zum Erzeugen von Plasma weist eine stabförmige Elektrode 13 aus Wolfram auf, die in einer Führung 14 aus Kupfer geführt ist, über welche auch der elektrische Gleichstrom der Elektrode 13 zugeführt wird. Die Führung dient als Schleifkontakt. Das Plasma bildende Gas, u. zw. Luft, wird über die Öffnungen 15 in den Plasmainjektor mit einem 0,6 Bar Überdruck eingebracht. Die weitere Elektrode 16 ist elektrisch isoliert mit dem Kopfteil 17 verbunden. Das Plasma und damit auch das Plasma bildende Gas bewegt sich in Richtung des Pfeiles a. Die weitere Elektrode 16 ist ebenfalls aus Kupfer aufgebaut. Es können jedoch auch Kupferbasislegierungen oder andere gut elektrischen Strom leitende Legierungen zum Einsatz gelangen.
Die stabförmige Elektrode ist über einen Kupplungsstab 18, der in einem Kugelgewinde 19 geführt wird, und über eine weitere Kupplung 20 mit dem Schrittmotor 21 verbunden, der seinerseits über die Zeitschaltung 22 betätigt wird. Die Kupplung 20 ist derart ausgebildet, dass beispielsweise in Nuten derselben Federn des Kupplungsstabes 18 eingreifen, so dass der Kupplungsstab 18 gemeinsam mit der Elektrode 13 in Längsrichtung verschoben werden kann, wobei eine kraftschlüssige Verbindung zwischen Kupplungsstab und der Kupplung und damit des
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Schrittmotors gegeben ist.
Je nach Betriebsart kann die, beispielsweise einen Durchmesser von 4 mm aufweisende Elektrode, die mit einem Gleichstrom bzw. gepulsten Gleichstrom mit 280 Volt und 130 Ampere beaufschlagt wird, einen Abtrag von 3,2 mm pro Stunde aufweisen, welcher mit einem entsprechenden Vorschub kompensiert wird.
PATENTANSPRÜCHE:
1. Vorrichtung zum Aktivieren, insbesondere Vergasen, von Kohlenstoff enthaltenden Sub- stanzen mit einem Reaktor (1), in welchem die Kohlenstoff enthaltenden Substanzen, z. B. partikulierte Feststoffe (3), Fluide, über zumindest eine Öffnung (2) einbringbar sind, in welchem Reaktor (1), insbesondere unterhalb der/die Öffnung/en für die Einleitung von
Kohlenstoff enthaltenden Substanzen zumindest eine Öffnung für eine Vorrichtung (5) zum
Erzeugen von Plasma angeordnet ist, wobei das Plasma im Reaktor (1) vorliegt, und die mit einer Stromquelle, insbesondere Gleichstromquelle, verbundenen Elektroden (13,16) der Vorrichtung zum Erzeugen von Plasma in Strömungsrichtung (a) des Plasma bilden- den Fluids hintereinander angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass eine stabför- mige Elektrode (13)
in der Vorrichtung zum Erzeugen von Plasma über einen elektrischen
Motor (21) in Längsrichtung der stabförmigen Elektrode (13) in einer Führung in Richtung zur oder ab von zumindest einer weiteren Elektrode (16) bewegbar ist, und die stabförmige
Elektrode (13) über eine Kupplung (20), insbesondere einen Kupplungsstab (18), mittel- oder unmittelbar mit dem elektrischen Motor (21) verbunden ist.