AT518474B1 - Verfahren zur Erzeugung von Synthesegas aus kohlenstoffhaltigen Abfallstoffen - Google Patents

Abstract

Bei einem Verfahren zur Erzeugung von Synthesegas aus kohlenstoffhaltigen Abfallstoffen, bei welchem die kohlenstoffhaltigen Abfallstoffe wenigstens einer Reaktionskammer aufgegeben werden, in der die Abfallstoffe unter externer Energiezufuhr einer mehrstufigen Pyrolyse unterworfen werden, wobei eine erste Pyrolyse bei Temperaturen von 600 - 2.000°C vorgenommen wird und das entstehende Synthesegas und ggf. die verbleibenden festen Reststoffe einer weiteren Pyrolyse unterworfen werden, wird in der ersten Pyrolyse in stöchiometrischer Menge Wasserdampf und/oder CO2 in die wenigstens eine Reaktionskammer eingebracht und die festen Reststoffe und/oder das Synthesegas werden in der weiteren Pyrolyse zur weiteren Um- bzw. Zersetzung einem Plasma ausgesetzt.

Description

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Synthesegas aus kohlenstoffhaltigen Abfallstoffen, bei welchem die kohlenstoffhaltigen Abfallstoffe wenigstens einer Reaktionskammer aufgegeben werden, in der die Abfallstoffe unter externer Energiezufuhr einer mehrstufigen Pyrolyse unterworfen werden, wobei eine erste Pyrolyse bei Temperaturen von 600 - 2.000°C vorgenommen wird und das entstehende Synthesegas und ggf. die verbleibenden festen Reststoffe einer weiteren Pyrolyse unterworfen werden, in welcher die festen Reststoffe und/oder das Synthesegas zur weiteren Um- bzw. Zersetzung einem Plasma ausgesetzt werden.

[0002] Die WO 2016/040969 A1 offenbart ein Verfahren zur Erzeugung von Synthesegas aus kohlenstoffhaltigen Abfallstoffen, bei welchem die kohlenstoffhaltigen Abfallstoffe einer Reaktionskammer aufgegeben werden, in der die Abfallstoffe einer Pyrolyse unterzogen werden, wobei das entstehende Synthesegas und die festen Reststoffe aus der Reaktionskammer ausgetragen werden und die festen Reststoffe und/oder das Synthesegas zur weiteren Um- bzw. Zersetzung einem Plasma ausgesetzt werden. Die WO 2011/141927 A2 beschreibt ein Vergasungsverfahren, bei welchem das Rohmaterial in einem ersten Schritt einer Pyrolyse unterzogen wird und in einem zweiten Schritt mit Hilfe eines Plasmas erhitzt wird. Auch die Dokumente WO 2007/000607 A1 und WO 2007/093429 A2 offenbaren ein zweistufiges Verfahren zur Behandlung von Abfallstoffen, wobei im ersten Schritt eine Pyrolyse stattfindet und in einem zweiten Schritt mittels Plasma erhitzt wird.

[0003] Verfahren zur pyrolytischen Aufbereitung von Biomasse und industriellen Abfällen zur Erzeugung von Synthesegas wurden in unterschiedlicher Ausbildung bereits vorgeschlagen. Dadurch, dass bei solchen Verfahren keine Verbrennung, sondern eine Pyrolyse bei anoxischen Bedingungen durchgeführt wird, wird sichergestellt, dass das entstehende Gas einen möglichst geringen Anteil an CO» aufweist. Die bei solchen Verfahren entstehenden Pyrolysebzw. Synthesegase können nach dem Austragen verbrannt, insbesondere als Motorgas in einem Gasmotor verwendet werden, als Synthesegase für die chemische Industrie oder in der metallerzeugenden Industrie Verwendung finden, verflüssigt werden, für Gasturbinen oder als Erdgassubstitution verwendet werden. Im Falle der Erdgassubstitution besteht das Synthesegas hauptsächlich aus CHa.

[0004] Unter anoxischen Bedingungen werden hier Bedingungen verstanden, bei welchen freier Sauerstoff nicht zugefügt wird. Anoxische Bedingungen zeichnen sich somit dadurch aus, dass heiße Luft oder Sauerstoff nicht in den Reaktor gelangt, in welchem die Vergasung vorgenommen wird. Demgegenüber können naturgemäß aber Sauerstoffverbindungen, wie beispielsweise Wasserdampf oder CO» durchaus in einem derartigen Vergasungsverfahren umgesetzt werden, wobei im Falle von CO» in Anwesenheit von Kohlenstoff bei entsprechend hohen Temperaturen das Gleichgewicht quantitativ auf der Seite von Kohlenmonoxid und bei Eindüsen von Wasser auf der Seite von Synthesegas, nämlich Kohlenmonoxid und Wasserstoff, liegt.

[0005] Die vorliegende Erfindung umfasst sowohl autotherme Hochtemperaturvergasungsverfahren, bei welchen die Pyrolyse unabhängig von äußerer Wärmezufuhr ist, weil die glühenden Abfallstoffe die Energie zur Vergasung liefern, als auch allotherme Vergasungsprozesse, bei denen eine externe Energiezufuhr erforderlich ist. Nachteilig bei autothermen Vergasungsprozessen ist, dass hohe Anforderungen an den Heizwert der eingesetzten Abfallstoffe gestellt werden. Die Erfindung geht von einem Pyrolyseverfahren aus, bei dem die thermische Zersetzung der Einsatzstoffe bei Temperaturen von 600 - 2.000 °C stattfindet. Solche Temperaturen sind bei allothermen Vergasungsverfahren durch Verfeuerung von Primärenergieträgern in der Reaktionskammer oder durch eine externe Wärmeeinbringung, wie z.B. durch eine elektrische Beheizung der Reaktionskammer erzielbar.

[0006] Als Einsatzmaterial für Vergasungsprozesse wurden unter anderem Biomasse und verschiedene kohlenstoffhaltige Abfallstoffe, wie z.B. kontaminierte Böden, Klärschlämme, Zelluloseschlämme, Filterrückstände und dgl., vorgeschlagen.

[0007] Abhängig vom Einsatzmaterial kann das Synthesegas bei herkömmlichen Vergasungsprozessen noch unerwünschte Substanzen, wie z.B. giftige Substanzen (z.B. Teere, Dioxine, Furane) und/oder mineralische Stoffe enthalten. Ein weiterer Nachteil herkömmlicher Vergasungsprozesse ist, dass die festen Reststoffe in der Regel noch Kohlenstoff enthalten, der nicht umgesetzt wurde. Ein weiterer Nachteil der herkömmlichen Pyrolyseprozesse ist die beschränkte Möglichkeit die Zusammensetzung des zu erhaltenden Synthesegases einzustellen.

[0008] Die vorliegende Erfindung zielt daher darauf ab, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass die oben genannten Nachteile zumindest teilweise vermieden werden können. Weiters zielt die Erfindung darauf ab, eine Verwertungsmöglichkeit für CO» zu schaffen und den Energiegehalt des zu erhaltenden Synthesegases zu erhöhen.

[0009] Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung bei einem Verfahren der eingangs genannten Art vor, dass in der ersten Pyrolyse in stöchiometrischer Menge Wasserdampf und/oder CO» in die wenigstens eine Reaktionskammer eingebracht wird. Dadurch, dass in der ersten Pyrolyse in stöchiometrischer Menge Wasserdampf und/oder CO» in die wenigstens eine Reaktionskammer eingebracht wird, wird die Möglichkeit geschaffen, das Verhältnis von CO und H2 im Synthesegas in einfacher Weise einzustellen. Weiters wird dadurch die Möglichkeit geschaffen, CO,» in den Prozess einzuführen und dieses Treibhausgas im Sinne einer Erhöhung des Energieinhalts des zu erhaltenden Synthesegases zu nutzen. Das eingebrachte CO» wird bei den in der Reaktionskammer herrschenden hohen Temperaturen in CO und O» zerlegt. Insbesondere zerfällt CO,» in die Elemente

CO» -> CO + 0,50» CO2»=C+O,>»

[0010] Im Falle der Einbringung von H;O erfolgt eine thermische Zersetzung in Wasserstoff und Sauerstoff. Bei sehr hohen Temperaturen zerfällt H2O in die Elemente

2H:0 -> ZH; + O>

[0011] Die durch die Zerlegung bzw. den Zerfall von CO» und/oder H2;O erhaltenen Elemente reagieren in der Reaktionskammer mit dem Kohlenstoff aus dem kohlenstoffhaltigen Abfallstoff zu CO und H..

[0012] Dadurch, dass die festen Reststoffe und/oder das Synthesegas in der zweiten Pyrolyse zur weiteren Um- bzw. Zersetzung einem Plasma ausgesetzt werden, wird eine zumindest zweistufige Pyrolyse vorgenommen, sodass die in der ersten Pyrolyse lediglich teilweise zersetzten Abfallstoffe einer weiteren Pyrolyse unterworfen werden können. Alternativ oder zusätzlich kann in der zweiten Pyrolyse weiteres kohlenstoffhaltiges Material zugegeben werden. Dadurch kann der Brennwert des erhaltenen Synthesegases erhöht werden. Weiters können dadurch die im Synthesegas ggf. enthaltenen mineralischen Bestandteile verglast und als Schlacke ausgetragen werden. In der Schlacke können ggf. vorhandene Schwermetalle und andere Stoffe wie z.B. Schwefel gebunden werden. Schließlich gelingt es durch die Verwendung von Plasma, die im Synthesegas ggf. enthaltenen unerwünschten Substanzen aufzucracken, sodass ein von Schadstoffen befreites Synthesegas zur Verfügung gestellt werden kann.

[0013] Obwohl die Verwendung von Plasma zur thermischen Zersetzung von Abfallstoffen grundsätzlich bereits bekannt ist, findet es in der Praxis kaum Verwendung, weil seine Herstellung äußert energieintensiv ist und weil der erzielbare Materialdurchsatz sehr gering ist. Dadurch, dass erfindungsgemäß nun eine zweistufige Vergasung stattfindet, nämlich eine herkömmliche pyrolytische Zersetzung bei Temperaturen von 600 - 2.000°C in einer ersten Pyrolyse und eine thermische Zersetzung mittels Plasma bei im Vergleich zur ersten Pyrolyse wesentlich höheren Temperaturen in einer zweiten Pyrolyse, kann in jeder Pyrolysestufe der Vorteil des jeweiligen Vergasungsverfahrens optimal genutzt werden. In der ersten Pyrolyse wird der Vorteil des hohen Durchsatzes des thermischen Zersetzungsvorganges genutzt, SOdass in der zweiten Pyrolyse nur mehr ein geringer Anteil der Zersetzungsarbeit geleistet wer-

den muss. In der zweiten Pyrolyse wiederum wird der Vorteil genutzt, dass mit dem Plasmaverfahren der Restkohlenstoff der festen Bestandteile und/oder weiteres kohlenstoffhaltiges Material umgesetzt und die unerwünschten Substanzen aus dem Synthesegas entfernt werden können, wobei der Nachteil des geringen Durchsatzes nicht mehr ins Gewicht fällt.

[0014] Wie bereits erwähnt, entstehen im Rahmen der in der zweiten Pyrolyse vorgesehenen Plasmavergasung Temperaturen, die deutlich höher sind als in der ersten Pyrolyse. Bevorzugt wird hierbei so vorgegangen, dass die festen Reststoffe und ggf. das Synthesegas in der Reaktionszone des Plasmas auf mindestens 2.000°C, bevorzugt mindestens 2.400°C, bevorzugt mindestens 4.000°C gebracht werden. Dabei können in der Reaktionszone Temperaturen von bis zu 15.000°C vorherrschen. Die organischen Bestandteile der aus der ersten Pyrolyse verbliebenen Reststoffe, insbesondere der Restkohlenstoff, werden dadurch vollständig umgesetzt und mineralische und metallische Bestandteile der aus der ersten Pyrolyse verbliebenen Reststoffe versintern zu einer glasartigen Asche. Die bei den in der Reaktionszone herrschenden hohen Temperaturen entstehenden Spaltprodukte (Radikale) rekombinieren danach zu CO und Ho.

[0015] Weiters wird die Plasmavergasung im Sinne einer Reaktionsbeschleunigung genutzt.

[0016] Das Plasma wird vorzugsweise durch Anwendung elektrostatischer Felder erzeugt. Insbesondere wird hierbei so vorgegangen, dass zwischen zwei Elektroden eine ausreichend hohe elektrische Gleichspannung angelegt wird, wobei eine geeignete Kombination von Spannung, Elektrodenabstand und Gasdruck einen Uberschlag und das Zünden einer Entladung zwischen den Elektroden bewirkt. Zwischen den Elektroden lässt man ein Gas durchströmen, das zu einem Plasma ionisiert wird. Beim Auftreffen des Plasmas auf die Einsatzstoffe kommt es zur Rekombination der ionisierten Atome und damit zu einem erheblichen Temperaturanstieg, durch den auch reaktionsträge Verbindungen die für eine vollständige Umsetzung notwendige Aktivierungsenergie erhalten.

[0017] Das Plasmagas kann hierbei durch lonisierung von Luft, O2, H:O und/oder CO, erzeugt werden. H2:O und CO» sowie Mischungen hiervon sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung besonders bevorzugt.

[0018] Die Oxidation von C und O zu CO ist exotherm und erhöht weiter die Temperatur in der Endreaktion der Pyrolyse (bis 3.500°C und mehr) und beschleunigt und vervollständigt damit den Spaltprozess der weiteren Stoffe.

[0019] Besonders bevorzugt ist die Verwendung eines Plasmainjektors, der zur Herstellung eines freitragenden Plasmas geeignet ist. Ein solcher Plasmainjektor zeichnet sich dadurch aus, dass er ohne Gegenelektrode auskommt. Beispielhaft wird auf die AT 507629 A1 verwiesen.

[0020] Um zu gewährleisten, dass die Reaktionen im Plasmastrahl bzw. beim Strom der Stoffe durch den Plasmastrahl passieren, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Plasma entgegen des Stroms der festen Reststoffe bzw. des Synthesegases gerichtet ist.

[0021] Die erste Pyrolyse kann allotherm und/oder exotherm vorgenommen werden.

[0022] Eine weitere bevorzugte Verfahrensweise sieht vor, dass die erste Pyrolyse wenigstens einen ersten und einen zweiten Pyrolyseschritt umfasst, wobei jeder Pyrolyseschritt bevorzugt in einem eigenen Reaktionsraum vorgenommen wird. Insbesondere können die Abfallstoffe im ersten Pyrolyseschritt unter anoxischen Bedingungen pyrolysiert werden und es kann die Einbringung einer stöchiometrischen Menge Wasserdampf und/oder CO» im zweiten Pyrolyseschritt erfolgen.

[0023] Zur weiteren Energieerhöhung des Synthesegases kann im zweiten Pyrolyseschritt weiteres kohlenstoffhaltiges Material zugegeben werden. Durch die Zugabe von Kohlenstoff (z.B. aus Biomasse und/oder Abfällen) wird hierbei die Regulierung des CO, Einsatzes ermöglicht. Insbesondere ist vorgesehen, dass der zweite Pyrolyseschritt bei einer höheren Temperatur erfolgt als der erste Pyrolyseschritt, wobei der erste Pyrolyseschritt bevorzugt bei einer

Temperatur von 600-1000°C und der zweite Pyrolyseschritt bevorzugt bei einer Temperatur von 1000-1600°C vorgenommen wird.

[0024] Im ersten Pyrolyseschritt kann beispielsweise die thermische Zersetzung der Abfallstoffe so erfolgen, dass die Abfallstoffe die Reaktionskammer unter anoxischen Bedingungen durchlaufen und dort pyrolysiert werden. Im zweiten Pyrolyseschritt wird stöchiometrisch Sauerstoff, Wasserdampf und/oder CO» eingebracht, um eine Umsetzung des Restkohlenstoffs zu CO bzw. CH4 zu gewährleisten. Die eigentliche Pyrolyse, d.h. die thermische Zersetzung unter Sauerstoffabschluss, erfolgt somit lediglich in dem ersten Pyrolyseschritt, wohingegen im zweiten Pyrolyseschritt eine Sauerstoff-, CO»- und/oder Wasserdampfeinbringung erfolgt.

[0025] Im ersten Schritt bewirkt die Pyrolyse eine Aufspaltung des in den Abfallstoffen enthaltenen Wasseranteils in O>» und H>. Der O>-Anteil reagiert mit einem Teil des in den Abfallstoffen enthaltenen Kohlenstoffs zu CO. Im zweiten Schritt bewirkt das Zublasen von O>» eine Umsetzung des in den Abfallstoffen noch verbleibenden Restkohlenstoffs in CO. Wenn alternativ oder zusätzlich Heißdampf eingeblasen wird, wird der Restkohlenstoff in CO und CH«4 umgesetzt. Wenn CO-» eingeblasen wird, erfolgt eine Aufspaltung in CO und O, wobei der freie Sauerstoff mit dem Restkohlenstoff der Abfallstoffe zu CO oxidiert (CO2 + C -> 2CO).

[0026] Sofern erforderlich oder erwünscht, kann im Rahmen der Erfindung so vorgegangen werden, dass eine Teilmenge des hergestellten Synthesegases zur Erzielung der Vergasungstemperatur in der Reaktionskammer verbrannt wird. Dadurch kann die Temperatur in der Reaktionskammer erhöht werden.

[0027] Die Erfindung wird nachfolgend anhand von mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert. [0028] Beispiel 1:

[0029] Als kohlenstoffhaltiger Abfallstoff wird zur vereinfachten Veranschaulichung reiner Kohlenstoff eingesetzt. Der Kohlenstoff wird in eine Reaktionskammer eingebracht, die von außen beheizt wird, sodass unter anoxischen Bedingungen bei einer Temperatur von 1.200 - 2.000°C eine Pyrolyse stattfindet. In die Reaktionskammer wird als Reaktionsgas ein Mischgas aus H;ODampf und CO»2-Gas in stöchiometrischer Menge eingebracht. Die in der Reaktionskammer vorhandene thermische Energie zerlegt das Reaktionsgas dabei wie folgt: H2O wird in H+H+O zerlegt und CO» wird in C+O+O zerlegt. Die Spaltprodukte reagieren mit dem eingesetzten Kohlenstoff (Affinität des O zu C) zu CO, der Wasserstoff bleibt über und bildet H2. Dies führt in Kombination mit Kohlenstoff zu folgender Grundgleichung:

CO» + H;O + 2C ->3C0O + H;, wobei das Verhältnis CO/Hz2 3:1 beträgt. Die Massenbilanz kann wie folg angegeben werden: 44gr CO» +18gr H.O + 24gr C -> 84gr CO + 2gr H..

[0030] Durch Veränderung der Mengenverhältnisse kann das Verhältnis CO zu H2 in einfacher Weise verändert werden. Bei einer Verdopplung der eingesetzten Wasserdampfmenge bei gleichbleibender CO2-Menge ergibt sich beispielsweise folgende Gleichung:

CO» + 2H.0O + 3C -> 4CO + 2H2,

wobei das Verhältnis CO/H; 4:2 bzw. 2:1 beträgt, wobei es sich um das ideale Verhältnis für die Fischer-Tropsch-Synthese (Kohlesynthese) handelt. Die Massenbilanz kann wiederum wie folgt angegeben werden:

44gr CO» + 36gr H2:O + 36gr C -> 112gr CO + 4gr H..

[0031] Ein Verhältnis CO/H2 von 6:5 kann beispielsweise durch eine weitere Erhöhung der eingesetzten Wasserdampfmenge gemäß folgender Gleichung erreicht werden:

CO2 + 10H2;0 + 11C -> 12CO + 10H2 [0032] In allen Varianten ist die Menge des eingebrachten Reaktionsgases so abgestimmt,

dass das verfügbare C zur Gänze umgesetzt werden kann (stöchiometrisches Verhältnis). Das beschriebene Verfahren kann die erste Pyrolyse im Rahmen eines mehrstufigen Pyrolyseprozesses darstellen, wobei das erhaltene Synthesegas oder ggf. verbleibende Reststoffe einer zweiten Pyrolyse, insbesondere einer Plasma-Pyrolyse zugeführt werden kann.

[0033] Das Ausführungsbeispiel zeigt, dass aus dem energielosen CO2 wiederum Energie gewonnen werden kann. Somit ergibt sich eine effektive CO» Reduktion.

[0034] Beispiel 2:

[0035] Die anhand des Beispiels 1 dargestellten Zusammenhänge werden nun zur Holzvergasung angewendet. Dabei wird von Holz (CeHsO4) mit einem Feuchtigkeitsanteil von ca. 20 Gew.-% ausgegangen. Die erste Pyrolyse wird in zwei Schritten durchgeführt.

[0036] Erster Schritt:

[0037] CeH90O«4 + 2H;0O -> 6CO + 6,5H» (145gr CeH9O4 + 36gr H:O -> 168gr CO + 13gr H2), was einem Volumenverhältnis von CO/H2 von 48/52 entspricht. Umgelegt auf 1000 kg (801,1kg Holz mit 198,9 kg Wasser) ergibt sich ein Synthesegas mit 928,18kg CO und 71,82 kg H2, was wiederum einem kalorischen Wert von 9.282MJ (CO) und 10.198MJ (H>), d.h. einem Gesamtwert von 19.480 MJ (5.396kWh) entspricht.

[0038] Zweiter Schritt:

[0039] In einem zweiten Schritt wird zur Erhöhung des H;-Anteils Heißdampf zugegeben, was zu folgender Shift-Reaktion führt: 6CO + 6,5H2 + 6H20 -> 6CO + 12,5H» (168gr CO + 13gr H2 + 108gr H:O -> 264gr CO + 25gr H>») ,‚ was einem Volumenverhältnis CO/H2 von 32,5/67,5 entspricht. Umgelegt auf 1000 kg/h Holz mit einem Feuchtigkeitsanteil von 20 Gew.-% (928,2kg CO + 71,8kg H2 + 596,8kg H2O) ergibt sich ein Synthesegas mit 1.458,5kg CO + 138,2kg H.

[0040] Nach dem zweiten Pyrolyseschritt verbleibt ein geringer Anteil des kohlenstoffhaltigen Abfallstoffs, der nun einer dritten, letzte Pyrolysestufe unterworfen wird. Alternativ wird in der letzten Pyrolysestufe zusätzliches kohlenstoffhaltiges Material bzw. reiner Kohlenstoff zugegeben. Der dritte Pyrolyseschritt erfolgt mittels eines Plasmas. Das Plasma dient hierbei als Reaktionsbeschleuniger, wobei ein CO»2-Plasma verwendet wird. Das CO2-Plasma wird erzeugt, indem CO»2-Gas einem Plasmainjektor zugeführt wird, der das CO2-Gas in den plasmaförmigen Zustand versetzt. Im vorliegenden Beispiel wird in der dritten Pyrolysestufe eine zusätzlich Menge Kohlenstoff zugegeben und es ergibt sich folgende Reaktionsgleichung: 6CO + 12,5H>2 + CO» (Plasma) + 7C -> 14CO + 12,5H; (264gr CO + 25gr H2 + 44gr CO» + 84gr C -> 392gr CO + 25gr H2), was einem Volumenverhältnis CO/H2 von 52/48 entspricht. Ausgehend vom Synthesegas aus der zweiten Pyrolysestufe ergibt sich aus 1.458,5kg CO + 138,2kg H2 + 243,1kg CO» + 464,1kg C ein Synthesegas mit 2.165,8kg CO und 138,125kg H2, was einem kalorischen Wert con 21.658MJ (CO) und 19.624MJ (H>2) = 41.282MJ entspricht (11.467,1 kWh).

[0041] Im vorliegenden Beispiel werden der erste, der zweite und die dritte Pyrolyseschritt jeweils in einer eigenen Reaktionskammer durchgeführt, wobei die Reaktionskammern durch entsprechende Schleusen miteinander verbunden sind.

[0042] Beispiel 3:

[0043] In diesem Ausführungsbeispiel wird zunächst der erste Pyrolyseschritt aus dem Beispiel 2 durchgeführt. Dem daraus erhaltenen Synthesegas wird Kohlenstoff zugegeben, der mit einem Mischgas aus CO» und H;O als Reaktionsbeschleuniger im Gegenstrom zum Materialstrom beaufschlagt wird, wobei ein CO2/H2O-Plasma verwendet wird. Zur Erzeugung eines Plasma wird CO» und H;O-Dampf einem Plasmainjektor, wie zum Beispiel dem in der AT 507629 A1 beschriebenen Injektor, zugeführt. Es ergibt sich folgende Reaktion:

[0044] 6CO + 6,5H» + 6H2O + CO» + 7C -> 14CO + 12,5H» (168gr CO + 13gr H2 + 108gr H;O + 44gr CO» + 84gr C -> 392gr CO + 25gr H>).

[0045] Wenn man wie im Beispiel 2 von 1.000 kg Holz ausgeht, entspricht der in dem zweiten Schritt zugegebene Kohlenstoff wieder einer Masse von 464,1 kg. Diese Kohlenstoffmenge

würden bei einer Vergasung zu CO folgende Energie ergeben: 7C + 3,50» -> 7CO, entspricht einem kalorischen Wert von 10.829MJ (3.007,97kWh). Zieht man diese Energie vom Gesamtergebnis ab so ergibt sich: 11.467,1kWh - 3.007,97kWh = 8.459,1kWh. Die Energie der ShiftReaktion hat 5.450 kWh ergeben, man hat also einen effektiven Energiegewinn von 8.459,1kWh - 5.450kWh = 3009,1kWh oder 55,2 %. Zusätzlich hat man 243,1kg CO2 und 1.000kg Holz (lutro) reduziert.

[0046] Für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Vorrichtungen sind schematisch in den Figuren dargestellt.

[0047] Fig. 1 zeigt erste Ausbildung einer Vorrichtung,

[0048] Fig. 2 zeigt eine zweite Ausbildung einer Vorrichtung,

[0049] Fig. 3 zeigt eine dritte Ausbildung einer Vorrichtung,

[0050] Fig. 4 zeigt eine Detaildarstellung im Bereich des Plasmainjektors und [0051] Fig. 5 zeigt eine weitere Ausbildung einer Vorrichtung.

[0052] In Fig. 1 ist ein erster Reaktor 1 mit einer Materialaufgabe 2 dargestellt, wobei die Materialaufgabe über eine gasdichte Zellradschleuse 3 erfolgt. Alternativ kann die Materialaufgabe über ein gasdichtes Schiebersystem erfolgen. Im Inneren des Reaktors 1 ist eine Förderschnecke 4 angeordnet, welche das über die Materialaufgabe 2 eingebrachte Material in Längsrichtung des Reaktors 1 zu einer Austragsöffnung 5 transportiert. An Stelle der Förderschnecke 4 können auch andere Fördereinrichtung, wie z.B. ein Schubrost, vorgesehen sein. Das über die Austragsöffnung 5 ausgetragene Material gelangt über eine gasdichte Schleuse, wie z.B. eine Zellradschleuse 6 oder ein gasdichtes Schiebersystem in den zweiten Reaktor 7, in dem das Material wieder mit Hilfe eines Förderers, wie z.B. eine Förderschnecke 8 in Richtung zur am gegenüberliegenden Ende des Reaktors 7 angeordneten Austragsöffnung 9 transportiert wird. In den zweiten Reaktor 7 mündet eine Leitung 10, über welche CO» und/oder H;O eingeblasen wird.

[0053] Der erste Reaktor 1 und/oder der zweite Reaktor 7 sind mit einer Heizvorrichtung zum Einbringen von externer Wärme ausgestattet. Im Reaktor 1 und im zweiten Reaktor 7 wird die erste Pyrolyse vorgenommen wird, wobei die erste Pyrolyse einen ersten Pyrolyseschritt im ersten Reaktor 1 und einen zweiten Pyrolyseschritt im zweiten Reaktor 7 umfasst. Im ersten Reaktor 1 erfolgt eine Temperaturerhöhung des Materials von 100°C auf 600°C. Im zweiten Reaktor 7 erfolgt eine Temperaturerhöhung des Materials von 600°C auf 1.000°C.

[0054] Das in der ersten Pyrolyse entstehende Synthesegas und die verbleibenden festen Reststoffe werden zur Durchführung einer weiteren Pyrolyse einem dritten Reaktor 11 zugeführt, in welchem in einem ersten Bereich eine Fördervorrichtung, wie z.B. eine Förderschecke 12 vorgesehen ist. Der erste Bereich des Reaktors 11 kann mit einer Heizeinrichtung versehen sein. An den zweiten Bereich des Reaktors 11 ist ein Plasmainjektor 13 angeschlossen, dessen Plasma eine weitere Um- bzw. Zersetzung der festen Reststoffe und des Synthesegases bewirkt. Die dabei entstehende Schmelze bzw. Asche wird über die Austragsöffnung 14 ausgetragen. Das Synthesegas wird über den Synthesegasaustritt 15 ausgetragen.

[0055] Die Ausbildung gemäß Fig. 2 unterscheidet sich von der Ausbildung gemäß Fig. 1 dadurch, dass der erste Pyrolyseschritt und der zweite Pyrolyseschritte der ersten Pyrolyse im ersten Reaktor 1 vereinigt sind, sodass der zweite Reaktor 7 entfallen kann. Der erste Reaktor 1 umfasst daher einen Abschnitt, in dem die Leitung 10 mündet, über welche CO,» und/oder H:O eingeblasen wird. Im Reaktor 1 erfolgt eine Temperaturerhöhung des Materials von 100°C auf 1.000°C.

[0056] Fig. 3 zeigt eine weitere Abwandlung der Vorrichtung, bei welcher alle Pyrolyseschritte in einem einzigen zylindrischen Reaktor 16 erfolgen. Die zylindrische Wand des Reaktors 16 bildet gemeinsam mit einer koaxial zur Wand angeordneten Förderschnecke 4 wiederum einen Schneckenförderer aus, der das über die Materialaufgabe 2 aufgegebene Material durch den Reaktor 16 transportiert. In einem ersten Abschnitt 17 des Reaktors 1 ist die Reaktionskammer

gegenüber der Umgebung im Wesentlichen luftdicht. In einem unmittelbar darauffolgenden zweiten Abschnitt 18 des Reaktors 1 mündet eine Zuführleitung 10 im Inneren des Reaktors 16, über welche CO» und/oder H;O eingebracht wird. Die Förderschnecke 4 erstreckt sich hierbei sowohl durch den ersten Abschnitt 17 als auch durch den zweiten Abschnitt 18 des Reaktors 16.

[0057] An den zweiten Abschnitt 18 schließt ein dritter Abschnitt 19 an, in welchem der Plasmainjektor 13 angeordnet ist. Im Bereich der Reaktionszone des Plasmainjektors 13 ist wiederum ein nach oben führender Synthesegasabzug 15 sowie im Boden ein Asche-/Schlackeaustrag 14 vorgesehen.

[0058] In Fig. 4 ist eine Detailansicht der Vorrichtung gemäß Fig. 1, 2 bzw. 3 im Bereich des Plasmainjektors 13 gezeigt. Es ist ersichtlich, dass die Richtung 20 des Plasmaausstoßes aus dem Plasmainjektor 13 der Richtung 21 des aus den vorangehenden Pyrolyseschritt(en) kommenden Gas- bzw. Materialstroms entgegengesetzt ist. Die Plasmaflamme ist hierbei mit 22 und der zum Synthesegasabzug führende Gasstrom mit 23 bezeichnet.

[0059] Bei der Ausbildung gemäß Fig. 5 ist wiederum ein gemeinsamer Reaktor 24 für alle Pyrolyseschritte vorgesehen, wobei der Reaktor 24 als Fallreaktor ausgebildet ist. Die Materialaufgabe 25 erfolgt über eine Zellradschleuse 26 von oben in den Reaktor 24. Der Fallreaktor 24 weist einen Doppelmantel umfassend einen inneren Mantel 27 und einen äußeren Mantel 28 auf. Der innere Mantel 27 begrenzt die Reaktionskammer 29 des Fallreaktors 24. Zwischen dem inneren Mantel 27 und dem äußeren Mantel 28 wird eine Ringkammer 30 ausgebildet. Die Ringkammer ist an ihrem unteren Ende nach innen zur Reaktionskammer 29 hin offen, sodass das im Bereich der Plasmainjektoren 31 vorhandene Synthesegas von der Reaktionszone des Plasmas über die Öffnungen 32 in die Ringkammer 30 gelangen kann. Das Synthesegas wird im Inneren der Ringkammer 30 wie mit 33 angedeutet nach oben geleitet und verlässt die Ringkammer 30 über die Austragsleitung 34.

[0060] Im Inneren der Reaktionskammer 29 münden in Höhenrichtung versetzte Leitungen 35 und 36, über welche CO» und/oder H;O zugeblasen wird. Das über die Zellradschleuse 26 aufgegebene Material sikt im Inneren der Reaktionskammer 29 langsam ab und wird währenddessen entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren pyrolisiert. Der Asche-/Schlackeaustrag am Boden des Reaktors ist mit 37 bezeichnet.

Claims (9)

Patentansprüche

1. Verfahren zur Erzeugung von Synthesegas aus kohlenstoffhaltigen Abfallstoffen, bei welchem die kohlenstoffhaltigen Abfallstoffe wenigstens einer Reaktionskammer aufgegeben werden, in der die Abfallstoffe unter externer Energiezufuhr einer mehrstufigen Pyrolyse unterworfen werden, wobei eine erste Pyrolyse bei Temperaturen von 600 - 2.000°C vorgenommen wird und das entstehende Synthesegas und ggf. die verbleibenden festen Reststoffe einer weiteren Pyrolyse unterworfen werden, in welcher die festen Reststoffe und/oder das Synthesegas zur weiteren Um- bzw. Zersetzung einem Plasma ausgesetzt werden, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Pyrolyse in stöchiometrischer Menge Wasserdampf und/oder CO», in die wenigstens eine Reaktionskammer eingebracht wird und das Plasma entgegen des Stroms der festen Reststoffe bzw. des Synthesegases gerichtet ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Pyrolyse wenigstens einen ersten und einen zweiten Pyrolyseschritt umfasst, wobei jeder Pyrolyseschritt bevorzugt in einem eigenen Reaktionsraum vorgenommen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abfallstoffe im ersten Pyrolyseschritt unter anoxischen Bedingungen pyrolysiert werden und dass die Einbringung einer stöchiometrischen Menge Wasserdampf und/oder CO» im zweiten Pyrolyseschritt erfolgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Pyrolyseschritt weiteres kohlenstoffhaltiges Material zugegeben wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Pyrolyse allotherm und/oder exotherm vorgenommen wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Pyrolyseschritt bei einer höheren Temperatur erfolgt als der erste Pyrolyseschritt, wobei der erste Pyrolyseschritt bevorzugt bei einer Temperatur von 600-1000°C und der zweite Pyrolyseschritt bevorzugt bei einer Temperatur von 1000-1600°C vorgenommen wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Teilmenge des hergestellten Synthesegases zur Erzielung der Vergasungstemperatur in der Reaktionskammer verbrannt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Plasma durch lonisierung von Luft, O2, H2O und/oder CO» erzeugt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die festen Reststoffe und ggf. das Synthesegas in der Reaktionszone des Plasmas auf mindestens 2.400°C gebracht werden.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen