AT523142B1 - Verfahren zur thermo-chemischen Behandlung eines Vergasungsmaterials - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur thermo-chemischen Behandlung von Vergasungsmaterial (5) mittels eines Pyrolyse-Reaktors (2), bei dem von einer Heizvorrichtung (19) eine erste Wärmemenge in einen Reaktor-Innenraum (13) eingebracht und dieser unmittelbar beheizt wird. Zusätzlich wird pro Zeiteinheit während der Behandlung ein gasförmiges Oxidationsmittel dem Reaktor-Innenraum (13) zugeleitet. Die Menge des gasförmigen Oxidationsmittels wird so eingestellt, dass eine unterstöchiometrische Umsetzung des Vergasungsmaterials (5) mit einem Lambdawert ausgewählt aus einem Wertebereich mit einer unteren Grenze von 0,01 und einer oberen Grenze von 0,5 erfolgt. Dabei wird eine zweite Wärmemenge zusätzlich zu der ersten Wärmemenge erzeugt, wobei die bereitgestellte erste Wärmemenge pro Zeiteinheit reduziert wird.

Description

Beschreibung
[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur thermo-chemischen Behandlung von Vergasungsmaterial, bei welchem der Eintrag von externer Wärmemenge für den thermo-chemischen Behandlungsvorgang reduziert wird.
[0002] Es ist grundsätzlich bekannt, einem Pyrolyse-Reaktor direkt eine entsprechende externe Wärmemenge mittels einer dazu vorgesehenen Heizvorrichtung zuzuführen, um das thermo-chemisch zu behandelnde Vergasungsmaterial im Reaktor-Innenraum zu behandeln und dabei in Pyrolysekoks und Pyrolysegas zu zersetzen. Zumeist wird die Heizvorrichtung mit elektrischem Strom oder einem brennbaren Gas, wie z.B. Erdgas, zur Erzeugung oder Bereitstellung der erforderlichen Wärmemenge versorgt. Der primäre Energieaufwand zur Erzeugung oder Bereitstellung der erforderlichen Wärmemenge ist dabei sehr hoch.
[0003] WO 2019/054868 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Synthesegasgemisches aus einer festen Biomassezufuhr, wobei das Synthesegasgemisch Wasserstoff und Kohlenmonoxid umfasst. Die Biomasse wird aus einem Biomassetank abgegeben und einem Drehrohrofen zugeführt. Die im Drehrohrofen erforderliche Wärme wird durch indirekten Wärmeaustausch mit Dampf und durch partielle Oxidation der Kohlenwasserstoffgasfraktion mit dem Sauerstoff bereitgestellt. Es ist die Zugabe von Sauerstoff in einem Massenverhältnis zwischen 0,1 und 0,6 zur Masse der Biomasse angeführt. Am Ende des Drehrohrofens werden die Kohleteilchen durch Gravitation von der Gasfraktion getrennt, wobei die Feststoffe aus einem Auslass in ein Gefäß fallen und die Gasfraktion dieses Gefäß über das Gasauslassrohr verlässt.
[0004] WO 2020/055254 A1 mit dem internationalen Veröffentlichungstag am 2020-03-19 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Verkohlungsprodukts durch Pyrolyse oder milder Vergasung einer festen Biomassebeschickung in Form von Pellets, bei dem eine Gasfraktion erhalten wird, die Wasserstoff, Kohlenmonoxid und eine Mischung gasförmiger organischer Verbindungen und eine feste Fraktion umfasst. Die Pyrolyse oder die milde Vergasung wird bei einer Temperatur zwischen 500 und 800 °C durchgeführt. Die Pellets werden mittels einer mit Armen versehen rotierenden Achse in axialer Richtung ausgehend von einem Feststoffeinlass zu einem Feststoffauslass bewegt.
[0005] Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mittels dem der primäre Energieaufwand für die thermo-chemische Behandlung des Vergasungsmaterials reduziert werden kann und trotzdem ein zufriedenstellendes Behandlungsergebnis erzielt werden kann.
[0006] Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß den Ansprüchen gelöst.
[0007] Das erfindungsgemäße Verfahren ist zur thermo-chemischen Behandlung von Vergasungsmaterial, wie z.B. Biomasse, Hausmüll, Gewerbemüll, Kunststoffe, Kunststoffverbunde, vorgesehen. Bei dem Verfahren sind zumindest folgende Schritte durchzuführen: - Bereitstellen zumindest eines Pyrolyse-Reaktors mit
- einem Reaktorgehäuse, welches Reaktorgehäuse hohlzylindrisch ausgebildet ist, einen Reaktor-Innenraum umgrenzt und eine Längsachse definiert
- einer Heizvorrichtung, mittels welcher Heizvorrichtung eine erste Wärmemenge in den Reaktor-Innenraum eingebracht und dieser unmittelbar zur thermo-chemischen Behandlung des Vergasungsmaterials beheizt wird, und
- mit zumindest einer im Reaktor-Innenraum des Reaktorgehäuses befindlichen Fördervorrichtung, - Bereitstellen einer Zufuhreinheit mit zumindest einer in den Reaktor-Innenraum einmündenden Einfüllöffnung zum Zuführen des Vergasungsmaterials in den Pyrolyse-Reaktor, - Bereitstellen einer Abfuhreinheit mit zumindest einer aus dem Reaktor-Innenraum ausmündenden Abfuhröffnung zum Abführen des behandelten Vergasungsmaterials nach dessen thermo-chemischen Behandlung im Reaktor-Innenraum des Pyrolyse-Reaktors, - Bereitstellen des zu behandelnden Vergasungsmaterials,
- Zuführen des bereitgestellten und zu behandelnden Vergasungsmaterials in den ReaktorInnenraum mittels der Zufuhreinheit,
- thermo-chemische Behandlung des Vergasungsmaterials im Reaktor-Innenraum zumindest mittels der von der Heizvorrichtung bereitgestellten ersten Wärmemenge (Qe«),
- Zusätzliches Zuleiten eines gasförmigen Oxidationsmittels in den Reaktor-Innenraum während der thermo-chemischen Behandlung des Vergasungsmaterials pro Zeiteinheit, wobei eine unterstöchiometrische Umsetzung des Vergasungsmaterials durchgeführt wird und bei der unterstöchiometrische Umsetzung des Vergasungsmaterials eine zweite Wärmemenge (Qnı) ZUsätzlich zu der ersten Wärmemenge (Qe:x«) erzeugt wird, und dabei das Vergasungsmaterial in einem überwiegenden Anteil in Pyrolysekoks und Pyrolysegas zersetzt wird, und wobei das zu behandelnde Vergasungsmaterial mittels der Fördervorrichtung von einem Beschickungsbereich zu einem Abfuhrbereich gefördert wird,
- Abführen des Pyrolysekokses und Ableiten des Pyrolysegases aus dem Reaktor-Innenraum des Pyrolyse-Reaktors mittels der Abfuhreinheit, wobei weiters noch vorgesehen ist,
- dass der Pyrolyse-Reaktor als Schneckenreaktor ausgebildet wird,
- dass die Fördervorrichtung als Förderschnecke mit zumindest einem Schneckensteg ausgebildet und drehbar am Reaktorgehäuse gelagert wird,
- dass die zugeleitete Menge des gasförmigen Oxidationsmittels pro Zeiteinheit so eingestellt wird, dass bei dieser Oxidationsmittel-Menge die unterstöchiometrische Umsetzung des Vergasungsmaterials mit einem Lambdawert ausgewählt aus einem Wertebereich mit einer unteren Grenze von 0,01 und einer oberen Grenze von 0,5 erfolgt, und
- dass die von der Heizvorrichtung bereitgestellte erste Wärmemenge (Q:«) pro Zeiteinheit reduziert wird.
[0008] Vorteilhaft ist bei den hier gewählten Verfahrensschritten, dass durch die begrenzte zusätzliche Zufuhr des gasförmigen Oxidationsmittels eine unterstöchiometrische partielle Verbrennung des zu behandelnden Vergasungsmaterials innerhalb des Pyrolyse-Reaktors erfolgt. Damit wird in Abhängigkeit von der zugeleiteten Menge des gasförmigen Oxidationsmittels pro Zeiteinheit durch den internen partiellen Oxidationsvorgang eine gewisse zweite Wärmemenge (Qını) im Reaktor-Innenraum des Pyrolyse-Reaktors bereitgestellt. Die von der Heizvorrichtung bereitgestellte erste Wärmemenge (Qex:) wird reduziert, um eine zu hohe Behandlungstemperatur des Vergasungsmaterials zu verhindern. Aufgrund der durch den partiellen Oxidationsvorgang bereitgestellten zweiten Wärmemenge (Qt) wird so in einem gewissen Ausmaß der Energiebedarf zur Bereitstellung oder Erzeugung der ersten Wärmemenge (Q-«) reduziert. Das Ausmaß der unterstöchiometrischen Umsetzung des Vergasungsmaterials wird mittels des Lambdawerts in den vorgegebenen Grenzen ermittelt.
[0009] Die von der Heizvorrichtung bereitgestellte erste Wärmemenge (Qe) wird pro Zeiteinheit maximal um den Betrag der zweiten Wärmemenge (Qm) reduziert. Damit kann eine maximale Energieeinsparung für die Bereitstellung und Erzeugung der ersten Wärmemenge mittels der Heizvorrichtung erzielt werden. Weiters kann damit aber auch die im Reaktor-Innenraum herrschende Behandlungstemperatur in gewissen Grenzen auch über eine längere Zeitdauer konstant gehalten werden. Es kann so weiters eine zu hohe Behandlungstemperatur verhindert werden.
[0010] Eine weitere vorteilhafte Vorgehensweise ist dadurch gekennzeichnet, dass das gasförmige Oxidationsmittel vollständig verbrannt wird und das abgeleitete Pyrolysegas frei von Sauerstoff (O») ist. Damit kann sichergestellt werden, dass im abgeleiteten Pyrolysegas kein zusätzlicher freier Sauerstoff mehr enthalten ist und das dem Reaktor-Innenraum zugeleitete gasförmige Oxidationsmittel vollständig verbrannt und umgesetzt worden ist.
[0011] Vorteilhaft ist auch eine Verfahrensvariante, bei welcher das gasförmige Oxidationsmittel aus der Gruppe von Luft, Sauerstoff (O»), Distickstoffmonoxid (NO) ausgewählt wird. Damit kann auf unterschiedliche zu behandelnde Vergasungsmaterialien Bedacht genommen werden.
[0012] Eine andere Vorgehensweise zeichnet sich dadurch aus, wenn das gasförmige Oxidationsmittel mit einem Überdruck gegenüber dem im Reaktor-Innenraum herrschenden Druck mit
zumindest einem Druckwert ausgewählt aus einem Druck-Wertebereich mit einer unteren Grenze von 1 mbar, bevorzugt 2 mbar, und einer oberen Grenze von 30 mbar, bevorzugt von 15 mbar, dem Reaktor-Innenraum zugeleitet wird. Durch den gewählten minimalen Überdruck bezüglich des im Reaktorgehäuse herrschenden Innendrucks kann so einerseits eine sichere konstante Zuleitung des gasförmigen Oxidationsmittels in den Reaktor-Innenraum und andererseits eine gerichtete Abströmrichtung des Pyrolysegases aus dem Reaktor-Innenraum erzielt werden.
[0013] Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass von dem zu behandelnden Vergasungsmaterial im Reaktor-Innenraum des Reaktorgehäuses eine Vergasungsmaterial-Füllhöhe bis maximal auf die Höhe der Längsachse definiert wird und oberhalb der vom Vergasungsmaterial definierten Vergasungsmaterial-Füllhöhe ein Freiraum verbleibt.
[0014] Weiters ist ein Vorgehen vorteilhaft, bei dem das gasförmige Oxidationsmittel über zumindest eine im Reaktorgehäuse angeordnete Zuströmöffnung dem Reaktor-Innenraum zugeführt wird. Damit kann je nach Anordnung der zumindest einen Zuströmöffnung eine für den Behandlungsvorgang optimale Einströmposition in den Reaktor-Innenraum und damit auf das Vergasungsmaterial festgelegt werden.
[0015] Eine weitere vorteilhafte Vorgehensweise ist dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Zuströmöffnungen im Reaktorgehäuse vorgesehen sind und die Zuströmöffnungen über die Mantelfläche verteilt angeordnet sind. Damit kann verteilt über das gesamte Reaktorgehäuse eine ausreichend dosierte Menge des gasförmigen Oxidationsmittels in den Reaktor-Innenraum zugeführt werden.
[0016] Vorteilhaft ist auch eine Verfahrensvariante, bei welcher zumindest eine der Zuströmöffnungen im Beschickungsbereich in den Reaktor-Innenraum einmündet. Damit kann bereits am Beginn des Behandlungsvorgangs in dem Vergasungsmaterial eine ausreichende, zweite Wärmemenge durch eine partielle Oxidation des Vergasungsmaterials bereitgestellt oder erzeugt werden.
[0017] Eine andere Vorgehensweise zeichnet sich dadurch aus, wenn zumindest eine der Zuströmöffnungen im Abfuhrbereich in den Reaktor-Innenraum einmündet. Damit wird die Möglichkeit geschaffen, auch noch am Ende des Behandlungsvorgangs vor dem Entnehmen bzw. Abführen desselben aus dem Reaktor-Innenraum ein ausreichend hohes Temperaturniveau beibehalten zu können.
[0018] Weiters ist ein Vorgehen vorteilhaft, bei dem die zumindest eine Zuströmöffnung im Querschnitt des Reaktorgehäuses gesehen in einem Querschnittsbereich ausgehend von einer Horizontalebene in den Reaktor-Innenraum einmündet, wobei die Horizontalebene in einer von der Fördervorrichtung oder in einer vom hohlzylindrisch ausgebildeten Reaktorgehäuse definierten Längsachse verlaufend angeordnet ist. Damit kann sichergestellt werden, dass bei entsprechender Wahl der Füllhöhe des Vergasungsmaterials das gasförmige Oxidationsmittel stets in dem oberhalb des zu behandelnden Vergasungsmaterials gebildeten Freiraum in den Reaktor-Innenraum eingeleitet werden kann.
[0019] Eine weitere vorteilhafte Vorgehensweise ist dadurch gekennzeichnet, dass das gasförmige Oxidationsmittel via die Förderschnecke, insbesondere deren zumindest einen Schneckensteg, dem Reaktor-Innenraum zugeleitet wird. Damit kann über die Längserstreckung der als Förderschnecke ausgebildeten Fördervorrichtung das gasförmige Oxidationsmittel während der Förderbewegung desselben direkt in das zu behandelnde Vergasungsmaterial eingeleitet werden.
[0020] Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert.
[0021] Es zeigen jeweils in stark vereinfachter, schematischer Darstellung:
[0022] Fig. 1 ein mögliches Anlagenschema einer Behandlungsanlage mit vereinfacht angedeuteten Anlagenkomponenten.
[0023] Einführend sei festgehalten, dass in den unterschiedlich beschriebenen Ausführungsfor
men gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen versehen werden, wobei die in der gesamten Beschreibung enthaltenen Offenbarungen sinngemäß auf gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen übertragen werden können. Auch sind die in der Beschreibung gewählten Lageangaben, wie z.B. oben, unten, seitlich usw. auf die unmittelbar beschriebene sowie dargestellte Figur bezogen und sind diese Lageangaben bei einer Lageänderung sinngemäß auf die neue Lage zu übertragen.
[0024] Der Begriff „insbesondere“ wird nachfolgend so verstanden, dass es sich dabei um eine mögliche speziellere Ausbildung oder nähere Spezifizierung eines Gegenstands oder eines Verfahrensschritts handeln kann, aber nicht unbedingt eine zwingende, bevorzugte Ausführungsform desselben oder eine zwingende Vorgehensweise darstellen muss.
[0025] In der Fig. 1 ist ein mögliches Anlagenschema einer Behandlungsanlage 1 vereinfacht und stark stilisiert gezeigt, welche zumindest einen Pyrolyse-Reaktor 2 umfasst, wobei gegebenenfalls weiters noch ein Koksvergaser 3 und/oder zumindest eine Brennvorrichtung 4 vorgesehen sein kann.
[0026] Die Behandlungsanlage 1 ist grundsätzlich dazu vorgesehen, in einem thermochemischen Behandlungsverfahren oder thermo-chemischen Behandlungsvorgang Vergasungsmaterial 5 zu behandeln. Das Vergasungsmaterial 5 kann unterschiedlichster Herkunft sein und/oder eine unterschiedlichste Zusammensetzung aufweisen. Dabei kann es sich um Biomasse, Hausmüll, Gewerbemüll oder dergleichen handeln. Als sogenannte Biomasse werden hier insbesondere organische Abfallprodukte, wie Klärschlamm, Schlachtabfälle, Tiermehl, Exkremente oder dergleichen verstanden. Es können auch Kunststoffe und/oder Kunststoffverbunde in der Behandlungsanlage 1 thermisch behandelt und daraus Pyrolysegas und Pyrolysekoks gebildet werden. Das zu behandelnde Vergasungsmaterial 5 kann in einem vereinfacht dargestellten Speicherbehälter 6 bevorratet und für den Pyrolysevorgang bereitgestellt werden. Bevorzugt werden in etwa sortengleiche Vergasungsmaterialien 5 dem Pyrolyse-Reaktor 2 zugeführt, wobei aber auch eine Mischung aus den zuvor genannten Werkstoffen dem Pyrolyse-Reaktor 2 zugeführt werden kann.
[0027] Je nach Art und Zusammensetzung des Vergasungsmaterials 5 wurde dieses bislang unterschiedlichst entsorgt oder weiterverarbeitet. Eine erste Möglichkeit stellt die thermische Verwertung durch Verbrennung in Müllverbrennungsanlagen, einem Zementwerk oder ähnlichen Anlagen dar. Eine weitere Möglichkeit, insbesondere bei Klärschlamm, ist die landwirtschaftliche Ausbringung auf den Feldern. Dabei werden jedoch alle im Klärschlamm mit enthaltenen Schadstoffe, Mikroplastik und dergleichen auf den Feldern verteilt und kommen so auch ins Grundwasser. Schließlich kann auch eine Kompostierung oder Vererdung erfolgen.
[0028] Aufgrund der unterschiedlichen zu behandelnden Vergasungsmaterialien 5, insbesondere deren Konsistenz, kann das Zuführen desselben in den Pyrolyse-Reaktor 2 Probleme bereiten. Zumeist wird das zu behandelnde Vergasungsmaterial 5 schwerkraftbedingt dem Pyrolyse-Reaktor 2 mittels einer Schleuse und einem Fallschacht zugeführt, wie dies vereinfacht angedeutet ist.
[0029] Ist das Vergasungsmaterial 5 dem Pyrolyse-Reaktor 2 zugeführt worden, findet in diesem eine thermo-chemische Umwandlung des Vergasungsmaterials 5 statt, welche als Pyrolisierungs-Vorgang bezeichnet werden kann. Hier findet eine thermische Zersetzung des Vergasungsmaterials 5 in Pyrolysekoks und Pyrolysegas jeweils mit den unterschiedlichsten Bestandteilen statt. Der Pyrolysekoks stellt überwiegend eine Feststofffraktion dar, welche auch als Carbonisat bezeichnet werden kann. Der Pyrolyse-Reaktor 2 kann z.B. als Schneckenreaktor ausgebildet sein, in welchem die thermische Zersetzung des Vergasungsmaterials 5 bei einer Temperatur in einem Temperaturbereich zwischen 400 °C, insbesondere 450 °C, und 600 °C, insbesondere 550 °C, erfolgt. Dieser Vorgang erfolgt bei einer Verweilzeit zwischen 20 und 30 min und dies bei zumeist vollständig von Sauerstoff freien Bedingungen.
[0030] Bei dem entstehenden Pyrolysegas handelt es sich zumeist um ein Öl-/Gasgemisch ggf. mit staubförmigen Anteilen.
[0031] Der Pyrolyse-Reaktor 2 umfasst ein zumeist hohlzylindrisch ausgebildetes Reaktorge-
häuse 7 mit einer darin drehbar gelagerten und zumeist bzw. bevorzugt schneckenförmig ausgebildeten Fördervorrichtung 8. Das Reaktorgehäuse 7 definiert eine Längsachse 9, welche zumeist oder bevorzugt eine horizontale Ausrichtung aufweist. Die Fördervorrichtung 8 ist bevorzugt zentrisch bezüglich der Längsachse 9 ausgerichtet und am Reaktorgehäuse 7 gelagert. Die rotatorische Drehbewegung kann z.B. mittels eines nicht näher bezeichneten Antriebsmittels, z.B. einem Antriebsmotor, erfolgen.
[0032] In einem Beschickungsbereich 10 des Pyrolyse-Reaktors 2 ist in dessen Reaktorgehäuse 7 zumindest eine Einfüllöffnung 11 vorgesehen, welche in den Innenraum des Pyrolyse-Reaktors 2 zum Zuführen des Vergasungsmaterials 5 einmündet.
[0033] Zum Zuführen des Vergasungsmaterials 5 in den Pyrolyse-Reaktor 2 ist eine Zufuhreinheit 12 vorgesehen. Die Zufuhreinheit 12 kann unterschiedlichst ausgebildet sein und ist bei diesem Ausführungsbeispiel als Fallschacht mit Schleuse ausgebildet. Ausgehend von der Zufuhreinheit 12 gelangt das Vergasungsmaterial 5 über die Einfüllöffnung 11 in einen vom Reaktorgehäuse 7 umgrenzten Reaktor-Innenraum 13. Mittels der Zufuhreinheit 12 kann pro Zeiteinheit die in den Reaktor-Innenraum 13 hinein geförderte Fördermenge festgelegt und bevorzugt konstant gehalten werden.
[0034] Das aus dem Speicherbehälter 6 entnommene und der Zufuhreinheit 12 zugeführte oder zugeförderte Vergasungsmaterial 5 kann nach der Entnahme aus dem Speicherbehälter 6 gegebenenfalls in einer Zerkleinerungsvorrichtung 14 zerkleinert und/oder in einer Trocknungsvorrichtung 15 in seinem Feuchtigkeitsgehalt reduziert werden.
[0035] Zum Abführen des im Pyrolyse-Reaktor 2 behandelten Vergasungsmaterials 5 kann im Abfuhrbereich 16 eine Abfuhreinheit 17 vorgesehen sein, wobei dazu im Reaktorgehäuse 7 zum Abfördern bzw. der Entnahme des behandelte Vergasungsmaterials 5 zumindest eine Abfuhröffnung 18 vorgesehen oder ausgebildet ist. Das in den Reaktor-Innenraum 13 zugeführte oder zugeförderte Vergasungsmaterial 5 wird dabei mittels der Fördervorrichtung 8 vom Beschickungsbereich 10 zum Abfuhrbereich 16 gefördert.
[0036] Zur Bereitstellung der für den Behandlungsvorgang benötigten Wärmemenge ist dazu eine Heizvorrichtung 19 vorgesehen, welche als rechteckiger Kasten dargestellt ist. Die Heizvorrichtung 19 dient dazu, eine erste Wärmemenge bereitzustellen und diese in den in den ReaktorInnenraum 13 einzubringen und an das darin befindliche Vergasungsmaterial 5 zu übertragen. Als Energieträger kann z.B. elektrischer Strom, Erdgas, Flüssiggas, Pyrolysegas usw. eingesetzt werden. Die Heizvorrichtung 19 kann dabei als primäre Vorrichtung zur Bereitstellung der ersten Wärmemenge bezeichnet werden, wobei mittels der Heizvorrichtung 19 der Reaktor-Innenraum 13 unmittelbar zur thermo-chemischen Behandlung des Vergasungsmaterials 5 beheizt wird. Die Heizvorrichtung 19 ist somit direkt und unmittelbar am oder unmittelbar im Reaktorgehäuse 7, insbesondere dessen Reaktor-Mantel, angeordnet.
[0037] Es ist hier noch vorgesehen, dass zusätzlich ein gasförmiges Oxidationsmittel dem Reaktor-Innenraum 13 während der thermo-chemischen Behandlung des Vergasungsmaterials 5 pro Zeiteinheit zugeleitet wird. Die zugeleitete Menge des gasförmigen Oxidationsmittels pro Zeiteinheit wird so eingestellt oder so gewählt, dass bei dieser vorbestimmten Oxidationsmittel-Menge eine unterstöchiometrische Umsetzung des Vergasungsmaterials 5 mit einem Lambdawert ausgewählt aus einem Wertebereich mit einer unteren Grenze von 0,01 und einer oberen Grenze von 0,5 erfolgt. Die Bestimmung oder Ermittlung des oder der Lambdawerte kann mittels einer Verbrennungsrechnung erfolgen. Der Quotient aus der ermittelten Menge des vorhandenen oder zugeführten Sauerstoffs (O») im zusätzlich zugeführten gasförmigen Oxidationsmittel und dem theoretischen Mengen-Bedarf an Sauerstoff (O») für die vollständige Verbrennung ergibt den Lambdawert. Die jeweiligen Mengenangaben können am einfachsten in Molanteilen (wegen der Reaktionsgleichungen) erfolgen.
[0038] Bei der partiellen Verbrennung (Oxidation) des Vergasungsmaterials 5 wird eine zweite Wärmemenge erzeugt, welche zusätzlich zu der ersten Wärmemenge (Qz«) für den Behandlungsvorgang bereitgestellt wird. Um einer Überhitzung oder zu hohe Behandlungstemperaturen
im Reaktor-Innenraum 13 durch die zusätzlich bereitgestellte oder erzeugte zweite Wärmemenge (Qm) zu hindern, ist die von der Heizvorrichtung 19 bereitgestellte erste Wärmemenge pro Zeiteinheit entsprechend zu reduzieren. Dies kann zu einem nicht unerheblichen Einsparungspotential z.B. bei elektrischer Energiezufuhr führen.
[0039] Im laufenden Betrieb und auch bei zugeführtem gasförmigen Oxidationsmittel erfolgt im Reaktor-Innenraum 13 die thermo-chemische Behandlung des Vergasungsmaterials 5. Die ansonsten ohne der zusätzlich zweiten Wärmemenge bereitgestellte erste Wärmemenge kann reduziert werden, wodurch eine Einsparung an Primärenergie für den Betrieb der Behandlungsanlage 1 pro Zeiteinheit erzielt werden kann. Die von der Heizvorrichtung 19 bereitgestellte erste Wärmemenge pro Zeiteinheit wird bevorzugt maximal um den Betrag der zweiten Wärmemenge reduziert.
[0040] Bei der thermo-chemischen Behandlung des Vergasungsmaterials 5 wird dieses mittels der Fördervorrichtung 8 vom Beschickungsbereich 10 zum Abfuhrbereich 16 gefördert und währenddessen in einem überwiegenden Anteil in Pyrolysekoks und Pyrolysegas zersetzt.
[0041] Bei der unterstöchiometrischen Umsetzung des Vergasungsmaterials 5 wird bevorzugt das gasförmige Oxidationsmittel vollständig verbrannt, wobei nachfolgend das abgeleitete PyroIysegas frei von Sauerstoff (O>») ist.
[0042] Dies ist dann der Fall, wenn das gasförmige Oxidationsmittel aus der Gruppe von Luft, Sauerstoff (O2), Distickstoffmonoxid (NO) ausgewählt wird. Unter Normalbedingungen tritt der Sauerstoff in Form eines kovalenten Homodimers auf, also einer Verbindung aus zwei SauerstoffAtomen und mit der Summenformel O>. Das Gas Distickstoffmonoxid kann umgangssprachlich auch als Lachgas bezeichnet werden. Weiters ist es vorteilhaft, wenn das gasförmige Oxidationsmittel mit einem Überdruck gegenüber dem im Reaktor-Innenraum 13 herrschenden Druck mit zumindest einem Druckwert ausgewählt aus einem Druck-Wertebereich mit einer unteren Grenze von 1 mbar, bevorzugt 2 mbar, und einer oberen Grenze von 30 mbar, bevorzugt von 15 mbar, dem Reaktor-Innenraum 13 zugeleitet wird.
[0043] Es ist aber auch möglich oder denkbar, das gasförmige Oxidationsmittel mit einem dazu höheren Druck dem Reaktor-Innenraum 13 zuzuleiten oder zuzuführen. Das Zuführen kann z.B. mittels eines Gebläses, eines Druckspeichers, einer Pumpvorrichtung oder dergleichen erfolgen. Das Zuführmittel kann dabei in Abhängigkeit vom jeweilig eingesetzten gasförmigen Oxidationsmittel gewählt werden.
[0044] Das Zuführen oder das Zuleiten des gasförmigen Oxidationsmittels in den Reaktor-Innenraum 13 kann über zumindest eine im Reaktorgehäuse 7 angeordnete Zuströmöffnung 20 erfolgen. Es sind bevorzugt mehrere Zuströmöffnung 20 im Reaktorgehäuse 7 vorgesehen, wobei die Zuströmöffnungen 20 bevorzugt über die Mantelfläche verteilt angeordnet sind. Die Zuströmöffnungen 20 können Bestandteil einer Versorgungseinheit 21 sein. Die Versorgungseinheit 21 kann weiters ein Fördermittel 22, wie z.B. eine Pumpe oder ein Gebläse, umfassen, mittels welcher über Versorgungsleitungen das gasförmige Oxidationsmittel der zumindest einen Zuströmöffnung 20 zugeleitet wird.
[0045] Je nach Verfahrensablauf kann zumindest eine der Zuströmöffnung 20 im Beschickungsbereich 10 in den Reaktor-Innenraum 13 einmünden. Es kann auch zumindest eine der Zuströmöffnung 20 im Abfuhrbereich 16 des bereits behandelten Vergasungsmaterials 5 aus dem Reaktorgehäuse 7 in den Reaktor-Innenraum 13 einmünden. Da das zu behandelnde Vergasungsmaterial 5 im Reaktor-Innenraum 13 zumeist eine Füllhöhe bevorzugt bis maximal auf die Höhe der Längsachse 9 aufweist, bleibt oberhalb der vom Vergasungsmaterial 5 gebildeten oder definierten Vergasungsmaterial-Füllhöhe ein Freiraum bestehen.
[0046] In dem zuvor beschriebenen Fall kann es dann vorteilhaft sein, wenn die zumindest eine Zuströmöffnung 20 im Querschnitt des Reaktorgehäuses 7 gesehen in einem Querschnittsbereich ausgehend von einer Horizontalebene 23 in den Reaktor-Innenraum 13 einmündet, wobei die Horizontalebene 23 in einer von der Fördervorrichtung 8 oder in einer vom hohlzylindrisch ausgebildeten Reaktorgehäuse 7 definierten Längsachse 9 verlaufend angeordnet ist.
[0047] Die Fördervorrichtung 8 ist bei diesem Ausführungsbeispiel als Förderschnecke 24 mit zumindest einem Schneckensteg 25 ausgebildet und erstreckt sich zwischen dem Beschickungsbereich 10 und dem Abfuhrbereich 16.
[0048] Unabhängig oder zusätzlich dazu wäre es aber auch noch möglich, das gasförmige Oxidationsmittel via der bevorzugt als Förderschnecke 24 ausgebildeten Fördervorrichtung 8 dem Reaktor-Innenraum 13 und dem darin befindlichen Vergasungsmaterial 5 zuzuleiten. Die Zuleitung kann dabei bevorzugt durch den die Förderschnecke 24 umgebenden oder diese bildenden Schneckensteg 25 durchgeführt werden. Dazu kann innerhalb des Schneckenstegs 25 ein Strömungskanal vorgesehen sein. Ausgehend von diesem sind eine oder mehrere der Zuströmöffnung 20 im Schneckensteg 25 angeordnet und münden ebenfalls in den Reaktor-Innenraum 13 ein. Damit kann eine direkte Zuleitung des gasförmigen Oxidationsmittels in das im Reaktor-Innenraum 13 befindliche Vergasungsmaterial 5 ermöglicht werden.
[0049] Das Abführen des Pyrolysekokses erfolgt bevorzugt getrennt vom Pyrolysegas. Dazu umfasst die Abfuhreinheit 17 nicht nur die dafür vorgesehene zumindest eine Abfuhröffnung 18 für die Feststoffe, sondern auch noch zumeist ein Sammelbehältnis 26. Das ebenfalls bei der PyroIyse entstehende Pyrolysegas wird zumeist oder bevorzugt im oberen Bereich des Pyrolyse-Reaktors 2 aus diesem abgeleitet. Um gegebenenfalls noch im Pyrolysegas enthaltene Schwebstoffe oder darin befindliche staubförmige Anteile vor dem Weiterleiten abzuscheiden, kann das Sammelbehältnis 26 vorgesehen sein. In diesem können die Schwebstoffe oder staubförmigen Anteile aus dem Pyrolysegas abgeschieden werden. Das so vorgereinigte Pyrolysegas kann dann anschließend z.B. der Brennvorrichtung 4 zugeleitet und in dieser verbrannt werden.
[0050] Bei dem zuvor beschriebenen thermo-chemischen Behandlungsverfahren sind zumindest nachfolgend aufgelistete Schritte vorgesehen: - Bereitstellen des Pyrolyse-Reaktors 2 mit
- dem Reaktorgehäuse 7, welches den Reaktor-Innenraum 13 umgrenzt,
- der Heizvorrichtung 19, mittels welcher eine erste Wärmemenge in den ReaktorInnenraum 13 eingebracht und dieser unmittelbar zur thermo-chemischen Behandlung des Vergasungsmaterials 5 beheizt wird, und
- mit zumindest der im Reaktor-Innenraum 13 des Reaktorgehäuses 7 befindlichen Fördervorrichtung 8,
- Bereitstellen der Zufuhreinheit 12 mit zumindest der in den Reaktor-Innenraum 13 einmündenden Einfüllöffnung 11 zum Zuführen des Vergasungsmaterials 5 in den Pyrolyse-Reaktor 2,
- Bereitstellen der Abfuhreinheit 17 mit zumindest der aus dem Reaktor-Innenraum 13 ausmündenden Abfuhröffnung 18 zum Abführen des behandelten Vergasungsmaterials 5 nach dessen thermo-chemischen Behandlung im Reaktor-Innenraum 13 des Pyrolyse-Reaktors 2,
- Bereitstellen des zu behandelnden Vergasungsmaterials 5,
- Zuführen des bereitgestellten und zu behandelnden Vergasungsmaterials 5 in den Reaktor-Innenraum 13 mittels der Zufuhreinheit 12,
- thermo-chemische Behandlung des Vergasungsmaterials 5 im Reaktor-Innenraum 13 zumindest mittels der von der Heizvorrichtung 19 bereitgestellten ersten Wärmemenge, wobei das Vergasungsmaterial 5 in einem überwiegenden Anteil in Pyrolysekoks und Pyrolysegas zersetzt wird, und wobei das zu behandelnde Vergasungsmaterial 5 mittels der Fördervorrichtung 8 vom Beschickungsbereich 10) zum Abfuhrbereich 16 gefördert wird,
- Abführen des Pyrolysekokses und Ableiten des Pyrolysegases aus dem Reaktor-Innenraum 13 des Pyrolyse-Reaktors 2 mittels der Abfuhreinheit 17, wobei weiters noch vorgesehen ist,
- dass zusätzlich das gasförmige Oxidationsmittel dem Reaktor-Innenraum 13 während der thermo-chemischen Behandlung des Vergasungsmaterials 5 pro Zeiteinheit zugeleitet wird,
- dass die zugeleitete Menge des gasförmigen Oxidationsmittels pro Zeiteinheit so eingestellt wird, dass bei dieser Oxidationsmittel-Menge eine unterstöchiometrische Umsetzung des Vergasungsmaterials 5 mit einem Lambdawert ausgewählt aus einem Wertebereich mit einer unteren Grenze von 0,01 und einer oberen Grenze von 0,5 erfolgt, und bei der unterstöchiomet-
rischen Umsetzung des Vergasungsmaterials 5 eine zweite Wärmemenge zusätzlich zu der ersten Wärmemenge erzeugt wird, und
- dass die von der Heizvorrichtung 19 bereitgestellte erste Wärmemenge pro Zeiteinheit reduziert wird.
[0051] Die zugeleitete Menge des gasförmigen Oxidationsmittels pro Zeiteinheit kann z.B. durch Regelorgane festgelegt werden. So kann z.B. die für den Behandlungsvorgang erforderliche oder gewünschte Temperatur in einer Steuerungseinheit hinterlegt werden und mittels zumindest eines Sensors die im Reaktor-Innenraum 13 aktuell herrschende Temperatur festgestellt oder ermittelt werden. Damit kann ein Vergleich des in der Steuerungseinheit hinterlegten TemperaturSollwerts mit dem aktuell ermittelten Temperatur-Istwert durchgeführt werden. Bei einer festgestellten Abweichung zwischen den beiden Temperaturwerten wird in Abhängigkeit vom festgelegten Lambdawert entweder die Menge des zugeleiteten gasförmigen Oxidationsmittels pro Zeiteinheit erhöht oder verringert oder andererseits die von der Heizvorrichtung 19 bereitgestellte erste Wärmemenge erhöht oder verringert. So kann in vorgegebenen Grenzen ein konstanter Behandlungsvorgang erfolgen und der Einsatz an Primärenergie zur Bereitstellung der ersten Wärmemenge reduziert werden. Es wird dabei nur ein geringer Anteil des Vergasungsmaterials 5 mit dem gasförmigen Oxidationsmittel oxidiert bzw. unterstöchiometrisch umgesetzt.
[0052] Die Reihenfolge der Schritte kann so erfolgen, wobei aber auch eine davon abweichende Reihenfolge möglich ist.
[0053] Der Ordnung halber sei abschließend darauf hingewiesen, dass zum besseren Verständnis des Aufbaus Elemente teilweise unmaßstäblich und/oder vergrößert und/oder verkleinert dargestellt wurden.
BEZUGSZEICHENLISTE
1 Behandlungsanlage 2 Pyrolyse-Reaktor
3 Koksvergaser
4 Brennvorrichtung
5 Vergasungsmaterial 6 Speicherbehälter
7 Reaktorgehäuse
8 Fördervorrichtung
9 Längsachse
10 Beschickungsbereich 11 Einfüllöffnung
12 Zufuhreinheit
13 Reaktor-Innenraum 14 Zerkleinerungsvorrichtung 15 Trocknungsvorrichtung 16 Abfuhrbereich
17 Abfuhreinheit
18 Abfuhröffnung
19 Heizvorrichtung
20 Zuströmöffnung
21 Versorgungseinheit 22 Fördermittel
23 Horizontalebene
24 Förderschnecke
25 Schneckensteg
26 Sammelbehältnis

Claims (11)

Patentansprüche
1. Verfahren zur thermo-chemischen Behandlung von Vergasungsmaterial (5), insbesondere Biomasse, Hausmüll, Gewerbemüll, Kunststoffe, Kunststoffverbunde, bei dem folgende Schritte in einer Behandlungsanlage (1) durchgeführt werden:
- Bereitstellen zumindest eines Pyrolyse-Reaktors (2) mit
- einem Reaktorgehäuse (7), welches Reaktorgehäuse (7) hohlzylindrisch ausgebildet ist, einen Reaktor-Innenraum (13) umgrenzt und eine Längsachse (9) definiert,
- einer Heizvorrichtung (19), mittels welcher Heizvorrichtung (19) eine erste Wärmemenge in den Reaktor-Innenraum (13) eingebracht und dieser unmittelbar zur thermochemischen Behandlung des Vergasungsmaterials (5) beheizt wird, und
- mit zumindest einer im Reaktor-Innenraum (13) des Reaktorgehäuses (7) befindlichen Fördervorrichtung (8),
- Bereitstellen einer Zufuhreinheit (12) mit zumindest einer in den Reaktor-Innenraum (13) einmündenden Einfüllöffnung (11) zum Zuführen des Vergasungsmaterials (5) in den Pyrolyse-Reaktor (2),
- Bereitstellen einer Abfuhreinheit (17) mit zumindest einer aus dem Reaktor-Innenraum (13) ausmündenden Abfuhröffnung (18) zum Abführen des behandelten Vergasungsmaterials (5) nach dessen thermo-chemischen Behandlung im Reaktor-Innenraum (13) des Pyrolyse-Reaktors (2),
- Bereitstellen des zu behandelnden Vergasungsmaterials (5),
- Zuführen des bereitgestellten und zu behandelnden Vergasungsmaterials (5) in den Reaktor-Innenraum (13) mittels der Zufuhreinheit (12),
- thermo-chemische Behandlung des Vergasungsmaterials (5) im Reaktor-Innenraum (13) zumindest mittels der von der Heizvorrichtung (19) bereitgestellten ersten Wärmemenge (Qe«),
- Zusätzliches Zuleiten eines gasförmigen Oxidationsmittels in den Reaktor-Innenraum (13) während der thermo-chemischen Behandlung des Vergasungsmaterials (5) pro Zeiteinheit, wobei eine unterstöchiometrische Umsetzung des Vergasungsmaterials (5) durchgeführt wird und bei der unterstöchiometrischen Umsetzung des Vergasungsmaterials (5) eine zweite Wärmemenge (Qın) zusätzlich zu der ersten Wärmemenge (Qz:x) erzeugt wird, und dabei das Vergasungsmaterial (5) in einem überwiegenden Anteil in Pyrolysekoks und Pyrolysegas zersetzt wird, und wobei das zu behandelnde Vergasungsmaterial (5) mittels der Fördervorrichtung (8) von einem Beschickungsbereich (10) zu einem Abfuhrbereich (16) gefördert wird,
- Abführen des Pyrolysekokses und Ableiten des Pyrolysegases aus dem Reaktor-Innenraum (13) des Pyrolyse-Reaktors (2) mittels der Abfuhreinheit (17),
dadurch gekennzeichnet,
- dass der Pyrolyse-Reaktor (2) als Schneckenreaktor ausgebildet wird,
- dass die Fördervorrichtung (8) als Förderschnecke (24) mit zumindest
einem Schneckensteg (25) ausgebildet und drehbar am Reaktorgehäuse (7) gelagert wird, - dass die zugeleitete Menge des gasförmigen Oxidationsmittels pro Zeiteinheit so eingestellt wird, dass bei dieser Oxidationsmittel-Menge die unterstöchiometrische Umsetzung des Vergasungsmaterials (5) mit einem Lambdawert ausgewählt aus einem Wertebereich mit einer unteren Grenze von 0,01 und einer oberen Grenze von 0,5 erfolgt, und
- dass die von der Heizvorrichtung (19) bereitgestellte erste Wärmemenge (Qzx) pro Zeiteinheit maximal um den Betrag der zweiten Wärmemenge (Qın) reduziert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das gasförmige Oxidationsmittel vollständig verbrannt wird und das abgeleitete Pyrolysegas frei von Sauerstoff (O>) ist.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das gasförmige Oxidationsmittel aus der Gruppe von Luft, Sauerstoff (O»), Distickstoffmonoxid (N2O) ausgewählt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das gasförmige Oxidationsmittel mit einem Uberdruck gegenüber dem im Reaktor-Innenraum
(13) herrschenden Druck mit zumindest einem Druckwert ausgewählt aus einem Druck-Wertebereich mit einer unteren Grenze von 1 mbar, bevorzugt 2 mbar, und einer oberen Grenze von 30 mbar, bevorzugt von 15 mbar, dem Reaktor-Innenraum (13) zugeleitet wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass von dem zu behandelnden Vergasungsmaterial (5) im Reaktor-Innenraum (13) des Reaktorgehäuses (7) eine Vergasungsmaterial-Füllhöhe bis maximal auf die Höhe der Längsachse (9) definiert wird und oberhalb der vom Vergasungsmaterial (5) definierten VergasungsmaterialFüllhöhe ein Freiraum verbleibt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das gasförmige Oxidationsmittel über zumindest eine im Reaktorgehäuse (7) angeordnete Zuströmöffnung (20) dem Reaktor-Innenraum (13) zugeführt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Zuströmöffnungen (20) im Reaktorgehäuse (7) vorgesehen sind und die Zuströmöffnungen (20) über die Mantelfläche verteilt angeordnet sind.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Zuströmöffnungen (20) im Beschickungsbereich (10) in den Reaktor-Innenraum (13) einmündet.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Zuströmöffnungen (20) im Abfuhrbereich (16) in den Reaktor-Innenraum (13) einmündet.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Zuströmöffnung (20) im Querschnitt des Reaktorgehäuses (7) gesehen in einem Querschnittsbereich ausgehend von einer Horizontalebene (23) in den Reaktor-Innenraum (13) einmündet, wobei die Horizontalebene (23) in einer von der Fördervorrichtung (8) oder in einer vom hohlzylindrisch ausgebildeten Reaktorgehäuse (7) definierten Längsachse (9) verlaufend angeordnet ist.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das gasförmige Oxidationsmittel via die Förderschnecke (24), insbesondere deren zumindest einen Schneckensteg (25), dem Reaktor-Innenraum (13) zugeleitet wird.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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