DE10007115C2 - Verfahren und Reaktor zum Vergasen und Schmelzen von Einsatzstoffen mit absteigender Gasführung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Reaktor und ein Verfahren zum Vergasen und Schmelzen von Stoffen. Insbeson­ dere betrifft die Erfindung die stoffliche und/oder energeti­ sche Verwertung von beliebigen Abfällen, z. B. mit vorwiegend organischen Bestandteilen aber auch von Sonderabfällen. Der erfindungsgemäße Reaktor und das erfindungsgemäße Verfähren eignen sich aber auch zum Vergasen und Schmelzen von Einsatz­ stoffen beliebiger Zusammensetzung oder auch zur Energiege­ winnung durch Einsatz von organischen Stoffen.

Seit geraumer Zeit werden Lösungen zur thermischen Entsorgung verschiedenartiger Abfälle und sonstiger Stoffe gesucht. Neben Verbrennungsverfahren sind verschiedene Vergasungsver­ fahren bekannt, die vor allem darauf abzielen, zu Ergebnissen mit einer geringeren Schadstoffbelastung der Umwelt zu gelan­ gen und den Aufwand der Behandlung der Einsatzstoffe aber auch der im Prozeß entstehenden Gase zu reduzieren. Die bekannten Verfahren sind jedoch durch eine aufwendige und nur schwer zu beherrschende Technologie, sowie damit im Zusammen­ hang stehende hohe Entsorgungskosten für den zu behandelnden Einsatzstoff bzw. den Abfall gekennzeichnet.

In der DE 43 17 145 C1 ist ein auf dem Prinzip der Entgasung basierendes Verfahren zu Entsorgung unterschiedlich zusammen­ gesetzter Abfallmaterialien beschrieben. Gemäß dem angegebe­ nen Verfahren sollen entstehende staubhaltige Gase als Kreis­ laufgas vollständig abgezogen werden und nachfolgend in der Schmelz- und Überhitzungszone mit Sauerstoff verbrannt werden. Diese Kreislaufgasführung und die weiterhin beschriebene Absaugung des Überschußgases zwischen der Kreislaufgas­ absaugungsöffnung und der Schmelz- und Überhitzungszone führt jedoch, wie Versuche gezeigt haben, nicht zu dem angestrebten Ziel, ein mit nur wenigen Schadstoffen belastetes Überschuß­ gas zu erhalten. Wenn der ebenfalls in dieser Druckschrift angegebene Kreislaufgas-Kupolofen zur Durchführung des Verfahrens verwendet wird, ist u. a. die Schadstoffbelastung des Überschußgases so groß, daß die dadurch notwendige Gaswirtschaft zur Reinigung des Überschußgases derart aufwen­ dig wird, daß eine wirtschaftliche Entsorgung entsprechender Abfallmaterialien nicht mehr möglich ist.

In der DE 196 40 497 C2 ist ein koksbeheizter Kreislaufgas- Kupolofen zur Verwertung von Abfallmaterialien beschrieben. Dieser Kreislaufgas-Kupolofen zeichnet sich dadurch aus, daß unterhalb des Begichtungstrichters ein zusätzlicher Gasabzug angeordnet ist. Die an dieser Stelle abgezogenen Pyrolysegase werden über eine Kreislaufgasführung im unteren Ofenabschnitt wieder zugeführt, um dort eine Verbrennung der Gase zu bewir­ ken. Da die Abzugszone für die Überschußgase oberhalb der heißen Zone angeordnet ist, werden nicht nur Überschußgase sondern auch ein großer Anteil von Pyrolysegasen abgesaugt, wodurch in dem Gasgemisch u. a. schwierig zu entfernende Kohlenwasserstoffe enthalten sind. Damit wird die nachfol­ gende Gaswirtschaft äußerst aufwendig und die Umweltbelastung nimmt zu.

Die DE 198 16 864 A1 zeigt demgegenüber einen koksbeheizten Kreislaufgas-Kupolofen, bei welchem die Überschußgasabsaugung unterhalb der Schmelz- und Überhitzungszone angeordnet ist. Zwar kann damit die Qualität der Überschußgase erhöht werden, da die abgesaugten Gase beim Durchströmen der Überhitzungs­ zone weitgehend reduziert werden, jedoch führt die räumliche Nähe der Überhitzungszone zu sehr heißen Überschußgasen, die nachfolgend aufwendig gekühlt werden müssen. Problematisch ist auch, daß es durch die gewählte Anordnung zu Ansinterun­ gen von Schlacken und Stäuben in Folgebauteilen des nachge­ schalteten Gasweges kommt. Andererseits sind die Temperaturen im Herdbereich unterhalb der Gasabsaugung nicht mehr ausrei­ chend hoch, um die dort vorhandenen Metallschmelzen und Schlackeschmelzen unter verschiedenen Einsatzbedingungen flüssig zu halten. Der notwendige Abstich wird dadurch gestört oder vollständig unmöglich gemacht.

Den aus dem oben genannten Stand der Technik bekannten Lösun­ gen liegt immer das Grundprinzip der Kreislaufgasführung für einen Teilstrom der gebildeten Gase zugrunde, wobei die Gase im oberen Bereich des Ofens abgesaugt und im unteren Bereich wieder zugeführt werden. Die Fachwelt ging bislang davon aus, daß diese Gasführung auch zur Erwärmung der Schüttsäule unter Nutzung des Gegenstromprinzips notwendig ist. Das Kreislauf­ gasprinzip bring jedoch u. a. die folgenden Nachteile mit sich: Die im Schachtofen aufsteigenden Gase kühlen sich in der Schüttsäule ab, so daß Kondensationserscheinungen von Pyrolyseprodukten in den Gasabsaugbereichen, in den Kreis­ laufgasleitungen und in den zur Wiederzuführung der Kreis­ laufgase benötigten Gasstrahlverdichtern führen, wodurch die Funktion des Kreislaufgasofens gestört wird. Bei der Kreis­ laufgasabsaugung gemäß dem Stand der Technik werden zwangs­ läufig auch Stäube und kleinere Abfallpartikel abgesaugt, die mit den kondensierten Pyrolyseprodukten innerhalb der gesam­ ten Kreislaufgasführung zu schwer entfernbaren Ablagerungen führen. Weiterhin kann die Schüttsäule durch das aufsteigende Kreislaufgas nur relativ langsam erwärmt werden, so daß es insbesondere bei der Vergasung von Abfällen mit höheren Anteilen von Kunststoffen zu Anklebungen und Anhaftungen der Abfallteile an der Wandung des Schachtes kommt, die letztlich zu vollständigen Verstopfungen des Ofens führen können.

Die DE 40 30 554 A1 zeigt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur thermischen Behandlung von Abfallstoffen. Die Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik ist für die Durchführung einer Verbrennungsreaktion ausgelegt. Die als Ausgangsstoffe verwendeten Abfälle sollen in dieser Vorrichtung vor allem verbrannt werden. Sämtliche Verfahrensparameter sind auf eine Optimierung des Verbrennungsprozesses ausgelegt, wobei in jedem Fall mit einem Luftüberschuss gearbeitet werden muss.

Demgegenüber strebt die vorliegende Erfindung die Bereitstel­ lung eines Vergasungsreaktors an, in welchem die Umsetzung der Abfallstoffe zumindest wesentlich durch Pyrolyseprozesse erfolgen soll. Der Pyrolyseprozess lässt sich nur bei vorherrschendem Sauerstoffmangel effektiv betreiben.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, einen verbesserten Reaktor und ein Verfahren zum Vergasen und Schmelzen von Einsatzstoffen bereitzustellen, welche die Nachteile des Standes der Technik vermeiden. Eine spezielle Aufgabe besteht darin, die einfache, preiswerte und umweltge­ rechte stoffliche und/oder energetische Verwertung von Abfäl­ len zu ermöglichen. Insbesondere wird angestrebt, die Funk­ tionssicherheit eines entsprechenden Reaktors zu erhöhen, indem die mit der Kreislaufgasführung einhergehenden Betriebsunsicherheiten weitgehend vermieden werden. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Schadstoff­ belastung in dem abzusaugenden Überschußgas deutlich zu vermindern, damit der Aufwand in einer nachfolgenden Gasrei­ nigung minimiert werden kann.

Diese Aufgaben werden durch den im Anspruch 9 angegebenen Reaktor gelöst. Erfindungsgemäß wird der im Stand der Technik seit längerer Zeit verfolgte Ansatz des Kreis­ laufgasverfahrens verlassen und statt dessen kommt als Reak­ tor ein Schachtofen zum Einsatz, der nach dem Gleichstrom­ prinzip arbeitet. Durch vollständigen Verzicht auf die herkömmliche Kreislaufgasführung werden alle damit im Zusam­ menhang stehenden Probleme der Kondensation von Pyrolysepro­ dukten und der Entstehung unerwünschter Ablagerungen voll­ ständig vermieden. Weiterhin erfolgt bereits im oberen Teil des Reaktors eine teilweise Konglomeration der Einsatzstoffe, aufgrund der schockartigen Erhitzung der Schüttsäule, so daß Anhaftungen an der Innenwand des Reaktors weitgehend ausge­ schlossen sind. Die doppelte Eindüsung von Sauerstoff oder Brenngas (Gasgemischen) ermöglicht einerseits die Verbrennung der Pyrolysegase und gestattet andererseits im unteren Reak­ torabschnitt die Aufrechterhaltung einer ausreichend hohen Temperatur, so daß die sich dort sammelnden Schmelzen flüssig gehalten werden. Zwischen den beiden Eindüsungsmitteln bildet sich ein Reduktionsabschnitt aus, durch welchen alle Gase vor der Absaugung strömen müssen und in dem sie folglich weitge­ hend reduziert werden.

Bei einer Ausführungsform, die sich insbesondere zur Verga­ sung von Abfällen eignet, fügt sich an den Zuführabschnitt ein Vortemperierungsabschnitt an, in welchem die Abfälle beispielsweise bei Temperaturen um 100°C vorgetrocknet werden. Bei abgewandelten Ausführungsformen kann in diesem Abschnitt unter Umständen auch eine Kühlung der Einsatzstoffe erfolgen, wenn dies für den Gesamtprozeß nützlich ist.

Eine vorteilhafte Ausführungsform des Reaktors zeichnet sich dadurch aus, daß die Gesamtlänge von Zuführabschnitt und Vortemperierungsabschnitt mehrfach größer als der Durchmesser des Zuführabschnitts ist. Durch diese Gestaltung wirkt die Schüttsäule im Zuführ- und Vortemperierungsabschnitt als ein nach oben abschließender Pfropfen, der die Ansaugung zu großer Anteile von Umgebungsluft in den Reaktor verhindert.

Bei einer abgewandelten Ausführungsform kann der Reaktor an seinem oberen Ende durch eine Schleuse, ein Doppelklappensy­ stem oder eine ähnliche Einrichtung abgeschlossen werden. Damit wird der unkontrollierte Eintritt von Umgebungsluft und der Austritt von Gasen aus der Schüttung noch besser vermie­ den.

Zweckmäßigerweise ist der Reaktor im wesentlichen zylindrisch aufgebaut und der Gaszuführraum und der Gasabsaugraum sind ringförmig ausgestaltet, so daß die Gaszuführung und die Gasabsaugung jeweils am gesamten Umfang der Schüttsäule erfolgen. Diese Ausführungsform eignet sich speziell zur Verwertung von vorwiegend organischen Einsatzstoffen. Andere Ausführungsformen, die z. B. für andere Einsatzstoffe zweckmä­ ßiger sind, können nicht-zylindrische Grundformen und anders positionierte und geformte Mittel zur Gasabsaugung und -zuführung besitzen.

Es ist besonders vorteilhaft, wenn auch der Pyrolyseabschnitt des Reaktors doppelwandig ausgebildet ist und im Wandungs­ hohlraum ein Wärmeübertragungsmedium geführt ist. Einerseits kann dadurch die Wandung gekühlt werden, wodurch die Mate­ rialbeanspruchung verringert wird, andererseits kann je nach eingesetztem Einsatzstoff und dem sich daraus ergebenden Wärmebedarf der Schüttsäule bei Bedarf zusätzliche Wärme zugeführt oder von dieser Wärme abgeleitet werden.

Die o. g. Aufgaben der Erfindung werden auch durch das im Anspruch 1 angegebene Verfahren zum Vergasen und Schmelzen von Einsatzstoffen gelöst, welches sich u. a. vorteilhaft zur stofflichen und/oder energetischen Verwertung von Abfällen und sonstigen Einsatzstoffen eignet.

Die erfindungswesentlichen Verfahrensschritte können vorteil­ haft weitergebildet werden, indem eine Vortrocknung des Einsatzstoffs durch Erwärmung der Schüttsäule oberhalb der Ebene, in welcher die schockartige Erhitzung erfolgt, auf etwa 100°C vorgenommen wird. Dabei werden Wasseranteile des Einsatzstoffs weitgehend ausgedampft, wodurch auch die gewünschte selbsttätige Abwärtsbewegung der Einsatzmasse verbessert wird. Bei einer abgewandelten Verfahrensvariante erfolgt keine Vortrocknung der Einsatzstoffe oder auch eine Kühlung der Einsatzstoffe, wobei letzteres zweckdienlich sein kann, um bei heißen Ausgangsmaterialien ein Anhaften an der Wandung des Zuführabschnitts zu vermeiden.

Es ist weiterhin besonders vorteilhaft, wenn der Unterdruck zur Absaugung der Überschußgase regelbar ist, wobei die Absaugung so erfolgen soll, daß einerseits kein Gas nach oben aus dem Reaktor entweicht und andererseits nur minimale Mengen zusätzlicher Umgebungsluft durch die Schüttsäule ange­ saugt werden. Die Minimierung der Menge der im Reaktor vorhandenen Falschluft hat zum Ziel, den Anteil der Stick­ oxyde im Überschußgas zu reduzieren und auch die Gesamtgas­ menge klein zu halten, um die nachfolgende Gaswirtschaft einfach gestalten zu können.

Weitere Vorteile, Einzelheiten und Weiterbildungen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausfüh­ rungsformen der Erfindung, unter Bezugnahme auf die beige­ fügte Zeichnung.

Die einzige Figur zeigt eine vereinfachte Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Reaktors.

Nachfolgend wird anhand der Fig. 1 eine bevorzugte Ausfüh­ rungsform eines Reaktors beschrieben. Im Zusammenhang mit der Erläuterung der Einzelheiten des Reaktors werden auch die Verfahrensschritte angegeben, die bei der Behandlung von Abfällen mit organischen Bestandteilen als Einsatzstoffe in diesem Reaktor ablaufen. Wie aus den angefügten Patentansprü­ chen erkennbar ist, ist die Durchführung des erfindungsgemä­ ßen Verfahrens jedoch nicht zwingend an den erläuterten Reak­ tor gebunden, sondern kann ggf. auch unter Einsatz veränder­ ter Anlagen ausgeführt werden. Bei der Verwendung anderer Einsatzstoffe könne Abwandlungen des Reaktors und/oder des Verfahrens zweckdienlich sein (z. B. flexible Anordnung und Gestaltung der technischen Ausführung der Gaszu- und -abführung, der Erwärmung oder Kühlung des Reaktormantels o. ä.). Generell können auch verschiedene Einsatzstoffe kombi­ niert werden, beispielsweise durch Zusatz von Einsatzstoffen mit höherem Energiewert (z. B. organische Abfälle, belastetes Altholz o. dgl.) beim Vergasen/Schmelzen von nicht-organischen Einsatzstoffen.

Der in der Figur dargestellte Reaktor besitzt an seinem oberen Ende einen Zuführabschnitt 1 mit wenigstens einer Zuführöffnung 2, über welche der stofflich und/oder energe­ tisch zu verwertende Einsatzstoff zugeführt wird. Vorzugs­ weise überwiegt bei diesem Einsatzstoff der Anteil der orga­ nischen Bestandteile, so daß sich der Reaktor und das beschriebene Verfahren vor allem zur Behandlung von üblichem Hausmüll und hausmüllähnlichen Gewerbeabfällen eignet. Sofern bei bestimmten Einsatzstoffzusammensetzungen die brennbaren Bestandteile nicht ausreichend hoch sind, um die Verbren­ nungs- und Vergasungsprozesse durchzuführen, können dem Einsatzstoff brennbare Zuschlagsstoffe bzw. Energieträger zugesetzt werden. Dabei ist es möglich, in herkömmlicher Weise eine bestimmte Menge Koks zuzusetzen oder den Gesamt­ brennwert durch Zusatz von Holz zu erhöhen. Unter Umständen kann es auch nützlich sein, andere Zuschlagsstoffe hinzuzufü­ gen, um beispielsweise den sich einstellenden pH-Wert zu beeinflussen. Derartige Maßnahmen sind dem Fachmann jedoch bekannt, so daß auf eine detaillierte Darstellung an dieser Stelle verzichtet wird.

Über eine geeignete Fördereinrichtung 3 wird der Einsatzstoff und ggf. die Zuschlagsstoffe über die Zuführöffnung 2 in den Reaktor eingebracht. Damit bildet sich eine Schüttsäule 4 aus. Mit nicht gesondert bezeichneten Füllstandsmeßgeräten wird die Höhe der Schüttsäule 4 überwacht. Diese Schütthöhe ist zwischen einem minimalen und einem maximalen Pegel zu halten. Der minimale Pegel wird so gewählt, daß die Schütt­ säule 4 im oberen Abschnitt des Reaktors als Sperrschicht wirkt, die das Eindringen größerer Mengen von Umgebungsluft in den Reaktor Verhindert.

An den Zuführabschnitt 1 schließt sich unten ein Vortemperie­ rungsabschnitt 5 an, der im gezeigten Beispiel der Vortrock­ nung der Einsatzstoffe dient. Der Zuführabschnitt und der Vortemperierungsabschnitt sind vorteilhaft zylindrisch oder konisch mit leichter Querschnittszunahme nach unten gestal­ tet. Der Vortemperierungsabschnitt 5 besitzt eine doppelte Wandung, wobei ein Wandungshohlraum 6 ausgebildet ist, in welchem ein Wärmeübertragungsmedium geführt wird. Mit Hilfe des Wärmeübertragungsmediums kann der Schüttsäule im Bereich des doppelwandig ausgelegten Vortrocknungsabschnitts 5 Wärme zugeführt werden, so daß der Einsatzstoff vorgewärmt bzw. vorgetrocknet wird. Ggf. kann der Wandungshohlraum entfallen und die Wärmezufuhr beispielsweise durch Wärmeleitung unmit­ telbar von den heißeren Zonen des Reaktors erfolgen. Die Wärmezufuhr wird so dimensioniert, daß ein Anhaften bestimm­ ter Einsatzstoffanteile an der Wandung weitgehend ausge­ schlossen ist. Außerdem können durch die Vortrocknung Wasser­ bestandteile ausgetragen werden, so daß diese den weiteren Vergasungsprozeß nicht zusätzlich belasten. Im Vortemperie­ rungsabschnitt 5 kann die Schüttsäule 4 etwa auf 100°C tempe­ riert werden.

Der Vortemperierungsabschnitt kann ggf. gänzlich entfallen, wenn eine Vortrocknung aufgrund der Zusammensetzung des Einsatzstoffs nicht erforderlich ist, oder der Vortemperie­ rungsabschnitt wird in besonderen Fällen zur Kühlung der Einsatzstoffe verwendet.

Unterhalb des Vortemperierungsabschnitts 5 schließt sich ein Pyrolyseabschnitt 8 an, wobei es beim Übergang zwischen Vortemperierungsabschnitt (bzw. dem Zuführabschnitt, wenn der Vortemperierungsabschnitt entfällt) und Pyrolyseabschnitt zu einer sprunghaften Querschnittserweiterung kommt. Vorzugs­ weise vergrößert sich der freie Schachtquerschnitt in diesem Übergangsbereich mindestens um das Doppelte, wodurch einer­ seits die Sinkgeschwindigkeit der Einsatzstoffe reduziert wird und andererseits ein Schüttkegel 9 ausgebildet wird. Der Schüttkegel 9 wird zentral von der Schüttsäule 4 im Vortrock­ nungsabschnitt gespeist. An den Randbereichen flacht der Schüttkegel ab, so daß dort ein freier Raum entsteht. In diesem oberen Randbereich des Pyrolyseabschnitts 8 befinden sich Gaszuführmittel 10, die im dargestellten Beispiel als ein ringförmiger Gaszuführraum 10 ausgestaltet ist, der etwa in der Ebene der Querschnittserweiterung in den Pyrolyseab­ schnitt 8 geöffnet ist. Der Zweck des Gaszuführraums 10 besteht darin, heiße Gase an den Schüttkegel 9 heranzuführen. Die Gaszuführmittel können auch als Düsen, Wandungsöffnungen oder andere Vorrichtungen gestaltet sein, die die Zufuhr heißer Gase an die Schüttsäule ermöglichen. Dazu mündet im gezeigten Beispiel zumindest eine Brennkammer 11, die zumin­ dest mit einem Brenner 12 bestückt ist, in den Gaszuführraum 10. Der Brenner 12 erzeugt das benötigte heiße Gas, welches vorzugsweise tangential über die Brennkammern und den Gaszu­ führraum an den Schüttkegel 9 herangeführt wird. Bei abgewan­ delten Ausführungsformen können mehrere Brennkammern oder mehrere Brenner eingesetzt werden, wenn dies für eine möglichst gleichmäßige Erwärmung des Schüttkegels wünschens­ wert ist.

Die Verbrennung im Brenner 12 erfolgt zweckmäßig unter Sauer­ stoffmangel, so daß durch eine nahezu stöchiometrische Verbrennung ein inertes Verbrennungsgas mit Temperaturen von etwa 1000°C bereitgestellt wird. Zumindest im Anfahrbetrieb wird der Brenner Fremdbrennstoffe benötigen, die nicht unmit­ telbar aus dem Reaktor gewonnen werden. Beispielsweise kommen Erdgas, Öl, das von einem vorangegangenen Vergasungsverfahren erzeugte und zwischengespeicherte Überschußgas, Gasgemisch, Flüssigkeits-Gasgemisch, Staub-Gasgemisch oder andere unter energetischen Aspekten geeignete Medien zum Einsatz. Sobald der Reaktor seinen im weiteren beschriebenen Betriebszustand eingenommen hat, kann der Brenner 12 auch mit einem ggf. vorher gereinigten Überschußgas betrieben werden. Durch die Zufuhr des Verbrennungsgases, welches bei geeigneter Regelung weitgehend aus Kohlendioxid und Wasserdampf besteht, wird der im Schüttkegelbereich vorhandene Einsatzstoff schockartig erhitzt. Die sehr schnelle Erwärmung des Materials auf Tempe­ raturen zwischen 800°C und 1000°C bewirkt ein sehr schnelles Trocknen dieses Materials, wodurch ein Verkleben und Anhaften an der Wandung vermieden wird. Vielmehr kommt es zumindest teilweise zu einer Konglomeration der Einsatzstoffe. Außerdem wird bereits in diesem oberen Abschnitt des Reaktors das Austreiben von Pyrolyseprodukten in Gang gesetzt. Da das zugeführte Gas weitgehend inert ist, werden diese Pyrolyse­ produkte nur in geringem Maße einer Verbrennung zugeführt, soweit Luft durch die oberhalb des Schüttkegels aufgetürmte Schüttsäule 4 eingesaugt werden kann bzw. vom Einsatzmaterial mitgeführt wird. Durch die schnelle und starke Erhitzung der Einsatzstoffe werden außerdem feine Stäube und kleinere Partikel schnell vergast oder verbrannt, so daß die bisher im Stand der Technik entstehenden Probleme bei der Staubbehand­ lung vermieden werden. Vielmehr können den Einsatzstoffen in bestimmen Relationen jetzt Stäube und Feinanteile gezielt zugesetzt werden.

Das Einsatzmaterial sinkt dann im Pyrolyseabschnitt 8 weiter nach unten wobei die Pyrolyse fortgesetzt wird, u. a. auch bei den im Zentrum geführten Materialien, die durch Wärmeübertra­ gung ebenfalls erwärmt werden. Die Wandung des Pyrolyseab­ schnitts ist vorzugsweise wärmeisoliert und/oder doppelwandig ausgebildet, so daß bei Bedarf in dem ausgebildeten Wandungs­ hohlraum ebenfalls ein Wärmeübertragungsmedium geführt werden kann. Die Wärmeisolation bzw. die zusätzliche Wärmezufuhr mit Hilfe des Wärmeübertragungsmediums werden so dimensioniert, daß die Einsatzstoffe im unteren Bereich des Pyrolyseab­ schnitts 8 eine Temperatur von vorzugsweise über 500°C aufweisen. Die an dieser Stelle gewünschte Temperatur kann in Abhängigkeit von den speziellen Einsatzmaterialien gezielt geregelt werden.

Unterhalb des Pyrolyseabschnitts 8 schließt sich ein Schmelz- und Überhitzungsabschnitt 14 an. Dieser weist eine Quer­ schnittseinengung auf, aufgrund derer sich die Sinkgeschwin­ digkeit des Einsatzstoffmaterials verändert. Im Beispiel der Behandlung vorwiegend organischer Abfälle erfolgt eine Quer­ schnittseinengung um mindestens 10%, die beispielsweise durch konische Einzüge des entsprechenden Schachtteiles in einem Winkel von etwa 60° zur Horizontalen erzeugt wird. Außerdem befinden sich im Schmelz- und Überhitzungsabschnitt 14 obere Eindüsungsmittel 15, die im dargestellten Beispiel durch mehrere am Umfang verteilte Sauerstofflanzen 16 gebil­ det sind. Um die Sauerstofflanzen 16 vor einer Überhitzung zu schützen, werden diese beispielsweise wassergekühlt. Bei anderen Ausführungen kommen Düsen, Brenner oder dergleichen als obere Eindüsungsmittel zum Einsatz, über welche gesteuert verschiedene Brenngase oder Gaszusammensetzungen zugeführt werden können, mit dem Ziel, die Temperatur in der Schmelz- und Überhitzungszone auf einen gewünschten Wert einzustellen. Sofern die Zufuhr von Sauerstoff dafür nicht ausreichend ist (wenn beispielsweise kurzfristig keine Einsatzstoffe mit ausreichend hohem Energiewert an dieser Position zur Verfü­ gung stehen), können auch Fremdbrenngase oder aus dem Reaktor gewonnene Überschußgase über die Eindüsungsmittel zugeführt werden. Im speziellen Beispiel erfolgt mit Hilfe der oberen Eindüsungsmittel 15 die gezielte und dosierte Zugabe von Sauerstoff unmittelbar unterhalb der Ebene der Querschnitts­ einengung. Dadurch bildet sich im Bereich des Schmelz- und Überhitzungsabschnitts 14 eine heiße Zone 17 aus, in welcher vorzugsweise Temperaturen von 1500°C bis 2000°C herrschen, die aber auf das jeweilige Einsatzmaterial abzustimmen sind.

Die über den Gaszuführraum 10 zugeführten (inerten) Verbren­ nungsgase und die im Pyrolyseabschnitt 8 ausgebildeten Pyro­ lysegase werden durch diese heiße Zone 17 hindurchgesaugt. Die Sauerstoffzuführung in der heißen Zone wird so gesteuert, daß eine Verbrennung unter Sauerstoffmangel erfolgt, die schließlich zu einer weiteren Temperaturerhöhung und zur weitgehenden Verkokung der Reststoffe des Einsatzmaterials führen. Die Temperatur in der heißen Zone 17 wird so einge­ stellt, daß schlackebildende mineralische Bestandteile und metallische Bestandteile in dieser Zone aufgeschmolzen werden, wobei ein bestimmter Anteil von im Einsatzmaterial enthaltenen Schadstoffen (z. B. Schwermetalle) in diesen Schmelzen gelöst wird. Die Metallschmelze und die Schlacken­ schmelze tropfen dann nach unten. Die möglichst weitgehend verkokten Reststoffe sinken ebenfalls weiter abwärts.

Unterhalb des Schmelz- und Überhitzungsabschnitts 14 ist dann ein Reduktionsabschnitt 20 ausgebildet, in welchem die verkokten Reststoffe mit ausreichender Verweilzeit weiter abwärts sinken. Der Reduktionsabschnitt 20 umfaßt einen Gasabsaugraum 21, über welchen Überschußgase abgesaugt werden. Alle abgesaugten Gase müssen somit sowohl die heiße Zone 17 als auch eine unter dieser durch die verkokten Rest­ stoffe ausgebildete Reduktionszone 22 durchströmen. In der Reduktionszone 22 werden die Gase mit Hilfe des dort vorhan­ denen Kohlenstoffs reduziert. Insbesondere kommt es zur Umwandlung von Kohlendioxid in Kohlenmonoxid, wobei vor allem der in der Schüttung noch enthaltene Kohlenstoff aufgebraucht und somit weiter vergast wird. Beim Durchlaufen der Reduk­ tionszone 22 werden die Gase außerdem abgekühlt, so daß sie mit einer technisch beherrschbaren Temperatur, vorzugsweise etwa 800°C bis 1000°C, abgesaugt werden können. Die abgesaug­ ten Überschußgase werden nachfolgenden (nicht gezeigten) Kühl- und/oder Reinigungsstufen und einer geeigneten Fördereinrichtung (Verdichter oder Gebläse) zugeführt. Bei der Vergasung von Abfall mit vorwiegend organischen Bestand­ teilen stehen danach beispielsweise etwa 80% bis 90% der Überschußgase als Brenngas für eine stoffliche und/oder ener­ getische Nutzung zur Verfügung. Dabei kann ein Teilstrom von etwa 10% bis 20% als Eigengas dem o. g. Brenner 12 und/oder den Eindüsungsmitteln zugeführt werden, wobei die Kühlung/Reinigung für diesen Teilstrom auf ein Mindestmaß beschränkt werden kann. Der Gasabsaugraum 21 ist wiederum vorteilhaft (aber nicht zwingend) ringförmig ausgebildet, wobei eine angeschlossene Fördereinrichtung der Absaugung der Gase dient.

Unterhalb des Gasabsaugraumes 21 schließt sich ein feuerfest ausgekleideter Herd 25 an. Im Herd 25 werden die Metall­ schmelzen und die Schlackeschmelzen gesammelt. Damit diese Schmelzen flüssig bleiben, sind unmittelbar oberhalb der Schmelzen und unterhalb des Gasabsaugraumes 21 untere Eindü­ sungsmittel 26 vorgesehen, die im dargestellten Beispiel wiederum mehrere Sauerstofflanzen 16 (ggf. wassergekühlt) aufweisen. Die unteren Eindüsungsmittel können alternativ gestaltet und betrieben sein, wie dies oben für die oberen Eindüsungsmittel 15 erläutert wurde. Über die Eindüsung einer geeigneten Menge von Sauerstoff, Gas, Brenngas o. ö. wird eine Temperatur für die Schmelzen eingestellt, die ausreichend hoch ist, um die Schmelzen flüssig zu halten und nach entsprechender Sammlung über einen Abstich 27 aus dem Reaktor ausgeleiten zu können. Beispielsweise sind Temperaturen von etwa 1500°C zweckmäßig. Die Aufteilung der Gesamtmenge des zugeführten Sauerstoffs/Brenngases auf die Brennkammer 11, die oberen Eindüsungsmittel 15 und die unteren Eindüsungs­ mittel 26 ist in Abhängigkeit vom verwendeten Einsatzmaterial und von den übrigen Prozeßparametern zu optimieren, mit dem Ziel der weitgehenden Verwertung des Einsatzmaterials und der Minimierung des Schadstoffanteils in den Reststoffen.

Für den Fachmann wird verständlich sein, daß beispielsweise aus Gründen der Kostenreduzierung anstelle von Sauerstoff auch ein Sauerstoff-Luft-Gemisch bzw. ein Sauerstoff-Brenn­ gas-Gemisch zugeführt werden kann. Ebenso ist offensichtlich, daß die beispielhaft angegebenen Temperaturwerte in Abhängig­ keit von den zu verarbeitenden Einsatzmaterialien und der gewünschten Prozeßgeschwindigkeit anzupassen sind. Es ist auch verständlich, daß die Einsatzmaterialien unter Umständen einer mechanischen Zerkleinerung zu unterziehen sind, bevor sie in den Reaktor eingebracht werden, um ein Verstopfen zu vermeiden. In Abhängigkeit von den Einsatzstoffen und von den gewünschten Endprodukten können bestimmte Zuschlagsstoffe zur Stabilisierung des Heizwertes und zur Erhöhung der Ausbeute an Überschußgas sowie zur Verbesserung der Schlackebildung, der Basizität und des Schlackeflusses erforderlich werden.

Sofern im Reaktor auch Flüssigkeiten umgesetzt werden sollen, können diese vorteilhaft über eine Flüssigkeitseindüsung 30 zugeführt werden, die in den Gaszuführraum 10 mündet bzw. mit anderen Gaszuführmitteln kombiniert ist. Über die Flüssig­ keitseindüsung 30 können Wasser, Wasserdampf oder andere zur Entsorgung bestimmte Flüssigkeiten eingebracht werden, wobei neben der gewünschten Entsorgung auch eine Regelung der Temperatur der inerten Verbrennungsgase, des Pyrolyseprozes­ ses und/oder der Zusammensetzung und der Temperatur der Über­ schußgase möglich wird.

Weiterhin ist es möglich, bei Bedarf gezielt zu entsorgende Stäube über eine Staubzuführung 31 in den Prozeß einzubrin­ gen. Die Staubzuführung 31 ist vorzugsweise ein mittig im Zuführabschnitt 1 und im Vortemperierungsabschnitt 5 geführ­ tes Dosierrohr, welches in der Nähe des Schüttkegels 9 endet. Die Stäube werden daher unmittelbar in die Nähe der schockar­ tigen Erhitzung der Einsatzstoffe befördert, so daß sie beim Austreten aus dem Dosierrohr sofort einer hohen Temperatur­ einwirkung ausgesetzt sind, die ein Verbrennen oder Vergasen bewirkt, ohne daß es zu Verpuffungen oder dergleichen kommt.

Obwohl sich die oben spezielle erläuterte Ausführungsform insbesondere zur Behandlung (Vergasen und Schmelzen) von Abfällen mit organischen Bestandteilen eignet, wird es für den Fachmann offensichtlich sein, daß bei der Verwendung anderer Einsatzstoffe Abwandlungen des Reaktors erforderlich oder zweckdienlich sind. Generell können auch Sonderabfälle oder Einsatzstoffe mit höheren Metallanteilen behandelt werden, wobei teilweise das Vergasungs- und teilweise das Schmelzprinzip überwiegen wird. Es können auch verschiedene Einsatzstoffe kombiniert werden. So ist es beispielsweise möglich, zum Schmelzen von nicht-organischen Einsatzstoffen gezielt Einsatzstoffe mit höherem Energiewert (z. B. organi­ sche Abfälle, belastetes Altholz o. dgl.) zuzusetzen.

Aus den speziellen Einsatzgebieten können sich weitere Abwandlungen und Weiterbildungen für den erfindungsgemäßen Reaktor und das erfindungsgemäße Verfahren ergeben.

Claims (18)

1. Verfahren zum Vergasen und Schmelzen von Einsatzstoffen, die folgenden Schritte umfassend:

• - Ausbildung einer Schüttsäule (4) der Einsatzstoffe in einem schachtförmigen Reaktor;
• - Ausbildung eines Schüttkegels (9) und Reduzierung der Sinkgeschwindigkeit der Einsatzstoffe im Bereich einer Querschnittserweiterung des Reaktors zwischen einem Zuführabschnitt (1) und einem Pyrolyseabschnitt (8), wobei der Schüttkegel durch die Reaktorwände und die im Zuführabschnitt befindlichen Einsatzstoffe weitgehend nach außen abgeschirmt ist;
• - Starten eines Pyrolyseprozesses durch schockartige Erhitzung der Einsatzstoffe durch Zuführung von heißen, inerten Gasen an den Schüttkegel (9);
• - Erzeugung einer tiefer gelegenen heißen Zone (17) mit Temperaturen oberhalb von 1000°C durch Zuführung ener­ giereicher Medien;
• - Verbrennen der Pyrolyseprodukte, Schmelzen von ggf. enthaltenen metallischen und mineralischen Bestandteilen unter Sauerstoffmangel und weitgehendes Verkoken der Reststoffe der Einsatzstoffe in der heißen Zone (17);
• - Absaugen aller Gase nach unten durch die Schüttsäule (4), durch die heiße Zone (17) und durch eine tiefer liegende Reduktionszone (22);
• - Ausleiten reduzierter Überschußgase aus dem Reaktor im Bereich der Reduktionszone (22);
• - Sammeln der ggf. vorhandenen Metall- und/oder Schlacke­ schmelzen im untersten Abschnitt des Reaktors;
• - Einleiten von energiereichen Medien unmittelbar oberhalb der gesammelten Schmelzen, um diese flüssig zu halten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei als energiereiche Medien Sauerstoff, Brenngase, Anteile des abgesaugten Überschuß­ gases, Flüssigbrennstoffe oder staubförmige Brennstoffe zugeführt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, weiterhin die folgenden Schritte umfassend:

• - Füllstandsüberwachung des Reaktors, so daß die Schütt­ säule stets eine Höhe zwischen einem Minimalwert und einem Maximalwert aufweist;
• - Einstellung des Minimalwerts derart, daß die Schüttsäule oberhalb des Punktes der schockartigen Erhitzung durch relativ dicht gepackten Einsatzstoff von der Umwelt abgeschirmt ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, umfassend den Schritt der Vortrocknung der Einsatzstoffe durch Erwärmung der Schüttsäule oberhalb des Punktes der schockartigen Erhitzung auf etwa 100°C.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, umfassend den Schritt der Regelung des Unterdrucks zur Absaugung der Gase, so daß nahezu keine Gase nach oben aus dem Reaktor entweichen und nur minimale Mengen zusätzlicher Umgebungs­ luft von oben durch die Schüttsäule angesaugt werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, weiterhin die folgenden Schritte umfassend:

• - Erzeugung der heißen Gase zur schockartigen Erhitzung der Schüttsäule durch Verbrennen von Fremdbrennstoffen in der Startphase des Verfahrens;
• - Erzeugung der heißen Gase zur schockartigen Erhitzung der Schüttsäule durch Verbrennen der zumindest teilweise gereinigten reduzierten Überschußgase, die aus dem Reak­ tor ausgeleitet werden, ggf. in Kombination mit Fremd­ brennstoffen.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die ausgeleiteten Überschußgase einer nachgeschalteten Gaswirtschaft zur Kühlung und/oder Reinigung zugeführt werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei in unmittelbarer Nähe der schockartigen Erhitzung der Schüttsäule zu verwertende Stäube hinzugefügt werden.

9. Reaktor zum Vergasen und Schmelzen von Einsatzstof­ fen, umfassend:
einen Zuführabschnitt (1) mit einer Zuführöffnung (2), über welche die Einsatzstoffe von oben in den Reaktor eingebracht werden;
Gaszuführmittel (10), über welche heiße Gase an die Einsatzstoffe zugeführt werden;
einen Schmelz- und Überhitzungsabschnitt (14), der an einer Querschnittseinengung des Reaktors beginnt;
obere Eindüsungsmittel (15), über die ein energiereiches Medium in den Schmelz- und Überhitzungsabschnitt (14) eingebracht wird;
einen Reduktionsabschnitt (20), der sich unten an den Schmelz- und Überhitzungsabschnitt (14) anschließt und Gasabsaugmittel (21) umfaßt;
einen Herd (25) mit einem Abstich (27) unterhalb des Reduktionsabschnitts (20), zur Sammlung und Ableitung von Metallschmelzen und Schlackeschmelzen;
untere Eindüsungsmittel (26), über die unmittelbar ober­ halb der Schmelzen und unterhalb der Gasabsaugmittel (21) ein energiereiches Medium zugeführt wird;
dadurch gekennzeichnet, dass
der Zuführabschnitt (1) in einen Vortemperierungsab­ schnitt (5) mündet, in welchem die Einsatzstoffe auf eine Temperatur von etwa 100°C temperiert werden;
sich der freie Querschnitt des Reaktors am Übergang vom Vortemperierungsabschnitt (5) zu einem Pyrolyseabschnitt (8) mindestens verdoppelt, um einen großflächigen Schüttkegel (9) auszubilden;
die Gaszuführmittel (10) ein etwa 1000°C heißes, inertes Verbrennungsgas am Schüttkegel (9) bereitstellen;
im Pyrolyseabschnitt (8), der sich bis zum Schmelz- und Überhitzungsabschnitt (14) erstreckt, Sauerstoffmangel aufrecht erhalten wird, wodurch die Einsatzstoffe einem Pyrolyseprozeß unterzogen werden.

10. Reaktor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Vortemperierungsabschnitt (5) zumindest abschnittsweise zur Schaffung eines Wandungshohlraums (6) doppelwandig ausgebildet ist, wobei im Wandungshohlraum (6) ein Wärme­ übertragungsmedium geführt ist.

11. Reaktor nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaszuführmittel als Gaszuführraum (10) ausgebil­ det sind, in den mindestens eine Brennkammer (11) mündet, die mit mindestens einem Brenner (12) bestückt ist.

12. Reaktor nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Zuführabschnitt (1), der Vortem­ perierungsabschnitt (5), der Pyrolyseabschnitt (8) und der Reduktionsabschnitt (20) zylindrisch oder nach unten leicht konisch aufgeweitet ausgebildet sind, daß die Gesamtlänge von Zuführabschnitt (1) und Vortemperierungs­ abschnitt (5) mindestens dreimal so groß wie der Durch­ messer des Zuführabschnitts am oberen Ende ist.

13. Reaktor nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaszuführmittel (10) und die Gasabsaugmittel (21) ringförmig am Umfang des Reaktors ausgebildet sind.

14. Reaktor nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Pyrolyseabschnitt (8) zur Schaf­ fung eines weiteren Wandungshohlraums doppelwandig ausge­ bildet ist, wobei in diesem weiteren Wandungshohlraum ein Wärmeübertragungsmedium geführt ist.

15. Reaktor nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die oberen und/oder die unteren Eindüsungsmittel (15, 26) mehrere ringförmig am Umfang des Reaktors angeordnete Sauerstofflanzen (16) oder Düsen umfassen, über welche Sauerstoff bzw. ein Brenngasgemisch zugeführt werden.

16. Reaktor nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaszuführmittel (10) mit einer Flüssigkeitseinspeisung (30) verbunden sind, über welche flüssige oder dampfförmige Stoffe zuführbar sind.

17. Reaktor nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß weiterhin eine Staubzuführung (31) vorgesehen ist, über welche Stäube unmittelbar in die Ebene der Querschnittserweiterung zwischen Zuführab­ schnitt (5) und Pyrolyseabschnitt (8) zuführbar sind.

18. Reaktor nach einem der Ansprüche 9 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Zuführabschnitt (1) nach oben weitgehend gasdicht abgeschlossen ist, wobei die Einsatz­ stoffzuführung über eine Schleuseneinrichtung erfolgt.