DE102011014349A1 - Wanderbettreaktor - Google Patents
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Abstract
Die Vorrichtung dient zur thermischen Spaltung von kohlenstoffreichen Subtanzen in einem mit einem Schüttgut (6) durchströmten Wanderbettreaktor (1). Eine vertikale Schuttgutsäule (5) für die Materialzufuhr wird durch eine Schüttgutsäule für die Abfuhr von Material ergänzt, wobei die Breiten und Höhen der Schüttgutsäulen (5, 13) sowie die Beschaffenheit des Schüttgutes (6) derart ausgewählt sind, dass durch einen inneren Druckverlust der Säulen (5, 13) eine Abdichtung des Reaktorinneren bewirkt wird. Gleichzeitig wird ein Schüttgutstrom ermöglicht, wobei im oberen Reaktorbereich ein erster Hohlraum (11) und im unteren Reaktorbereich ein zweiter Hohlraum (9) vorgesehen ist, zwischen denen eine Druckdifferenz Δp von wenigstens 50 mbar vorgesehen ist, die durch den Druckverlust über die Schüttung stabilisiert ist.
Description
- Die vorliegende Erfindung befasst sich mit einer Vorrichtung zur thermischen Spaltung von kohlenstoffreichen Substanzen in einem mit einem Schüttgut von oben nach unten durchströmten Wanderbettreaktor wobei für die Zufuhr von Materialströmen eine vertikale Schüttgutsäule vorgesehen ist.
- Eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise aus der
DE 10 2007 062 414 A1 bekannt. Schwierigkeiten können beim Betreiben einer solchen Vorrichtung entstehen, wenn bestimmte Druckverhältnisse im Inneren des Reaktors eingestellt werden müssen, um einerseits stabile chemische Reaktionen zu bewirken ggf. andererseits den Gegenstrom an Gasen im Reaktor zu fördern. - Die thermische Verwertung von kohlenstoffreichen Substanzen, insbesondere die Vergasung von kunststoffhaltigen Abfällen, kontaminierten Kohlenstoffträgern oder auch Biomassen ist seit vielen Jahren von großem Interesse. Insbesondere für die Realisierung der Vergasung von kunststoffhaltigen Abfällen wurden in der Vergangenheit große Anstrengungen unternommen. Zahlreiche Verfahren wurden in den großtechnischen Maßstab überführt, wobei unterschiedliche Reaktortypen zum Einsatz gekommen waren, wie beispielsweise Drehrohrreaktoren, Wirbelschichtreaktoren oder auch Wanderbettreaktoren.
- Die bekannten Vorrichtungen und Verfahren besaßen erhebliche Nachteile, die in nahezu allen Fällen wieder zur Einstellung dieser Großprojekte führten. Insbesondere handelte es sich um Probleme im Bereich der Kunststoffzuführung in den Reaktor sowie der Abführung der Reststoffe. Auch die Durchströmung des Reaktors sowie die Aufrechterhaltung eines kontinuierlichen Gegenstromes eines gasförmigen Mediums waren problematisch.
- Für die Zufuhr und Abfuhr der Ausgangs- und Reststoffe wurden zumeist aufwendige Schnecken-/Schleusen- oder auch Stempelvorrichtungen eingesetzt, die üblicherweise komplexe konstruktive Merkmale, wie beispielsweise drehende Teile, Klappmechanismen sowie statische oder dynamische Abdichtungssysteme aufwiesen. Insbesondere beim Einsatz von niedrig schmelzenden Materialien, wie beispielsweise Kunststoffen, traten bei diesen Vorrichtungen massive Probleme durch Anschmelzungen, Anbackungen und Verstopfungen auf. Dadurch kommt es zu Stillstandszeiten der Anlage, da die Zu- und Abführvorrichtungen häufig gereinigt werden mussten oder es zu Undichtigkeiten gegenüber dem Reaktorinneren kam. Die damit verbundenen Schwankungen der Druckverhältnisse oder gar der Austritt undefinierter Gasgemische sind besonders nachteilig.
- Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art dahingehend zu verbessern, dass ein sicherer Betriebsablauf mit einem zuverlässig abgedichteten Reaktorinneren und Einstellung bevorzugter Druckverhältnisse möglich ist.
- Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art auch für die Abfuhr von Materialströmen eine vertikale Schüttgutsäule vorgesehen ist, und die Breiten und Höhen der Schüttgutsäulen sowie die Beschaffenheit des Schüttgutes derart gewählt sind, dass die Schüttgutsäulen einerseits durch ihren inneren Druckverlust eine Abdichtung des Reaktorinneren von der Atmosphäre bewirken, und andererseits einen kontinuierlichen oder batchweisen Schüttgutstrom ermöglichen, wobei im oberen Reaktorbereich ein erster Hohlraum und im unteren Reaktorbereich ein zweiter Hohlraum vorgesehen ist, zwischen denen eine Druckdifferenz Δp von wenigstens 50 mbar vorgesehen ist, die durch den Druckverlust über die Schüttung stabilisiert ist.
- Es hat sich gezeigt, dass mit einer solchen Vorrichtung kohlenstoffreiche Substanzen thermisch verwertet werden können, wobei die Anlage eine hohe Verfügbarkeit besitzt und ohne störungsfällig Armaturen im Zufuhr- und Abführbereich auskommt. Die Anlage eignet sich insbesondere für die Herstellung von Synthesegas, wobei dieses im oberen Hohlraum des Reaktors gesammelt und durch geeignete Vorrichtungen abgeführt werden kann.
- Die vertikalen Schüttgutsäulen erlauben in Verbindung mit dem vertikalen Wanderbett eine Schüttgutbewegung ausschließlich auf Grund der eigenen Schwerkraft des Schüttgutes, ohne das bewegte Elemente vorgesehen sein müssen, um den Schüttgutstrom sicher zu stellen.
- Vorzugsweise ist die Vorrichtung derart ausgebildet, dass die vertikale Schüttgutsäule für die Zufuhr der Materialströme kommunizierend mit der Schüttgutsäule des Wanderbettreaktors verbunden ist. Diese Ausführungsform ist besonders bei kontinuierlichen Materialströmen bevorzugt, da durch die Schüttgutförderung ohne Fallstrecken in den Reaktorraum diskontinuierliche Bewegungsabläufe vermieden werden.
- Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die vertikale Schüttgutsäule für die Abfuhr der Materialströme durch den im unteren Teil des Reaktors ausgebildeten Hohlraum vor dem Schüttgutwanderbett des Reaktors selbst getrennt ist. Eine derartige Ausbildung hat sich als vorteilhaft erwiesen, um Verstopfungen des Reaktors und damit eine Unterbrechung der Materialströme durch aneinanderhaftende Schüttgutteile zu vermeiden.
- Die Ausbildung des Hohlraums im unteren Teil des Reaktors kann beispielsweise durch eine Schüttgutdosiereinrichtung erfolgen, die das Schüttgut aus dem Wanderbettreaktor kontinuierlich oder batchweise in den ausgebildeten Hohlraum dosiert. Als Schüttgutdosiereinrichtungen können beispielsweise Drehteller- oder Schubtischvorrichtungen eingesetzt werden, die beispielsweise aus dem Kalzinierschachtofenbau bekannt sind.
- In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Schüttgut unterhalb des Hohlraums im unteren Teil des Reaktors kommunizierend mit der vertikalen Schüttgutsäule für die Abfuhr der Materialströme verbunden ist.
- In einer noch weiter bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass oberhalb des Eintrittes des Schüttgutes in die vertikale Schüttgutsäule für die Zufuhr der Materialströme eine Mischvorrichtung vorgesehen ist, die das Schüttgut mit den kohlenstoffreichen Substanzen vermischt, so dass es als Transportmedium für die kohlenstoffreichen Substanzen in den Wanderbettreaktor dient. Auf diese Weise kann durch gezieltes Einstellen des Kohlenstoffanteils unter günstigen Bedingungen ein Betrieb des Reaktors ohne zusätzliche Brennstoffzufuhr erreicht werden.
- In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine Kühlvorrichtung vorgesehen, die den Rohrmantel der vertikalen Schüttgutsäule für die Zufuhr ganz oder teilweise indirekt mit einem Kühlmedium kühlt. Dieses Kühlmedium kann im einfachsten Fall Wasser sein, wobei auch Ausführungsformen denkbar sind, bei welchen das Wasser nicht in einem Kreislauf geführt wird, sondern dann in das Reaktorinnere fließt.
- Die Kühlung des Rohrmantels verhindert, dass durch in diesem Bereich möglicherweise vorherrschende höhere Temperaturen leicht aufschmelzende Kunststoffe in der Schüttgutsäule miteinander verbacken können.
- Der Rohrmantel der Schüttgutsäule für die Zufuhr kann auch ganz oder teilweise in den oberen Teil des Wanderbettes des Reaktors eintauchen und dadurch den oberen Hohlraum im oberen Teil des Wanderbettreaktors ausbilden.
- Der mittlere Betriebsdruck im Wanderbettreaktor liegt vorzugsweise unterhalb 3 bar (ü) vorzugsweise unterhalb 1 bar (ü) und besonders bevorzugt in einem Bereich unterhalb 0,1 bar (ü).
- Ein Beispiel für eine Geometrie der Schüttgutsäulen, die sich im Betrieb als wirkungsvoll erwiesen hat, sieht vor, dass die vertikale Schüttgutsäule für die Zufuhr einen Quotienten gebildet aus ihrer Schüttguthöhe (in m) geteilt durch die maximale Druckdifferenz des Betriebsdruckes (in bar) im Reaktorkopf zum herrschenden Atmosphärendruck (in bar) von > 10 aufweist und die vertikale Schüttgutsäule für die Abfuhr einen Quotienten gebildet aus ihrer Schüttguthöhe (in m) geteilt durch die maximale Druckdifferenz des Betriebsdrucks (in bar) am Reaktorboden zum herrschenden Atmosphärendruck (in bar) von > 5 aufweist. Die unterschiedlichen Quotienten resultieren daraus, dass sich die Beschaffenheit des Schüttgutes durch die oxidierten Kohlenstoffbestandteile ändert.
- Die eingangs genannte eingestellte Druckdifferenz von wenigstens 50 mbar liegt vorzugsweise unterhalb 1 bar, da höhere Druckdifferenzen für einen sicheren Betriebsablauf in der Regel nicht zweckdienlich sind.
- Vorteilhaft wird mit Schüttungen aus Kalziumoxid, -carbonat und/oder -hydroxid als Bestandteile gearbeitet, zumal diese bei halogenhaltigen Kunststoffen, die positive Eigenschaften haben, die Halogene zu binden und dem Prozess zu entziehen. Besonders vorteilhaft ist dabei die katalytische Wirkung der Kalziumverbindungen, insbesondere von Kalziumoxid bei der thermischen Spaltung. Das Verfahren kann mit der Herstellung von Branntkalk gekoppelt werden, so dass sich die Vorrichtung wirtschaftlich betreiben lässt.
- Hinsichtlich des Spaltungsvorganges selbst hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das Gesamt-Λ der Oxidationsprozesse in dem Wanderbettreaktor über alle Stufen kleiner 0,5 ist. Insgesamt erfolgt also die Oxidation unter Sauerstoffmangel, wobei der Λ-Wert weiter abgesenkt werden kann und auch gute Ergebnisse in einem Bereich mit einem Λ von 0,3 erzielt worden sind.
- Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in der beigefügten Abbildung gezeigt. Die Ausführungsform zeigt einen Kalzinierschachtofen, wie er beispielsweise in Brenn- oder Sinterprozessen großtechnisch zum Einsatz kommt, in modifizierter Ausführungsform, der als Wanderbettreaktor
1 eingesetzt wird. Der Wanderbettreaktor1 wird mit einem Gemisch aus kohlenstoffreichen Substanzen2 und feuerfestem Schüttgut3 kontinuierlich beschickt. Die Beschickung erfolgt über eine Fördervorrichtung4 und eine vertikale Schüttgutsäule5 , deren Schüttung kommunizierend mit der Schüttung6 in dem Wanderbettreaktor verbunden ist. Die Strömung des Schüttgutes6 im Wanderbettreaktor1 erfolgt durch Schwerkraftwirkung von oben nach unten, indem die Schüttgut-Dosiervorrichtung7 die Schüttung aus dem Wanderbettreaktor1 kontinuierlich oder batchweise in einen Hohlraum8 weitergibt, der am unteren Ende des Wanderbettreaktors1 angeordnet ist. Durch diese Entnahme rutscht die Schüttung kontinuierlich nach unten, wodurch auch Gemische aus kohlenstoffreichen Substanzen2 und feuerfestem Schüttgut3 über die Schüttgutsäule5 in den Wanderbettreaktor nachrutschen kann. - Der Wanderbettreaktor wird als sogenannter Gegenstromvergaser betrieben, in dem sauerstoffhaltiges Gas
9 unten am Reaktorboden aufgegeben wird. Durch den Vergasungsprozess bilden sich dabei mindestens die folgenden drei Prozesszonen aus: im oberen Teil der Schüttung6 eine Pyrolysezone A, in welcher die kohlenstoffhaltigen Substanzen bereits teilweise reagieren oder verkoken, im weiteren Verlauf nach unten eine heißere Brennzone B, in welcher die restlichen Kohlenstoffverbindungen in Synthesegase umgewandelt werden, sowie im unteren Teil eine Kühlzone C. Das in den Prozesszonen A und B entstehende Synthesegas verlässt den Wanderbettreaktor am Kopf bei10 . - Die Schüttgutsäule
5 für die Zufuhr von Schüttgut ist im Beispielsfall als Tauchrohr ausgebildet, das in den oberen Teil des Wanderbettreaktors eintaucht. Mit der Wahl der Eintauchtiefe des Tauchrohres kann gezielt auf die Höhe des Schüttgutes6 im Reaktor und insbesondere auf das Volumen des dadurch entstehenden Gasraumes11 Einfluss genommen werden. - Da sich im Gasraum
11 im oberen Bereich des Reaktors Temperaturen von oberhalb 300°C ausbilden können, ist bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel der in den Reaktor eingetauchte Bereich des Rohrmantels der Schüttgutsäule5 mittels Wasser über eine doppelt ausgeführte Wandung12 oder ein Kühlschlangensystem gekühlt. Dadurch ist es möglich, auch bei niedrigen Temperaturen aufschmelzende kohlenstoffreiche Substanzen, wie z. B. Kunststoffe, problemlos in dem System zu verarbeiten, ohne dass es zu Verklebungen kommen könnte. Die Verwendung aufwendiger Armaturen oder Schleusensysteme für die Zufuhr zu dem Wanderbettreaktor1 kann entfallen. - Das im Hohlraum
8 vorhandene Gemisch aus feuerfestem Schüttgut3 und thermisch nicht verwertbaren Reststoffen, wie z. B. Asche, ist kommunizierend mit der Schüttgutsäule13 für die Abfuhr des Materials aus dem Reaktorsystem verbunden. - Die Schüttgutsäule
13 steht am unteren Auslauf direkt kommunizierend auf einer Abfördervorrichtung14 , die beispielsweise aus einer Vibrationsrinne oder aus einem Abzugsband besteht. Mit dieser Abfördervorrichtung14 wird die Schüttgutsäule13 kontinuierlich oder batchweise aus dem Reaktorsystem abgezogen. - Die Steuerung des Reaktors erfolgt durch den Durchsatz an oxidationsfähigem Gemisch und dem Anteil an kohlenstoffreichen Substanzen. Diese Steuerung kann zum einen im Bereich der Mischvorrichtung
4 vorgenommen werden, zum anderen aber auch alleine durch den Durchsatz der Dosiervorrichtung7 oberhalb des Hohlraumes8 , die die Durchsatzgeschwindigkeit des Schüttgutes in dem Reaktor steuert. Um den Prozess der thermischen Verwertung sicher betreiben zu können, muss auch zu jedem Zeitpunkt eine sichere Abdichtung des Reaktorinnenraums gegenüber der Atmosphäre gewährleistet sein. Dies ist zum einen erforderlich, um das Austreten von Synthesegas zu verhindern, und zum anderen, um im Falle eines Unterdruckes das Eindringen von Luftsauerstoff und die Ausbildung eines explosionsfähigen Gemisches im Reaktorinnenraum auszuschließen. Diese Abdichtung erfolgt über den Druckverlust der beiden Schüttgutsäulen für die Zu- und Abführung. Daher ist sicherzustellen, dass beide Schüttgutsäulen zu jedem Zeitpunkt und in jedem Betriebszustand eine Mindestfüllhöhe aufweisen. Die Schüttgutsäule5 für die Materialzufuhr ist daher mit einer Füllstandsmessvorrichtung15 ausgestattet, die als Steuergröße auf die Drehzahl der Fördervorrichtung4 für die Materialzufuhr in die Schüttgutsäule5 wirkt und stets einen Mindestfüllstand sicherstellt. - Die Gewährleistung eines Mindestfüllstandes in der Schüttgutsäule
13 für die Materialabführung erfolgt ebenfalls über eine Füllstandsmessvorrichtung16 . Diese kann wahlweise über eine Regelung17 als Steuergröße D auf die Austragsgeschwindigkeit der Dosiervorrichtung7 oder alternativ als Steuergröße E auf die Drehzahl der Abfördervorrichtung14 wirken. Die getrennten Steuerkreise für die Schüttgutsäulen stellen sicher, dass auch bei Unstetigkeiten im Schüttgutstrom innerhalb des Reaktors immer eine ausreichende Schüttgutsäulenhöhe in der Zufuhr und in der Abfuhr erhalten bleibt. - ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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- Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007062414 A1 [0002]
Claims (15)
- Vorrichtung zur thermischen Spaltung von kohlenstoffreichen Substanzen in einem mit einem Schüttgut von oben nach unten durchströmten Wanderbettreaktor (
1 ), wobei für die Zufuhr von Materialströmen eine vertikale Schüttgutsäule (5 ) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass für die Abfuhr von Materialströmen aus dem Wanderbettreaktor (1 ) eine vertikale Schüttgutsäule (13 ) vorgesehen, und die Breiten und Höhen der Schüttgutsäulen (5 ,13 ) sowie die Beschaffenheit des Schüttgutes derart gewählt sind, dass die Schüttgutsäulen (5 ,13 ) einerseits durch ihren inneren Druckverlust eine Abdichtung des Reaktorinneren von der Atmosphäre bewirken und andererseits einen kontinuierlichen oder batchweisen Schüttgutstrom ermöglichen, wobei im oberen Reaktorbereich ein erster Hohlraum (11 ) und im unteren Reaktorbereich ein zweiter Hohlraum (9 ) vorgesehen ist, zwischen denen eine Druckdifferenz Δp von wenigstens 50 mbar vorgesehen ist, die durch den Druckverlust über das Schüttgut (6 ) innerhalb des Wanderbettreaktors (1 ) stabilisiert ist. - Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vertikale Schüttgutsäule (
5 ) für die Zufuhr der Materialströme kommunizierend mit der Schüttung (6 ) des Wanderbettreaktors (1 ) verbunden ist. - Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die vertikale Schüttgutsäule (
13 ) für die Abfuhr der Materialströme durch den im unteren Teil des Reaktors ausgebildeten Hohlraum (9 ) von dem Schüttgut (6 ) des Wanderbetts des Wanderbettreaktors (1 ) selbst getrennt ist. - Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausbildung des Hohlraums (
9 ) im unteren Teil des Reaktors (1 ) durch eine Schüttgutdosiereinrichtung (7 ) erfolgt, die das Schüttgut (6 ) aus dem Wanderbettreaktor (1 ) kontinuierlich oder batchweise in den ausgebildeten Hohlraum dosiert. - Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schüttgutdosiereinrichtung (
7 ) als Drehteller- oder Schubtischvorrichtung ausgebildet ist. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Schüttgut unterhalb des Hohlraums (
9 ) im unteren Teil des Reaktors (1 ) kommunizierend mit der vertikalen Schüttgutsäule (13 ) für die Abfuhr der Materialströme verbunden ist. - Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass oberhalb des Eintrittes des Schüttgutes in die vertikale Schüttgutsäule (
5 ) für die Zufuhr der Materialströme eine Fördervorrichtung (4 ) vorgesehen ist, die das Schüttgut mit den kohlenstoffreichen Substanzen vermischt, so dass es als Transportmedium für die kohlenstoffreichen Substanzen in den Wanderbettreaktor (1 ) dient. - Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kühlvorrichtung (
12 ) vorgesehen ist, die einen Rohrmantel der vertikalen Schuttgutsäule (5 ) für die Zufuhr ganz oder teilweise indirekt mit einem Kühlmedium kühlt. - Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohrmantel der vertikalen Schüttgutsäule (
5 ) für die Zufuhr ganz oder teilweise in den oberen Teil des Wanderbettreaktors (1 ) eintaucht und dadurch den oberen Hohlraum (11 ) im oberen Teil des Wanderbettreaktors (1 ) ausbildet. - Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Betriebsdruck im Wanderbettreaktor unterhalb 3 bar (ü), vorzugsweise unterhalb 1 bar (ü) und insbesondere bevorzugt in einem Bereich unterhalb 0,1 bar (ü) eingestellt ist.
- Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vertikale Schüttgutsäule (
5 ) für die Zufuhr einen Quotienten gebildet aus ihrer Schüttguthöhe (in Metern) geteilt durch die maximale Druckdifferenz des Betriebsdruckes (in Bar) im Reaktorkopf zum herrschenden Atmosphärendruck (in Bar) von > 10 aufweist und die vertikale Schüttgutsäule (13 ) für die Abfuhr einen Quotienten gebildet aus ihrer Schüttguthöhe (in Metern) geteilt durch die maximale Druckdifferenz des Betriebsdruckes (in Bar) am Reaktorboden zum herrschenden Atmosphärendruck (in Bar) von > 5 aufweist. - Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Δp maximal 1 bar beträgt.
- Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schüttung Kalziumoxid, -carbonat und/oder -hydroxidanteile enthält.
- Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gesamt-Λ des Oxidationsprozesses in dem Wanderbettreaktor (
1 ) über alle Stufen kleiner 0,5 ist. - Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung des thermischen Spaltvorganges durch die Variation des Durchsatzes an Schüttgut (
6 ) und kohlenstoffreichen Substanzen und/oder der Mengenanteile an zugegebenen kohlenstoffreichen Substanzen erfolgt.
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