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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vergasung von Stoffen, insbesondere bei Temperaturen bis zu 1200 Grad Celsius.
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Unter Stoffe werden hier in erster Linie tierische und pflanzliche sowie künstlich hergestellte Kohlenstoff enthaltende (erdölbasierende) Wert-, nachwachsende Roh- oder Reststoffe verstanden.
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Aus dem Stand der Technik sind Müllverbrennungsanlagen zur Verbrennung von Abfall aller Art bekannt. In diesen Müllverbrennungsanlagen wird der zu verbrennende Abfall oxidativ unter hohen Temperaturen verbrannt. Der Hauptzweck der Müllverbrennung besteht in der Volumenreduzierung des Abfalls unter Nutzung der enthaltenen Energie und einhergehend mit der Kompaktierung der Restmenge zur weiteren Verwertung bzw. Deponierung. Da heute mit wenigen Ausnahmen die im Abfall enthaltene Energie auch zur Umwandlung in elektrischen Strom und/oder Heizwärme genutzt wird, werden Müllverbrennungsanlagen auch Müllheizkraftwerke, Müllkraftwerke oder Müllheizwerke genannt. Bei der Verbrennung in derartigen Anlagen entstehen neben Kohlendioxid und Wasser auch Kohlenmonoxid, Schwefeloxide, Stickoxide und auch Chlorwasserstoffsäure und Fluorwasserstoff sowie schwermetallhaltige Stäube. Diese Substanzen sind für die Umwelt äußerst bedenklich und müssen durch weitere, oftmals aufwendige und energieraubende Prozesse vor Austritt in die Umwelt abgefangen bzw. vernichtet werden.
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Ferner sind aus dem Stand der Technik Holzgasanlagen bekannt. Diese dienen in erster Linie der Umwandlung des Rohstoffes Holz in ein brennbares Gas (Holzgas). Der Vorteil der Umwandlung in ein Gas liegt darin, dass mit Gasen sehr elegant elektrische Energie über handelsübliche Verbrennungsmotoren (BHKW) erzeugt werden kann, wohingehend bei Einsatz von Festbrennstoffen relativ aufwendige Dampfkreisläufe benötigt werden, die im kleineren Leistungsbereich nicht wirtschaftlich betrieben werden können.
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Der Holzvergasungsprozess beruht auf dem Effekt der unvollständigen Verbrennung. Im Gegensatz zur normalen, vollständigen Verbrennung, bei der ausreichend Sauerstoff vorhanden sein muss, wird bei der Holzgaserzeugung weniger Sauerstoff zugegeben als für die Verbrennung erforderlich ist (unterstöchiometrisches Verfahren). Statt der Oxidationsprodukte Kohlendioxid und Wasserdampf entsteht ein Gemisch aus den brennbaren Bestandteilen Kohlenmonoxid und Wasserstoff (sowie Kohlendioxid und Wasserdampf). Im Holzgaserzeuger laufen dabei vier Verfahrensschritte ab (Trocknung, Pyrolyse, Oxidation, Reduktion).
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Einer der Nachteile der aus dem Stand der Technik bekannten Holzgasanlagen besteht darin, dass bei der Pyrolyse des Holzes neben den oben genannten Gasen auch Stickoxide, Dioxine und Furane entstehen. Diese Stoffe sind toxisch und äußerst umweltschädigend.
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Ein weiterer Nachteil der bekannten Holzgasanlagen besteht in der Bindung an das Trägermaterial Holz.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu Verfügung zu stellen, welches die oben genannten Nachteile aus dem Stand der Technik überwindet. Es soll insbesondere ein Verfahren zur Verfügung gestellt werden, bei dem ein Vergasen von Stoffen, z. B. Abfall und Reststoffe unterschiedlichster Art möglich ist, wobei die entstehenden Gase sowie die entstehende Wärme zur Energiegewinnung genutzt werden können und gleichzeitig möglichst wenig Schadstoffe entstehen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Vergasung von Stoffen, wobei der zu vergasende Stoff in einem Reaktor mittels induktiver Erwärmung des Reaktors oder zumindest von Teilen des Reaktors unter Ausschluss von Sauerstoff zumindest bis zur teilweisen Vergasung erhitzt wird.
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Der Reaktor kann in einer einfachen Ausführungsform beispielsweise im Wesentlichen aus einem Eisenrohr bestehen, welches zumindest teilweise mit einer Induktionsspule umgeben ist. Im Inneren des Rohres kann der zu vergasende Stoff eingebracht werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren weist gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Verbrennungsverfahren diverse Vorteile auf. Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird das Vergasungsmaterial nicht durch eine Entzündung zur Pyrolyse gebracht. Durch die induktive Aussenerhitzung unter Ausschluss von Sauerstoff herrschen im Reaktor vielmehr reduzierende Bedingungen. Hierdurch kommt es während der Konversion der organischen Materialien zu nutzbarem Brenngas, nicht aber zu einer Produktion von Stickoxiden.
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Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die nachfolgende Verbrennung des entstehenden Gases in einem Motor einer Kraft-Wärme-Kopplungsanlage umfassend und kontrolliert ist, sodass eine schadstoffminimierte Verbrennung in jeder Betriebsphase gewährleistet ist. Dies ist bei herkömmlichen Holz- bzw. Feststoffverbrennungsanlagen nicht immer der Fall.
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Ein weiterer enormer Vorteil besteht darin, dass auf den Rohstoff Holz als Vergasungsmaterial komplett verzichtet werden kann.
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Ferner ist eine CO2-neutrale Energieversorgung durch Verwendung von nachwachsenden Energieträgern und vorhandenen organischen und nichtorganischen Stoffen möglich. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass Reststoffe aus Trockenbiogasanlagen ebenfalls verwendet werden können. Ferner ist eine Substitution fossiler Energieträger (z. B. Öl, Erdgas) durch Biomasse möglich. Ferner ist eine wirtschaftliche Bereitstellung von Wärme und Strom möglich, da die Anlagengröße variabel ist. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es möglich, die Anlagen kompakt in verschiedenen Abmessungen zu konstruieren. Damit ist die Einsatzmöglichkeit in unterschiedlichen Größen möglich, um Wärme und Strom zu erzeugen.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist eine Weiterentwicklung zur Vergasung organischer Stoffe und nicht organischer Stoffe möglich. Es können beispielsweise Gartenabfälle, Reststoffe aus Trockenbiogasanlagen, Klärschlamm, landwirtschaftliche, nicht für Lebensmittel und Futter verwertbare Stoffe, Kunststoffe, Plastik und Mischungen aus den genannten Stoffe verwendet werden. Aus Kunststoffen ist auch eine Rückgewinnung von Öl möglich, da beim erfindungsgemäßen Verfahren Kunststoffe teilweise vergasen und teilweise zu Öl abgebaut werden. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist also eine Schonung wertvoller Pflanzen, die zur Lebensmittelherstellung und Tierfütterung benutzt werden können, möglich. Die Schonung von Holz als Energieträger ist hier besonders hervorzuheben.
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Insgesamt kommt es durch die an jeder Stelle des Verfahrensprozesses kontrolliert ablaufenden Reaktionen zu minimalen Emissionen und einer definierten Schadstoffausschleusung. Bei der Vergasung von biologischen Vergasungsstoffen ist die Möglichkeit der Nutzung entstehender Aschen als wertvoller Dünger gegeben. Im Rahmen des Verfahrenskonzeptes fallen im Gegensatz zu anderen Vergasungssystemen keine Kondensate oder Waschwässer an.
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Im Modellversuch wurde zu Testzwecken beispielsweise folgendes Abfallgemisch verwendet:
Indisches Springkraut, Sonnenblumenkerne, Getreidespelzen, getrockneter und nasser Klärschlamm, Zigarettenkippen, Plastik (Colaflaschen), aus denen brennbares Gas und Öl gewonnen wurde.
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Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird der Reaktor, insbesondere die Vergasungskammer des Reaktors mittels Induktion erhitzt. Insbesondere wird die Wand des Reaktors bzw. der Vergasungskammer induktiv erhitzt. Es ist auch möglich, dass nicht die Wand des Reaktors bzw. der Vergasungskammer, sondern Elemente, die sich im Inneren des Reaktors bzw. der Vergasungskammer befinden, erhitzt werden. Es kann beispielsweise ein Stab oder ein sonstiges Element im Inneren des Reaktors erhitzt werden. In jedem Fall wird die Wärmeenergie, welche bei der induktiven Erwärmung des Reaktors bzw. von Teilen des Reaktors entsteht, auf den zu vergasenden Stoff übertragen.
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Damit das erfindungsgemäße Verfahren ablaufen kann, ist es essentiell, dass der Reaktor bzw. zumindest Teile des Reaktors induktiv erhitzbar sind. Es können daher allgemein alle Materialien verwendet werden, welche induktiv erhitzbar sind. Vorzugsweise ist der Reaktor mindestens teilweise aus Eisen, Gusseisen und/oder Edelstahl (insbesondere V2A und V2A4) gefertigt. Neben Eisen kann beispielsweise auch Kupfer als Material verwendet werden.
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Bei einer Verfahrensvariante wird die Wand des Reaktors mindestens teilweise induktiv erhitzt. Hierbei ist das Grundmaterial der Wand des Reaktors ein induktiv erhitzbares Material (z. B. Eisen oder V2A).
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Bei einer anderen Verfahrensvariante wird ein vorzugsweise konischer Zylinder (z. B. aus Eisen) im Mittelpunkt des Reaktors erhitzt. Hierbei ist vorgesehen, dass das Material der Wand des Reaktors ein induktiv nicht erhitzbares Material (z. B. Keramik) ist.
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Vorzugsweise wird beim erfindungsgemäßen Verfahren ein Gemisch, umfassend natürliche organische Wertstoffe, nachwachsende Rohstoffe-, Wertstoffe und/oder Kunststoffe vergast.
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Vorzugsweise wird der Reaktor auf über 1000°C, vorzugsweise über 1100°C erhitzt. Durch diese hohen Temperaturen in Verbindung mit dem Ausschluss von Sauerstoff wird die Bildung von Umweltgiften, wie Dioxinen und Furanen völlig unterbunden.
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In der Regel wird beim erfindungsgemäßen Verfahren eine elektromagnetische Induktion ab 10 KHz, vorzugsweise ab 50 KHz zur Erhitzung von ferromagnetischen Metallen bis zum Erreichen der Curietemperatur eingesetzt. Zur Erreichung höherer Temperaturen, welche über der Curietemperatur (768°C) liegen, wird in der Regel eine kurzgeschlossene Spule mit höherer Frequenz des verwendeten Materials eingesetzt. Die elektrische Leistung, die für die Induktion benötigt wird, beträgt in der Regel ab ca. 350 Watt.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ferner die Verwendung eines Induktionsofens zur Vergasung von Stoffen, wobei die Vergasung vorzugsweise unter Ausschluss von Sauerstoff erfolgt.
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Die erfindungsgemäße Verwendung erfolgt vorzugsweise zur Vergasung eines Stoffgemisches aus natürlichen organischen Stoffen und Kunststoffabfällen.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen und den Unteransprüchen. Hierbei können die einzelnen Merkmale für sich allein oder in Kombination miteinander verwirklicht sein.
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In den Zeichnungen zeigen:
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1: einen Längsschnitt durch einen Reaktor für die Verwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
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2: eine weitere Ausführungsform eines geeigneten Reaktors;
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3: eine weitere Ausführungsform eines geeigneten Reaktors.
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1 zeigt einen Längsschnitt durch einen Reaktor 1, welcher für ein erfindungsgemäßes Verfahren geeignet ist. Der Reaktor 1 umfasst ein Rohr 2 aus ferromagnetischem Eisen, in welches der zu vergasender Stoff eingefüllt werden kann. Im Inneren des Rohres 2 ist eine Förderschnecke vorgesehen (hier nicht dargestellt), welche zum Transport des Stoffes in Richtung eines Vergasungsbereiches 3 dient. Im Vergasungsbereich 3 des Rohres 2 ist das Rohr 2 von einer Induktionsspule 4 umgeben. Der gesamte Vergasungsbereich ist von einer Isolierung 5 umgeben, welche beispielsweise aus wärmeisolierendem Kunststoff gefertigt sein kann. Das Rohr 2 ist zudem in seiner gesamten Länge ebenfalls von einer Isolierung 6 umgeben. An beiden Enden des Rohres 2 ist jeweils ein Verschlussflansch 7 angeordnet.
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Beim Vergasen von Abfall wird der zu vergasende Stoff zunächst an einem Rohrende in das Rohr 2 eingefüllt (siehe Pfeil). Anschließend wird der zu vergasende Stoff mittels der oben genannten Förderschnecke in Richtung des Vergasungsbereiches transportiert. Durch die Induktionsschleife 4 wird das Rohr 2 im Vergasungsbereich stark erhitzt, sodass die Wärmeenergie vom Rohr 2 in diesem Bereich auf den zu vergasenden Abfall übertragen wird. Auf diese Art und Weise wird der zu vergasende Abfall in die entsprechenden Gasprodukte und gegebenenfalls Öl (im Falle von Plastikabfall) zerlegt. Die entstehenden Gase (insbesondere Kohlenmonoxid und Wasserstoff) werden zur weiteren Verwendung aus dem Rohr geleitet. Diese Verbrennungsgase stehen dann beispielsweise zum Betrieb einer Gasturbine zur Verfügung. Auch die entstehende Wärmeenergie kann genutzt werden.
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2 zeigt einen Längsschnitt durch einen weiteren Reaktortyp 10, welcher ebenfalls geeignet ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen. Der innere Mantel 11 des Reaktors 10 ist aus einer Hochtemperaturkeramik, welche Temperaturen bis 1800°C widersteht, gefertigt. Der Reaktormantel 11 ist von einer Wärmeisolierung 12 umgeben. Im Reaktor 10 ist ein Vergasungsbereich 13 vorgesehen, welcher von einer Induktionsspule 14 umgeben ist. Im Zentrum des Vergasungsbereichs befindet sich ein konischer Zylinder 15 aus ferromagnetischem Eisen. Mit Hilfe der Induktionsspule 14 kann der konische Zylinder 15 induktiv erhitzt werden. Der konische Zylinder 15 gibt dann die Wärmeenergie an den zu vergasenden Stoff ab. Die äußere Ummantelung 16 besteht aus Eisen.
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3 zeigt einen Längsschnitt durch einen weiteren Reaktor 20, welcher ebenfalls für ein erfindungsgemäßes Verfahren geeignet ist. Der Reaktor 20 ist aus ferromagnetischem Eisen oder V2A-Edelstahl gefertigt. Der Reaktor 20 weist einen Einfüllbereich 21 für Stoffe auf, welcher gegenüber den sich anschließenden Abschnitten erweitert ist. An den Einfüllabschnitt 21 schließt sich ein sich konisch verjüngender Mittelabschnitt 22 an, welcher in den zylinderförmigen Endabschnitt 23 mündet. Der gesamte Reaktor 20 ist von einer Wärmeisolierung 24 umgeben. Im Innenbereich ist der Reaktormantel ebenfalls von einer Wärmeisolierung 25 ausgekleidet.
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Sowohl der Mittelabschnitt 22 als auch der Endabschnitt 23 sind von einer Induktionsspule 26 umgeben. Im Bereich der Induktionsspule kann der Reaktormantel, welcher aus ferromagnetischem Eisen gefertigt ist, induktiv erhitzt werden. In diesem Bereich befindet sich beim Reaktor 20 der Vergasungsbereich zur Vergasung von Stoffen aller Art.
