DE102013100006A1

DE102013100006A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Umwandeln eines Ausgangsstoffes in ein Gas

Info

Publication number: DE102013100006A1
Application number: DE201310100006
Authority: DE
Inventors: Evgeny Vasiliev
Original assignee: SHARK IND AG; SHARK INDUSTRIES AG
Current assignee: SHARK IND AG; SHARK INDUSTRIES AG
Priority date: 2013-01-02
Filing date: 2013-01-02
Publication date: 2014-07-03

Abstract

Um einen beliebigen Ausgangsstoff (23), dessen Aggregatzustand unerheblich ist, in ein bestimmtes Gas umzuwandeln, werden erfindungsgemäß einerseits die zur Erzielung des gewünschten Gases benötigten weiteren chemischen Elemente, auch in chemisch gebundener Form, der Behandlungskammer (1) zugeführt, sofern solche Stoffe benötigt werden, und der Ausgangsstoff (23) zur Umwandlung mit sehr hohen Temperaturen von mindestens 1000° C, besser mindestens 2000° C, besser mindestens 3000° C beaufschlagt und diesen Temperaturen solange ausgesetzt, bis die Umwandlung in das gewünschte Gas in einem ausreichenden Maße, insbesondere vollständig, erfolgt ist. Die hohen Temperaturen werden beispielsweise durch eine mittels elektrischem Lichtbogen (22) erzeugte Plasmaflamme (13) bewirkt.

Description

I. Anwendungsgebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Umwandeln eines Ausgangsstoffes in ein Gas sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
II. Technischer Hintergrund
Für viele Anwendungen ist es notwendig, einen Stoff in Gasform, insbesondere einer ganz bestimmten chemischen Form, vorliegen zu haben, um ihn z.B. in einer bestimmten Art und Weise weiterbearbeiten zu können oder problemlos entsorgen zu können.
Beispielsweise enthält Kohlenstoff, der ja in allen organischen Materialien enthalten ist, Energie, die beispielsweise durch Verbrennung des Kohlenstoffes freigesetzt werden kann. Allerdings ist das Verbrennen des Kohlenstoffs umso schwieriger, je geringer der Kohlenstoffanteil in einem Stoffgemisch ist. Darüber hinaus kann Kohlenstoff in Gasform leichter gehandhabt und verbrannt werden als Kohlenstoff in fester Form.
Für die Nutzung der im Kohlenstoff enthaltenen Energie ist es daher vorteilhaft, kohlenstoffhaltigen Ausgangsstoff in ein kohlenstoffhaltiges Nutzgas umzuwandeln.
Prozesse, die dies leisten, sind prinzipiell bekannt, in der Regel jedoch apparativ aufwendig und nicht sonderlich effizient, indem bis zu 50 % der im festen Kohlenstoff enthaltenen Energie benötigt wird, um den Umwandlungsprozess zur Gasform zu bewerkstelligen.
So ist es beispielsweise aus der DE 10 2011 015 807 bekannt, Kohlenstoff in Form von granulierter oder gemahlener Kohle in einem Wirbelbett unter Zuführung von Energie, insbesondere in Form von Dampf, zu vergasen, wobei ein Drittel des Energiegehaltes für den Vergasungsprozess benötigt wird.
Ein weiteres, einfaches Beispiel ist ein sog. Holzvergaser, in dem Holz unter Luftmangel teilweise verbrannt und teilweise dabei vergast wird und das entstehende kohlenstoffhaltige Gas zum Betrieb einer Brennkraftmaschine benutzt wird. Auch hier besteht der Nachteil in einem wenig konstanten, und wenig effizienten Prozess sowie einem hohen Anteil an verbleibender Schlacke als Reststoff.
Weiterhin ist es bekannt, so gut wie jedes Molekül, insbesondere auch hochtoxische Stoffe, durch Aufheizen auf eine sehr hohe Temperatur von mindestens 1500 °C, besser mindestens 2500 °C zu „cracken“, also thermisch in nicht mehr toxische kleine Moleküle oder im Idealfall in die Atome der einzelnen Elemente zu zerlegen, die dann ungiftig sind und in Gasform vorliegen. Die hierfür aufzuwendende Energiemenge ist jedoch in der Regel deutlich höher als der Energiegehalt der sich dabei ergebenden kohlenstoffhaltigen Gase, sofern überhaupt Kohlenstoff enthalten ist.
Dabei ist es auch bekannt, die notwendigen hohen Temperaturen dadurch zu erzeugen, dass ein Plasma, also eine Art Plasma-Flamme, erzeugt wird, welcher der zu vergasende Ausgangsstoff ausgesetzt wird, sodass das entstehende Gas Ionen, also ionisierte Moleküle oder Atome, enthält.
Selbst radioaktive Substanzen können auf diese Art und Weise in nicht oder weniger lang strahlende Stoffe umgewandelt werden.
III. Darstellung der Erfindung
a) Technische Aufgabe
Es ist daher die Aufgabe gemäß der Erfindung, ein Umwandlungsverfahren zu schaffen, bei dem der zuzuführende Energiebetrag für den Umwandlungsprozess möglichst gering ist, die Umwandlung für die unterschiedlichsten, insbesondere kohlenstoffhaltigen, Ausgangsstoffe mit diesem Prozess möglich sein soll und die entstehenden gasförmigen Stoffe nicht toxisch sind sowie die Aschebildung möglichst gering ist. Zusätzlich soll der Prozess auf einfache Art und Weise steuerbar sein und die dafür benutzte Vorrichtung langlebig sein.
b) Lösung der Aufgabe
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und ...... gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann jeder beliebige Ausgangsstoff, beispielsweise Sand (SIO2 oder kohlenstoffhaltiger Ausgangsstoff, z.B. Grüngut-Abfälle, Kunststoff-Abfälle, in ein entsprechendes Gas umgewandelt werden.
Im Folgenden wird nur noch von der Umwandlung eines kohlenstoffhaltigen Ausgangsstoffes in ein kohlenstoffhaltiges, insbesondere brennbares, Gas die Rede sein, ohne die Erfindung hierauf zu beschränken:
Speziell bei der Herstellung eines kohlenstoffhaltigen Gases, welches anschließend durch Verbrennung genutzt werden soll, kommt es darauf an, den Umwandlungsprozess Energie-effizient durchzuführen, sodass also der apparative und energetische Aufwand zum Umwandeln des kohlenstoffhaltigen Ausgangsstoffes gering bleibt.
Mit dem beschriebenen Verfahren ist es möglich, mit einem energetischen Aufwand von etwa 10 % der im Kohlenstoff enthaltenen Energie die Umwandlung in das kohlenstoffhaltige Gas zu bewirken.
Dadurch ist es möglich, beispielsweise aus einem Kilogramm kohlenstoffhaltigen Abfall wie etwa Haushaltsmüll 2 kWh Energie zu erzeugen, davon etwa die eine Hälfte in Form von thermischer Energie und die andere Hälfte in Form von elektrischer Energie, falls die Erzeugung von elektrischer Energie gewünscht ist.
Hinsichtlich des Verfahrens ist es dabei wichtig, dass der umzuwandelnde Ausgangsstoff ausreichend lange und mit einer ausreichend hohen Temperatur beaufschlagt wird, bis er in dem gewünschten Maße, insbesondere vollständig, in das angestrebte Gas umgewandelt ist.
Falls in dem Ausgangsstoff nicht alle für das angestrebte herzustellende Gas benötigten Ausgangsstoffe in chemischer Hinsicht vorhanden sind, müssen die fehlenden chemischen Elemente elementar oder chemisch gebunden natürlich ebenfalls zugeführt werden.
Die notwendige hohe Temperatur für die Behandlung des Ausgangsstoffes, welche vorzugsweise in einer im wesentlichen geschlossenen Behandlungskammer durchgeführt wird, beträgt mindestens 1000°, besser mindestens 2000°, mindestens 3000°.
Auf diese Art und Weise kann z.B. bei einem kohlenstoffhaltigen Ausgangsstoff und einer begrenzten Zufuhr an Sauerstoff in die Behandlungskammer am Gasauslass ein Gasgemisch abgezogen werden, welches einen hohen Anteil an Kohlenmonoxid und Wasserstoff aufweist, daneben auch noch andere Gase.
Der Zyklon bietet ferner den Vorteil, dass ebenfalls schwerkraftbedingt sich die schwersten und damit auch kältesten Teile in den äußersten Bereichen des Zyklons sammeln und damit der Zyklon zumindest in seinem äußeren Bereich ein stark abfallendes Temperaturgefälle zum äusseren Rand hin aufweist, und auf diese Art und Weise selbst ohne aktive Kühlung die die Behandlungskammer umgebende Außenwand auf Temperaturen von unter 1100°C, evtl. sogar unter 1000°C, gehalten werden kann, trotz wesentlich höherer Temperaturen im Zentrum.
Es kann jedoch sein, dass für die Erzeugung der gewünschten Menge an dem herzustellenden Gas bereits in dieser ersten Behandlungskammer dort eine so hohe Temperatur herrscht, da der dabei auftretende Prozess so stark exotherm ist, dass zusätzlich doch eine aktive Kühlung der Kammerwand notwendig ist, um deren Schmelzen zu verhindern. Dies kann durch eine übliche doppelwandige Ausbildung der Kammerwand in Form einer flüssigkeitsgefüllten Hohlwand geschehen, durch die Kühlflüssigkeit strömt, über welche überschüssige Wärme abgeführt wird.
Dies kann jedoch auch dadurch geschehen, dass die Zuführung des benötigten Hilfsstoffes, beispielsweise Wasserdampf, der z.B. die notwendige Menge an Sauerstoff für den chemischen Umwandlungsprozess in der Behandlungskammer zur Verfügung stellt, tangential in die Außenbereiche des Zyklons eingebracht wird und dadurch der relativ kalt, beispielsweise mit nur knapp über 100° C eingebrachte Wasserdampf eine thermisch isolierende Schicht zwischen dem Zyklon und der Kammerwand bildet, bevor sich der Hilfsstoff im Zyklon mit dem Ausgangsstoff vermischt und die gewünschte chemische Reaktion stattfindet.
Zu diesem Zweck kann der Hilfsstoff auch an mehreren Stellen über den Umfang verteilt eingespritzt werden, und dann vorzugsweise mit einer sehr hohen Strömungsgeschwindigkeit, vorzugsweise höher als die Geschwindigkeit des Zyklons in seinen äußeren Bereichen.
Falls das im zentralen Gasauslass abgezogene Gas noch nicht im benötigten Maße das zu erzeugende Gas enthält, kann das abgezogene Gas einer weiteren zweiten Behandlungskammer zugeführt werden. Sobald das abgezogene Gas den zentralen, als Drossel wirkenden Gasauslass durchströmt hat, wird es sich wieder zu einem – wenn auch mit schwächerer Energie kreisenden – Zyklon aufweiten, in den weitere Hilfsstoffe, sogenannte Drittstoffe, eingebracht werden können, falls für die weitere Umwandlung solche Hilfsstoffe noch benötigt werden, oder auch nur der bereits begonnene Umwandlungsprozess fortgesetzt wird. Auch diese Drittstoffe werden vorzugsweise als Gas und vorzugsweise tangential eingebracht, mit einer Einströmgeschwindigkeit von mindestens 1,2 m/s.
Falls in der zweiten Behandlungskammer hierfür zusätzliche Energie benötigt wird, kann diese entweder aus der ersten Behandlungskammer entnommen und in die zweite Kammer überführt werden, beispielsweise mittels Heatpipes, oder die benötigte Wärmemenge wird in der zweiten Behandlungskammer auf eine der anhand der ersten Behandlungskammer beschriebenen Arten erzeugt.
Auf diese Art und Weise kann aus einem kohlenstoffhaltigen Ausgangsstoff ein kohlenstoffhaltiges, brennbares Gas hergestellt werden, welches – ähnlich wie Erdgas – einen Anteil Kohlenmonoxid sowie Wasserstoff enthält, und zu Kohlendioxid und Wasser verbrannt werden kann. Dabei wird für die Umwandlung in dieses brennbare Gas nur ein relativ geringer Anteil von etwa 10 % des im Kohlenstoffanteil des Ausgangsstoffes enthaltenen Brennwertes verbraucht.
Sofern ein anderes Gas erzeugt werden soll, beispielsweise überhaupt kein kohlenstoffhaltiges Gas, hängen natürlich die zuzugebenden Hilfsstoffe einerseits von den im Ausgangsstoff enthaltenen Elementen ab, und auch das in der Behandlungskammer herrschende Temperaturniveau richtet sich nach der für die Erzielung des herzustellenden Gases notwendigen chemischen Reaktionen und deren Energiebedarf.
Sofern das Plasma mittels eines Lichtbogens gezündet und erzeugt wird, wird vorzugsweise der Abstand zwischen den Elektroden nach der Zündung des Lichtbogens nicht mehr verändert. Vielmehr wird die Zündung des Lichtbogens durch hohe Spannungen von etwa 10.000 bis 20.000 Volt erreicht, die durch das Auftreten des Lichtbogens schlagartig zusammenbricht, und stattdessen ein starker Strom von mindestens 5 Ampere von der einen Elektrode zur anderen über den Lichtbogen strömt.
Der Lichtbogen wird vorzugsweise mittels Wechselstrom betrieben, wobei nach Zündung des Lichtbogens die Stromstärke bei 5 Ampere bis 100 Ampere liegen kann.
Die Zuführung des Plasmaträgerstoffes sollte erst erfolgen, nachdem der Lichtbogen gezündet ist, jedoch unmittelbar danach einsetzen, um den sonst auftretenden Abbrand der Elektroden möglichst gering zu halten.
Das Einblasen des Plasmaträgerstoffes dient ferner dazu, den Zyklon in Gang zu setzen, weshalb der Plasmaträgerstoff mit einer Einströmgeschwindigkeit von mindestens 1,2. m/s, vorzugsweise mindestens 1,5 m/s, vorzugsweise von mindestens 3,4 m/s in die Behandlungskammer erfolgen sollte.
Die Verbindungslinie zwischen den beiden Elektroden des elektrischen Lichtbogens verläuft dabei vorzugsweise quer zu der Einströmrichtung des Plasma-Trägerstoffes, da hierdurch der Abbrand an den Elektroden sehr gering gehalten werden kann.
Die für die chemische Reaktion in der Behandlungskammer benötigten Stoffe können allesamt in dem Ausgangsstoff enthalten sein, insbesondere kann dem ursprünglichen Ausgangsstoff die benötigten weiteren Hilfsstoffe im geeigneten Mengenverhältnis beigemischt werden, bevor der gemischte Ausgangsstoff in die Behandlungskammer eingebracht wird.
Stattdessen können die dem eigentlichen Ausgangsstoff noch fehlenden Hilfsstoffe auch separat in die Behandlungskammer eingebracht werden, sei es unmittelbar stromaufwärts des Lichtbogens in den Plasmaträgerstoff einbracht werden oder auch stromabwärts des Lichtbogens in die Behandlungskammer eingebracht werden.
Im letzteren Fall wird die Einströmungsgeschwindigkeit des Hilfsstoffes vorzugsweise größer gewählt als die Strömungsgeschwindigkeit des Zyklons in seinen Randbereichen und auch größer als die Einströmgeschwindigkeit des Plasmaträgerstoffes, vorzugsweise mindestens 1,5 m/s. Insbesondere wird in diesem Fall der Hilfsstoff wie der Plasmaträgerstoff tangential in die Behandlungskammer und den Zyklon eingebracht.
Das Plasma, insbesondere der Lichtbogen, kann auch pulsierend erzeugt werden, insbesondere mit einer Periodenlänge von jeweils unter 1 Sekunde, insbesondere unter 500 Millisekunden, während die Pausen zwischen den Pulsen mindestens so lang, besser um ein 2- bis 10-faches länger sind als die Pulsdauer.
Der, insbesondere in der ersten Behandlungskammer, ablaufende Prozess wird gesteuert durch folgende Parameter:

– Einströmmenge pro Zeiteinheit und/oder Einströmungsgeschwindigkeit des Plasma-Trägerstoffes oder
– Einströmmenge pro Zeiteinheit oder Einströmgeschwindigkeit des Hilfsstoffes oder
– Einbringungsmenge pro Zeiteinheit des Ausgangsstoffes,
– Stromstärke oder Spannung des Lichtbogens,
– die Größe der Abzugsöffnung aus der Behandlungskammer,

In der Praxis wird häufig belassen – nach dem Anfahren des Prozesses – die Einbringungsmenge des Ausgangsstoffes pro Zeiteinheit eingestellt und konstant gehalten, dagegen die Menge an zugeführtem Träger-Plasmastoff pro Zeiteinheit, der ja den für die Umwandlung benötigten Sauerstoff enthält, und/oder die Einbringungsmenge des ebenfalls sauerstoffhaltigen Hilfsstoffes, sofern ein solcher verwendet wird, gesteuert, abhängig von der auf der Außenseite der Behandlungskammer im Bereich des Zyklons gemessenen Wandtemperatur oder der im Inneren der Behandlungskammer im radialen Randbereich des Zyklons gemessenen Temperatur, die zwar so hoch wie möglich sein sollte, aber nach oben begrenzt wird durch die Temperaturbeständigkeit des Materials aus dem die Behandlungskammer besteht.
Beispielsweise ist dies Edelstahl, und dann sollte die Temperatur der Kammerwand nicht höher als 1100° C sein, besser nicht höher als 1000° C, besser nicht höher als 900° C, was jedoch dennoch Temperaturen im Inneren des Zyklons von 5000 oder gar 8000° C ermöglicht.
Der Abzug an Gas aus dem zentralen Gasauslass stellt sich dadurch von selbst ein, indem der vergaste und sich dadurch im Volumen stark ausdehnende Ausgangsstoff, sofern dieser ein Feststoff war, eine Verdrängung der in der Behandlungskammer bereits vorhandenen Gase bewirkt, und wegen des zentralen Gasauslasses primär die im Zentrum des Zyklons bzw. auf der zentralen Längsachse der Behandlungskammer befindlichen Gasanteile über den Gasauslass austreten.
Dementsprechend stellt sich in der Reaktionskammer ein Überdruck ein, der zwischen mindestens 0,5 bar Überdruck und bis zu 5 bar Überdruck liegen kann, abhängig von der Geschwindigkeit der Vergasung des Ausgangsstoffes und der Größe und damit Drosselwirkung des zentralen Gasauslasses.
Der Ausgangsstoff kann ein Feststoff, eine Flüssigkeit oder auch ein Gas sein, welches im letzteren Fall dann in der Regel aus größeren Molekülen als das herzustellende Gas besteht.
Der häufigste Fall wird dabei jedoch ein Feststoff als Ausgangsstoff sein. Dessen Zuführung in die Behandlungskammer kann auf unterschiedliche Art und Weise erfolgen:
Eine Möglichkeit besteht darin, den Ausgangsstoff durch eine hohl ausgebildete Elektrode, die der Erzeugung des Lichtbogens dient, zuzuführen, oder eine der Elektroden für den Lichtbogen aus dem Ausgangsstoff herzustellen, sofern dieser zuvor ausreichend kompaktiert wurde und elektrisch leitend ist oder elektrisch leitend gemacht wurde.
Eine andere Lösung besteht darin, den Ausgangsstoff in die kreisförmige, insbesondere zylindrische, Behandlungskammer von deren Stirnseite her einzubringen, sei es mittels einer üblichen Förderschnecke, eines Pressstempels oder einer anderen geeigneten Zufuhrvorrichtung, sofern diese nur ausreichend genau steuerbar ist, was manuell mittels des Bedieners erfolgen kann oder – mit allen Parametern gemeinsam – von einer vorzugsweise elektronischen Steuerung bewirkt wird. Diese erhält dann als Eingangsgrößen einige oder alle der vorstehend beschriebenen Regelungsparameter.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst folgende Elemente:
Eine erste Behandlungskammer, die insbesondere einen ringförmigen Außenumfang aufweist,

– einen Ausgangsstoff-Einlass in die Behandlungskammer,
– einen im radialen Zentrum der ersten Behandlungskammer angeordneten Gas-Auslass,
– eine Wärme-Vorrichtung, um Wärme in die Behandlungskammer zu transportieren oder darin zu erzeugen.

Darüber hinaus kann die erste Behandlungskammer noch einen Hilfsstoff-Einlass aufweisen, falls ein solcher Hilfsstoff-Einlass notwendig ist.
Dieser ist dann vorzugsweise tangential in die ringförmige Behandlungskammer hineingerichtet angeordnet.
Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung auch eine Steuerung, die den Prozess in der zumindest ersten Behandlungskammer steuert. An Sensorik ist zumindest ein Temperatursensor entweder außen an der Wand der Behandlungskammer oder im inneren der Behandlungskammer nahe deren Außenumfang angeordnet.
Die Wärmevorrichtung kann beispielsweise Heatpipes umfassen, mit denen außerhalb der Behandlungskammer erzeugte Wärme in die Behandlungskammer hinein transportiert wird, ohne dort eine offene Flamme oder ähnliches zu benötigen.
Die Wärmevorrichtung kann jedoch auch eine Vorrichtung sein, die in der Behandlungskammer Wärme erzeugt. Dies kann beispielsweise eine in die Behandlungskammer hinein gerichtete Flamme, insbesondere eine Plasma-Flamme sein, die dann tangential in den Querschnitt der ersten Behandlungskammer hinein gerichtet ist, mit gleicher Drehrichtung wie der ggf. vorhandene Hilfsstoff-Einlass.
Im Falle einer Plasma-Flamme als Wärmequelle wird die Plasma-Flamme vorzugsweise mittels eines elektrischen Lichtbogens gezündet und erzeugt, und mittels Zuführung eines Plasma-Trägergases eine Plasma-Flamme erzeugt, die in Einströmungsrichtung wesentlich länger ist als der das Plasma erzeugende Lichtbogen.
Beispielsweise kann der Lichtbogen, der ja zwischen zwei Elektroden erzeugt wird, zwischen dem Außenumfang des Zufuhrrohres für das Plasma-Trägergas und einer zentral darin angeordneten, stiftförmigen oder punktförmigen weiteren Elektrode erzeugt werden.
Deren radialer Abstand beträgt vorzugsweise nur ein bis fünf Millimeter. Das Plasma-Trägergas, beispielsweise Luft oder Wasserdampf, steht mit einer Überdruckquelle in Verbindung und kann hinsichtlich des Druckes, mit dem die Plasma-Düse beaufschlagt wird, geregelt werden.
Ein Plasma kann auch mit Hilfe von elektromagnetischer Strahlung, insbesondere Mikrowellen-Strahlung, einem Laserlicht-Strahl o.ä. erzeugt werden. Bei Verwendung einer Mikrowellen-Strahlung muss zusätzlich ein metallener Gegenstand in den Einflussbereich der Mikrowellen-Strahlung gebracht werden, um darin zur Zündung des Plasmas einen Lichtbogen zu erzeugen.
Der Ausgangsstoff-Einlass kann an unterschiedlichen Stellen an der Behandlungskammer angeordnet sein:
Eine Möglichkeit besteht darin, eine der beiden Elektroden, bei der beschriebenen Elektroden-Anordnung insbesondere die Zentralelektrode, hohl auszubilden und den Ausgangsstoff durch die hohle Zentralelektrode zuzuführen.
Alternativ ist es auch möglich, den Ausgangsstoff direkt als Elektrode zu benutzen, indem dieser ausreichend verfestigt ist und elektrisch leitend ist oder elektrisch leitend gemacht wird, beispielsweise Zumischung entsprechender Komponenten.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den Ausgangsstoff-Einlass in der Stirnfläche des Gehäuses mit ringförmigem Außenumfang, welches ja in der Regel ein zylindrisches Gehäuse ist, in der ersten Behandlungskammer anzuordnen. Der Ausgangsstoff wird also in axialer Richtung, insbesondere mittels einer Förderschnecke oder einer anderen geeigneten Zufuhrvorrichtung, in die erste Behandlungskammer transportiert, und dabei vorzugsweise nicht im radialen Zentrum dieser Stirnfläche, sondern in den radialen Randbereichen der ringförmigen Behandlungskammer:
Denn in der Behandlungskammer rotiert ja ein Zyklon, in dem sehr hohe Temperaturen herrschen, welchen der Ausgangsstoff zugeführt werden soll. Da die Ausgangsstoffe von diesem Zyklon auch in dessen Drehrichtung mit gerissen werden sollen, soll die Zuführung des Ausgangsstoffes primär in den Randbereichen der Behandlungskammer, also dort wo die Geschwindigkeit des Zyklons am größten ist, erfolgen und nicht im Zentrum.
Eine Förderschnecke sollte deshalb vorzugsweise eine zentrale Achse aufweisen, deren Dicke relativ groß gewählt wird, insbesondere mit einer Dicke von mindestens 15%, besser mindestens 25% des Durchmessers der Förderschnecke, sodass in diesem mittleren Bereich, der von der zentralen Achse belegt ist, keine Zuführung von Ausgangsstoff in die Behandlungskammer und damit den Zyklon hinein erfolgt.
Die zentrale Achse sollte dabei möglichst weit in Richtung des Zyklons vorstehen, wird aber nicht in ihn hineinragen, da dort so hohe Temperaturen herrschen, dass die zentrale Achse wegschmelzen würde.
Um eine Verdichtung des Ausgangsstoffes vor der Zuführung in den Zyklon zu erreichen, kann – falls dies abhängig vom ursprünglichen Zustand des Ausgangsstoffes notwendig ist – durch Verengung des wirksamen Querschnittes der Förderschnecke eine zusätzliche Verdichtung des Ausgangsstoffes erreicht werden.
Ein Problem der Vorrichtung besteht darin, dass das Material, aus dem die Wände der Behandlungskammer bestehen, eine ausreichend hohe Lebensdauer besitzen soll und insbesondere natürlich nicht durch die hohen Temperaturen im Inneren schmelzen dürfen.
Deshalb ist mittels eines Temperatur-Sensors eine Überwachung der Temperatur der Wände der Behandlungskammer notwendig.
Sofern die Steuerung und Begrenzung dieser Temperatur des Gehäuses durch die Steuerung der übrigen Parameter wie zugeführter Menge an Ausgangsstoff pro Zeiteinheit und zugeführter Menge an darin enthaltenen oder separat zugeführtem Hilfsstoff nicht ausreichend ist, oder begrenzt durch die maximale zulässige Temperatur an den Wänden der Behandlungskammer die Temperaturen im Inneren des Zyklons nicht hoch genug sind, so kann die Wand der Behandlungskammer auch aktiv von außen gekühlt werden, beispielsweise durch doppelwandige Ausführung und Zirkulation eines Kühlmittels zwischen den beiden Wänden, mit dessen Hilfe dann die innere Wand der Behälterkammer gekühlt wird.
Der Gasauslass in der ersten Behandlungskammer besitzt einen wesentlich kleineren Querschnitt als die Behandlungskammer selbst, beispielsweise einen Durchmesser, der nur ein Fünftel bis ein Zehntel des Durchmessers der Behandlungskammer beträgt.
Der Gasauslass ist in aller Regel offen, also wird nicht hinsichtlich seiner Öffnung von irgendeiner Verschlussvorrichtung wie etwa einem Ventil, verschlossen. Die Menge an Gas, die die Behandlungskammer durch den Gasauslass verlässt, hängt also ausschließlich von der Menge an neu in die Behandlungskammer eingebrachten Stoffen und deren Expansion bei der Umwandlung in Gas zusammen.
Der Gasauslass kann mit einer weiteren Behandlungskammer in Verbindung stehen, in welcher das aus der ersten Behandlungskammer ausströmende Gas eingebracht und dort weiterbehandelt wird.
Diese weitere Behandlungskammer befindet sich vorzugsweise unmittelbar axial stromabwärts der ersten Behandlungskammer. Das austretende Gas tritt durch den Gasauslass in der Regel nicht laminar in axialer Richtung aus, sondern aufgrund der Drehung des Zyklons in Form einer Spirale mit kleinerem Durchmesser entsprechend dem Durchmesser des Gasauslasses. Hinter dem verengten Gasauslass wird sich in der nächsten Behandlungskammer diese Spiralströmung wieder aufweiten und einen neuen, allerdings schwächeren, Zyklon auch in der zweiten Behandlungskammer ausbilden, was gefördert und unterstützt werden soll:
Der Sinn der zweiten Behandlungskammer ist ja eine weitere Optimierung der Umwandlung in das gewünschte Gas. Zu diesem Zweck müssen in die zweiten Behandlungskammer ggf. wiederum ein Hilfsstoff, der sog. Drittstoff, eingebracht werden, um die hierfür notwendigen Stoffe zuzuführen. Ebenso kann ein zusätzlicher Energieeintrag in diese zweite Behandlungskammer notwendig sein.
Dies kann entweder mit Hilfe der gleichen Wärme-Vorrichtung erfolgen, wie sie auch in der ersten Behandlungskammer vorhanden war. Dies kann jedoch auch durch einfache Wärmeübertragung aus der ersten Behandlungskammer in die zweite Behandlungskammer, beispielsweise mittels Heatpipes, erfolgen.
Das Einbringen der Hilfsstoffe erfolgt wiederum tangential und mit ausreichender Einströmgeschwindigkeit, um den Zyklon in der zweiten Behandlungskammer aufrecht zu erhalten und weiter zu betreiben bzw. zu verstärken.
Auf diese Art und Weise können der zweiten Behandlungskammer auch noch eine dritte oder weitere Behandlungskammern nachgeschaltet sein, wiederum verbunden mit der jeweils vorherigen Behandlungskammer über einen zentralen Gasauslass und eigene Energieerzeugungs- oder Zuführungseinheiten und ggf. Zuführungen für weitere Hilfsstoffe.
c) Ausführungsbeispiele
Ausführungsformen gemäß der Erfindung sind im Folgenden beispielhaft näher beschrieben. Es zeigen:
1a: die Behandlungsvorrichtung in der Seitenansicht,
1b: die Vorrichtung der 1a im Querschnitt an der Stelle der Plasmaeinspeisung,
2a: die Plasmadüse und
2b: einen Schnitt durch die Plasmadüse.
In 1a ist die Behandlungskammer 1 zu erkennen, die radial außen begrenzt ist von der zylindrischen Außenwand 2 und in Längsrichtung 10 auf der einen Seite durch eine passgenau in der Außenwand 2 geführte Förderschnecke 9, die mittels Drehung um ihre Längsachse einen Ausgangsstoff 23, in diesem Fall einen Feststoff, in die Behandlungskammer 1 hineinfördern kann.
Auf der gegenüberliegenden Seite ist die Behandlungskammer 1 stirnseitig im Wesentlichen verschlossen durch eine Stirnwand 24, in deren Zentrum sich allerdings ein Gasauslass 5 befindet, durch welchen in der Behandlungskammer 1 entstehendes Gas hindurchtreten kann.
Hinter der Stirnwand 24 befindet sich eine weitere, zweite Behandlungskammer 20, die auf der anderen Stirnseite wiederum durch eine Stirnwand 24‘ begrenzt wird, in der sich wiederum im Zentrum ein Gasauslass 5‘ befindet.
In die Behandlungskammer 1 wird außer dem Feststoff 23 mithilfe der möglichst abdichtend in der Außenwand 2 geführten Förderschnecke 9 auch tangential eine Plasmaflamme 13 hineingerichtet, wie die Querschnittsdarstellung entlang der Linie B-B der 1b zeigt:
Außerhalb des Umfangs der Behandlungskammer 1 befindet sich eine Plasmadüse 19, deren Strömungsrichtung tangential in die Behandlungskammer 1 hineingerichtet ist, so dass die aus der Plasmadüse 19 – die 2a in vergrößerter Darstellung gezeichnet ist – in die Behandlungskammer 1 hineinragende Plasmaflamme 13 durch die Außenwand 2 umgelenkt wird und – abhängig von der Einströmungsgeschwindigkeit der Plasmaflamme – vorzugsweise in der Behandlungskammer 1 einen Kreis schließt und dadurch einen drehenden Plasma-Zyklon 26 bildet.
Die Plasmaflamme 13 wird erzeugt, indem ein Plasma-Trägergas 7, beispielsweise Luft, mittels einer Überdruckquelle 6 durch die Rohrleitung 25, in der sich die Plasmadüse 19 befindet, in die Behandlungskammer 1 hineingepresst wird.
Im Zentrum der Rohrleitung 25 befindet sich ein in deren Längsrichtung verlaufender Stift, der aus elektrisch leitendem Material besteht und eine Zentralelektrode 17 darstellt. Die Wandung der Rohrleitung 25 ist – zumindest im Bereich der Zentralelektrode 17, insbesondere deren Spitze – ebenfalls elektrisch leitfähig ausgebildet und dient als weitere Elektrode 16, so dass zwischen den Elektroden 16 und 17 durch Anlegen einer ausreichend hohen Spannung ein zwischen den Elektroden sich ausbildender Lichtbogen 22 erzeugt werden kann.
Indem das Plasmaträgergas 7 durch diesen Lichtbogen 22 hindurchströmt und das Plasmaträgergas 7 dadurch ionisiert wird und eine sehr hohe Temperatur annimmt, entsteht durch die Strömungsgeschwindigkeit des Plasmaträgergases 7 die vom Lichtbogen 22 aus weit in die Behandlungskammer 1 hinein reichende Plasmaflamme 13.
Um den für das Auftreten eines Lichtbogens 22 passenden Abstand zwischen den beiden Elektroden zu erzeugen, kann die Rohrleitung 25 im Bereich der Spitze der Zentralelektrode 17 eine Verengung 18 aufweisen, so dass ein definierter radialer Abstand zwischen der Zentralelektrode 17 und der ringförmig umlaufenden Engstelle 18 gegeben ist. Auch eine axiale Verstellbarkeit der Zentralelektrode 17 zur Einstellung des Abstandes zu der Verengung 18 ist möglich.
Da innerhalb des Plasma-Zyklons 26 sehr hohe Temperaturen herrschen, wird der von der Förderschnecke 9 axial angelieferte Feststoff 23 vergast, sobald er in den Einflussbereich der hohen Temperatur des Plasma-Zyklons 26 gelangt. Welche Gase dabei entstehen hängt von den weiteren in der Behandlungskammer vorliegenden chemischen Elementen ab, insbesondere davon, wie viel Sauerstoff für die Oxidation, also Verbrennung, des Ausgangsstoffes 23 vorhanden ist.
Dies kann gesteuert werden, indem über einen oder mehrere über den Umfang verteilte Hilfsstoff-Einlässe 14 entsprechende, vorzugsweise gasförmige, Hilfsstoffe zusätzlich in die Behandlungskammer 1 eingegeben werden.
Vorzugsweise ist der Hilfsstoffeinlass 14 von der Richtung her ebenfalls tangential am Außenumfang in die Behandlungskammer 1 hineingerichtet, und kann dadurch eine – vor allem bei Verteilung mehrerer Hilfsstoffeinlässe 14 verteilt über den Umfang der Außenwand 2 – die Plasmaflamme 13 etwas gegenüber der Außenwand 2 abschirmende Grenzschicht erzeugen, bevor der einströmende Hilfsstoff in den Plasma-Zyklon 26 hineingezogen wird und sich mit der Plasmaflamme und dem vergasten Ausgangsstoff 23 vermischt.
Der Ausgangsstoff 23 wird vorzugsweise in den radialen Randbereichen der Behandlungskammer 1 zugeführt, was dadurch erreicht werden kann, dass die Förderschnecke einen vom Querschnitt her groß dimensionierten Kern 12 aufweist, und nur außerhalb davon Ausgangsstoff 23 axial gefördert wird.
Dadurch gelangt der Ausgangsstoff nur in die äußeren Randbereiche des Plasma-Zyklons 26, wo hohe Umlaufgeschwindigkeiten herrschen und der Ausgangsstoff 23 bzw. der vergaste Ausgangsstoff sehr schnell durch den Zyklon mitgerissen wird und rotiert.
Im vorliegenden Fall würde es sich bei dem Ausgangsstoff 23 um einen Feststoff handeln, so dass dessen Vergasung unter einem stark zunehmenden Volumen des Ausgangsstoffes 23 stattfindet. Da die Behandlungskammer 1 ein immer gleich bleibendes Volumen besitzt, setzt jede zusätzlich vergaste Ausgangsstoff-Einheit eine Verdrängung von Gas aus der Behandlungskammer 1 durch den Gasauslass 5 in Gang.
Wegen der zentralen Anordnung des Gasauslasses 5 werden aus der Behandlungskammer, insbesondere dem Plasma-Zyklon 26, primär Gasanteile aus dem Zentrum, also der Mitte des Zyklons, abgesaugt, wobei es sich um die leichtesten der in dem Plasma-Zyklon 26 kreisenden Teilchen, z.B. Gasmoleküle, handelt. Wenn das Ziel der Umwandlung in der Behandlungskammer beispielsweise das Zerlegen langkettiger großer Moleküle ist, werden durch den Gasauslass 5 vor allem kleine und leichte Moleküle hinausgedrückt.
Wenn der Ausgangsstoff 23 kohlenstoffhaltig ist, und das Ziel die Erzeugung eines Gasgemisches mit einem hohen Anteil Kohlenmonoxid ist, kann durch gesteuerte Zufuhr z.B. von Wasserdampf als Hilfsstoff durch den Hilfsstoffeinlass 15 diese Kohlenmonoxid-Entstehung gefördert werden, indem nicht zuviel Sauerstoff mittels des Wasserdampfes zugeführt wird, damit möglichst wenig oder gar keine Bildung von Kohlendioxid erfolgt.
Falls in der Behandlungskammer 1 die Umsetzung zu dem gewünschten herzustellenden Gas noch nicht vollständig genug erfolgt ist, und das durch den Gasauslass 5 austretende Gasgemisch das gewünschte Gas noch nicht in ausreichendem Maß enthält, kann in der nachgeordneten zweiten Behandlungskammer 20 dieser Umsetzungsprozess weitergeführt werden. Hierzu kann wiederum Hilfsstoff durch tangential angeordnete Hilfsstoffeinlässe 14 in die zweite Behandlungskammer 20 eingeführt werden, in der sich ja wiederum ein Zyklon ausbildet, der durch das tangentiale Einschießen des Hilfsstoffes weiter am Rotieren gehalten wird.
In der ersten Behandlungskammer 1 wird die hohe Temperatur im Plasma-Zyklon 26 gehalten, indem dort zumindest teilweise exotherme chemische Prozesse stattfinden, beispielsweise die Bildung von Kohlenmonoxid aus Kohlenstoff und dem Sauerstoff aus Luft bzw. Wasserdampf.
Durch das weitere vorliegen dieses exothermen Prozesses auch in der zweiten Behandlungskammer 20 kann dort die für die weitere Herstellung des gewünschten Gases notwendige Temperatur aufrechterhalten werden, entweder ohne eine separate Energiezufuhr mittels einer Plasmadüse 19 oder indem auch in der zweiten Behandlungskammer eine solche Plasmadüse 19 angeordnet ist.
Eines der größten Probleme ist dabei die in der Behandlungskammer 1, zumindest im Inneren des Plasmazyklons 26 herrschende, hohe Temperatur, die ohne weiteres in der Lage ist, die Behälterwand 2 wegschmelzen zu lassen.
Um dies zu verhindern, ist an der Behälterwand 2 an einer oder mehreren Stellen aussen jeweils ein Temperatursensor 15 angeordnet, der mit einer Steuerung in Verbindung steht, um den Prozess in der Behandlungskammer 1 so zu steuern, dass trotz ausreichender Temperatur in dem Plasma-Zyklon 26 die Temperatur in der Behälterwand 2, die vom Temperatursensor 15 gemessen wird, nicht über einen Grenzwert steigt, der abhängt vom Material der Behälterwand, die üblicherweise aus Edelstahl gefertigt ist.
Diese Temperatur kann gesteuert werden durch die Menge an zugeführtem Plasmaträgergas 7 und/oder an zugeführtem Hilfsstoff und/oder an zugeführtem Ausgangsstoff 23.
Die 2b zeigt einen Schnitt durch die Plasmadüse gemäß 2a an der Stelle der Verengung 18.
Dabei ist zu erkennen, dass sich zwischen der Zentralelektrode 17 und der ringförmigen darum herumverlaufenden anderen Elektrode 16 an einer Stelle des Umfanges ein Lichtbogen 22 ausbildet, der das hindurchströmende Plasma-Trägergas 7 ionisiert und zu einer Plasmaflamme 13 umwandelt.
Konkretes Beispiel:
Mit der beschriebenen Vorrichtung kann man beispielsweise aus kleinteilig geschredderten PET-Kunststoffabfällen, beispielsweise geschredderten PET-Getränkeflaschen, als Ausgangsstoff 23 ein Gas erzeugen, welches einen hohen Anteil an Kohlenmonoxid enthält und dadurch zum Zwecke der Energiegewinnung anschließend z.B. in einer Verbrennungsmaschine verbrannt werden kann.
Die Zufuhrmenge an Ausgangsstoff 23 wird auf einen fixen Wert von 5 bis 10 kg pro Stunde eingestellt.
Als Plasmaträgergas 7 kann man Luft verwenden, und diese in die Plasmadüse 19 mit 0,5 bar bis 5 bar Überdruck, vorzugsweise mit etwa 1,5 bar Überdruck, einspeisen.
Als Hilfsstoff, der über den Hilfsstoff-Einlass 14 eingegeben wird, wird Wasserdampf verwendet.
Die erste Behandlungskammer 1 besitzt einen Innendurchmesser von 150 mm, die Rohrleitung 25 für die Zuführung der Luft als Plasmaträgergas einen Innendurchmesser von 30 mm.
Der Durchmesser des Gasauslasses 5 beträgt zwischen 20 und 50 mm, vorzugsweise 30 mm.
Der radiale Abstand der beiden Elektroden beträgt 1 bis 20 mm, beispielsweise 10 mm, abhängig von der zur Verfügung stehenden Hochspannung, die zwischen 1000 und 20.000 V betragen sollte. Im Ergebnis müssen die beiden Parameter so aufeinander abgestimmt werden, dass eine Zündung des Lichtbogens 22 erreicht wird.
Unmittelbar nach Zündung des Lichtbogens 22 wird die Zufuhr des Plasmaträgergases 7 in Gang gesetzt.
Die Zufuhr an Hilfsstoff wird geregelt in Abhängigkeit von der vom Temperatursensor 15 gemessenen Temperatur auf der Außenseite der ersten Behandlungskammer 1. Bei Wänden aus Edelstahl wird diese bei 800 bis 1000°C, besser 900 bis 950°C gehalten, bei Ansteigen darüber wird die Zufuhr an Wasserdampf reduziert, bei Abfallen darunter die Zufuhr an Wasserdampf gesteigert.
Der Wasserdampf wird mit einem Überdruck von 0,5. bar bis 10 bar eingespeist.
Die Relation hinsichtlich des Gewichts zwischen den zugegebenen Stoffen sollte wie folgt gewählt werden:

Wasserdampf zu Ausgangsstoff (PET): 1:1

Plasmaträgergas (Luft) zu Ausgangsstoff (PET): 3–4:1.
Bezugszeichenliste

1: erste Behandlungskammer
2: Außenwand
3: Energie-Zufuhrvorrichtung, Plasma-Einlass
4: Ausgangsstoff-Einlass
5, 5‘: Gas-Auslass, Abzugsöffnung
6: Überdruckquelle
7: Plasma-Trägergas
8: Stirnfläche
9: Förderschnecke
10: axiale Richtung
11: tangentiale Richtung
12: Kern
13: Plasmaflamme
14: Hilfsstoff-Einlass
15: Temperatursensor
16: Elektrode
17: Elektrode, Zentralelektrode
18: Verengung, Engstelle
19: Plasmadüse
20: zweite Behandlungskammer
21: Drittstoff-Einlass
22: Lichtbogen
23: Ausgangsstoff
24, 24‘: Stirnwand
25: Rohrleitung
26: Plasma-Zyklon

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011015807 [0006]

Claims

Verfahren zum Umwandeln eines Ausgangsstoffes (23) in ein Gas, vorzugsweise in einer Behandlungskammer (1), wobei der Ausgangsstoff (23) mit einer hohen Temperatur von mindestens 1000° C, besser mindestens 2000° C, besser mindestens 3000° C, insbesondere in Form eines Plasmas, welches mit einem Plasma-Trägerstoff (7) erzeugt wird, beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, dass – der Ausgangsstoff (23) der hohen Temperatur, insbesondere dem Plasma, solange ausgesetzt wird, bis der Ausgangsstoff (23) in dem gewünschten Maße, insbesondere vollständig, vergast ist und – dem Ausgangsstoff (23) dabei die chemischen Elemente, die zur Herstellung des gewünschten Gases benötigt werden, in der benötigten Menge, ggf. in dem benötigten Zustand, zugeführt werden, entweder in Form des Plasma-Trägerstoffes (7) oder in Form eines zusätzlichen Hilfsstoffes.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgangsstoff (23) der hohen Temperatur, insbesondere dem Plasma, mehrfach hintereinander ausgesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erhitzte Ausgangsstoff (23), insbesondere das mit dem Ausgangsstoff (23) vermischte Plasma, im Kreis geführt wird und einen Zyklon bildet, und der vergaste Ausgangsstoff (23) aus dem radialen Zentrum des Zyklons abgezogen und in insbesondere eine zweite Behandlungskammer (20) überführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Plasma-Trägerstoff (7) ein Gas, insbesondere Luft oder Wasserdampf, verwendet wird und/oder mit einer Strömungsgeschwindigkeit von mindestens 1,2 m/s, vorzugsweise von mindestens 1,5 m/s, vorzugsweise von mindestens 3,4 m/s, in den Zyklon tangential eingeblasen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Plasma mit Hilfe eines elektrischen Lichtbogens (22) erzeugt wird und insbesondere die Verbindungslinie zwischen positiver und negativer Elektrode (16, 17) des Lichtbogens (22) quer zur Einblasrichtung des Plasma-Trägerstoffes (7) liegt, und insbesondere eine ringförmige Elektrode (16) verwendet wird, in deren Zentrum sich eine punktförmige oder stiftförmige andere Zentral-Elektrode (16) befindet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einströmungsgeschwindigkeit des Hilfsstoffes größer, insbesondere um ein Mehrfaches größer, ist als die Einströmgeschwindigkeit des Plasma-Trägerstoffes (7), und/oder das Plasma mit Hilfe einer elektromagnetischen Strahlung, insbesondere mit Hilfe von Mikrowellen-Strahlung, erzeugt wird, indem durch die Mikrowellen-Strahlung ein Lichtbogen zwischen dem Mikrowellen-Strahler und einem im Mikrowellen-Bereich angeordneten Metallteil erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der insbesondere gasförmige Hilfsstoff radial außerhalb des Zyklons mit Überdruck eingebracht wird um die unmittelbare Umgebung des Zyklons thermisch zu steuern und/oder die Größe des Zyklons zu steuern und/oder die benötigten chemischen Elemente in die Behandlungskammer (1) in der benötigten Menge einzuleiten, und/oder der Ausgangsstoff (23) dem Zyklon in axialer Richtung in dessen radial äußeren Bereichen entweder über die gesamte Stirnfläche des Zyklons oder tangential an einem oder mehreren einzelnen Punkten des Umfanges zugeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozess gesteuert wird durch – Einströmmenge pro Zeiteinheit und/oder Einströmungsgeschwindigkeit des Plasma-Trägerstoffes (7) oder – Einströmmenge pro Zeiteinheit oder Einströmgeschwindigkeit des Hilfsstoffes oder – Einbringungsmenge pro Zeiteinheit des Ausgangsstoffes (23) oder – Stromstärke oder Spannung des Lichtbogens (22) oder – die Größe der Abzugsöffnung aus der Behandlungskammer oder eine Kombination dieser Parameter.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtbogen (22) zur Erzeugung des Plasmas mittels Wechselstrom betrieben wird, und/oder das Plasma mittels Wechselstrom pulsierend erzeugt wird, insbesondere der Lichtbogen (22) pulsierend erzeugt wird, insbesondere mit einer Periodenlänge von jeweils unter 1 Sekunde, insbesondere unter 500 Millisekunden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Reaktionskammer (1) ein Überdruck herrscht, der sich einstellt in Abhängigkeit von vor allem der Drosselwirkung, die von der Größe der Abzugsöffnung (5) abhängt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem aus dem Zentrum des Zyklons abgezogenen Gas in der zweiten Behandlungskammer (20) ein Dritt-Stoff, insbesondere ein Dritt-Gas, zugeführt wird, insbesondere in tangentialer Richtung mit einer Einströmgeschwindigkeit von mindestens 1,5 m/s und dadurch eine weitere Verwirbelung des Gases und Vermischung mit dem Dritt-Stoff erfolgt, und/oder in der zweiten oder einer weiteren Bearbeitungsstufe das Gas mit einer weiteren Energiezufuhr, insbesondere in Form einer Beaufschlagung mit einer hohen Temperatur von mindestens 1000 °C, besser mindestens 2000 °C, insbesondere in Form einer Plasmaflamme (13) wie in der ersten Stufe, in Kontakt gebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Energiezufuhr zum Erzeugen und Halten von hohen Temperaturen von mindestens 1000° C, besser mindestens 2000° C, besser mindestens 3000° C in der Behandlungskammer (1) erfolgt, und/oder die Energiezufuhr-Vorrichtung ein Plasma-Einlass ist, der oder diesem vorgelagert eine elektrische Lichtbogen-Vorrichtung vorhanden ist, die insbesondere aus einer ringförmigen Elektrode sowie einer im Zentrum dieser ringförmigen Elektrode angeordneten Zentralelektrode besteht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Erzielung eines brennbaren kohlenstoffhaltigen Gases in die Behandlungskammer maximal so viel Sauerstoff, auch in chemisch gebundener Form, eingebracht wird, dass der im Ausgangsstoff (23) vorhandene Kohlenstoff maximal vollständig zu Kohlenmonoxid, insbesondere nur teilweise zu Kohlenmonoxid umgewandelt werden kann und die Menge an zugeführtem Sauerstoff maximal so hoch gewählt wird, dass die Temperatur der Behälterwand (2) der Behandlungskammer (1) nicht über 1100°, vorzugsweise nicht über 1000°, vorzugsweise nicht über 900° C ansteigt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Behandlungskammer (1) ein Überdruck von mindestens 5 bar, insbesondere von mindestens 15 bar, herrscht, und/oder die Rotationsgeschwindigkeit des Zyklons mindestens 5000 U/min., insbesondere mindestens 10.000 U/min., insbesondere mindestens 15.000 U/min., beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Außenumfang des Zyklons und den Innenwänden der Behandlungskammer in tangentialer Richtung ein auch bei hohen Temperaturen inertes Gas eingespritzt wird, insbesondere mit einer Einströmgeschwindigkeit, die höher ist und insbesondere ein Mehrfaches der Strömungsgeschwindigkeit des Zyklons in seinen äußeren Randbereichen, beträgt, und/oder der Ausgangsstoff (23) unmittelbar vor dem Einbringen in die Behandlungskammer (1) verdichtet wird, insbesondere mit einem Druck von mindestens 3 bar, besser mindestens 5 bar.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgangsstoff (23) vor dem Einbringen in die Behandlungskammer (1) ionisiert wird, und/oder wahlweise eine Wärmeübertragung zwischen erster und zweiter Behandlungskammer erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur an der heißesten Stelle des Zyklons bei mindestens 5000 °C, besser mindestens 8000 °C, besser 12.000 °C gehalten wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgangsstoff (23) mit einer Temperatur zwischen 0 Grad und 100 Grad, insbesondere mit Zimmertemperatur, in die Behandlungskammer (1) eingebracht wird, und/oder der Plasma-Trägerstoff (7), insbesondere Luft oder Wasserdampf, mit einer Temperatur von mehr als 150 °C, besser mehr als 200 °C, besser mehr als 250 °C in die Behandlungskammer (1) eingebracht wird.
Vorrichtung zum Umwandeln eines Ausgangsstoffes(23) in ein Gas mit – einer ersten Behandlungskammer (1) mit einem ringförmigen Außenumfang – einer Energiezufuhr-Vorrichtung zum Erzeugen und Halten von hohen Temperaturen von mindestens 1000 °C, besser mindestens 2000°C, besser mindestens 3000°C in der Behandlungskammer (1), – einem Ausgangsstoff-Einlass (4), – einem im radialen Zentrum der ersten Behandlungskammer (1) angeordneten Gas-Auslass (5), – gegebenenfalls wenigstens einem Hilfsstoff-Einlass (14).
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Vorrichtungs-Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiezufuhr-Vorrichtung ein Plasma-Einlass ist, der tangential in den Querschnitt der ersten Behandlungskammer (1) gerichtet ist und mit einer Überdruckquelle (6) für das Plasma-Trägergas (7) in Verbindung steht, und/oder eine Steuerung vorhanden ist, die insbesondere die Parameter des Behandlungsprozesses steuert, insbesondere Einbringungsgeschwindigkeit und /oder Einbringungsmenge der Stoffe.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Vorrichtungs-Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Plasma-Erzeugung elektromagnetische Strahlung, insbesondere Mikrowellen-Strahlung oder Laserstrahlung oder Photonenstrahlung verwendet wird und/oder der Ausgangsstoff-Einlass (4) in der hohlen Zentralelektrode (17) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Vorrichtungs-Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgangsstoff-Einlass (4) in der Stirnfläche des Gehäuses der ersten Behandlungskammer (1) angeordnet ist und der Ausgangsstoff (23) insbesondere mit einer Förderschnecke (9), die einen zentralen Kern (12) aufweist, in die radialen Randbereiche der Behandlungskammer (1) hineingefördert wird und insbesondere der zentrale Kern (12) der Förderschnecke (9) axial nicht bis in den Bereich der Plasma-Zuführung reicht.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Vorrichtungs-Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Seite des Auslasses der ersten Behandlungskammer (1) eine zweite Behandlungskammer (20) mit ringförmigem Außenumfang nachgeschaltet ist, in der eine Zuführöffnung für einen Hilfsstoff insbesondere tangential in die zweite Behandlungskammer (20) hinein angeordnet ist, die einen im radialen Zentrum angeordneten Gasauslass aufweist und insbesondere die zweite Behandlungskammer (20) und/oder weitere axial nachgeschaltete Behandlungskammern eine Zufuhröffnung für ein Plasma oder eine andere Energiequelle besitzen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Vorrichtungs-Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens die erste Reaktionskammer (1), insbesondere alle Reaktionskammern (20) von einem Kühlmittel-führenden Mantel umgeben ist, welcher insbesondere zum Verdampfen von Wasser für den im Verfahren ggf. benötigten Wasserdampf verwendet wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Vorrichtungs-Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Behandlungskammer (1) mit ihrer axialen Richtung aufrecht, insbesondere vertikal, steht, und/oder als eine Elektrode (16, 17) des elektrischen Lichtbogens (22) der elektrisch leitfähige oder elektrische leitfähig gemachte Ausgangsstoff (23) dient, und/oder als Energiezuführ-Vorrichtung Heatpipes in die Behandlungskammer (1) hineinragen.