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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Pyrolyseanlage, bei dem ein organischer Ausgangsstoff in einem Pyrolysereaktor thermo-chemisch unter indirekter Wärmezufuhr in zumindest ein festes, flüssiges und/oder gasförmiges Pyrolyseprodukt umgewandelt wird, wobei die benötigte Wärmeenergie durch eine Brennervorrichtung erzeugt wird. Ferner betrifft die Erfindung eine Pyrolyseanlage zur Erzeugung zumindest eines festen, flüssigen und/oder gasförmigen Pyrolyseproduktes.
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Die thermo-chemische Spaltung organischer Verbindungen bei hohen Temperaturen (z. B. zwischen 200 °C bis 900 °C) wird als Pyrolyse bezeichnet. Dabei entstehen aus einem organischen Ausgangsmaterial je nach Ausgangsstoff und Verfahrensführung feste, flüssige und/oder gasförmige Stoffe. Das Verfahren kann unter Umgebungsdruck oder unter diesem gegenüber erhöhtem Druck durchgeführt werden. Bei der sogenannten indirekten Pyrolyse wird ein geschlossener Raum innerhalb eines Pyrolysereaktors, der mit organischem Ausgangsmaterial gefüllt ist, von außen mit Wärme beaufschlagt, wobei die Atmosphäre im Inneren des Raums von der äußeren getrennt ist. Die Pyrolyse findet z. B. zur Herstellung von Futtermittelkohle, Aktivkohle, Düngeprodukten oder Kraftstoffen Anwendung.
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Bei der Pyrolyse entsteht neben dem eigentlichen Pyrolyseprodukt als Nebenprodukt häufig überschüssiges, brennbares Pyrolysegas. Dieses wird zur sicheren Abführung abgefackelt oder, bei neueren Pyrolyseanlagen, auch zur Wärmeversorgung verbrannt. Dabei kann die erzeugte Wärme teilweise zum Betrieb der Pyrolyseanlage verwendet werden. Der Energiegehalt des entstehenden Pyrolysegases kann über die notwendige Wärmemenge zur Durchführung der Pyrolyse hinausreichen, sodass der restliche Anteil an Wärme darüber hinaus genutzt werden kann.
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Die
DE 201 22 633 U1 zeigt eine Anlage mit einem Pyrolysereaktor und einem Turbogenerator. Zumindest ein Teil des Abgases aus dem Turbogenerator strömt zu dem Pyrolysereaktor und gibt Energie zur Durchführung des Pyrolyseprozesses an den Pyrolysereaktor ab. Dabei wird das Abgas zum Wärmeaustausch mit dem Pyrolysereaktor verwendet.
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In der
EP 2 236 581 A2 ist eine Vorrichtung zur thermochemischen Umwandlung bzw. Pyrolyse von Holz offenbart. Dabei wird ein Schneckenreaktor, in dem die Pyrolyse abläuft, mittels Abgas aus einer Brennkammer beheizt. Weiterhin ist eine Heißgasturbine vorhanden, die mit Luft betrieben wird, welche über das Abgas mittels eines Abgas-Luft-Wärmetauschers erwärmt wurde.
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In der
EP 1 943 463 B1 ist eine Pyrolyseanlage und ein Verfahren zum Betreiben der Pyrolyseanlage angegeben, bei welcher bzw. bei dem die zur Pyrolyse benötigte Wärmeenergie durch Verbrennung des Pyrolysegases mittels eines Brenners erzeugt wird.
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Die WO 2014/ 027 005 A2 zeigt eine Brennervorrichtung, die zum Betrieb nach dem FLOX®-Prinzip ausgebildet ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben der Pyrolyseanlage bzw. eine Pyrolyseanlage mit einer effizienten Nutzung des Pyrolysegases bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird für das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dabei ist vorgesehen, dass das in der Brennervorrichtung erzeugte Abgas stromab der Brennervorrichtung in einer Turbinenvorrichtung unter Antrieb einer mit der Turbinenvorrichtung mechanisch, insbesondere über eine Welle, gekoppelten Einrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie und/oder (unter Antrieb einer mechanisch, insbesondere über eine Welle, gekoppelten) Verdichtervorrichtung auf einen geringeren Druck entspannt wird und dass Wärmeenergie aus dem entspannten Abgas, stromab der Turbinenvorrichtung, für die Pyrolyse genutzt wird.
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Bei der Einrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie handelt es sich insbesondere um einen Generator. Die Verdichtervorrichtung dient dazu, dass Arbeitsmedium zum Antrieb der Turbinenvorrichtung um eine bestimmte Druckdifferenz, z. B. mit einem Druckverhältnis zwischen 1/2 und 1/15, auf einen Arbeitsdruck zu verdichten.
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Auf diese Weise wird, neben der Erzeugung der benötigten Wärmeenergie für die Pyrolyse, durch die Brennervorrichtung umgewandelte bzw. bereitgestellte thermische Energie zusätzlich genutzt, um einerseits die Verdichtervorrichtung und andererseits die Einrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie, insbesondere den Generator, anzutreiben. So kann bei dem Pyrolyseprozess über die Einrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie zusätzlich elektrische Energie ausgekoppelt und zur Nutzung und/oder Speicherung zur Verfügung gestellt werden. Die Pyrolyseanlage ist somit vorteilhaft mit einer (Mikro-)Gasturbinenanlage zur Kraft-Wärme-Kopplung, zur zusätzlichen Erzeugung elektrischer Energie, gekoppelt bzw. die (Mikro-) Gasturbinenanlage ist in die Pyrolyseanlage integriert. Die Dimensionierung der Brennervorrichtung und/oder der Gasturbinenanlage ist z. B. auf die benötige Wärmeleistung der Pyrolyseanlage ausgelegt, wobei die Leistung der Gasturbinenanlage beispielsweise bis 500 kW betragen kann. So lässt sich vorteilhaft die Gesamteffizienz der Pyrolyseanlage, insbesondere hinsichtlich der Nutzung des Pyrolysegases, erhöhen.
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Dabei wird das entspannte Abgas stromab der Turbinenvorrichtung durch eine Wärmetauschvorrichtung, insbesondere einen Rekuperator, geleitet, wobei das entspannte Abgas Wärmeenergie an einen Oxidator, insbesondere Luft, abgibt, welcher der Brennervorrichtung als eine Frischgaskomponente zur Verbrennung zugeführt wird, wobei der Oxidator z. B. auf eine Temperatur zwischen 200 °C und 900 °C, insbesondere zwischen 400 °C und 700 °C, z. B. 600 °C, vorgewärmt wird. Durch eine derartige thermische Kopplung bzw. Wärmeübertragung zwischen Abgas und Frischgas lässt sich zum einen die Gesamteffizienz der Anlage weiter steigern. Zum anderen bietet die Vorwärmung des Frischgases Vorteile für die Verbrennung innerhalb der Brennervorrichtung, beispielsweise für einen stabilen Betrieb der Brennervorrichtung.
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Dabei wird der derartig vorgewärmte Oxidator, bzw. zumindest ein Teilstrom desselben, vor Zufuhr in die Brennervorrichtung zur Abgabe von Wärmeenergie durch den Pyrolysereaktor geleitet. Der Pyrolysereaktor ist demnach (wärmeträgermediumsseitig) in dem Oxidatorstrang angeordnet, oder in einem mit dem Oxidatorstrang in Strömungsverbindung stehenden bzw. von Oxidator durchströmbaren Teilstrang, sodass der Pyrolysereaktor von dem vorgewärmten Oxidator, zumindest von einem daraus abgezweigten Teilstrom, durchströmt wird. Dadurch kühlt sich der vorgewärmte Oxidator etwas ab, beispielsweise um eine Temperaturdifferenz zwischen 20 K und 200 K, je nach Betriebsparametern (z. B. nach Wärmebedarf des Pyrolysereaktors, Massenströmen etc.). Auf diese Weise wird die Wärmeenergie des entspannten Abgases indirekt, d. h. nach Übertragung auf den Oxidator und dessen Leitung durch den Pyrolysereaktor, genutzt. Der Oxidator wirkt dabei als Wärmeträgermedium. Dies bringt den Vorteil, dass nicht das Abgas direkt, sondern der Oxidator als (sauberes) Wärmeträgermedium genutzt und durch den Pyrolysereaktor geleitet wird. So wird der Pyrolysereaktor vor etwaiger Verschmutzung oder korrosiven Bestandteilen, welche (z. B. zeitweise) im Abgas vorhanden sein können, geschützt. Solche Verunreinigungen können z. B. bei instationären Prozessen, z. B. bei Zündung, Lastwechsel etc. auftreten, insbesondere bei der Verbrennung des Pyrolysegases in der Brennervorrichtung. So wird der Pyrolysereaktor auf Seiten des Wärmeträgermediums, welches ihn durchströmt, geschützt.
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Vorzugsweise wird der Brennervorrichtung als Brennstoff ein bei der Pyrolyse entstehendes (Neben-) Produkt, insbesondere Pyrolysegas, und/oder ein aus einer anderen Quelle entnommenes Brenngas, insbesondere Erdgas, als eine Frischgaskomponente zur Verbrennung zugeführt. Bei dem Brennstoff kann es sich somit um Pyrolysegas, ein anderes Brenngas (insbesondere Erdgas) oder ein Gemisch aus beidem handeln, wobei auch über die Betriebszeit variable Zusammensetzungen denkbar sind. So kann beispielsweise bei einem Anfahren der Pyrolyseanlage die Brennervorrichtung zunächst mit Erdgas betrieben werden, welches nach Anlaufen der Pyrolysereaktion (zumindest teilweise) durch Pyrolysegas ersetzt wird. Je nach Druckverhältnis zwischen Pyrolysereaktor und Brennervorrichtung kann bei der Überleitung zwischen dem Pyrolysereaktor und der Brennervorrichtung z. B. eine Verdichtervorrichtung vorgesehen sein, um das Pyrolysegas auf einen etwaigen höheren Druck zum Einbringen innerhalb der Brennervorrichtung zu verdichten.
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In vorteilhaften Verfahrensvarianten kann der Oxidator stromauf der Brennervorrichtung von im Wesentlichen Umgebungsdruck auf einen höheren Druck verdichtet werden, d.h. die Verdichtervorrichtung ist in dem Oxidatorstrang angeordnet. Alternativ kann das Abgas stromab der Brennervorrichtung ausgehend von einem subatmosphärischen Druck auf im Wesentlichen Umgebungsdruck verdichtet werden, d.h. die Verdichtervorrichtung ist in dem Abgasstrang angeordnet. Das Verdichtungsverhältnis kann beispielsweise zwischen 1/ 2 und 1/ 15, z. B. zwischen 1/4 und 1/6 liegen. „Im Wesentlichen“ bedeutet jeweils unter Berücksichtigung etwaiger Druckverluste innerhalb des Oxidator- bzw. Abgasstranges und/oder der Komponenten (z. B. innerhalb der Brennervorrichtung).
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Letztgenannte Variante eröffnet insbesondere eine hohe Flexibilität in Kombination mit der Verfahrensführung bei der Pyrolyse innerhalb des Pyrolysereaktors. Denn dabei wird die Brennervorrichtung im Wesentlichen bei Umgebungsdruck betrieben. So ergibt sich auch bei atmosphärischen oder nur leicht erhöhten Drücken innerhalb des Pyrolysereaktors ein positives Druckgefälle hin zu der Brennervorrichtung, sodass das Pyrolysegas aus dem Pyrolysereaktor auch ohne zusätzliche Verdichtung in die Brennervorrichtung strömen kann. Auf die zusätzliche Verdichtervorrichtung innerhalb der Pyrolysegasleitung zwischen dem Pyrolysereaktor und der Brennervorrichtung kann so vorteilhaft verzichtet werden.
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Die Gesamteffizienz der Anlage lässt sich weiter steigern, wenn das entspannte Abgas stromab der Turbinenvorrichtung, insbesondere stromab der Wärmetauschvorrichtung, durch eine Abgaswärmetauscheinrichtung zur Erzeugung von Nutzwärme geleitet wird. Die Abgaswärmetauscheinrichtung kann beispielsweise einer Fernwärmeversorgung zugeordnet sein, und mit einem entsprechenden Wärmetauschermedium durchströmt werden.
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Ebenfalls zur Steigerung der Gesamteffizienz dient die vorteilhafte Maßnahme, wenn das entspannte Abgas stromab der Turbinenvorrichtung, insbesondere stromab der Wärmetauschvorrichtung und/oder der Abgaswärmetauscheinrichtung, eine Trocknungseinrichtung der Pyrolyseanlage zur Trocknung der organischen Ausgangsstoffe durchströmt. Auf diese Weise kann die Restwärme des Abgases von z. B. zwischen 40 °C und 100 °C, vorteilhaft zur Trocknung des organischen Ausgangsstoffes genutzt werden, bevor das Abgas an die Umgebung abgegeben wird.
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Bei der Pyrolyseanlage, die insbesondere dazu ausgebildet ist, das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele durchzuführen, wird die Aufgabe erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst. Dabei ist vorgesehen, dass in dem Abgasstrang stromab der Brennervorrichtung eine Turbinenvorrichtung zur Entspannung des in der Brennervorrichtung erzeugten Abgases vorhanden ist, die mit einer Verdichtervorrichtung und/oder einer Einrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie mittels einer Welle mechanisch gekoppelt ist, dass der Pyrolysereaktor in dem Oxidatorstrang angeordnet ist, sodass der Pyrolysereaktor von Oxidator durchströmbar ist und dass zur thermischen Kopplung zwischen dem Abgas und dem Oxidator eine Wärmetauschvorrichtung vorhanden ist, die in dem Abgasstrang stromab der Turbinenvorrichtung und in dem Oxidatorstrang stromauf des Pyrolysereaktors derart angeordnet ist, dass das Abgas Wärmeenergie an den Oxidator abgibt und der derart vorgewärmte Oxidator zur Abgabe von Wärmeenergie den Pyrolysereaktor durchströmt.
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Vorteilhafte Ausgestaltungsvarianten der Pyrolyseanlage sind in Zusammenhang mit den Ausführungsvarianten des erfindungsgemäßen Verfahrens vorstehend sinngemäß beschrieben.
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Daneben kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass die Brennervorrichtung einen rezirkulationsstabilisierten Strahlflammenbrenner, insbesondere ausgebildet zum Betrieb nach dem FLOX
®-Prinzip, umfasst. Eine derartige Brennervorrichtung ist beispielsweise in der
WO 2014/027005 angegeben und zeichnet sich insbesondere durch eine hohe Betriebsflexibilität (z. B. betreffend Lastwechsel) und Brennstoffflexibilität aus.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 ein schematisches Fließbild einer erfindungsgemäßen Pyrolyseanlage, wobei eine Verdichtervorrichtung in einem Oxidatorstrang angeordnet ist und
- 2 ein schematisches Fließbild einer weiteren Ausführungsvariante einer Pyrolyseanlage, wobei eine Verdichtervorrichtung in dem Abgasstrang angeordnet ist.
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1 zeigt ein schematisches Fließbild einer Pyrolyseanlage 1 zur thermochemischen Umwandlung bzw. Pyrolyse eines organischen Ausgangsstoffes bzw. von Biomasse. Die Pyrolyseanlage umfasst vorzugsweise einen Vorratsbehälter 12, der z. B. eine Trocknungseinrichtung aufweisen kann. Der Vorratsbehälter 12 wird aus einer oder mehreren Ausgangsstoffquellen 11 mit dem organischen Ausgangsmaterial beschickt.
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Weiterhin umfasst die Pyrolyseanlage 1 einen Pyrolysereaktor 10, der über eine Fördereinrichtung 15, z. B. umfassend eine Schleuse, mit dem Vorratsbehälter 12 zur Versorgung mit organischen Ausgangsstoffen in Verbindung steht. Der Pyrolysereaktor 10 ist zur Durchführung eines indirekten Pyrolyseprozesses ausgebildet und umfasst zu diesem Zweck z. B. eine Wärmetauscheinrichtung 13. Mittels der Wärmetauscheinrichtung 13 kann thermische Energie bzw. Wärmeenergie von einem äußeren Raum, durch welchen ein Wärmeträgermedium, insbesondere ein Gas, strömt, auf einen inneren Raum mit dem organischen Ausgangsmaterial übertragen werden. In dem inneren Raum wird das organische Ausgangsmaterial für die Pyrolyse z. B. auf Temperaturen zwischen 200 °C und 900 °C erwärmt. Nach Beendigung des Pyrolyseprozesses wird das entstandene feste, flüssige und/oder gasförmige Pyrolyseprodukt 14, z. B. Futtermittelkohle, Aktivkohle, ein Düngeprodukt oder Kraftstoff, dem Pyrolysereaktor 10 entnommen. Die Pyrolyse kann kontinuierlich oder in einem Batchprozess durchgeführt werden.
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Ein Hauptaugenmerk der Erfindung liegt auf der Prozessseite zur Erzeugung der thermischen Energie bzw. Wärmeenergie für die Pyrolyse innerhalb der Pyrolyseanlage 1. Zur Erzeugung der Wärmeenergie dient eine Brennervorrichtung 20, die beispielsweise einen Brenner zum Betrieb nach dem FLOX®-Prinzip aufweisen kann. Die Wärmeenergie für die Pyrolyse, die dem Pyrolysereaktor 10 zugeführt wird, entstammt dem in der Brennervorrichtung 20 erzeugten Abgas. Dazu ist der Pyrolysereaktor 10 mit einem Abgasstrang 30 stromab der Brennervorrichtung 20 thermisch gekoppelt.
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Die Brennervorrichtung 20 steht vorzugsweise, z. B. über eine Pyrolysegasleitung 40, mit dem Pyrolysereaktor 10 in Strömungsverbindung, um bei der Pyrolyse als Nebenprodukt entstehendes Pyrolysegas der Brennervorrichtung 20 zuzuführen und energetisch zu nutzen, d. h. durch Verbrennung in Wärmeenergie umzuwandeln. Vorzugsweise ist eine zusätzliche Brennstoffleitung 41 vorhanden, um der Brennervorrichtung 20 zusätzlichen Brennstoff, insbesondere Erdgas, oder auch (z. B. wasserstoffhaltiges) Synthesegas oder dergleichen, zuzuführen.
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Stromauf der Brennervorrichtung 20 ist derselben ein Oxidatorstrang 31 zugeordnet. Über den Oxidatorstrang 31 wird der Brennervorrichtung 20 im Betrieb Oxidator, insbesondere Luft, als eine Frischgaskomponente zugeführt.
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Um die Gesamteffizienz der Pyrolyseanlage 1 zu erhöhen, ist in dem Abgasstrang 30 stromab der Brennervorrichtung 20 eine Turbinenvorrichtung 21 zur Entspannung des aus der Brennervorrichtung 20 austretenden heißen Abgases angeordnet. Die Turbinenvorrichtung 21 ist über eine Welle mit einer Verdichtervorrichtung 22 und einem Generator 23 mechanisch gekoppelt. Der Generator 23 dient zur Erzeugung und Auskopplung elektrischer Energie z. B. in ein Stromnetz oder eine elektrische Speichereinrichtung (hier nicht gezeigt). Auf diese Weise kann die mittels der Brennervorrichtung 20 erzeugte Wärmeenergie, insbesondere aus dem Pyrolysegas, neben Nutzung zur Pyrolyse zusätzlich energetisch zur Erzeugung elektrischer Energie genutzt werden. So wird vorteilhaft eine effiziente Kraft-Wärme-Kopplung auf der Prozessseite zur Erzeugung der Wärmeenergie für die Pyrolyse erhalten. Dabei ist die Brennervorrichtung 20 mit der Turbinen- und Verdichtervorrichtung 21, 22 sowie dem Generator 23 in Art einer (Mikro-)Gasturbinenanordnung gekoppelt, wobei als Arbeitsmedium der Oxidator bzw. das Abgas genutzt werden.
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Die Verdichtervorrichtung 22 dient zur Verdichtung des Arbeitsmediums (Oxidator oder Abgas) auf der Prozessseite zur Wärmeerzeugung. In dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist die Verdichtervorrichtung 22 in dem Oxidatorstrang 31 angeordnet, wo die Verdichtervorrichtung 22 zur Verdichtung des Oxidators stromauf der Brennervorrichtung 20 auf einen Druck oberhalb des Umgebungsdrucks dient, auf z. B. einen Druck zwischen 2 bar und 15 bar.
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Zur thermischen Kopplung des heißen Abgases mit dem Pyrolysereaktor 10 umfasst die Pyrolyseanlage 1 eine Wärmetauschvorrichtung 50, die insbesondere als Rekuperator ausgebildet ist. Die Wärmetauschvorrichtung 50 dient zur Übertragung der Wärmeenergie aus dem entspannten Abgas stromab der Turbinenvorrichtung 21 auf den einströmenden Oxidator. Dazu ist die Wärmetauschvorrichtung 50 abgasseitig in dem Abgasstrang 30 stromab der Turbinenvorrichtung 21 und frischgasseitig in dem Oxidatorstrang 31, stromauf des Pyrolysereaktors 10 sowie stromab der Verdichtervorrichtung 22, angeordnet.
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Der Pyrolysereaktor 10 ist strömungsmechanisch in dem Oxidatorstrang 31, oder einem mit dem Oxidatorstrang 31 in Strömungsverbindung stehenden Teilstrang, stromab der Wärmetauschvorrichtung 50 angeordnet, sodass der Pyrolysereaktor 10 zumindest von einem Teilstrom des vorgewärmten Oxidators durchströmbar ist.
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Zur weiteren Verbesserung der Gesamteffizienz der Pyrolyseanlage 1 kann stromab der Wärmetauschvorrichtung 50 eine Abgaswärmetauscheinrichtung 51 angeordnet sein. Die Abgaswärmetauscheinrichtung 51 ist von Abgas durchströmbar und ist z. B. einer Fernwärmeversorgung 51 zugeordnet. Zu diesem Zweck kann die Abgaswärmetauscheinrichtung 51 mit einem Wärmetransportmedium 52 der Fernwärmeversorgung durchströmt werden. Zur weiteren energetischen Nutzung der Restwärme des Abgases kann dieses vorteilhaft der Trocknungseinrichtung innerhalb des Vorratsbehälters 12 zugeführt werden.
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Das Ausführungsbeispiel gemäß 2 entspricht im Wesentlichen dem Ausführungsbeispiel gemäß 1, wobei die Verdichtervorrichtung 22 in 2 stromab der Brennervorrichtung 20, in dem Abgasstrang 30, angeordnet ist. Dabei bildet die Verdichtervorrichtung 22 z. B. die letzte Komponente stromauf des Auslasses des Abgases in die Umgebung. In diesem Ausführungsbeispiel dient die Verdichtervorrichtung 22 zur Verdichtung des Abgases von einem subatmosphärischen, d. h. unterhalb Umgebungsdruck liegenden, Drucks auf im Wesentlichen Umgebungsdruck. „Im Wesentlichen“ bedeutet dabei unter Berücksichtigung der Druckverluste beim Ausströmen des Abgases, die überwunden werden, so dass das Abgas im Betrieb in die Umgebung gelangen kann.
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Während des Pyrolysebetriebs wird die Brennervorrichtung 20 zur Erzeugung von Wärmeenergie für die Pyrolyse mit Pyrolysegas und/oder einem anderen Brenngas, insbesondere Erdgas, betrieben. Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel wird dabei Oxidator, im Weiteren auch als „Luft“ bezeichnet, über die in dem Oxidatorstrang 31 angeordnete Verdichtervorrichtung 22 angesaugt und auf einen Druck oberhalb des Umgebungsdruckes, z. B. auf einen Druck zwischen 2 bar und 15 bar, insbesondere zwischen 4 bar und 6 bar, verdichtet. Durch die Verdichtung erwärmt sich die Luft je nach Druckverhältnis bei der Verdichtung, beispielsweise um rund 200 K.
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Stromab der Verdichtervorrichtung 22 wird die Luft durch die Wärmetauschvorrichtung 50 geleitet, wo Wärmeenergie aus dem entspannten Abgas auf die Luft übertragen wird. Dabei wird die Luft weiter, z. B. um rund 400 K auf über 600 °C, erwärmt.
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Anschließend wird zumindest ein Teilstrom der Luft durch den Pyrolysereaktor 10 geleitet, wo die Luft für die Pyrolyse benötigte Wärmeenergie abgibt. Somit dient die Luft als Wärmeträgermedium zwischen dem entspannten Abgas und dem Pyrolysereaktor 10, sodass vorteilhaft eine Verunreinigung des Pyrolysereaktors 10 wärmeträgerseitig vermieden wird. Dabei reduziert sich die Temperatur je nach Betriebsparametern, wie Massenstrom, Wärmeenergiebedarf bei der Pyrolyse etc., beispielsweise um 10 K bis 300 K, z. B. um rund 100 K. Die Brennervorrichtung 20 und die Turbinenvorrichtung 21 mit der Verdichtervorrichtung 22 sind unter Berücksichtigung des Pyrolyseprozesses so auszulegen, dass der Wärmeenergiebedarf gedeckt und zugleich eine ausreichend hohe Lufttemperatur erhalten bleibt, um einen stabilen und insbesondere schadstoffarmen Betrieb der Brennervorrichtung 20 zu gewährleisten. Die erforderliche Lufttemperatur ist abhängig von der Ausführung der Brennervorrichtung 20. Bei dem vorteilhaften rezirkulationsstabilisierten Strahlflammenbrenner sind z. B. Temperaturen von mehr als 200 °C oder vorzugsweise über 400 °C ausreichend.
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Stromab des Pyrolysereaktors 10 wird die Luft der Brennervorrichtung 20 als Frischgaskomponente zugeführt. Als weitere Frischgaskomponente wird der Brennervorrichtung 20 das Pyrolysegas, entweder alleinig oder gemischt mit einem weiteren Brenngas, z. B. Erdgas, zugeführt. Das weitere Brenngas kann auch ohne Pyrolysegas der Brennervorrichtung 20 zugeführt werden, was beispielsweise beim Startvorgang der Pyrolyseanlage 1 zweckmäßig sein kann. In dem Falle, dass in der Brennervorrichtung 20 ein höherer Druck herrscht als in dem Pyrolysereaktor 10, kann das Pyrolysegas durch eine (hier nicht gezeigte) zusätzliche Verdichtervorrichtung innerhalb der Pyrolysegasleitung 40 auf einen ausreichenden Versorgungsdruck verdichtet werden.
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Innerhalb der Brennervorrichtung 20 werden nun die Frischgaskomponenten „Luft“ und „Brennstoff“ unter Erzeugung eines heißen Abgases verbrannt. Daneben kann Luft als Kühlmedium verwendet werden, welches unverbrannt dem heißen Abgas beigemischt wird, um die Temperatur des heißen Abgases auf eine Temperatur entsprechend bzw. unterhalb der maximal zulässigen Materialtemperatur der Turbinenvorrichtung 21 zu reduzieren.
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Das so erzeugte heiße Abgas strömt durch den Abgasstrang 30, wo es stromab der Brennervorrichtung 20 über die Turbinenvorrichtung 21 entspannt wird. Dabei treibt die Turbinenvorrichtung 21 die Verdichtervorrichtung 22 sowie den Generator 23 zur Stromerzeugung an. Das heiße Abgas kühlt dabei je nach Druckverhältnis bei der Entspannung beispielsweise um etwa 300 K ab.
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Anschließend durchströmt das entspannte Abgas die Wärmetauschvorrichtung 50, wobei das entspannte Abgas Wärmeenergie an die Luft in dem Oxidatorstrang 31 abgibt. Dabei wird das Abgas z. B. um 350 K auf beispielsweise 300 °C abgekühlt.
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Stromab der Wärmetauschvorrichtung 50 durchströmt das Abgas die in dem Abgasstrang 30 angeordnete Abgaswärmetauscheinrichtung 51, wobei das Abgas Wärmeenergie an ein Wärmetransportmedium 52, beispielsweise einer Fernwärmeversorgung, abgibt. Das nun z. B. auf eine Temperatur von unter 100 °C, beispielsweise auf 80 °C abgekühlte Abgas wird anschließend in den Vorratsbehälter 12 geleitet, wo es in einer Trocknungseinrichtung zur Trocknung des organischen Ausgangsstoffes genutzt werden kann. Anschließend gelangt das Abgas als Abluft an die Umgebung.
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Das in 2 gezeigte Verfahren läuft weitgehend analog ab, wobei jedoch nicht der einströmende Oxidator bzw. die einströmende Luft, sondern das ausströmende Abgas verdichtet wird. So wird die Brennervorrichtung 20 bei im Wesentlichen (abgesehen von Druckverlusten innerhalb der Gasführung und/oder der Komponenten) Umgebungsdruck betrieben und anschließend das entstandene heiße Abgas auf einen Druck unterhalb des Umgebungsdrucks entspannt. Nach Durchströmen der Wärmetauschvorrichtung 50 und der Abgaswärmetauscheinrichtung 51 wird das Abgas in der in dem Abgasstrang 30 angeordneten Verdichtervorrichtung 22 auf einen Druck im Wesentlichen entsprechend dem Umgebungsdruck verdichtet. „Im Wesentlichen“ bedeutet derart, dass das verdichtete Abgas als Abluft an die Umgebung gelangen kann. Denkbar wäre auch eine Verdichtung derart, dass das Abgas anschließend durch eine Trocknungseinrichtung z. B. des Vorratsbehälters 12 geleitet werden kann, um anschließend an die Umgebung abgegeben zu werden.
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Vorteilhaft an der in 2 gezeigten Verfahrensführung ist, dass auch bei einem (weitgehend) bei Umgebungsdruck ablaufendenden Pyrolysebetrieb innerhalb des Pyrolysereaktors 10 auf eine zusätzliche Verdichtervorrichtung innerhalb der Pyrolysegasleitung 40 verzichtet werden kann.
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Innerhalb der erfindungsgemäßen Pyrolyseanlage 1 wird durch die Einkopplung der (Mikro-) Gasturbinenanlage eine Kraft-Wärme-Kopplung realisiert, die die Gesamteffizienz des Pyrolyseverfahrens, insbesondere der Nutzung des Pyrolysegases, steigert. Dabei wird der Energiegehalt des Pyrolysegases nicht nur in Form von Wärmeenergie genutzt, sondern auch in elektrische Energie umgewandelt.
