DE102020208690B4

DE102020208690B4 - Gaserzeugungsanlage und Gaserzeugungsverfahren zur Erzeugung von wasserstoffhaltigem Synthesegas

Info

Publication number: DE102020208690B4
Application number: DE102020208690.7A
Authority: DE
Inventors: Jurly Shubyankin A.; Vyacheslav lvanov A.
Original assignee: Ivanov A Vyacheslav; Shubyankin A Juriy
Current assignee: Ivanov A Vyacheslav; Shubyankin A Juriy
Priority date: 2020-07-10
Filing date: 2020-07-10
Publication date: 2022-02-24
Anticipated expiration: 2040-07-11
Also published as: DE102020208690A1; US20220010223A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gaserzeugungsanlage (10) zur Erzeugung von wasserstoffhaltigem Synthesegas (12). Die Gaserzeugungsanlage (10) weist einen Gaserzeugungsreaktor (14) auf. Der Gaserzeugungsreaktor (14) ist in vertikaler Richtung ausgerichtet und weist eine größere Länge (HR) in vertikaler Richtung als Breite (BR) auf. Ein Gaseinlass (16) des Gaserzeugungsreaktors (14) ist zum Hindurchtreten von überhitztem Wasserdampf (18) durch den Gaseinlass (16) in den Gaserzeugungsreaktor (14) ausgebildet. Durch einen oberen Gasauslass (20a) des Gaserzeugungsreaktors (14) kann ein Gas-Wasserdampf-Gemisch (22) aus dem Gaserzeugungsreaktor (14) austreten und nach Überhitzen in dem zweiten Heizelement (38b) wieder verwendet werden. Durch einen unteren Gasauslass (20b) kann Synthesegas (12) aus dem Gaserzeugungsreaktor (14) austreten. In vertikaler Richtung ist der Gaseinlass (16) mit einem geringeren Abstand A1zu dem unteren Ende (26b) als der untere Gasauslass (20b) angeordnet. Der obere Gasauslass (20a) ist mit einem geringeren vertikalen Abstand A3zu dem oberen Ende (26a) des Gaserzeugungsreaktors (14) angeordnet als der untere Gasauslass (20b). Der vertikale Abstand A5zwischen dem oberen Gasauslass (20a) und dem unteren Gasauslass (20b) ist größer als der vertikale Abstand A6zwischen dem unteren Gasauslass (20b) und dem Gaseinlass (16).

Description

Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Gaserzeugungsanlage zur Erzeugung von wasserstoffhaltigem Synthesegas aus kohlenwasserstoffreichem Rohmaterial und zur Erzeugung von kohlenstoffhaltigem Material bei Normaldruck unter Einwirkung von erhitztem Wasserdampf mit einem Gaserzeugungsreaktor mit einer größeren Höhe als Breite, wobei der Gaserzeugungsreaktor aufweist:

a. einen Gaseinlass zur Aufnahme von überhitztem Wasserdampf;
b. einen oberen Gasauslass zur Abgabe eines Gas-Wasserdampf-Gemisches;
c. einen unteren Gasauslass zur Abgabe von Synthesegas.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Erzeugung von Synthesegas mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Eine solche Vorrichtung ist auch als down-draft gasifier bekannt.
Aus dem Stand der Technik sind Gaserzeugungsreaktoren zur Erzeugung von wasserstoffhaltigem Synthesegas aus kohlenwasserstoffreichem Rohmaterial bekannt.
In der US 7 229 483 B2 ist ein Gaserzeugungsreaktor offenbart, in den kohlenstoffhaltiges Eingangsmaterial in Form kleiner Teilchen eingeführt wird. Ein Gemisch von Sauerstoff und Wasserdampf wird in den Gaserzeugungsreaktor eingeleitet und dort mit aschefreiem Treibstoff wie natürlichen Gasen verbrannt, um ultraüberhitzten Dampf zu erzeugen, der Wasserdampf, Kohlenstoffdioxid und freie Radikale bei Temperaturen zwischen 1300°C und 2760°C umfasst. Der ultraüberhitzte Dampf wird in dem Gaserzeugungsreaktor mit dem Eingangsmaterial unter hohen Turbulenzen zusammengeführt, wobei das Eingangsmaterial mit dem ultraüberhitzten Dampf zu Synthesegas reagiert, das molekularen Wasserstoff, Kohlenstoffdioxid und Kohlenstoffmonoxid umfasst.
Aus der EP 2 082 013 B1 ist ein Pyrolyseverfahren in einer Pyrolysezone bekannt, wobei durch die Pyrolyse Eingangsmaterial mit organischen Stoffen in einen festen kohlenstoffhaltigen Rückstand und Pyrolysegas aufgespalten wird. Das Pyrolysegas wird mit Wasserdampf in einer Reaktionszone nacherhitzt, wobei ein wasserstoffreiches Produktgas entsteht. Im Kreislauf gefahrenes Schüttgut wird als Wärmeträger mit Heizgasen aus der Verbrennung des kohlenstoffhaltigen Rückstandes erhitzt und mit dem Gemisch aus Pyrolysegas und Wasserdampf in Kontakt gebracht. Das Schüttgut gibt einen Teil seiner gespeicherten Wärme an die Pyrolysezone ab, um die für die Pyrolyse benötigte Wärme teilweise oder vollständig bereitzustellen.
Aus der AU 1930 030 731 B1 ist ein Verfahren zur Gaserzeugung aus Braunkohle, Torf oder Schiefer bekannt. Das Verfahren besteht darin, dass die Kohle in einer vertikalen Retorte oder Kammer, die von außen auf eine geeignete hohe Temperatur erhitzt wird, nach unten wandert, sodass die Kohle getrocknet, destilliert und verkohlt wird. Der entstandene Koks wird abgekühlt, wobei die Destillationsprodukte in der gleichen Richtung wie die Kokskohle nach unten wandern und miteinander und mit dem glühenden Koks reagieren. Hierbei werden die Geschwindigkeit der Bewegung der Kohle, die Temperatur der Kammern und der Ort und die Art des Abzapfens des Gases geregelt.
In der US 3 920 417 A werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung eines sauberen Brenngases mit niedrigem Btu-Wert durch die Reaktion einer kohlenstoffhaltigen Brennstoff-Kalkstein-Mischung mit Sauerstoff und Dampf in einem Fallstrom-Festbettvergaser offengelegt. Das Produktgas und die Schlacke werden aus dem unteren Ende des Vergasers entfernt, nachdem sie durch einen glühenden Verkohlungsmantel geleitet wurden, in dem Verunreinigungen wie Schwefel aus dem Gas gewaschen werden. Ein Teil des heißen Produktgases wird am oberen Ende des Vergasers abgezogen, um das frisch eingebrachte Brennmaterial zu trocknen, vorzuwärmen und zu entgasen. Dieses Gas, das eine schwere ölige Emulsion aus Teeren und Schwefelverbindungen enthält, wird dann wieder in den Vergaser eingeleitet.
Die DE 10 2017 102 789 A1 betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Synthesegas aus kohlenstoffreichen Substanzen. Ein Schüttgutwanderbett besteht aus einem Schüttgutmaterial, das sich aus den kohlenstoffreichen Substanzen und einem selbst nicht vergasbaren Material zusammensetzt. Das Schüttgutwanderbett wandert in einem Vertikalschacht eines Vertikalschachtofens kontinuierlich oder in Intervallen von oben nach unten und wird von Gas durchströmt. Das selbst nicht vergasbare Material und Rückstände der kohlenstoffreichen Substanzen werden an der Unterseite des Vertikalschachts ausgeleitet. In dem von dem Gas durchströmten Schüttgutwanderbett zur Erzeugung von Bestandteilen des Synthesegases werden wenigstens eine Pyrolysezone und eine Reduktionszone ausgebildet, in welcher Reaktionsprodukte aus einer ebenfalls in dem Schüttgutwanderbett ausgebildeten Oxidationszone reduziert werden. Das Synthesegas wird in einem mittleren Bereich des Vertikalschachts an einer Entnahmestelle zwischen einer oberen Schüttgutzone und einer unteren Schüttgutzone abgezogen. Die kohlenstoffreichen Substanzen werden wenigstens teilweise mit dem Schüttgutwanderbett von der Pyrolysezone in der oberen Schüttgutzone über den mittleren Bereich in die Reduktionszone und in die Oxidationszone in der unteren Schüttgutzone bewegt.
Die DE 26 52 722 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Synthesegas durch Umsetzung von Kohlenstoff mit Wasserdampf in einem Reaktionsbehälter. Dabei werden fester Kohlenstoff und Wasserdampf in den Reaktionsbehälter eingeführt. Dem Reaktionsbehälter wird Wärme in einer Menge zugeführt, die für die Umsetzung des festen Kohlenstoffs mit dem Wasserdampf ausreicht. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass dem Reaktionsbehälter überhitzter Wasserdampf bei einer ausreichenden Temperatur und in einer ausreichenden Menge zugeführt wird, um die gesamte Reaktionswärme für die Umsetzung des Kohlenstoffs mit einem Teil des überhitzten Wasserdampfs zu liefern. Der überhitzte Wasserdampf stellt die einzige Wärmequelle dar, die dem Kohlenstoff in dem Reaktionsbehälter zugeführt wird. Der Reaktionsbehälter ist im Wesentlichen frei von einem Sauerstoff enthaltenden Gas.
Die bekannten Verfahren erfolgen unter vergleichsweise hohem Energie- und Materialverbrauch.
Aufgabe der Erfindung
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Gaserzeugungsanlage bereitzustellen, mit der das Gaserzeugungsverfahren mit geringerem Materialaufwand und mit verringertem Energieverbrauch durchgeführt werden kann. Es ist weiter Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, das mit der erfindungsgemäßen Gaserzeugungsanlage durchgeführt wird.
Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Gaserzeugungsanlage nach Anspruch 1 gelöst. Die Merkmale des Verfahrens zur Erzeugung von Synthesegas mit der Gaserzeugungsanlage sind in Anspruch 13 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweils rückbezogenen Unteransprüchen.
Die Gaserzeugungsanlage weist ein erstes Heizelement auf. Dabei ist entlang der Längsachse des Gaserzeugungsreaktors:

d. eine Einlassschleuse zur Aufnahme von Rohmaterial in fester Form unter Gasabdichtung des Gaserzeugungsreaktors an einem oberen Ende des Gaserzeugungsreaktors vorhanden;
e. eine Auslassschleuse zur Abgabe von Restmaterial in fester Form unter Gasabdichtung des Gaserzeugungsreaktors an einem unteren, dem oberen Ende gegenüberliegenden Ende des Gaserzeugungsreaktors vorhanden,

Überhitzter Wasserdampf wird durch den Gaseinlass am unteren Ende des Gaserzeugungsreaktors eingeführt und steigt zum oberen Ende auf. Unter überhitztem Wasserdampf wird im Rahmen der Erfindung insbesondere Wasserdampf mit einer Temperatur oberhalb der Siedetemperatur in dem Gaserzeugungsreaktor verstanden. Der Wasserdampf enthält insbesondere keine Tröpfchen. Der Wasserdampf, und insbesondere der Gaserzeugungsreaktor, weist dabei ein Temperaturgefälle mit einer höheren Temperatur am unteren Ende des Gaserzeugungsreaktors und einer tieferen Temperatur am oberen Ende des Gaserzeugungsreaktors auf. Das kohlenwasserstoffreiche Rohmaterial wird durch die Einlassschleuse am oberen Ende des Gaserzeugungsreaktors in den Gaserzeugungsreaktor eingeführt. Anschließend wird das Rohmaterial in Richtung auf das untere Ende befördert, insbesondere durch die Schwerkraft. Dabei durchläuft das Rohmaterial eine Trocknungszone mit einer Temperatur, bei der das Rohmaterial getrocknet wird, eine Karbonisierungszone, mit einer Temperatur, bei der das Rohmaterial, insbesondere unter Abspaltung von Wasser, in ein kohlenstoffhaltiges Karbonisierungsprodukt, insbesondere Kohle umgewandelt wird, und eine Umwandlungszone mit einer Temperatur, bei der das kohlenstoffhaltige Karbonisierungsprodukt mindestens teilweise mit dem Wasserdampf in ein Synthesegas umgewandelt wird. Rückstände aus der Erzeugung des Synthesegases, insbesondere mit nicht kohlestoffwasserhaltigen Stoffen, werden als Asche aus einer Auslassschleuse an dem unteren Ende des Gaserzeugungsreaktors aus dem Gaserzeugungsreaktor abgegeben. Vorzugsweise befindet sich die Umwandlungszone zwischen dem unteren Gasauslass und dem Gaseinlass. Insbesondere wird das Synthesegas in Bezug auf die vertikale Ausrichtung oder die Ausrichtung des Gaserzeugungsreaktors nach unten geleitet. Dadurch wird unter anderem die Einleitung des Synthesegases in einen Gastank erleichtert. Das Synthesegas weist insbesondere molekularen Wasserstoff, Kohlenstoffmonoxid, Kohlenstoffdioxid, Wassermoleküle und/oder Methan auf.
Vorteilhaft kann durch die Verwendung mehrerer Zonen mit ansteigender Temperatur die Erzeugung von Synthesegas bei einer geringeren Temperatur des Wasserdampfs erfolgen. Die Verwendung von Schüttgut als Wärmeträger, das in einem Kreislauf bewegt wird, ist nicht notwendig. Die Entnahme des Synthesegases erfolgt durch den unteren Gasauslass, der sich im Bereich der Umwandlungszone befindet. Dadurch wird im Vergleich zum Stand der Technik die Reinheit des entnommenen Synthesegases erhöht, insbesondere der Staub- und Teergehalt des entnommenen Synthesegases gesenkt, wodurch der Aufwand zum Reinigen des Synthesegases erniedrigt wird. Das Synthesegas wird dem Reaktor zur Gaserzeugung im Bereich der höchsten Temperatur entnommen, wodurch es zur Wiederverwendung zum Heizen besonders geeignet ist. Der untere Gasauslass begrenzt vorzugsweise die Umwandlungszone oben in axialer Richtung, sodass das Synthesegas aus der Umwandlungszone in Richtung des Gasauslasses aufsteigt. Die Temperatur des Gemisches von Wasserdampf und anderer in dem Gaserzeugungsreaktor enthaltener Gase, insbesondere Kohlenwasserstoffen, beträgt in der Trocknungszone insbesondere bis zu 150°C, in der Karbonisierungszone insbesondere bis zu 450°C, und in der Umwandlungszone insbesondere bis zu 900°C, bevorzugt bis zu 1300°C. Die Temperatur kann in der Umwandlungszone mehr als 1300°C betragen.
Die Einlassschleuse und die Auslassschleuse umfassen insbesondere Schleusentore zur Abdichtung der Schleusen und Schneckenförderer zum Transport des Rohmaterials oder der Asche. Die Begriffe „oben“ und „unten“ beziehen sich auf die vertikale Richtung, insbesondere die Richtung der Schwerkraft. Die Länge des Gaserzeugungsreaktors ist größer als seine Breite, wobei der Gaserzeugungsreaktor insbesondere mit einer vertikalen Ausrichtung aufgestellt ist. Er weist vorzugsweise die Form eines Zylinders auf. Bevorzugt ist der Gaserzeugungsreaktor mit einer zylindrischen Kammer ausgebildet. Die Einlassschleuse und die Auslassschleuse sind bevorzugt an der Kammer ausgebildet.
Die Trocknung erfolgt insbesondere durch Verdunstung oder Verdampfung des Rohmaterials. Insbesondere bilden Wasserdampf, aufsteigende Anteile des Synthesegases und flüchtige Kohlenstoffe ein Gas-Wasserdampf-Gemisch in dem Gaserzeugungsreaktor. Die Karbonisierung oder Erzeugung von kohlenstoffhaltigem Material erfolgt insbesondere bei Normaldruck unter Einwirkung des erhitzten Wasserdampfs durch Abspaltung von Wassermolekülen von einem verbleibenden kohlenstoffhaltigen Karbonisierungsprodukt, insbesondere Kohle, zum Beispiel Braunkohle. Die Erzeugung von Synthesegas erfolgt insbesondere durch eine Reaktion des Kohlenstoffs oder der Kohle mit Wassermolekülen in dem überhitzten Wasserdampf, wodurch molekularer Wasserstoff, Kohlenstoffmonoxid und/oder Kohlenstoffdioxid als Bestandteile des Synthesegases erzeugt wird.
Die Gaserzeugungsanlage dient insbesondere zum Vergasen von kohlenwasserstoffhaltigen Produkten und Materialien wie Kohle, Ölschlamm, Biomasse, kommunale Abfälle, Kunststoffe, Altreifen, Altöle sowie Gemische aus den genannten Stoffen, die durch thermische Umformung zur Gewinnung von wasserstoffreichem Synthesegas beitragen. Die Gaserzeugungsanlage lässt sich somit auch zu der industriellen Erzeugung von Wasserstoff verwenden. Ein großer Anteil des Kohlenstoffs befindet sich in dem Restmaterial, das aus der Auslassschleuse aus dem Gaserzeugungsreaktor entfernt wird. Zu dem Restmaterial, auch als Restprodukte bezeichnet, gehören auch Rauchgase, die bei der Verbrennung von Brennstoff, insbesondere in Heizelementen, im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens entstehen. Diese weisen nur ein vergleichsweise geringes Volumen an Kohlenstoffdioxid auf, da die Verbrennung nur zum Erhitzen der Außenhaut beim Anfahren und zum Beibehalten der erforderlichen Temperatur des Gaserzeugungsreaktors dient.
Insbesondere betrifft diese Erfindung ein Gaserzeugungsverfahren und eine Gaserzeugungsanlage, in der unter der Verwendung von überhitztem Wasserdampf kohlenwasserstoffhaltige Abfälle verwertet werden. Die nach der thermischen Verwertung in dem Gaserzeugungsverfahren anfallenden Rückstände oder Reststoffe bzw. das Restmaterial können insbesondere für den Straßenbau weiterverwendet werden. Der überhitzte Wasserdampf dient vorzugsweise als Katalysator zum Ausscheiden von schädlichen Abgasen und als Reinigungsmittel gegen Verunreinigungen in der Gaserzeugungsanlage bzw. Vergasungsanlage. Die Gaserzeugungsanlage ist in hohem Maß selbstreinigend. Der Gaserzeugungsreaktor ist insbesondere ununterbrochenen be- und entladbar. Die Temperatur des Wasserdampfs bei Eintritt in den Gaserzeugungsreaktor liegt insbesondere bei 900°C bis 1300°C, vorzugsweise bei 1000°C. Dadurch werden ein großer Heizwert des Synthesegases und ein hoher Wirkungsgrad erzielt, insbesondere weist das Synthesegas eine vergleichsweise hohe thermische Energie auf. Die Gaserzeugungsanlage kann einen oder mehrere Wärmetauscher aufweisen, unter anderem, um Wärme von dem Synthesegas auf den Wasserdampf zu übertragen. Die Wärmetauscher sind vorzugsweise aus poröser Keramik oder Blech ausgebildet.
Der obere Gasauslass, insbesondere für den Austritt des Gas-Wasserdampf-Gemisches, das insbesondere Wasserdampf und/oder Rauchgase und/oder Synthesegas und/oder flüchtige Kohlenstoffe aufweist, aus der Trocknungszone, ist vorzugsweise in einer Ladezone oberhalb der Trocknungszone ausgebildet.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Gaserzeugungsanlage ist dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gaserzeugungsreaktor ein Synthesegaskollektor zur Aufnahme des Synthesegases angeordnet ist, der mit dem unteren Gasauslass zur Abgabe des Synthesegases fluidisch verbunden ist. Der Synthesegaskollektor ist vorzugsweise auf der Höhe des unteren Gasauslasses angeordnet, insbesondere in oder an der Umwandlungszone, vorzugsweise oberhalb des Gaseinlasses, in der das Synthesegas erzeugt wird. Dann kann der Synthesegaskollektor das Synthesegas nach der Erzeugung unmittelbar und in reiner, erhitzter Form aufnehmen und an andere Heizelemente und Synthesegasverbraucher weiterleiten.
Vorteilhaft ist der Synthesegaskollektor rohrförmig ausgebildet und/oder an der Innenwand des Gaserzeugungsreaktors vollständig umlaufend angeordnet und/oder ringförmig ausgebildet. Der Synthesegaskollektor weist insbesondere ein Entweichrohr zur Abgabe von Synthesegas aus dem Gaserzeugungsreaktor auf. Durch einen ringförmigen, an der Innenwand des Gaserzeugungsreaktors umlaufenden Synthesegaskollektor wird das Synthesegas gleichmäßig von dem Synthesegaskollektor aufgenommen. Insbesondere weist der Synthesegaskollektor ein Rohr mit darin ausgebildeten Durchgangsöffnungen auf. Der Synthesegaskollektor kann zusätzlich über nach innen weisende Rohrstücke, insbesondere am Entweichrohr, verfügen, um im Bereich der Längsachse erzeugtes Synthesegas aufzunehmen.
Eine bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gaserzeugungsreaktor ein Dampfgaskollektor zur Abgabe des Gas-Wasserdampf-Gemisches, insbesondere des Wasserdampfs, in den Gaserzeugungsreaktor angeordnet ist, der mit dem Gaseinlass fluidisch verbunden ist. Der Dampfgaskollektor ist vorzugsweise auf der Höhe des Gaseinlasses unterhalb des unteren Gasauslasses in der Umwandlungszone angeordnet, sodass das Synthesegas unterhalb des unteren Gasauslasses erzeugt wird und anschließend in Richtung des unteren Gasauslasses aufsteigt.
Bevorzugt ist der Dampfgaskollektor rohrförmig ausgebildet und/oder an der Innenwand des Gaserzeugungsreaktors vollständig umlaufend angeordnet und/oder ringförmig ausgebildet. Der Dampfgaskollektor ist insbesondere am unteren Ende des Gaserzeugungsreaktors, auch als Gasdampfreaktor bezeichnet, angeordnet. Bevorzugt weist der Dampfgaskollektor ein Rohr mit darin ausgebildeten Durchgangsöffnungen aus. Der Dampfgaskollektor weist insbesondere ein Injektionsrohr auf, das von dem überhitzten Wasserdampf durchströmt ist. Die Form des Dampfgaskollektors bewirkt eine an dem Umfang des Dampfgaskollektors gleichmäßig verteilte Abgabe des Wasserdampfs zur Erzeugung des Synthesegases.
Eine vorteilhafte Weiterbildung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Dampfgaskollektor Düsen aufweist, insbesondere mit einer Mehrzahl von Öffnungen. Die Düsen sind insbesondere an dem Dampfgaskollektor entlang, vorzugsweise radialsymmetrisch, angeordnet. Die Düsen sind zum Beispiel als Trichter ausgestaltet, mit einer zur Längsachse des Gaserzeugungsreaktors hin ausgerichteten Verjüngung. Durch die Düsen wird Gas, insbesondere aufweisend den Wasserdampf, beschleunigt in den Gaserzeugungsreaktor abgegeben, sodass es mit erhöhtem Impuls in Richtung zur Längsachse des Gaserzeugungsreaktors strömt. Dadurch wird eine gleichmäßigere Verteilung des Wasserdampfs bewirkt. Die Öffnungen können entlang der Düsen und/oder an den Spitzen der Düsen ausgebildet sein, um die Gleichmäßigkeit der Verteilung weiter zu verbessern.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Gaserzeugungsanlage sind dadurch t gekennzeichnet, dass das erste Heizelement an dem unteren Ende des Gaserzeugungsreaktors angeordnet ist. Das erste Heizelement ist insbesondere als Gasbrenner ausgestaltet. Insbesondere dient das erste Heizelement der Erhitzung der Außenhaut des Gaserzeugungsreaktors. Durch das erste Heizelement wird der Gaserzeugungsreaktor, insbesondere an seinem unteren Ende, erhitzt, um die notwendige Temperatur zur Durchführung des Gaserzeugungsverfahrens im Inneren des Gaserzeugungsreaktors bereitzustellen.
Vorteilhaft weist die Gaserzeugungsanlage einen Gasverteiler zur Aufnahme des Synthesegases aus dem Gaserzeugungsreaktor auf, wobei der Gasverteiler zur Abgabe mindestens eines Teils des Synthesegases an das erste Heizelement und das erste Heizelement zur Verbrennung des Synthesegases aus dem Gasverteiler ausgebildet sind. Der Gasverteiler weist insbesondere einen Gaseingang zur Aufnahme des Synthesegases und ein oder mehrere Gasausgänge auf, aus denen das Synthesegas austreten kann. Der Gaserzeugungsreaktor ist mit dem Gasverteiler und der Gasverteiler mit dem ersten Heizelement fluidisch verbunden. Das Synthesegas wird zur Verringerung des Material- und Energieverbrauchs wieder verbrannt, um die zur Erzeugung des Synthesegases notwendige Temperatur zwischen dem unteren Gasauslass und dem unteren Ende des Gaserzeugungsreaktors bereitzustellen. Der Gaserzeugungsreaktor wird in einigen Ausführungsformen dadurch mindestens zum Teil mit Synthesegas als Brennstoff betrieben. Der Gasverteiler weist insbesondere einen oder mehrere Wärmetauscher auf, um dem Synthesegas vor der Weiterverwendung Wärme zu entziehen.
Eine Weiterbildung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Gasverteiler zur Abgabe von Wasser in das aus dem Gaserzeugungsreaktor aufgenommene Synthesegas ausgebildet ist. Der Gasverteiler weist ein Mittel auf, um Wasser in das aus dem Gaserzeugungsreaktor aufgenommene Synthesegas abzugeben.. Der Gasverteilter weist bevorzugt einen Wasserbehälter zur Speicherung des Wassers auf.
Durch das zweite Heizelement wird das Gas-Wasserdampf-Gemisch, insbesondere der Wasserdampf, vorerhitzt, bevor er dem Gaserzeugungsreaktor zugeführt wird. Das Gas-Wasserdampf-Gemisch wird durch eine fluidische Verbindung aus dem oberen Gasauslass aus dem Gaserzeugungsreaktor zu dem zweiten Heizelement geleitet. Insbesondere ist das zweite Heizelement dazu ausgebildet, den Wasserdampf auf eine gewünschte Temperatur zu erhitzen, insbesondere bis zu 1300°C, und/oder die Menge an Wasserdampf zu kontrollieren, die das zweite Heizelement verlässt. Vorzugsweise wird das zweite Heizelement zur Erhitzung von Wasserdampf zu Beginn des Gaserzeugungsverfahrens verwendet. Während des Gaserzeugungsverfahrens wird bevorzugt Energie aus dem Synthesegas und exothermen Reaktionen bei der Erzeugung eines kohlenstoffreichen Karbonisierungsprodukts, wie zum Beispiel Kohle, aus dem Rohmaterial in der Karbonisierungszone verwendet, um eine ausreichend hohe Temperatur in der Umwandlungszone zu bewirken. Dadurch wird ein hoher Grad an Autonomie der Gaserzeugungsanlage erzielt. Das zweite Heizelement kann auch zur Erhitzung weiterer aus dem Gaserzeugungsreaktor austretender Stoffe wie Kohlenwasserstoffe verwendet werden.
Insbesondere ist das zweite Heizelement zur Erzeugung von elektromagnetischen Wellen mit Frequenzen im Bereich von 1 GHz bis 300 GHz ausgebildet. Mit Mikrowellen kann der Wasserdampf besonders effizient erhitzt, insbesondere überhitzt, werden.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Gaserzeugungsanlage ist dadurch gekennzeichnet, dass der Gasverteiler dazu ausgebildet ist, Synthesegas aus dem Gaserzeugungsreaktor an einen Generator zur Erzeugung von Strom abzugeben, wobei das zweite Heizelement zur Erhitzung des Gas-Wasserdampf-Gemisches, insbesondere von Wasserdampf, unter Verwendung des Stroms ausgebildet ist. Der Generator wird vorteilhaft durch einen Motor betrieben, der seinerseits von Synthesegas aus dem Gasverteiler angetrieben wird. Der Motor ist insbesondere als Verbrennungsmotor zur Verbrennung des Synthesegases und Betreibung des Generators ausgebildet. Dies bewirkt eine Verminderung des Material- und Energieverbrauchs. Die Stromversorgung des zweiten Heizelements kann vollständig oder teilweise von dem Stromgenerator bereitgestellt werden, der durch den Motor unter Verwendung des Synthesegases betrieben wird. Die Effizienz des Gaserzeugungsverfahrens mit der Gaserzeugungsanlage kann durch Zuführung von Wärme an das zweite Heizelement gesteigert werden, die aus Wärmetauschern stammt, an die erhitzter Wasserdampf aus dem Synthesegas geleitet wird.
Ein Gaserzeugungsverfahren zur Erzeugung von Synthesegas mit einer Gaserzeugungsanlage nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen umfasst die folgenden Schritte:

a. Kohlenwasserstoffhaltiges Rohmaterial wird durch eine Einlassschleuse an dem oberen Ende eines Gaserzeugungsreaktors in den Gaserzeugungsreaktor eingeführt;
b. Der Gaserzeugungsreaktor wird durch ein erstes Heizelement an einem unteren Ende des Gaserzeugungsreaktors erhitzt, insbesondere an seiner Außenhaut;
c. Durch einen Gaseinlass an einem unteren Ende des Gaserzeugungsreaktors wird überhitzter Wasserdampf in den Gaserzeugungsreaktor eingeführt;
d. Der Wasserdampf strömt in Richtung eines oberen Endes des Gaserzeugungsreaktors, wobei ein Temperaturgefälle mit einer höheren Temperatur an dem unteren Ende und einer tieferen Temperatur an dem oberen Ende des Gaserzeugungsreaktors auftritt;
e. Das Rohmaterial wird in Richtung auf das untere Ende des Gaserzeugungsreaktors befördert;
f. Das Rohmaterial durchläuft eine Trocknungszone mit einer Temperatur, bei der das Rohmaterial getrocknet wird;
g. Das Rohmaterial durchläuft eine Karbonisierungszone mit einer Temperatur, bei der das Rohmaterial mindestens teilweise, insbesondere unter Abspaltung von Wasser, in ein kohlenstoffhaltiges Karbonisierungsprodukt umgewandelt wird;
h. Das kohlenstoffhaltige Karbonisierungsprodukt durchläuft eine Umwandlungszone mit einer Temperatur, bei der das kohlenstoffhaltige Karbonisierungsprodukt mindestens teilweise mit dem Wasserdampf in ein Synthesegas umgewandelt wird;
i. Das Synthesegas wird durch einen unteren Gasauslass in der Umwandlungszone aus dem Gaserzeugungsreaktor abgegeben;
j. Restmaterial aus der Erzeugung des Synthesegases wird, insbesondere als Asche, aus einer Auslassschleuse an dem unteren Ende des Gaserzeugungsreaktors aus dem Gaserzeugungsreaktor abgegeben.

Dabei wird ein Gas-Wasserdampf-Gemisch, aufweisend den Wasserdampf, aus dem Gaserzeugungsreaktor zu einem zweiten Heizelement geleitet, durch das zweite Heizelement erhitzt und dann durch den Gaseinlass wieder in den Gaserzeugungsreaktor eingeführt, wobei das zweite Heizelement zur Erzeugung von Mikrowellen ausgebildet ist, die der Überhitzung des Gas-Wasserdampf-Gemisches dienen.
Durch ein solches Verfahren ist die Erzeugung von Synthesegas bei vergleichsweise geringem Energie- und Materialverbrauch möglich. Außerdem wird Synthesegas in besonders reiner Form erzeugt.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Gaserzeugungsverfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass durch einen Gasverteiler mindestens ein Teil des im Gaserzeugungsreaktor erzeugten Synthesegases zur Verbrennung in das erste Heizelement eingeführt wird. Die Wiederverwendung des Synthesegases zur Bereitstellung der für die Erzeugung des Synthesegases notwendigen Temperatur liefert einen Beitrag zur Verminderung des Material- und Energieverbrauchs in dem Gaserzeugungsverfahren.
Der Wasserdampf wird vor Eintritt in den Gaserzeugungsreaktor vorerhitzt. Dabei wird der Wasserdampf aus dem Gaserzeugungsreaktor wiederverwendet. Der Wasserdampf wird insbesondere unter Verwendung von Synthesegas aus dem Gaserzeugungsreaktor durch das zweite Heizelement erhitzt. So werden Material- und Energieverbrauch weiter verringert.
Durch die Gaserzeugungsanlage werden insbesondere kohlenstoffhaltige, vorzugsweise kohlenwasserstoffhaltige, Rohstoffe verarbeitet. Ein wesentliches Merkmal des Gaserzeugungsverfahrens oder Vergasungsprozesses ist die endotherme Natur der wichtigsten chemischen Reaktionen, insbesondere zur Erzeugung des Synthesegases, die in dem betrachteten Prozess auftreten. Um akzeptable wirtschaftliche Eigenschaften zu erhalten, ist es notwendig, den Wärmeverlust zu reduzieren. Insbesondere wird ein Teil der chemischen Energie des resultierenden Synthesegases zur Wärmeversorgung des Gaserzeugungsverfahrens genutzt. Die verbrauchte Energie hängt insbesondere vom Feuchtigkeitsgehalt, insbesondere des Wassergehalts, des Abfallmaterials bzw. des Rohmaterials, ab. Bei einer Feuchtigkeit des Abfallmaterials bis ca. 40% lässt sich ein Gaserzeugungsverfahren auf energetisch sinnvolle Weise durchführen.
Um die Parameter des austretenden Synthesegases unter Bedingungen der Verarbeitung von Gasbestandteilen in dem Gaserzeugungsreaktor zu stabilisieren, die in Zusammensetzung und Größe heterogen sind, ist es besonders wichtig, die Gleichmäßigkeit des Temperaturfeldes innerhalb des Gaserzeugungsreaktors und die effiziente Energieversorgung sicherzustellen.
Das Gaserzeugungsverfahren ist zur umweltfreundlichen Aufbereitung verschiedener Art Abfälle sowie zur Möglichkeit der Erzeugung von wasserstoffreichem Synthesegas geeignet. Der Wasserdampf wirkt als inertes Medium, sodass sich keine unerwünschten neuen chemischen Verbindungen ergeben.
Der Gaserzeugungsreaktor oder Vergasungsreaktor ist insbesondere dazu ausgebildet, mit überhitztem Dampf mit einer Temperatur von 1300°C oder mehr und unter kontinuierlichem Ein- und Entladen von Rohmaterial und Ascherückständen betrieben zu werden. Das Verfahren wird durch die Zu- und Abgabe von Gasen oder gasförmigen Teilchen umgesetzt, die über den gesamten Reaktor verteilt sind.
Der Energieverbrauch des Gaserzeugungsreaktors wird durch die richtige Wahl der geometrischen Form und der Größe der Konstruktion sowie durch die Einstellung der Wärmequelle beeinflusst. Bei dem Wärmetransport im Rahmen des Gaserzeugungsverfahrens sind die folgenden Prozesse von wesentlicher Bedeutung: die Wärmeleitung, die Konvektion und die Wärmestrahlung.
Zur Wärmerückgewinnung bzw. Rekuperation werden insbesondere Wärmetauscher mit großen aktiven Oberflächen sowie der Generator zur Erzeugung des Stroms für die zweite Heizquelle mit dem Synthesegas verwendet.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Figurenliste

1 zeigt eine schematische Ansicht einer Gaserzeugungsanlage;
2 zeigt schematisch einen vertikalen Querschnitt durch einen Gaserzeugungsreaktor der Gaserzeugungsanlage;
3 zeigt schematisch einen horizontalen Querschnitt durch den Gaserzeugungsreaktor;
4 zeigt schematisch ein Verfahren zur Erzeugung von Synthesegas mit der Gaserzeugungsanlage.

Die in 1 gezeigte Gaserzeugungsanlage 10 zur Erzeugung von wasserstoffhaltigem Synthesegas 12 weist einen Gaserzeugungsreaktor 14 auf. Durch einen Gaseinlass 16 des Gaserzeugungsreaktors 14 treten überhitzter Wasserdampf 18, und insbesondere im Gaserzeugungsverfahren erzeugte Gase, in den Gaserzeugungsreaktor 14 ein. Durch einen oberen Gasauslass 20a des Gaserzeugungsreaktors 14 wird ein Gas-Wasserdampf-Gemisch 22 aus dem Gaserzeugungsreaktor 14 abgegeben, insbesondere an ein zweites Heizelement 38b in Form eines Mikrowellenerzeugers (siehe unten). Zum Absaugen und Weiterverwenden des Gas-Wasserdampf-Gemisches 22 aus dem Gaserzeugungsreaktor 14 ist an dem oberen Gasauslass 20a eine Gasabsaugpumpe 24 angeordnet, insbesondere ein Absauggerät mit einer Absaugpumpe. Durch einen unteren Gasauslass 20b des Gaserzeugungsreaktors 14 strömt Synthesegas 12 aus dem Gaserzeugungsreaktor 14. Entlang einer Längsachse LA des Gaserzeugungsreaktors 14 ist an einem oberen Ende 26a des Gaserzeugungsreaktors 14 eine Einlassschleuse 28a ausgebildet, durch die kohlenwasserstoffhaltiges Rohmaterial 30 in fester Form in den Gaserzeugungsreaktor 14 eingeführt werden kann. An einem unteren Ende 26b des Gaserzeugungsreaktors 14 ist eine Auslassschleuse 28b ausgebildet, durch die Restmaterial 32 , insbesondere Rückstände aus der Synthesegaserzeugung, vorzugsweise in fester Form, aus dem Gaserzeugungsreaktor 14 herausbefördert werden können. Die Einlassschleuse 28a und/oder die Auslassschleuse 28b weisen einen Schneckenförderer 34a, 34b (siehe 2) zum Transport des Rohmaterials bzw. des Restmaterials 32 und Schleusentore oder Schieber 36a, 36b zur Abdichtung der Schleusen 28a, 28b auf.
Ein erstes Heizelement 38a an dem unteren Ende 26b des Gaserzeugungsreaktors 14 dient der Erhitzung des Gaserzeugungsreaktors 14 an seinem unteren Ende 26b. Rauchgas (nicht gezeigt) aus dem ersten Heizelement 38a strömt entlang der Außenhaut des Gaserzeugungsreaktors 14, insbesondere durch eine fluidische Verbindung 40a, und durch einen Wärmetauscher 42a zur Einstellung der Temperatur des Rauchgases vor der Abgabe des Rauchgases an die Umgebung. Das Gas-Wasserdampf-Gemisch 22strömt in Richtung des oberen Endes 26a des Gaserzeugungsreaktors 14, wobei ein Temperaturgefälle mit einer höheren Temperatur T₁ an dem unteren Ende 26b und einer tieferen Temperatur T₂ an dem oberen Ende 26a des Gaserzeugungsreaktors 14 auftritt. Das Rohmaterial 30 wird in Richtung auf das untere Ende 26b des Gaserzeugungsreaktors 14 befördert, insbesondere durch die Schwerkraft.
Dabei durchläuft das Rohmaterial 30 eine Trocknungszone 44a mit einer Temperatur T₃, bei der das Rohmaterial 30 getrocknet wird. Anschließend durchläuft das Rohmaterial 30 eine Karbonisierungszone 44b mit einer Temperatur T₄, bei der das Rohmaterial 30 mindestens teilweise unter Abspaltung von Wasser in ein kohlenstoffhaltiges Karbonisierungsprodukt 46, insbesondere Kohle, umgewandelt wird. Danach durchläuft das kohlenstoffhaltige Karbonisierungsprodukt 46 eine Umwandlungszone 44c mit einer Temperatur T₅, bei der das kohlenstoffhaltige Karbonisierungsprodukt 46 mindestens teilweise mit dem Wasserdampf 18 in das Synthesegas 12 umgewandelt wird. Das Synthesegas 12 wird durch den unteren Gasauslass 20b in der Umwandlungszone 44c aus dem Gaserzeugungsreaktor 14 abgegeben. Restmaterial 32, insbesondere Rückstände, aus der Erzeugung des Synthesegases 12 werden als Asche 48 aus der Auslassschleuse 28b an dem unteren Ende 26b des Gaserzeugungsreaktors 14 aus dem Gaserzeugungsreaktor 14 abgegeben.
Ein Gasverteiler 50 nimmt über eine fluidische Verbindung 40b das Synthesegas 12 aus dem Gaserzeugungsreaktor 14 auf. Der Gasverteiler 50 leitet durch eine fluidische Verbindung 40c einen ersten Teil 12a des Synthesegases 12 an das erste Heizelement 38a. Das erste Heizelement 38a ist zur Verbrennung des Synthesegases 12 ausgebildet. Der Gasverteiler 50 leitet einen zweiten Teil 12b des Synthesegases 12 durch eine fluidische Verbindung 40d an die Umgebung der Gaserzeugungsanlage 10, zum Beispiel in einen Tank (nicht gezeigt). Der Gasverteiler 50 verfügt über einen Wassertank 52, aus dem Wasser 54 an das Synthesegas 12 abgegeben wird.
Ein zweites Heizelement 38b zur Aufnahme und Erhitzung des Gas-Wasserdampf-Gemisches 22, insbesondere von Wasserdampf 18, aus dem Gaserzeugungsreaktor 14 weist eine fluidische Verbindung 40e mit dem Gaseinlass 16 zur Abgabe des erhitzten Gas-Wasserdampf-Gemisches 22, insbesondere des erhitzten Wasserdampfs 18, auf. Das zweite Heizelement 38b ist zur Erzeugung von Mikrowellen ausgebildet, die der Erhitzung, insbesondere Überhitzung, des Gas-Wasserdampf-Gemisches 22, insbesondere des Wasserdampfs 18, dienen. Der Gasverteiler 50 ist dazu ausgebildet, durch eine fluidische Verbindung 40f Synthesegas 12 aus dem Gaserzeugungsreaktor 14 an einen Verbrennungsmotor 56 abzugeben, der unter Erzeugung von Abgasen 58 einen Generator 60 zur Erzeugung von Strom antreibt, wobei das zweite Heizelement 38b zur Erhitzung des zweiten Gas-Wasserdampf-Gemisches 22, insbesondere von Wasserdampf 18, unter Verwendung des Stroms ausgebildet ist. Zur Einstellung einer gewünschten Temperatur des Synthesegases weist der Gasverteiler 50 einen Wärmetauscher 42b auf. Durch einen Wärmetauscher 42c, der an der fluidischen Verbindung 40b zwischen dem unteren Gasauslass 20b und dem Gasverteiler 50 angeordnet ist, wird zur Erzeugung des Wasserdampf 18 Wärme durch einen Rohrleiter 64 an das zweite Heizelement 38b abgegeben. Ein Elektrogenerator 66 dient dem Start des zweiten Heizelements 38b zu Beginn des Gaserzeugungsverfahrens. Durch einen Dampfgenerator 68 wird zu Beginn des Gaserzeugungsverfahrens Wasserdampf 18 erzeugt und durch eine fluidische Verbindung 40g in das zweite Heizelement 38b eingeführt.
2 zeigt einen Querschnitt durch den Gaserzeugungsreaktor 14 mit einem Synthesegaskollektor 70 zur Aufnahme des Synthesegases 12 und anschließender Abgabe des Synthesegases 12 aus dem Gaserzeugungsreaktor 14. Der Synthesegaskollektor 70 ist mit dem unteren Gasauslass 20b fluidisch verbunden. Ein Dampfgaskollektor 72 dient der Abgabe desWasserdampfs 18 in den Gaserzeugungsreaktor 14. In das Innere des Gaserzeugungsreaktors 14 gerichtete Düsen 74a, 74b des Dampfgaskollektors 72 haben eine Mehrzahl von Öffnungen 76a, 76b zu einer gleichmäßigen Verteilung des Wasserdampfs 18. Dargestellt ist auch das Gas-Wasserdampf-Gemisch 22, insbesondere aufweisend Wasserdampf 18, , das aus der Trockungszone 44a, Karbonisierungszone 44b und Umwandlungszone 44c zu dem oberen Gasauslass 20a aufsteigt und durch die Gasabsaugpumpe 24 an das zweite Heizelement 38b, insbesondere in Form des Mikrowellenerzeugers, geleitet wird. Das Gas-Wasserdampf-Gemisch 22, insbesondere übererhitzter Wasserdampf 18, wird durch den Gaseinlass 16 wieder in den Gaserzeugungsreaktor 14 eingeführt. Gezeigt sind weiter das erste Heizelement 38a zur Erhitzung des Gaserzeugungsreaktors 14 und das zweite Heizelement 38b zur Erhitzung des Gas-Wasserdampf-Gemisches 22, insbesondere des Wasserdampfs 18, das durch den Gaseinlass 16 in den Gaserzeugungsreaktor 14 eingeführt wird.
Der Gaserzeugungsreaktor 14 hat eine größere Höhe H_R als Breite B_R. Der vertikale Abstand A₁ zwischen dem Gaseinlass 16 und dem unteren Ende 26b des Gaserzeugungsreaktors 14 ist kleiner als der Abstand A₂ zwischen dem unteren Ende 26b und dem unteren Gasauslass 20b. Der Abstand A₃ zwischen dem oberen Gasauslass 20a und dem oberen Ende 26a des Gaserzeugungsreaktors 14 ist kleiner als der Abstand A₄ zwischen dem unteren Gasauslass 20b und dem oberen Ende 26a. Der Abstand A₅ zwischen dem oberen Gasauslass 20a und dem unteren Gasauslass 20b ist größer als der Abstand A₆ zwischen dem unteren Gasauslass 20b und dem Gaseinlass 16.
3 zeigt einen Querschnitt durch den Gaserzeugungsreaktor 14 durch die in 2 mit AA bezeichneten Schnittebene. Der Synthesegaskollektor 70 weist ein Rohr 78, insbesondere ein Entweichrohr, zur Aufnahme von Synthesegas 12 auf. Das Entweichrohr 78 verläuft in Form eines Rings 80a vollständig umlaufend an der Innenwand 82 des Gaserzeugungsreaktors 14. Das Entweichrohr 78 führt zu dem unteren Gasauslass 20b. An dem Entweichrohr 78 sind nach innen weisende Rohrstücke 84a, 84b zur Aufnahme des Synthesegases 12 ausgebildet. Gezeigt ist auch das erste Heizelement 38a an dem Gaserzeugungsreaktor 14.
Der Dampfgaskollektor 72 weist ein Injektionsrohr 86 auf, das von Wasserdampf 18 durchströmt ist. Das Injektionsrohr 86 mit den an dem Injektionsrohr 86 angeordneten Düsen 74a, 74b verläuft in Form eines Rings 80b an dem unteren Ende 26b (siehe 1) des Gaserzeugungsreaktors 14. Der Gaseinlass 16 mündet in das Injektionsrohr 86.
In 4 ist das Verfahren 100 zur Erzeugung von Synthesegas 12 mit der Gaserzeugungsanlage 10 schematisch dargestellt. In einem ersten Schritt 102 wird, insbesondere nach einem Anfahren der Gaserzeugungsanlage 10, kohlenwasserstoffhaltiges Rohmaterial 30 durch eine Einlassschleuse 28a an einem oberen Ende 26a eines Gaserzeugungsreaktors 14 in den Gaserzeugungsreaktor 14 eingeführt. Das Rohmaterial 30 wird in Richtung auf ein unteres Ende 26b des Gaserzeugungsreaktors 14 befördert, insbesondere durch die Schwerkraft. In einem zweiten Schritt 104 wird der Gaserzeugungsreaktor 14 an seinem unteren Ende 26b durch ein erstes Heizelement 38a an dem unteren Ende 26b des Gaserzeugungsreaktors 14 erhitzt. In einem dritten Schritt 106 wird durch einen Gaseinlass 16 an dem unteren Ende 26b des Gaserzeugungsreaktors 14 überhitzter Wasserdampf 18 in den Gaserzeugungsreaktor 14 eingeführt. Der Wasserdampf 18 strömt in Richtung des oberen Endes 26a des Gaserzeugungsreaktors 14, wobei ein Temperaturgefälle mit einer höheren Temperatur T₁ an dem unteren Ende 26b und einer tieferen Temperatur T₂ an dem oberen Ende 26a des Gaserzeugungsreaktors 14 auftritt. In einem vierten Schritt 108 durchläuft das Rohmaterial 30 eine Trocknungszone 44a mit einer Temperatur T₃, bei der das Rohmaterial 30 getrocknet wird. In einem fünften Schritt 110 durchläuft das Rohmaterial 30 eine Karbonisierungszone 44b mit einer Temperatur T₄, bei der das Rohmaterial 30 mindestens teilweise unter Abspaltung von Wasser in ein kohlenstoffhaltiges Karbonisierungsprodukt 46 umgewandelt wird. In einem sechsten Schritt 112 durchläuft das kohlenstoffhaltige Karbonisierungsprodukt 46 eine Umwandlungszone 44c mit einer Temperatur T₅, bei der der Kohlenstoff in dem kohlenstoffhaltigen Karbonisierungsprodukt 46 mindestens teilweise mit dem Wasserdampf 18 in ein Synthesegas 12 umgewandelt wird. In einem siebten Schritt 114 wird das Synthesegas 12 durch einen unteren Gasauslass 20b in der Umwandlungszone 44c aus dem Gaserzeugungsreaktor 14 abgegeben. In einem achten Schritt 116 wird Restmaterial 32 aus der Erzeugung des Synthesegases 12 als Asche 48 aus einer Auslassschleuse 28b an dem unteren Ende 26b des Gaserzeugungsreaktors 14 aus dem Gaserzeugungsreaktor 14 abgegeben.
Unter Vornahme einer Zusammenschau aller Figuren der Zeichnung betrifft die Erfindung eine Gaserzeugungsanlage 10 zur Erzeugung von wasserstoffhaltigem Synthesegas 12. Die Gaserzeugungsanlage 10 weist einen Gaserzeugungsreaktor 14 auf. Der Gaserzeugungsreaktor 14 ist in vertikaler Richtung ausgerichtet und weist eine größere Länge H_R in vertikaler Richtung als Breite B_R auf. Ein Gaseinlass 16 des Gaserzeugungsreaktors 14 ist zum Hindurchtreten eines Gas-Wasserdampf-Gemisches 22, insbesondere von überhitztem Wasserdampf 18, durch den Gaseinlass 16 in den Gaserzeugungsreaktor 14 ausgebildet. Durch einen oberen Gasauslass 20a des Gaserzeugungsreaktors 14 kann das Gas-Wasserdampf-Gemisch 22 aus dem Gaserzeugungsreaktor 14 durch den oberen Gasauslass 20a herausgeleitet werden. Das Gas-Wasserdampf-Gemisch 22 kann nach einem Überhitzen in dem zweiten Heizelement 38b wiederverwendet werden. Durch einen unteren Gasauslass 20b kann Synthesegas 12 aus dem Gaserzeugungsreaktor 14 austreten. In vertikaler Richtung ist der Gaseinlass 16 mit einem geringeren Abstand A₁ zu dem unteren Ende 26b als der untere Gasauslass 20b angeordnet. Der obere Gasauslass 20a ist mit einem geringeren vertikalen Abstand A₃ zu dem oberen Ende 26a des Gaserzeugungsreaktors 14 angeordnet als der untere Gasauslass 20b. Der vertikale Abstand A₅ zwischen dem oberen Gasauslass 20a und dem unteren Gasauslass 20b ist größer als der vertikale Abstand A₆ zwischen dem unteren Gasauslass 20b und dem Gaseinlass 16.

Claims

Gaserzeugungsanlage (10) zur Erzeugung von wasserstoffhaltigem Synthesegas (12) und zur Erzeugung von kohlenstoffhaltigem Material bei Normaldruck unter Einwirkung von erhitztem Wasserdampf (18) mit einem Gaserzeugungsreaktor (14) mit einer größeren Höhe (H_R) als Breite (B_R), wobei der Gaserzeugungsreaktor (14) aufweist: a. einen Gaseinlass (16) zur Aufnahme von überhitztem Wasserdampf (18); b. einen oberen Gasauslass (20a) zur Abgabe eines Gas-Wasserdampf-Gemisches (22); c. einen unteren Gasauslass (20b) zur Abgabe von Synthesegas (12), wobei die Gaserzeugungsanlage (10) ferner ein erstes Heizelement (38a) aufweist, wobei entlang der Längsachse (LA) des Gaserzeugungsreaktors (14) d. eine Einlassschleuse (28a) zur Aufnahme von Rohmaterial (30) in fester Form unter Gasabdichtung des Gaserzeugungsreaktors (14) an einem oberen Ende (26a) des Gaserzeugungsreaktors (14) vorhanden ist; e. eine Auslassschleuse (28b) zur Abgabe von Restmaterial (32) in fester Form unter Gasabdichtung des Gaserzeugungsreaktors (14) an einem unteren, dem oberen Ende (26a) gegenüberliegenden Ende (26b) des Gaserzeugungsreaktors (14) vorhanden ist, wobei der obere Gasauslass (20a) näher an dem oberen Ende (26a) als der untere Gasauslass (20b) angeordnet ist und der Abstand A₅ zwischen dem oberen Gasauslass (20a) und dem unteren Gasauslass (20b) größer ist als der Abstand A₆ zwischen dem unteren Gasauslass (20b) und dem Gaseinlass (16), dadurch gekennzeichnet, dass der Gaseinlass (16) näher an dem unteren Ende (26b) als der untere Gasauslass (20b) angeordnet ist, wobei die Gaserzeugungsanlage (10) ferner durch ein zweites Heizelement (38b) zur Aufnahme und Erhitzung des Gas-Wasserdampf-Gemisches (22) aus dem Gaserzeugungsreaktor (14) gekennzeichnet ist, wobei das zweite Heizelement (38b) eine fluidische Verbindung (40e) mit dem Gaseinlass (16) zur Abgabe des Gas-Wasserdampf-Gemisches (22), und/oder eine fluidische Verbindung mit dem oberen Gasauslass (20a) über eine Gasabsaugpumpe (24) aufweist, wobei das zweite Heizelement (38b) zur Erzeugung von Mikrowellen ausgebildet ist, die der Überhitzung des Gas-Wasserdampf-Gemisches (22) dienen.
Gaserzeugungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gaserzeugungsreaktor (14) ein Synthesegaskollektor (70) zur Aufnahme des Synthesegases (12) angeordnet ist, der mit dem unteren Gasauslass (20b) fluidisch verbunden ist.
Gaserzeugungsanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Synthesegaskollektor (70) rohrförmig ausgebildet ist und/oder an der Innenwand (82) des Gaserzeugungsreaktors (14) vollständig umlaufend angeordnet ist und/oder ringförmig ausgebildet ist
Gaserzeugungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gaserzeugungsreaktor (14) ein Dampfgaskollektor (72) zur Abgabe des Gas-Wasserdampf-Gemisches (22), insbesondere des Wasserdampfs (18), in dem Gaserzeugungsreaktor (14) angeordnet ist, der mit dem Gaseinlass (16) fluidisch verbunden ist.
Gaserzeugungsanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Dampfgaskollektor (72) rohrförmig ausgebildet ist und/oder an der Innenwand (82) des Gaserzeugungsreaktors (14) vollständig umlaufend angeordnet ist und/oder ringförmig ausgebildet ist.
Gaserzeugungsanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Dampfgaskollektor (72) Düsen (74a, 74b) aufweist, insbesondere mit einer Mehrzahl von Öffnungen (76a, 76b).
Gaserzeugungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Heizelement (38a) an dem unteren Ende (26b) des Gaserzeugungsreaktors (14) angeordnet ist.
Gaserzeugungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Gasverteiler (50) zur Aufnahme des Synthesegases (12) aus dem Gaserzeugungsreaktor (14), wobei der Gasverteiler (50) zur Abgabe mindestens eines Teils des Synthesegases (12) an das erste Heizelement (38a) und das erste Heizelement (38a) zur Verbrennung des Synthesegases (12) aus dem Gasverteiler (50) ausgebildet sind.
Gaserzeugungsanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasverteiler (50) zur Abgabe von Wasser (54) in das aus dem Gaserzeugungsreaktor (14) aufgenommene Synthesegas (12) ausgebildet ist.
Gaserzeugungsanlage nach einem der Ansprüche 8 oder 9, wobei der Gasverteiler (50) dazu ausgebildet ist, Synthesegas (12) aus dem Gaserzeugungsreaktor (14) an einen Generator (60) zur Erzeugung von Strom abzugeben, wobei das zweite Heizelement (38b) zur Erhitzung des Gas-Wasserdampf-Gemisches (22), insbesondere von Wasserdampf (18), unter Verwendung des Stroms ausgebildet ist.
Gaserzeugungsverfahren (100) zur Erzeugung von Synthesegas (12) mit einer Gaserzeugungsanlage (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend die folgenden Schritte: a. Kohlenwasserstoffhaltiges Rohmaterial (30) wird durch eine Einlassschleuse (28a) an dem oberen Ende (26a) des Gaserzeugungsreaktors (14) in den Gaserzeugungsreaktor (14) eingeführt; b. Der Gaserzeugungsreaktor (14) wird durch ein erstes Heizelement (38a) an einem unteren Ende (26b) erhitzt, insbesondere an seiner Außenhaut; c. Durch einen Gaseinlass (16) an einem unteren Ende (26b) eines Gaserzeugungsreaktors (14) wird überhitzter Wasserdampf (18) in den Gaserzeugungsreaktor (14) eingeführt; d. Der Wasserdampf (18) strömt in Richtung eines oberen Endes (26a) des Gaserzeugungsreaktors (14), wobei ein Temperaturgefälle mit einer höheren Temperatur T₁ an dem unteren Ende (26b) und einer tieferen Temperatur T₂ an dem oberen Ende (26a) des Gaserzeugungsreaktors (14) auftritt; e. Das Rohmaterial (30) wird in Richtung auf das untere Ende (26b) des Gaserzeugungsreaktors (14) befördert; f. Das Rohmaterial (30) durchläuft eine Trocknungszone (44a) mit einer Temperatur T₃, bei der das Rohmaterial (30) getrocknet wird; g. Das Rohmaterial (30) durchläuft eine Karbonisierungszone (44b) mit einer Temperatur T₄, bei der das Rohmaterial (30) mindestens teilweise, insbesondere unter Abspaltung von Wasser (54), in ein kohlenstoffhaltiges Karbonisierungsprodukt (46) umgewandelt wird; h. Das kohlenstoffhaltige Karbonisierungsprodukt (46) durchläuft eine Umwandlungszone (44c) mit einer Temperatur T₅, bei der das kohlenstoffhaltige Karbonisierungsprodukt (46) mindestens teilweise mit dem Wasserdampf (18) in ein Synthesegas (12) umgewandelt wird; i. Das Synthesegas (12) wird durch einen unteren Gasauslass (20b) in der Umwandlungszone (44c) aus dem Gaserzeugungsreaktor (14) abgegeben; j. Restmaterial (32) aus der Erzeugung des Synthesegases (12) wird, insbesondere als Asche (48), aus einer Auslassschleuse (28b) an dem unteren Ende (26b) des Gaserzeugungsreaktors (14) aus dem Gaserzeugungsreaktor (14) abgegeben, wobei ein Gas-Wasserdampf-Gemisch (22), aufweisend den Wasserdampf (18), aus dem Gaserzeugungsreaktor (14) zu einem zweiten Heizelement (38b) geleitet wird, durch das zweite Heizelement (38b) erhitzt wird und dann durch den Gaseinlass (16) wieder in den Gaserzeugungsreaktor (14) eingeführt wird, wobei das zweite Heizelement (38b) zur Erzeugung von Mikrowellen ausgebildet ist, die der Überhitzung des Gas-Wasserdampf-Gemisches (22) dienen.
Gaserzeugungsverfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass durch einen Gasverteiler (50) mindestens ein Teil (12a) des im Gaserzeugungsreaktor (14) erzeugten Synthesegases (12) zur Verbrennung in das erste Heizelement (38a) eingeführt wird.