DE102022001006A1 - Pyrolysis process - Google Patents
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Abstract
Bei einem Pyrolyse-Verfahren organischen Ausgangsmaterials erfolgt eine kontinuierliche und sauerstoffarme Karbonisierung des oberseitig in eine Reaktionskammer (2) eines Reaktors (1) eingebrachten Ausgangsmaterials zu Kohle durch einen Eintrag eines Heizgases, wird die Kohle über den gesamten Boden der Reaktionskammer (2) durch eine linear sich bewegende Fördervorrichtung (27) ausgetragen und erfolgt bodenseitig der Reaktionskammer (2) und mit dem Austrag eine Kühlung der Kohle.In a pyrolysis process of organic starting material, a continuous and low-oxygen carbonization of the starting material introduced into a reaction chamber (2) of a reactor (1) takes place into coal by introducing a heating gas, the coal is passed over the entire bottom of the reaction chamber (2) by a linearly moving conveyor device (27) and takes place at the bottom of the reaction chamber (2) and the coal is cooled with the discharge.
Description
Die Erfindung betrifft ein Pyrolyse-Verfahren organischen Ausgangsmaterials.The invention relates to a pyrolysis process of organic starting material.
Unter dem Begriff Pyrolyse werden eine Vielzahl von thermisch-chemischen Prozessen verstanden. Bei dem in Rede stehenden Verfahren wird von einem organischen Material ausgegangen, beispielsweise von einem waldfrischen Hackgut, das in einer Reaktionskammer einer Karbonisierung unterzogen wird. In an sich bekannter Weise können so verschiedene Kohlearten, beispielsweise Holzkohle oder Aktivkohle, als Endprodukte erzeugt werden. Daneben fallen regelmäßig bei einer Pyrolyse Pyrolysegase, Pyrolyseöle und Teere an.The term pyrolysis refers to a variety of thermal-chemical processes. The process in question is based on an organic material, for example wood chips fresh from the forest, which is subjected to carbonization in a reaction chamber. In a manner known per se, various types of coal, for example charcoal or activated carbon, can be produced as end products. In addition, pyrolysis gases, pyrolysis oils and tars are regularly produced during pyrolysis.
Für eine Pyrolyse bedarf es hoher Temperaturen, regelmäßig von bis zu 700°C. Das Erwärmen der Reaktionskammer und die Aufrechterhaltung einer im Wesentlichen gleichmäßigen Temperatur innerhalb der Kammer ist komplex und vor allem energieintensiv. Vor diesem Hintergrund zeichnet sich ein Trend zu großen, zentralen Anlagen mit einem hohen Wirkungsgrad ab.Pyrolysis requires high temperatures, regularly up to 700°C. Heating the reaction chamber and maintaining a substantially uniform temperature within the chamber is complex and, above all, energy intensive. Against this background, there is an emerging trend towards large, central systems with high efficiency.
Gegen diesen Trend soll durch die Erfindung ein Pyrolyse-Verfahren zur Verfügung gestellt werden, mit dem auch vergleichsweise kleine Reaktionskammern effizient betrieben werden können, beispielsweise von mittleren landwirtschaftlichen Betrieben, Bauhöfen oder anderen Einrichtungen, bei denen Biomasse anfällt. Das Verfahren soll eine dezentrale Nutzung ermöglichen, bei dem auch anfallende Prozesswärme in an sich herkömmlicher Weise genutzt werden kann, beispielsweise für das Heizen von Ställen, Hallen oder auch Wohnungen, was eine wirtschaftliche und nachhaltige Nutzung der gewonnenen Energie darstellt.Against this trend, the invention is intended to provide a pyrolysis process with which even comparatively small reaction chambers can be operated efficiently, for example in medium-sized agricultural operations, construction yards or other facilities that produce biomass. The process is intended to enable decentralized use, in which the process heat generated can also be used in a conventional manner, for example for heating stables, halls or even apartments, which represents an economical and sustainable use of the energy generated.
Gelöst wird diese Problematik durch ein Verfahren mit den Merkmalen gern, des Anspruchs 1. Die in den Unteransprüchen aufgelisteten Merkmale erhöhen die Effizienz des erfindungsgemäßen Verfahrens weiter.This problem is solved by a method with the features of
Von Vorteil ist zunächst der kontinuierliche Betrieb. Ein häufiges Aufheizen und Abkühlen der Reaktionskammer eines Reaktors bei einem chargenweisen Betrieb ist damit vermieden. Für eine sauerstoffarme Karbonisierung ist weiter die Reaktionskammer gegenüber der Umgebung abgeschlossen. Das Beheizen der Reaktionskammer erfolgt durch einen Eintrag eines heißen Gases, womit auch der Sauerstoffgehalt innerhalb der Reaktionskammer in einfacher Weise kontrollierbar ist.The first advantage is continuous operation. This avoids frequent heating and cooling of the reaction chamber of a reactor during batch operation. For low-oxygen carbonization, the reaction chamber is further sealed off from the environment. The reaction chamber is heated by introducing a hot gas, which means that the oxygen content within the reaction chamber can also be easily controlled.
Das Endprodukt der Pyrolyse, Kohle, sammelt sich am Boden der Reaktionskammer und wird von dort durch eine linear sich bewegende Fördervorrichtung ausgetragen. So kann mit einer Vorgabe einer Austragsgeschwindigkeit auch die Dauer der Pyrolyse eingestellt werden. Insbesondere wird durch den gleichmäßigen, über dem gesamten Boden erfolgenden Austrag eine homogene Schichtung innerhalb der Reaktionskammer geschaffen, die gleichmäßig nach unten wandert. Darüber hinaus kann durch die Fördervorrichtung eine Durchmischung und Homogenisierung der Kohle erfolgen, beispielsweise durch aufwärts gerichtete Finger oder Krallen.The end product of pyrolysis, coal, collects at the bottom of the reaction chamber and is discharged from there by a linearly moving conveyor device. By specifying a discharge speed, the duration of the pyrolysis can also be adjusted. In particular, the uniform discharge over the entire floor creates a homogeneous layering within the reaction chamber, which migrates evenly downwards. In addition, the conveyor device can be used to mix and homogenize the coal, for example by pointing upwards with fingers or claws.
Weiter erfolgt eine Kühlung des Bodens der Reaktionskammer und damit auch der Kohle, vorzugsweise mittels eines Wärmetauschers. Damit wird der Kohle thermische Energie bereits in der Reaktionskammer entzogen und die Gefahr eines Nachbrands der Kohle im Zuge des Austrags wird verringert.Furthermore, the bottom of the reaction chamber and thus also the coal are cooled, preferably by means of a heat exchanger. This means that thermal energy is removed from the coal in the reaction chamber and the risk of the coal burning during discharge is reduced.
Um eine sauerstoffarme Karbonisierung zu ermöglichen ist weiter vorgesehen, dass die Pyrolyse in einer abgeschlossenen Reaktionskammer erfolgt und dass ein oberseitiger Eintrag des Ausgangsmaterials und ein bodenseitiger Austrag der Kohle durch Schleusen erfolgt. Es kann dahingestellt bleiben, ob bei dem Ein- bzw. Ausschleusen in geringfügigem Umfange Umgebungsluft in die Reaktionskammer eindringt, im Wesentlichen wird der Sauerstoffgehalt von 0,3% bis 5% bei der Pyrolyse durch den Eintrag des heißen Gases bestimmt.In order to enable low-oxygen carbonization, it is further provided that the pyrolysis takes place in a closed reaction chamber and that the starting material is fed in at the top and the coal is discharged at the bottom through locks. It can remain an open question whether a small amount of ambient air penetrates into the reaction chamber during the entry or exit; essentially, the oxygen content of 0.3% to 5% during pyrolysis is determined by the entry of the hot gas.
Eine Karbonisierung in homogenen Schichten wird weiter durch die Maßnahme gefördert, dass das Ausgangsmaterial nach dem Einschleusen aus einem Einfüllstutzen sukzessive in die Reaktionskammer eintritt. Dazu sollte der Einfüllstutzen derart bemessen sein, dass durch das Material in einem oberen Bereich der Reaktionskammer eine kegelförmige Schüttung ausgebildet wird.Carbonization in homogeneous layers is further promoted by the measure that the starting material successively enters the reaction chamber after being introduced from a filler neck. For this purpose, the filler neck should be dimensioned such that a conical bed is formed by the material in an upper region of the reaction chamber.
Das bei der Pyrolyse entstehende Pyrolysegas wird aus der Reaktionskammer abgezogen und in einem externen Brenner verbrannt und das Abgas als Heizgas in die Reaktionskammer eingebracht. Dabei ist an eine Regelung des Sauerstoffgehalts in dem Heizgas und damit in der Reaktionskammer gedacht. Der Brenner kann von dem Reaktor abgesetzt oder mit diesem verbunden sein, bspw. oberseitig, um dessen Abwärme zu nutzen.The pyrolysis gas produced during pyrolysis is withdrawn from the reaction chamber and burned in an external burner and the exhaust gas is introduced into the reaction chamber as heating gas. The aim here is to regulate the oxygen content in the heating gas and thus in the reaction chamber. The burner can be separated from the reactor or connected to it, for example on the top, in order to use its waste heat.
Das in der Regel anfallende, überschüssige Heizgas kann in an sich herkömmlicher Weise in einem Blockheizkraftwerk verwendet werden, in einem Sterlingmotor verstromt werden oder dergleichen mehr.The excess heating gas that is usually produced can be used in a conventional manner in a combined heat and power plant, converted into electricity in a Sterling engine, or the like.
Bevorzugt erfolgt das Einbringen des Heizgases durch wenigstens ein die Reaktionskammer durchsetzendes Gaseintragsrohr. In einem unteren Drittel der Reaktionskammer diese horizontal durchsetzend wird die Reaktionskammer nicht nur durch das Heizgas, sondern auch durch die Strahlungswärme des erhitzten Gaseintragsrohrs geheizt. Die Anzahl der Gaseintragsrohre richtet sich dabei nach der Größe und dem Querschnitt der Reaktionskammer.The heating gas is preferably introduced through at least one gas entry tube passing through the reaction chamber. In a lower one Crossing the third of the reaction chamber horizontally, the reaction chamber is heated not only by the heating gas, but also by the radiant heat of the heated gas inlet tube. The number of gas entry tubes depends on the size and cross section of the reaction chamber.
Bei Temperaturen unter 300° kondensiert Teer aus dem Pyrolysegas. Um dessen Ablagerung gering zu halten, ist weiter vorgesehen, eine Wand der Reaktionskammer zu beheizen, insbesondere in einem oberen Drittel, dem Bereich der Eintragung und der Aufheizung des eingebrachten Ausgangsmaterials.At temperatures below 300°, tar condenses from the pyrolysis gas. In order to keep its deposition low, it is further provided to heat a wall of the reaction chamber, in particular in an upper third, the area of entry and heating of the introduced starting material.
Als zweckmäßig hat es sich dabei erwiesen, wenn das Beheizen der Wand durch das Heizgas erfolgt. Dabei bieten sich zwei Möglichkeiten an. So kann das Heizgas unmittelbar von dem Brenner zur Verfügung gestellt werden. Alternativ kann auch die Abluft des Heizgases nach Durchströmung des Gaseintragsrohrs genutzt werden.It has proven to be expedient if the wall is heated using the heating gas. There are two options available. This means that the heating gas can be made available directly from the burner. Alternatively, the exhaust air of the heating gas can also be used after flowing through the gas inlet pipe.
Bei dem Verfahren nach der Erfindung ist weiter vorgesehen, dass vor dem Beginn der Pyrolyse die Reaktionskammer mit dem Ausgangsmaterial verfüllt wird. Dieses Verfüllen sollte möglichst vollständig mit trockenem, stückigem Material erfolgen. Nach dem Schließen der Reaktionskammer kann das Ausgangsmaterial unter Sauerstoffzufuhr punktuell bis zu einer Verbrennung erhitzt werden. Dies kann beispielsweise durch Entzünden des Ausgangsmaterials mit einem in der Reaktionskammer angeordneten Zünder erfolgen, beispielsweise einem Keramikzünder. Spätestens mit Erreichen der für eine Pyrolyse notwendigen Temperatur in der Reaktionskammer wird die Sauerstoffzufuhr dann abgeriegelt.In the method according to the invention it is further provided that the reaction chamber is filled with the starting material before the start of pyrolysis. This backfilling should be done as completely as possible with dry, lumpy material. After closing the reaction chamber, the starting material can be heated at certain points with oxygen until it burns. This can be done, for example, by igniting the starting material with an igniter arranged in the reaction chamber, for example a ceramic igniter. The oxygen supply is then shut off at the latest when the temperature in the reaction chamber required for pyrolysis is reached.
Zweckmäßigerweise erfolgt die Sauerstoffzufuhr bei dem Anfahren der Pyrolyse durch das Gaseintragsrohr.When starting up the pyrolysis, oxygen is expediently supplied through the gas entry pipe.
Das Verfahren nach der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:
-
1 : eine schematische Darstellung einer Anlage für die Durchführung des Pyrolyse-Verfahrens und -
2 : eine Variante.
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1 : a schematic representation of a system for carrying out the pyrolysis process and -
2 : a variant.
Die Reaktionskammer 2 wird von oben gern. Pfeil 3 mit einem organischem Ausgangsmaterial verfüllt. Um die Sauerstoffarmut in der Reaktionskammer 2 zu gewährleisten, erfolgt dies über eine Schleuse 4. Angedeutet ist in der
Das in der Reaktionskammer 2 entstehende Pyrolysegas wird über eine Rohrleitung 10 von einer Pumpe 11 kontrolliert abgezogen und einem externen Brenner 12 zugeführt. Dabei ist, wie im Folgenden, eine Pumpe insbesondere nach Art eines Ventilators ausgebildet.The pyrolysis gas produced in the reaction chamber 2 is drawn off in a controlled manner by a
Das Verbrennen der Pyrolysegase erfolgt unter von einer Pumpe 13 geregelten Zuführung von Frischluft gem. Pfeil 14. Damit wird auch der Sauerstoffgehalt in dem Abgas des Brenners 12 geregelt.The burning of the pyrolysis gases takes place with the supply of fresh air controlled by a
Das Abgas des Brenners 12 wird als Heizgas für das Erhitzen der Reaktionskammer 2 verwendet. Ein Überschuss des Abgases wird gern. Pfeil 15 von einer Pumpe 16 geregelt über einen Wärmetauscher 17 abgeführt. Die so gewonnene Restwärme kann in üblicher Weise genutzt werden, beispielsweise für Heizzwecke, eine Vorabtrocknung des Ausgangsmaterials und dergleichen mehr.The exhaust gas from the
Der als Heizgas genutzte Teil des Abgases des Brenners 12 wird gem. Pfeil 18 unmittelbar in die Reaktionskammer 2 über ein Eintragsrohr 19 eingebracht, das die Reaktionskammer 2 durchsetzt. Aus dem Gaseintragsrohr 19 wird das Heizgas, bevorzugt nach unten, in die Reaktionskammer 2 eintreten, durch die nach unten gerichteten Pfeile angedeutet. Daneben wird das Gaseintragsrohr 19 selbst durch das Heizgas aufgeheizt und stellt damit auch eine Wärmequelle dar.The part of the exhaust gas from the
Der Durchsatz des Heizgases wird von einer Pumpe 20 gesteuert. Ggf. kann vor einem Austritt des Heizgases in die Umgebung gem. Pfeil 21 noch ein Wärmetauscher vorgesehen sein, um der Abluft die Restwärme noch zu entziehen.The throughput of the heating gas is controlled by a
Neben der unmittelbaren Heizung der Reaktionskammer 2 durch das Heizgas wird auch eine Wand 22 des Reaktors 1 beheizt. Hierzu wird eine um den Reaktor 1 umlaufende Heizung 23 gern. Pfeil 24 mit Heizgas aus dem Brenner 12 beaufschlagt.In addition to the immediate heating of the reaction chamber 2 by the heating gas, a
Die Heizung 23 ist in einem oberen Drittel des Reaktors 1 angeordnet. Durch diese Maßnahme wird verhindert, dass dort aufgrund niedriger Temperaturen Teeröle aus dem Pyrolysegas ausgefällt werden und sich an der Innenwand der Reaktorkammer 2 absetzen.The
Der Durchsatz dieses Heizgases durch die Heizung 23 wird von einer Pumpe 25 kontrolliert und es kann vor dem Austritt in die Umgebung gem. Pfeil 26 ein Wärmetauscher noch vorgesehen sein.The throughput of this heating gas through the
Über den gesamten Boden der Reaktionskammer 2 erfolgt der Austrag des karbonisierten Ausgangsmaterials, der durch die Pyrolyse entstandenen Kohle. Dies erfolgt durch eine linear sich bewegende Fördervorrichtung 27, bspw. durch einen Schub- oder Kratzboden. Der Fördervorrichtung 27 nach oben vorstehende Stifte, Krallen 28 oder dergleichen stellen eine stetige Durchmischung und damit eine Homogenisierung der Kohle sicher.The carbonized starting material, the coal created by the pyrolysis, is discharged over the entire bottom of the reaction chamber 2. This is done by a linearly moving
Unter dem Boden der Reaktionskammer 2 ist eine Kühlvorrichtung in Form eines angedeuteten Wärmetauschers 29 vorgesehen. Durch die Kühlung am Boden des Reaktors 1 ist die Fördervorrichtung 27 einer geringeren thermischen Belastung ausgesetzt, so dass als Material beispielsweise ein V2A-Stahl für einen Schubboden Verwendung finden kann.A cooling device in the form of an
Um ein Vergasen oder Verbrennen der Kohle nach einem Austrag aus einer Reaktionskammer zu verhindern, wird die Kohle regelmäßig mit Wasser abgelöscht. Diese Wassermenge kann durch die aktive Kühlung am Boden des Reaktors 1 deutlich reduziert werden, nachdem die Kohle die Schleuse 30 passiert hat und der Umgebungsluft ausgesetzt wird.In order to prevent the coal from gasifying or burning after it has been discharged from a reaction chamber, the coal is regularly extinguished with water. This amount of water can be significantly reduced by the active cooling at the bottom of the
Das anhand der
In der Zeichnung nicht dargestellt ist die Möglichkeit, überschüssiges Heizgas, dass zur Erzeugung der für die Prozesswärme der Pyrolyse nicht benötig wird, anderweitig zu nutzen, bspw. in einem Blockheizkraftwerk, zur Verstromung in einem Sterlingmotor oder dergleichen mehr.Not shown in the drawing is the possibility of using excess heating gas that is not needed to generate the process heat for pyrolysis for other purposes, for example in a combined heat and power plant, for generating electricity in a Sterling engine or the like.
Bezugszeichenliste:List of reference symbols:
- 11
- Reaktorreactor
- 22
- Reaktionskammerreaction chamber
- 33
- PfeilArrow
- 44
- Schleusesluice
- 55
- SchieberSlider
- 66
- SchieberSlider
- 77
- EintragsöffnungEntry opening
- 88th
- EinfüllstutzenFiller neck
- 99
- MaterialkegelMaterial cone
- 1010
- Rohrleitungpipeline
- 1111
- Pumpepump
- 1212
- Brennerburner
- 1313
- Pumpepump
- 1414
- PfeilArrow
- 1515
- PfeilArrow
- 1616
- Pumpepump
- 1717
- WärmetauscherHeat exchanger
- 1818
- PfeilArrow
- 1919
- GaseintragsrohrGas entry pipe
- 2020
- Pumpepump
- 2121
- PfeilArrow
- 2222
- WandWall
- 2323
- HeizungHeating
- 2424
- PfeilArrow
- 2525
- Pumpepump
- 2626
- PfeilArrow
- 2727
- FördervorrichtungConveyor device
- 2828
- StiftPen
- 2929
- WärmetauscherHeat exchanger
- 3030
- Schleusesluice
- 3131
- 3232
- 3333
- 3434
- 3535
- HeizungHeating
- 3636
- GaseintragsrohrGas entry pipe
- 3737
- PfeilArrow
- 3838
- Pumpepump
- 3939
- PfeilArrow
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2022
- 2022-03-23 DE DE102022001006.2A patent/DE102022001006A1/en active Pending
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