-
Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren eine Vorrichtung zur Vergasung
und Verbrennung stückiger
nachwachsender Rohstoffe in Form tierischer Knochen.
-
Organische
Substanzen in Form von tierischen Knochen werden seit Jahren nach
entsprechender Behandlung weiter verarbeitet bzw. als so vorliegende
Endprodukte verwertet.
-
So
werden entfettete und entproteinierte tierische Knochen unter anderem
auch zur Gewinnung von Knochenasche verwertet, wie in der
DD 238 608 A1 beschrieben.
Dieses Verfahren und die beschriebene Vorrichtung beziehen sich
auf die Gewinnung von Knochenasche aus tierischen Knochen, die beispielsweise
als Schleifmittel oder als Rohstoff zur Porzellanherstellung Verwendung
finden soll, wobei mittels des Verfahrens Knochenasche in Form von Tricalciumphosphat
oder Hydroxilapatit mit hohen Qualitäten bei gleichzeitiger Reduzierung
der Reaktionszeiten hergestellt werden sollen. Dies wird dadurch
erreicht, das pulvrig oder feinkörnig
aufbereitetes Knochenmehl einer vorwiegend pulsierenden Gleichstromflugstaubwolke
aufgegeben und bei einer mittleren Temperatur von 950°C bis 1180°C, vorzugsweise
1000°C bis
1100°C,
mit Verweilzeiten von 0,2 Sek. bis 10 Sek. in oxidierender Atmosphäre behandelt
wird. Die notwendige Verweilzeit kann dabei sowohl durch eine entsprechend
lange Resonanzstrecke als auch durch eine mehrmalige Behandlung einer
pulsierenden Gleichstromflugstaubwolke erreicht werden. Eine weitere
Variante des vorgestellten Verfahrens sieht vor, dass die Behandlung
unmittelbar nacheinander in einer pulsierenden Gleichstromflugstaubwolke
oder in einer zirkulierenden Wirbelschicht erfolgt.
-
Mit
dieser Lösung
erfolgt zwar eine Knochencalcinierung jedoch ist das vorgestellte
Wirbelschichtverfahren auf einen ganz bestimmten Anwendungsfall
ausgerichtet, nämlich
für ein
Einsatzprodukt in Form von Knochenmehl < 250 μ, somit können mit dem Verfahren und
er vorgestellten Vorrichtung größere Produkte
nicht behandelt werden.
-
Diese
Nachteile sollten durch ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung
calcinierter Knochenasche unter Verwendung der Wirbelschichtcalcinierung
gemäß der
DE 100 30 550 A1 dadurch beseitigt
werden, dass zerkleinerte tierische Knochenmaterialien in einem
Wirbelschichtreaktor aufgegeben und in mehreren nacheinander folgenden Stufen
calciniert werden, wobei als Ausgangsmaterial tierische Knochenmaterialien
in Korngrößen bzw. Stückgrößen von < 6 mm eingesetzt
werden.
-
Verfahrensbedingt
werden die in den einzelnen Wirbelschichten zu behandelnden Ausgangsmaterialien
im Schwebezustand gehalten, indem im Gegenstromprinzip d. h. entgegen
der Aufgaberichtung des Ausgangsmaterials ein Gas-Luft-Gemisch in
den Wirbelschichtreaktor eingeleitet wird und dieses die einzelnen
durch Wirbelschicht Anströmböden getrennten
Wirbelschicht-Calcinierstufen durchströmt und dabei die eingesetzten
Knochenmaterialien thermisch behandelt werden.
-
Dieses
Verfahren ist sicher effektiv einsetzbar zur Gewinnung von Knochenasche,
allerdings sind die Kosten für
den apparativen Aufwand und der Prozessführung sehr hoch und es werden
nicht alle bei dem Prozess entstehenden und frei werdenden Produkte
einer weiteren Verwendung zugeführt.
-
Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahrung und
eine Vorrichtung zur Vergasung und Verbrennung stückiger nachwachsender Rohstoffe,
tierischen Ursprungs wie Knochen zu entwickeln, mit denen unter
günstigen
thermischen und verfahrenstechnischen Bedingungen Endprodukte als
auch Zwischenprodukte wie calcinierte Knochen, Knochenaktivkohle
und schwach- bis hochkaloriges Gas hergestellt werden können, dies
bei Ausschluss der Nachteile des Standes der Technik.
-
Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe hinsichtlich des Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruches
1 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungen
und besondere Gestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
-
Das
neue Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass tierische Knochen
in aufbereitetem und somit frischem Zustand, aber auch in behandelter Form,
indem die tierischen Knochen entfettet und entleimt und andere organische
Abprodukte in einem kontinuierlichen Prozessablauf, dabei drei Prozessstufen
durchlaufen, behandelt werden.
-
Die
drei Prozessstufen sind gekennzeichnet durch einen erste Verfahrensstufe
zur Trocknung und Pyrolyse der aufgegebenen Produkte, einer zweiten Verfahrensstufe,
der Verbrennung und Vergasung der aus der ersten Stufe anfallenen
Produkte und einer dritten Verfahrensstufe, der Reduktionsstufe,
in der eine Restentgasung, d. h. die Crackung langkettiger Kohlenwasserstoffe
und die Reduktion von CO2 zu CO sowie die
Verbrennung von C zu CO stattfindet. Dieser Prozess läuft endotherm
ab, dies begründet
durch die hohe Energie der aus der Verbrennungs- und Vergasungsstufe
austretenden Gase.
-
Zur
Erfindung gehört
auch, dass die zu behandelnden, Produkte die einzelnen Verfahrensstufen
in unterschiedlichen Zeiten durchlaufen und bei unterschiedlichen
Temperaturen behandelt werden.
-
In
der ersten Verfahrensstufe, der Trocknungs- und Pyrolysephase, herrschen
Temperaturen von 400°C
bis 600°C
und die Verweilzeit beträgt
5 Min. bis 15 Min. In der zweite Verfahrensstufe, der Verbrennungs-
und Vergasungsphase, betragen die Temperaturen 900°C bis 1150°C und die
Produkte verweilen über
Zeiträume
von 5 Min. bis 15 Min. Die sich anschließende dritte Verfahrensstufe,
die Reduktionsphase, ist gekennzeichnet durch vorherrschenden Temperaturen
in dem Bereich von 450°C bis
550°C, in
denen die Produkte über
einen Zeitraum von 10 Min. bis 30 Min. verweilen.
-
Der
gesamter Verfahrensablauf ist ein autothermischer Prozess, welcher
durch eine spezifische Mess-, Steuer- und Regelungstechnik gesteuert
wird und im Ergebnis drei Produkte, nämlich calcinierte Knochen,
Knochenaktivkohle und schwach- bis hochkaloriges Gas aus den aufgegebenen
Produkten gewonnen werden und zur Verfügung stehen.
-
Hinsichtlich
der Vorrichtung wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruchs
5 gelöst.
-
Gemäß der Erfindung
laufen die einzelnen Verfahrensstufen in einem Festbettgleichstromreaktor
ab, welcher in Form eines Schachtofens ausgebildet ist und der unter
atmosphärischem
Druck arbeitet. Die einzelnen Verfahrensschritte laufen in den einzelnen
Sektionen des Festbettgleichstromreaktors ab, die als Trocknungs-
und Pyrolysesektion, als Verbrennungs- und Vergasungssektion und
als Reduktionssektion ausgebildet und in vertikaler Anordnung zueinander
gefügt
sind.
-
Innerhalb
der einzelnen Sektionen des Festbettgleichstromreaktors sind keine
mechanisch bewegten Teile vorhanden, lediglich vorgesehene Einbauten
sichern, dass das aufgegebene Gut durch die einzelnen Sektionen
geführt
wird. Dies wird dadurch erreicht, dass die einzelnen Sektionen vertikal übereinander
angeordnet sind und somit das lose eingebrachte Material, das Input,
infolge seiner Schwerkraft von einer zur anderen Sektion gelangt.
Die in den einzelnen Sektionen vorgesehenen Einbauten sind so ausgeführt, dass
die erforderlichen Verweilzeiten in den einzelnen Sektionen realisiert
werden, was durch die spezielle geometrische Gestaltung der Einbauten
und des Festbettgleichstromreaktor erreicht wird. Im Inneren ist
der Festbettgleichstromreaktor mit einem feuerfesten Material ausgemauert.
-
Ferner
gehört
zur Erfindung, dass in der Trocknungs- und Pyrolysesektion sowie
der Verbrennungs- und Vergasungssektion Brenner vorgesehen und diese
Sektionen gleichfalls mit Luftzuführeinrichtungen ausgebildet
sind. Innerhalb der Reduktionssektion ist ein Glutbett ausgebildet,
wobei auch diese Reduktionssektion mit Luftzuführeinrichtungen ausgebildet
ist. Ferner sind dieser Reduktionssektion ein Förderer zum Abtransport der
gewonnenen Knochenaktivkohle und ein weiterer Förderer zur Abförderung
der gewonnenen calcinierten Knochen zugeordnet. Das entstehende
Schwachgas wird über
geeignete Abförderleitungen
aus dem Festbettgleichstromreaktor abgeleitet.
-
Die
Vorteile der vorgestellten Lösung
liegen in der Verarbeitung von unaufbereiteten und somit frischen
als auch von entfetteten und entleimten Knochen sowie anderer organischer
Abprodukte, dies in einem kontinuierlichen Prozessablauf bei Gewinnung von
calcinierter Knochenasche in hoher Qualität, der Gewinnung von Knochenaktivkohle
und eines schwach- bis hochkalorigem Gas.
-
Der
geschaffene Festbettgleichstromreaktor zeichnet sich insbesondere
dadurch aus, dass das Verfahren kontinuierlich ablaufen kann, und
die vorgesehenen Einbauten sichern, dass der gesamte Stoffstrom
stets durch alle drei Sektionen fließt, dies unter Beachtung der
notwendigen Verweilzeiten innerhalb der einzelnen Sektionen und
bei einer autothermischen Prozessführung.
-
Mit
nachfolgendem Ausführungsbeispiel
soll die Erfindung näher
erläutert
werden.
-
Die
dazugehörige
Zeichnung zeigt in einer prinziphaften Darstellung die Ausbildung
des Festbettgleichstromreaktors mit den entsprechenden zugehörigen Einrichtungen.
-
Der
Festbettgleichstromreaktor 1 besteht aus einzelnen Sektionen,
die vertikal übereinander angeordnet
sind und so dem Festbettgleichstromreaktor 1 die Form eines
Schachtofens verleihen.
-
Im
oberen Teil des Festbettgleichstromreaktors 1 befinden
sich die Trocknungs- und Pyrolysesektion 2 und die Verbrennungs-
und Vergasungssektion 3. Innerhalb des oberen Teiles vom
Festbettgleichstromreaktor 1 sind Einbauten 21 vorgesehen, die
so angeordnet sind, dass eine Durchtrittöffnung 22 herausgebildet
wird, somit verfahrenstechnisch die beiden Sektionen 2; 3 verbunden
sind. Der Verbrennungs- und Vergasungssektion 3 schließt sich der
Reduktionssektion 4 an, welche in ihrer räumlichen
Ausbildung mit einem größeren Durchmessermaß ausgebildet
ist als der obere Teil des Festbettgleichstromreaktor 1.
Im Übergabebereich
von der Verbrennungs- und Vergasungssektion 3 zur Reduktionssektion 4 sind
gleichfalls Einbauten 21 vorgesehen, mittels derer das
aus der Sektion 3 austretende Gut in mehrere Ströme aufgeteilt
wird und somit flächig
auf das in der Reduktionssektion 4 befindliche Glutbett
auftreffen kann.
-
Oberhalb
der Trocknungs- und Pyrolysesektion 2 befindet sich eine
Aufgabeeinheit mit zugeordneter Schleuse 7, über welche
die zu behandelnden Güter,
nachfolgend als Input 14 bezeichnet, aufgegeben werden.
-
Sowohl
die Trocknungs- und Pyrolysesektion 2 als auch die Verbrennungs-
und Vergasungssektion 3 sind mit Brennern 5 bestückt und
besitzen gleichfalls Anschlüsse
zur Anbindung von Luftzuführleitungen 6.
-
Der
Reduktionssektion 4 ist seitlich ein Förderer 19 und unterhalb
der Reduktionssektion 4 ein Förderer 8 zugeordnet, über die
zum einen Knochenaktivkohle 16 und zum anderen calcinierte
Knochen 15 abgefördert
werden. Die über
den Förderer 8 abgeförderten
calcinierten Knochen gelangen vorerst in einen Kühler 20, bevor die
calcinierten Knochen 15 dann einer weiteren Verwendung
zugeführt
werden.
-
Zur
Regulierung des Prozesses innerhalb der Reduktionssektion 4 sind
an dieser gleichfalls Luftzuführleitungen 6 angeordnet
und ferner eine Abführleitung 23,
die in einem Heißgaszyklon 9 mündet, welcher über eine
Ableitung mit einem Rekuperator 10, einem Aktivkohlefilter 12 sowie
einem Gebläse 13 verbunden
ist. Über
diese Ableitung und den zwischengeschalteten Aggregaten erfolgt
die Abführung des
gewonnenen Schwachgases 17 aus dem Festbettgleichstromreaktor 1.
Der Rekuperator 10 ist weitestgehend als ein Wärmetauscher
ausgebildet und dient gleichzeitig zur Vorwärmung der über den Lufteintritt 18 und
die Druckluftgebläse
zuströmenden Luft,
welche über
die Luftzuführleitungen 6 zu
der Trocknungs- und Pyrolysesektion 2, der Verbrennungs-
und Vergasungssektion 3 und der Reduktionssektion 4 geführt wird.
-
Aus
der beigefügten
Zeichnung ergibt sich nicht nur der technologische Aufbau des Festbettgleichstromreaktors 1,
sondern diese Darstellung verdeutlicht auch den schematischen Prozessablauf des
vorgestellten Verfahrens, dessen Kernstück der Festbettgleichstromreaktor 1 ist.
-
Die
Aufgabe des Inputs 14 erfolgt über die oberhalb der Trocknungs-
dun Pyrolysesektion 2 vorgesehenen Zuführeinrichtung, welche mit einer
gesteuerten Schleuse 7, zum Beispiel als Doppelklappe ausgeführt, ausgebildet
ist. Die Schleuse 7 wird dabei in Abhängigkeit vom oberen Füllstand
angesteuert und sorgt für
eine dosierte Zugabe des Inputs 14 in die Trocknungs- und
Pyrolysesektion 2. In dieser Trocknungs- und Pyrolysesektion 2 wird
das eintretende Input aufgeheizt, getrocknet und verschwelt. Dies
erfolgt über
die vorgesehenen Brenner 5, über die Schwelgas zugeführt wird,
welches bei Zündung eine
verhaltene Verbrennung ablaufen lasst, die durch die Regelung der
Luftzufuhr über
die Luftzuführleitung 6 gesteuert
wird. Aufgrund dieser leichten Verbrennung entstehen Temperaturbereiche
zwischen 400°C
bis 600°C,
die ausreichend hoch sind, so dass die flüchtigen Bestandteile aus dem
Input 14 entweichen können.
-
Im
weitesten Sinne wird in dieser Trocknungs- und Pyrolysesektion 2 bereits
ein Koks herausgebildet, welcher über die Einbauten 21 und
der vorhandenen Durchtrittöffnung 22 in
die Verbrennungs- und Vergasungssektion 3 geführt wird.
Die geometrische Ausbildung mit der Einbauten 21 und der
Durchtrittsöffnung 22 ist
so gewählt,
dass das Input 14 in der Trocknungs- und Pyrolysesektion 2 über Zeiträume von
5 Min. bis 15 Min. verweilen kann.
-
Durch
die Vergasung des zugeführten
Kokses und der Verbrennung des Schwelgases entsteht bei gleichzeitiger
Luftzufuhr über
die Luftzuführleitung 6 die
notwendigen Temperaturen zur Verbrennung und Vergasung, welche im
Bereich von 900°C bis
1150°C liegen.
-
Die
im Übergabebereich
von der Verbrennungs- und Vergasungssektion 3 zur Reduktionssektion 4 vorgesehenen
Einbauten 21 bewirken eine Zerteilung des Gutes in einzelne
Zuflussströme,
so dass sich die in die Reduktionssektion 4 eintretenden Güter/Produkte
vollflächig
auf das darin befindliche Glutbett auflegen und auch räumlich ausbreiten
können.
-
Dass
sich bei der Verbrennung/Vergasung herausgebildete Abgas CO2 strömt
zusammen mit dem Dampf aus dem behandelten Input 14 durch
das Glutbett, wobei das sich bildende Kondensat nicht in das Glutbett
gelangt, sondern es wird verdampft und verbrennt.
-
Die
so entgaste Knochenkohle fällt
auf das Glutbett in der Reduktionssektion 4, in der eine
Restentgasung stattfindet. Das heißt, hier erfolgt die Crackung
langkettiger Kohlenwasserstoffe und die Reduktion von Kohlendioxid
CO2 zu Kohlenmonoxid CO sowie die Verbrennung
von Kohlenstoff C zu Kohlenmonoxid CO.
-
Durch
die hohe Energie der aus der Verbrennungs- und Vergasungssektion 3 austretenden
Gase wird der endotherme Reduktionsvorgang im Glutbett aufrechterhalten
und die über
die Luftzuführleitung 6 zugeführte Luft
wird über
dem Glutbett nur unterstöchiometrisch
zugeführt,
so dass keine vollständige Verbrennung
stattfindet. Der Ausstoß von
Kohlendioxid CO2 wird somit auf ein Minimum
reduziert. Das Wasser wird teilweise zu Wasserstoff H und Sauerstoff 0 zerlegt
und ein aus N2, CO und H2 bestehendes
niederkaloriges Schwachgas 17 wird über die Abführleitung 23 aus dem
Festbettgleichstromreaktor 1 abgeleitet und gelangt in
einen nachgeordneten Heißgaszyklon 9,
in dem im Schwachgas 17 enthaltende feste Bestandteile
abgeschieden werden. Das Schwachgas 17 wird dann über einen
als Wärmetauscher
ausgebildeten Rekuperator 10 geführt, dort abgekühlt und
mittels eines Gebläses 13 abgesaugt, wobei
zwischen dem Rekuperator 10 und dem Gebläse 13 ein
Aktivkohlefilter 12 vorgesehen ist.
-
Die
für den
gesamten Prozessablauf notwendige Luft wird über den Lufteintritt 18,
das Druckluftgebläse 11 in
den Rekuperator 10 geführt,
dort vorgewärmt
und dann in die einzelnen Prozessstufen geleitet.
-
Der
autothermische Prozess der gesamten Anlage bewirkt, dass die Temperatur
in der Verbrennungs- und Vergasungssektion 3 erniedrigt
werden kann, wenn Wasserdampf in diese eingedüst wird. Die wechselweise zusätzliche
Zufuhr von Luft und Wasserdampf führt zur Erhöhung des Wasserstoffanteiles
und damit des Energieinhaltes des erzeugten Schwachgases 17.
Damit kann auch feuchtes Material eingesetzt werden. Der Sauerstoffgehalt
des erzeugten Gases wird erhöht
und der Stickstoffanteil reduziert, somit steigt der Energiegehalt
des Gases, es steht ein mittel bis hochkaloriges Schwachgas 17 zur
Verfügung,
welches als Ausgangsgas zur Methanolsynthese verwendet werden kann.
-
Seitlich
der Reduktionssektion 4 ist ein Förderer 19 vorgesehen,
welcher vorzugsweise als gekühlter
Förderer
ausgebildet ist, über
den vom Rand des Glutbettes der Reduktionssektion 4 Knochenaktivkohle 16 entnommen
und über
das Aktivkohlefilter 12 einem Silo zugeführt wird.
-
Die
calcinierten Knochen 15 werden unterhalb des Glutbettes
aus der Reduktionssektion 4 mittels des Förderers 8 über einen
Kühler 20 abgefördert.