DE19738106A1 - Verfahren zum thermischen Behandeln von flüchtige, brennbare Bestandteile enthaltendem Material - Google Patents

Verfahren zum thermischen Behandeln von flüchtige, brennbare Bestandteile enthaltendem Material

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum thermischen Behandeln von flüchtige, brennbare Bestandteile enthaltendem Einsatz-Material mit einem Wassergehalt von bis zu 20 Gew.-%, wobei man das Einsatz-Material mit heißen körnigen Feststoffen, die aus einem Sammelbunker kommen, in einem Pyrolysereaktor mischt, aus dem Reaktor Gase und Dämpfe abzieht und im Reaktor ein Feststoffgemisch erzeugt, welches man aus dem Reaktor abführt, wobei man mindestens einen Teil davon außerhalb des Reaktors erhitzt und über den Sammelbunker in den Pyrolysereaktor zurückführt.
Aus dem US-Patent 3 703 442 ist ein Verfahren dieser Art bekannt, welches der thermischen Depolymerisation bituminöser Materialien und insbesondere Ölschiefer dient. Der Ölschiefer wird hierbei mit körnigen heißen Feststoffen von etwa 630°C gemischt, wobei sich eine Mischungstemperatur von etwa 530°C einstellt. Man arbeitet bei relativ niedrigen Temperaturen, um Crackprozesse in der Gasphase zu vermeiden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, aus dem Einsatz-Material ein Gas mit möglichst hohem Heizwert zu gewinnen, das ganz oder weitgehend teerfrei ist und somit nur einen geringen Gehalt an kondensierbaren organischen Bestandteilen aufweist. Erfindungsgemäß wird dies beim eingangs genannten Verfahren dadurch erreicht, daß man die heißen körnigen Feststoffe mit Temperaturen im Bereich von 700 bis 1100°C aus dem Sammelbunker in den oberen Bereich des Pyrolysereaktors leitet, daß der Reaktor im oberen Bereich eine Rieselzone und unter der Rieselzone ein Wanderbett oder Wirbelbett mit Temperaturen im Bereich von 650 bis 1000°C aufweist, daß man die heißen körnigen Feststoffe und das Einsatz-Material zumindest teilweise gemeinsam abwärts durch die Rieselzone zum Wanderbett oder Wirbelbett leitet und daß man Gase und Dämpfe aus dem Wanderbett oder Wirbelbett aufwärts im Gegenstrom zu den heißen Feststoffen durch die Rieselzone führt, bevor man sie aus dem oberen Bereich des Reaktors abzieht. Die heißen körnigen Feststoffe werden nachfolgend auch als Wärmeträger-Feststoffe bezeichnet.
Beim Verfahren der Erfindung gibt man dem Pyrolysereaktor hoch erhitzte Feststoffe zu, und man sorgt auch im Wanderbett oder Wirbelbett für relativ hohe Temperaturen. Dadurch werden in den Gasen und Dämpfen im Reaktor und insbesondere auch im Bereich der Rieselzone erwünschte Crackreaktionen hervorgerufen. Die aus dem Reaktor abgezogenen Gase und Dämpfe sind dadurch an Komponenten mit niederem Molgewicht angereichert, wodurch insbesondere der Anteil an Wasserstoff, Methan und kurzkettigen Olefinen hoch ist. Auf diese Weise ist es ohne weiteres möglich, ein Gas mit einem unteren Heizwert von 20 bis 25 MJ/Nm3 zu erzeugen. Gleichzeitig kann man einen Kaltgas-Wirkungsgrad von 75 bis 85% erreichen, weil die Temperaturen im Pyrolysereaktor sehr hoch liegen. Der Kaltgas-Wirkungsgrad W errechnet sich aus
W = (G.a) : (M.b)
dabei bedeuten
G = Menge des erzeugten Gases (Nm3/h),
M = Menge des Einsatz-Materials (kg/h),
a = unterer Heizwert des erzeugten Gases (MJ/Nm3),
b = unterer Heizwert des Einsatz-Materials (MJ/kg).
Als Material, das man dem Pyrolysereaktor aufgibt, kommen thermisch getrockneter Klärschlamm, Biomassen, Abfallkunststoffe oder andere organische Rückstände enthaltende Materialien verschiedenster Art mit hohem Anteil an flüchtigen Bestandteilen in Frage.
Vorteilhafterweise wird das Einsatz-Material gleichzeitig durch eine oder mehrere Aufgabestellen in die Rieselzone des Pyrolysereaktors geleitet. Bei mehreren Aufgabestellen erreicht man eine Vorverteilung des eingespeisten Materials. Üblicherweise wird man das feuchte Material durch 1 bis 6 Aufgabestellen in den Reaktor leiten. Die Aufgabestellen können im oberen, mittleren oder unteren Bereich der Rieselzone münden.
Zweckmäßigerweise ist der Pyrolysereaktor und insbesondere auch seine Rieselzone frei von rotierenden Mischeinrichtungen, um Verschleißprobleme möglichst auszuschließen. In der Rieselzone kann man durch ortsfeste dachartige Einbauten für ein Aufteilen und mehrfaches Umlenken der rieselnden Feststoffströme sorgen und so deren rasche Durchmischung herbeiführen.
Für die Rieselzone empfiehlt sich eine Höhe von 1 bis 10 m, wobei man die Höhe im Einzelfall abhängig vom Einsatz-Material und den Temperaturen insbesondere in der Rieselzone festlegt. Auf diese Weise ergeben sich für die aus dem Wirbelbett oder Wanderbett aufsteigenden Gase und Dämpfe in der Rieselzone Verweilzeiten im Bereich von 0,5 bis 20 Sekunden und zumeist 1 bis 10 Sekunden. Mit steigender Temperatur nimmt die Geschwindigkeit der Crackreaktionen zu, so daß bei hohen Temperaturen mit kürzeren Verweilzeiten gearbeitet werden kann.
Es kann empfehlenswert sein, das Einsatz-Material von außen in den mittleren oder unteren Bereich der Rieselzone einzuspeisen, während man aber die heißen körnigen Feststoffe in den oberen Bereich der Rieselzone aufgibt. Dadurch kommen die aufsteigenden Gase und Dämpfe im oberen Bereich der Rieselzone nur mit den heißen Feststoffen in Kontakt. Bei vorgegebener Cracktemperatur kann so die nötige Verweilzeit der Gase und Dämpfe in der Rieselzone verringert werden oder aber kann die Temperatur der eingespeisten Feststoffe abgesenkt werden.
Es kann ferner empfehlenswert sein, den Sammelbunker dafür zu nutzen, um die Temperatur der Wärmeträger-Feststoffe weiter zu erhöhen, bevor sie in den Pyrolysereaktor geleitet werden. Insbesondere durch Einleiten eines O2-haltigen Gases (z. B. Luft) in den Sammelbunker kann dort für eine Verbrennung gesorgt werden, welche die Temperaturen in erwünschter Weise erhöht.
Ausgestaltungsmöglichkeiten des Verfahrens werden mit Hilfe der Zeichnung erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 ein Fließschema des Verfahrens und
Fig. 2 eine Variante des Pyrolysereaktors im Längsschnitt.
Gemäß Fig. 1 führt man dem Pyrolysereaktor (1) durch die Leitung (2) das zu behandelnde Einsatz-Material und durch die Leitung (3) heiße körnige Feststoffe als Wärmeträger zu. Die Leitung (2) verzweigt sich vor Eintritt in den Reaktor (1) auf mehrere Aufgabestellen (2a) und (2b). Im oberen Bereich des Reaktors (1) befindet sich die Rieselzone (1a), darunter bildet das Feststoffgemisch (4) ein Wanderbett oder Wirbelbett. Wenn man dem Reaktor (1) in den unteren Bereich ein Sichtungsgas, z. B. Stickstoff oder Wasserdampf, durch die gestrichelt eingezeichnete Leitung (5) zuführt, kann man die Feststoffschüttung soweit auflockern, daß zumindest teilweise ein Wirbelbett gebildet wird. Ohne ein solches Sichtungsgas bildet das Feststoffgemisch (4) eine Schüttung, die sich als Wanderbett langsam nach unten bewegt, weil ständig Feststoffe durch die Leitung (6) abgezogen werden.
Bereits in der Rieselzone (1a) werden die mit Temperaturen von 700 bis 1100°C durch die Leitung (3) herangeführten heißen Feststoffe zumindest teilweise mit dem Einsatz-Material durchmischt. Zu diesem Zweck weist die Rieselzone ortsfeste Umlenkeinrichtungen in Form mehrerer dachartiger Einbauten (8) auf. Auf eine rotierende Mischvorrichtung wird hierbei verzichtet.
Die sich durch die Rieselzone (1a) abwärts bewegenden heißen Wärmeträger-Feststoffe kommen intensiv in Kontakt mit dem sich ebenfalls abwärts bewegenden Einsatz-Material, das dabei erhitzt und einer Entgasung unterzogen wird. Gleichzeitig strömen Gase und Dämpfe aufwärts durch die Rieselzone (1a), die während der Erhitzung gebildet werden. Die Gase und Dämpfe werden durch die Leitung (9) zu einem Zyklonabscheider (10) geführt, wo man mitgeführte Feststoffe weitgehend abtrennt. Die Feststoffe können durch die Leitung (11) zumindest teilweise in den Reaktor (1) zurückgeführt werden, einen Teil kann man durch die Leitung (12) aus dem Verfahren entfernen. Die den Zyklonabscheider (10) durch die Leitung (15) verlassenden Gase und Dämpfe werden einer an sich bekannten Gasreinigung (16) aufgegeben, wobei auch eine Kühlung stattfindet. Gereinigte Gase und Dämpfe ziehen zur weiteren Verwendung, z. B. als Brenngas, in der Leitung (17) ab.
Das in der Leitung (6) aus dem Reaktor (1) abgezogene heiße Feststoffgemisch kann teilweise durch die Leitung (7) aus dem Verfahren entfernt werden. Die übrigen Feststoffe werden zum Fuß einer pneumatischen Förderstrecke (20) geführt, der man durch die Leitung (21) Heißluft zuführt. Die Heißluft fördert die Feststoffe nach oben, wobei gleichzeitig brennbare Substanzen verbrannt werden, was zur Erhitzung der Feststoffe führt. Das Gemisch aus Feststoffen und Gasen gelangt in einen Sammelbunker (22), Gase werden durch die Leitung (23) abgezogen, durch einen Zyklonabscheider (24) geführt und in der Leitung (25) einer nicht dargestellten Abgasreinigung zugeführt. Abgeschiedene Feststoffe können in der Leitung (26) entfernt oder durch die Leitung (26a) zurück in den Sammelbunker (22) geführt werden.
Die sich im unteren Bereich des Bunkers (22) sammelnden heißen körnigen Feststoffe weisen Temperaturen von 700 bis 1100°C auf. Wenn diese Temperaturen nicht bereits in der pneumatischen Förderstrecke (20) erreicht werden, kann man durch die Leitung (28) dem Bunker (22) ein O2-haltiges Gas (z. B. Luft) zuführen und die Temperaturen im Bunker durch Nachverbrennung erhöhen. Die Gaszufuhr durch die Leitung (28) kann ferner auch dazu genutzt werden, um durch Sichten staubfeine Feststoffe zu entfernen, wobei man diese Stäube durch die Leitung (23) zum Abscheider (24) führt und sie durch die Leitung (26) aus dem Kreislauf entfernt.
Fig. 2 zeigt eine modifizierte Ausführungsform des Pyrolysereaktors (1) mit Gegenstromführung der heißen Wärmeträger-Feststoffe und der gebildeten Gase und Dämpfe oberhalb der Einmündungen der Leitungen (2a) und (2b), durch die das Einsatz-Material zugeführt wird. Die Wärmeträger-Feststoffe kommen aus der Leitung (3) die übrigen Bezugsziffern haben die bereits zusammen mit der Fig. 1 erläuterte Bedeutung.
Beispiel
Einem Pyrolysereaktor (1), wie er in Fig. 2 dargestellt ist, werden pro Stunde 5 t getrockneter Klärschlamm mit einer Restfeuchte von 7 Gew.-% durch Leitung (2) zugeführt. Der Klärschlamm besteht zu 63 Gew.-% aus flüchtigen Bestandteilen, er hat einen unteren Heizwert von 17,0 MJ/kg. Dem Reaktor (1) führt man 80 t/h heiße Wärmeträger-Feststoffe mit 900°C durch die Leitung (3) zu. Hierdurch entstehen 2920 Nm3/h, 850 °C heißes Pyrolysegas mit einem unteren Heizwert von 23,3 MJ/Nm3 welches durch Leitung (9) abgeführt, im Zyklon (10) entstaubt und dann der Gasreinigung (16) zugeführt wird. Aus dem Pyrolysereaktor zieht man 81 t/h auf 750°C gekühlte Feststoffe durch Leitung (6) ab. Nach Ausschleusung des überschüssigen Rückstandes (1 t/h) durch Leitung (7) wird der Wärmeträger-Feststoff in die pneumatische Förderstrecke (20) dosiert und dort mit vorgeheizter Verbrennungsluft durch Leitung (21) in den Sammelbunker (22) gefördert, wobei durch Abbrand von Restkoks aus dem Wärmeträger-Feststoff dieser auf 900°C rückerhitzt wird. Er wird dann bei dieser Temperatur im Sammelbunker (22) und Zyklon (24) von den Abgasen getrennt und dosiert dem Reaktor (1) wieder zugeführt.

Claims (9)

1. Verfahren zum thermischen Behandeln von flüchtige, brennbare Bestandteile enthaltendem Einsatz-Material mit einem Wassergehalt von bis zu 20 Gew.-%, wobei man das Einsatz-Material mit heißen körnigen Feststoffen, die aus einem Sammelbunker kommen, in einem Pyrolysereaktor mischt, aus dem Reaktor Gase und Dämpfe abzieht und im Reaktor ein Feststoffgemisch erzeugt, welches man aus dem Reaktor abführt, wobei man mindestens einen Teil davon außerhalb des Reaktors erhitzt und über den Sammelbunker in den Pyrolysereaktor zurückführt, dadurch gekennzeichnet, daß man die heißen körnigen Feststoffe mit Temperaturen im Bereich von 700 bis 1100°C aus dem Sammelbunker in den oberen Bereich des Pyrolysereaktors leitet, daß der Reaktor im oberen Bereich eine Rieselzone und unter der Rieselzone ein Wanderbett oder Wirbelbett mit Temperaturen im Bereich von 650 bis 1000°C aufweist, daß man die heißen körnigen Feststoffe und das Einsatz-Material zumindest teilweise gemeinsam abwärts durch die Rieselzone zum Wanderbett oder Wirbelbett leitet und daß man Gase und Dämpfe aus dem Wanderbett oder Wirbelbett aufwärts im Gegenstrom zu den heißen Feststoffen durch die Rieselzone führt, bevor man sie aus dem oberen Bereich des Reaktors abzieht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Einsatz-Material Klärschlamm, Biomasse, Abfallkunststoffe oder andere organische Rückstände enthaltende Materialien in den Pyrolysereaktor geleitet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Einsatz-Material gleichzeitig durch mehrere Aufgabestellen in die Rieselzone des Pyrolysereaktors geleitet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Rieselzone eine Höhe von 1 bis 10 m aufweist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Einsatz-Material zumindest teilweise in den unteren Bereich der Rieselzone eingeleitet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die heißen Feststoffe im Sammelbunker durch Verbrennung nacherhitzt werden.
7. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß in den unteren Bereich des Pyrolysereaktors ein Sichtungs- oder Strippgas eingeleitet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Pyrolysereaktor frei von rotierenden Mischeinrichtungen ist.
9. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Verweilzeit der Gase und Dämpfe im Pyrolysereaktor 0,5 bis 20 Sekunden beträgt.
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