DE202011102841U1

DE202011102841U1 - Hochfrequenzcarbonreaktor alternativ als Heizkessel nutzbar HFCR

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Publication number: DE202011102841U1
Application number: DE201120102841
Authority: DE
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Priority date: 2011-07-02
Filing date: 2011-07-02
Publication date: 2011-11-02
Anticipated expiration: 2021-07-03

Abstract

Hochfrequenzcarbonreaktor alternativ als Heizkessel nutzbar (HFCR) dadurch gekennzeichnet, dass dieser sich im Aufbau zusammensetzt aus einem rechteckigen Grundkörper, wobei die obere vordere Stirnseite nach innen geneigt ist. Des weiteren ist der rechteckige Grundkörper mit mehreren inneren Zwischenwänden ausgestattet, die das Innere des rechteckigen Grundkörpers in mehrere Einzelräume aufteilt, wobei diese Zwischenwände an der Deckplatte und den Seitenwänden des rechteckigen Grundkörpers dicht verschweißt, aber am unteren Ende offen miteinander verbunden sind. Die Zwischenwände unterteilen hierbei den inneren Raum des rechteckigen Grundkörpers in einen Bevorratungsraum für den Brennstoff, einen Raum für die Aufnahme einer die Mikrowellen transportierenden Vorrichtung, einen Totraum, und einem Raum über den im inneren des geometrischen Grundkörpers entstehende Gase über eine sich im oberen Bereich der Rückwand des geometrischen Grundkörpers befindlichen Öffnung abgesaugt werden kann. Zwischen der inneren Zwischenwand des Raumes über den das Gas abgesaugt wird, und der einen Zwischenwand des Raumes in dem sich die Vorrichtung zum...

Description

Die Erfindung betrifft einen Hochfrequenzcarbonreaktor alternativ als Heizkessel nutzbar (HFCR) zur Erzeugung eines brennbaren Synthesegases aus kohlenstoffhaltigen Materialien für die z. B. ottomotorischen Verwendung, oder zur Verwendung als z. B. Scheitholzbrenner, zur Warm- bzw. Brauchwassererhitzung, oder im Kombinationsbetrieb zur Erzeugung von brennbaren Synthesegas und gleichzeitiger Warm- bzw. Brauchwassererhitzung.
Eine bereits bekannte Vorrichtung, und bereits bekanntes Verfahren, zur Erzeugung eines brennbaren Synthesegases, im folgenden als HF-Reaktor abgekürzt, besitzt neben ihren erfindungsgemäßen Vorteilen im Betrieb eine Reihe von Nachteilen.
Die bisher bekannte Bauform des HF-Reaktors stellt eine Brückentechnik dar, die eine Kraft-Wärme-Kopplung im niederen Bereich von 5 kW elektrisch bis 10 kW elektrisch auch für Kleinerzeuger wie Einfamilienhäuser, Gehöfte, kleine und mittlere Betriebe usw. ermöglicht.
Die Intention der Entwicklung des HF-Reaktors lag nicht die Möglichkeit kommerzieller Gewinne durch Rückvergütung bei Einspeisung elektrischer Energie in das öffentliche Netz zugrunde, sondern die Bereitstellung von elektrischer Energie und nutzbarer Abwärme zur Selbstversorgung für den Betreiber der Anlage.
Der HF-Reaktor arbeitet nach den selben physikalischen und chemischen Grundlagen wie der Hochtemperaturcarbonreaktor (HTCR), in dem aus kohlenstoffhaltigen Brennstoffen, vorwiegend Holzhackschnitzel, zunächst Holzkohle produziert, und anschließend in einem heißen Oxidationsbereich der Kohlenstoffanteil mit den Vergasungsmitteln Kohlenstoffdioxid und Sauerstoff zu einem Brenngas vergast wird.
Während im HTCR ein großer Oxidationsbereich zur Erzeugung der für die Vergasungsprozesse notwendigen hohen Temperatur von ca. 1200°C zur Verfügung steht, ist auf Grund der kleinen Bauform im HF-Reaktor nur ein kleiner Oxidationsbereich vorhanden, in welchem lediglich eine Temperatur zwischen 850°C und 900°C zu erreichen ist.
Diese Temperatur reicht für die Vergasung von Kohlenstoff aber nicht aus. Erfindungsgemäß wird das Problem einer zu niedrigen Temperatur im Oxidationsbereich des HF-Reaktors dadurch gelöst, dass durch Mikrowelleneinstrahlung in den Oxidationsbereich die Temperatur des Oxidationsbereichs von ca. 850°C auf ca. 1400°C erhöht wird.
Derart ist es durch Einsatz von Mikrowellen möglich, auch klein dimensionierte Reaktoren zur Vergasung von Kohlenstoff zu bauen. Als Nachteil des HF-Reaktors ergibt sich aber dessen konzentrische, hohe, Bauform. Die Primärluftversorgungen sind konzentrisch, also rotationssymmetrisch, um einen runden Grundkörper des HF-Reaktors angeordnet, so dass dieser zum störungsfreien Betrieb frei im Raum stehen muss.
Gaskühler und Einrichtungen zur Gaskonditionierung können daher nicht direkt neben dem HF-Reaktor angeordnet werden, sondern erst in einiger Entfernung vom Reaktor.
Als Nachteil aus der Bauhöhe von ca. 1,80 Meter ergibt sich, dass für eine Handbeschickung im ungünstigsten Fall eine Leiter, oder ähnliche Hilfsmittel, notwendig sind.
Ein Versenken im Boden, z. B. einer Grube, scheitert an der abzuführenden Abstrahlungswärme des HF-Reaktors, sowie der Gefahr des Ansammelns von gefährlichen Gasen in der z. B. Grube.
Der Einsatz von entsprechenden Belüftungstechniken für eine den HF-Reaktor beinhaltenden Grube ist aufwendig, und mit einem ebenfalls sehr aufwendigen Bauaufwand verbunden. Die wirtschaftlichen Vorteile des HF-Reaktors würden derart verloren gehen, weil die mit dem zusätzlichen Bauaufwand erhöhten Kosten beim Einsatz eines HF-Reaktors zu hoch wären.
Neben den hier geschilderten Platz- und Raumproblemen, die auch eine Handbeschickung erschweren, ergibt sich ein wesentlicher weiterer Nachteil des HF-Reaktors aus seiner inneren Konstruktion selber.
Das im HF-Reaktor produzierte Synthesegas wird durch ein zentrales Absaugrohr, dessen unteres Ende sich direkt über dem Oxidationsbereich befindet, abgesaugt.
In der Rotationsachse dieses gasabführenden Rohres befindet sich ein Hohlleiter, durch den die Mikrowellen direkt bis kurz oberhalb des Oxidationsbereiches transportiert werden. Der Hohlleiter befindet sich somit direkt im heißen Gasstrom.
Insbesondere der durch eine Glimmerplatte, gegen Eindringen von Holzkohlestaub und Aschen, geschützte Ausgang des Hohlleiters ist hierbei extremen Temperaturen ausgesetzt, was zu thermischen Schäden von Glimmerplatte und Hohlleiterausgang selber führt.
Dadurch, dass sich der recht lange Hohlleiter mitten im heißen Gasstrom befindet, kommt es während des laufenden Betriebes zu wärmebedingten elastischen Verformungen des Hohlleiters, die im ungünstigsten Fall einen Verlust an eingebrachter Mikrowellenenergie bedeuten, da die für den Mikrowellentransport notwendige Geometrie des Hohlleiters verloren geht. Je nach Gesamtbetriebszeit sind plastische Verformungen, sowie Risse im Material, des Hohlleiters aber auch der Glimmerplatte, die Folge.
Während des Absaugens des heißen Brenngases aus dem Oxidationsbereich werden auch feinste Holzkohlestäube mit abgesaugt, die im Bereich der Mikrowelleneinstrahlung auf Temperaturen von ca. 2000°C aufgeheizt werden können, und als kurzlebige heiße Plasmawolken schwere thermische Schäden im Bereich von Glimmerplatte und/oder Hohlleiter verursachen. Die innere Geometrie des HF-Reaktors verursacht somit eine ganze Reihe von Problemen, die bis zur Nichtfunktionsfähigkeit, durch z. B. Verformung des Hohlleiters, führen kann.
Weiterhin ist der HF-Reaktor seinem bestimmungsgemäßen Einsatz nach nur für die Produktion von Brenngasen durch Vergasung von Kohlenstoff geeignet.
Ein Betrieb, als z. B. Scheitholzkessel, nur zur Produktion von Warmwasser für Heiz- und Brauchwasser ist beim HF-Reaktor nicht möglich.
Der Hochfrequenzcarbonreaktor alternativ als Heizkessel nutzbar (HFCR) ist eine Vorrichtung zur Erzeugung eines brennbaren Synthesegases aus kohlenstoffhaltigen Materialien, die ebenfalls wie der HF-Reaktor Mikrowellen zur Erzeugung der für eine Kohlenstoffvergasung notwendigen Temperatur nutzt, als reiner Warmwassererzeuger beheizt durch z. B. Scheitholz, oder zur Erzeugung von brennbaren Synthesegas aus Vergasung von kohlenstoffhaltigen Materialien mit gleichzeitiger Warmwassererzeugung genutzt werden kann.
Der Hochfrequenzcarbonreaktor alternativ als Heizkessel nutzbar (HFCR) besteht in seiner einfachsten Ausführung aus einem rechteckigen Grundbehälter, in dem sich begrenz durch die Außenwände, eingeteilt durch Zwischenwände ein Bevorratungsraum für kohlenstoffhaltigen Brennstoff, ein Raum zur Aufnahme einer Mikrowellenzuführung, ein nicht genutzter Totraum zur thermischen Isolierung, und ein Raum zur oberen rückseitigen Abfuhr von Synthesegasen befinden. Diese Zwischenwände sind gasdicht mit Deckplatte und den Seitenwänden des rechteckigen Grundkörpers verschweißt, am unteren Ende aber offen über den sich dort befindenden Oxidationsbereich miteinander verbunden.
Auf der Oberseite des rechteckigen Grundbehälter befindet sich eine Deckplatte mit Öffnung über dem Bevorratungsraum. Diese Öffnung kann für die Handbefüllung mit einer gasdichten verschließbaren Klappe in beliebiger Ausführung versehen sein, oder einem Schleusenmechanismus für automatische Brennstoffzufuhr aus einem Silo.
Die eine, vordere, Seite des rechteckigen Grundbehälters ist von oben nach unten hin seitlich geneigt, so dass sich eine schiefe Ebene ergibt, wodurch der Brennstoff sicher und zuverlässig nach unten rutscht.
Im weiteren Verlauf geht die nach innen als Rutsche geneigte Vorderseite des rechteckigen Grundbehälters in eine gerade nach unten geneigte Stirnplatte über, die mit mehreren Öffnungen zur Primärluftzuführung ausgestattet ist. Hinter dieser Stirnwand mit des Primärluftöffnungen schließt sich eine mehrere Zentimeter dicke Schicht aus Schamott an, die an den Stellen der Primärluftöffnungen der Stirnwand runde Hohlräume aufweisen, so dass Primärluft von außen durch die Stirnwand und die Schamottschicht in das Innere des rechteckigen Behälters geleitet werden kann.
Die zum Inneren des rechteckigen Behälters liegende Seite der Schamottschicht ist hierbei ebenfalls nach innen geneigt, so dass sich auch hier eine schiefe Ebene für das nach unten Rutschen des Brennstoffes ergibt. Direkt am unteren Ende der innen liegenden Schamottschicht schließt sich der Oxidationsbereich an.
Dieser besteht am unteren Ende aus zwei temperaturbeständigen Rosten, durch die Aschen und kleine glühende Holzkohlestücke in einen sich darunter befindlichen Aschesammelraum rieseln können. Der Abstand zwischen den Rosten und dem unteren Ende der Zwischenwände beträgt hierbei 12 cm. Anstelle eines langen Rostes wird auf zwei kurze Roste zurückgegriffen, die an der Stelle wo sie zusammentreffen durch einen Steg gestützt werden. Vorteilig wird hierdurch der thermischen Verformung eines einzelnen langen Rostes sicher entgegengewirkt. Als weiterer Vorteil erweist sich, dass zu Zwecken der Reinigung des Inneren des HFCR zwei kleine leichtere Roste einfacher zu entfernen sind, als ein langer, schwerer und sperriger Rost. Der Oxidationsbereich zieht sich in seiner gesamten Länge über beide Roste, beginnend am unteren Ende der inneren geneigten Schamottwand, bis zur inneren Rückseite der Rückwand des rechteckigen Behälters.
Der sich unter den beiden Rosten des Oxidationsbereichs befindende Aschesammelraum kann durch eine verschließbare gasdichte Revisionsklappe an der vorderen unteren Seite des rechteckigen Grundbehälters gereinigt werden.
Durch eine Öffnung in der Deckplatte des rechteckigen Behälters wird ein, den Hohlleiter zum Transport der Mikrowellen beinhaltendes, Hohlleitergehäuse eingesetzt und über eine Flanschverbindung mit passender Flächendichtung gasdicht von oben mit der Deckplatte verschraubt.
Der Ausgang des sich im Hohlleitergehäuse befindenden Hohlleiters endet hierbei ca. 17 cm über dem heißen Oxidationsbereich des HFCR. Das im Oxidationsbereich entstehende Brenngas wird quer durch den Oxidationsbereich, in Richtung der rückwärtigen Wand des rechteckigen Grundbehälters, über eine sich am oberen Ende in der Rückwand befindlichen Öffnung abgesaugt.
Hierbei befindet sich zwischen der inneren Zwischenwand des Gasausgangsraumes und der hinteren Zwischenwand des den Hohlleiter beinhaltenden Raumes ein thermisch isolierender Totraum.
Dieser Totraum dient der thermischen Isolierung, in dem Sinne, dass die über den Gasausgangsraum herausgeleiteten heißen Gase nicht direkt den, den Hohlleiter aufnehmenden Raum, aufheizen können.
Während des Betriebes wird der Bevorratungsraum, bei z. B. Handbefüllung über die gasdicht verschließbare Klappe auf der Oberseite des rechteckigen Grundbehälters, mit kohlenstoffhaltigen Brennstoff, z. B. Holzhackschnitzeln, gefüllt, wobei auf Grund der nach innen geneigten Stirnplatte des rechteckigen Grundkörpers und der ebenfalls geneigten Stirnseite der Schamottschicht, ein sicheres nach unten Rutschen des Brennstoffes gewährleistet ist. Eine automatische Brennstoffzuführung ist durch eine geeignete Schleuse anstelle einer von Hand zu betätigenden Klappe, und einer Füllstandsüberwachung im Bevorratungsraum möglich.
Durch einen außenliegenden Lüfter wird Primärluft über die entsprechenden Primärluftöffnungen in der Stirnwand, und den dafür vorgesehenen Öffnungen in der Schamottschicht, in den Oxidationsbereich geblasen.
Werden dem befüllten Oxidationsraum durch Einschalten des die Mikrowellen erzeugenden Magnetrons Mikrowellen von oben her über den Hohlleiter zugeführt, so entzündet sich der sich im Oxidationsbereich und im Wirkbereich der Mikrowellen befindliche Brennstoff.
Zur erstmaligen Inbetriebnahme, oder nach Revision mit vollständiger Reinigung, empfiehlt es sich den Oxidationsraum zunächst mit Holzkohle zu befüllen, da Holzkohle sofort beim Zünden zu oxidieren beginnt, während Holz erst verschwelen und verkohlen muss, bis es zur Ausbildung eines Glutbettes aus glühender Holzkohle im Oxidationsbereich kommt.
In dem, während des Betriebes aus glühender Holzkohle bestehenden Oxidationsbereich, werden durch Mikrowelleneinstrahlung über den Hohlleiter Temperaturen von bis zu ca. 1400°C erreicht. Hierbei beträgt die Eindringtiefe der Mikrowellen in die glühende Holzkohle des Oxidationsbereichs bis zu 7 cm. Der sich um den Eindringbereich bildende Hot-Spot erreicht einen Durchmesser von ca. 22 cm–25 cm mit Kerntemperaturen von ca. 1400°C und Randtemperaturen Von ca. 1150°C.
Im laufenden Betrieb bildet sich zwischen dem Oxidationsbereich und den sich darunter befindlichen Rosten eine Schicht aus Holzkohle aus, die lediglich Temperaturen von maximal 850°C erreicht, so dass ein Schmelzen der Roste durch die hohen Temperaturen im Hot-Spot nicht zu befürchten ist. Der die Mikrowellen transportierende Hohlleiter selber befindet sich in einem Hohlleitergehäuse aus Edelstahl. Das Hohlleitergehäuse kommt hierbei als hängende Konstruktion nicht mit den Zwischen- und Seitenwänden im Inneren des HFCR in Berührung, so dass thermische Verformungen von Bauteilen des HFCR nicht zu Spannungszuständen des Hohlleitergehäuses führen kann. Eine direkte feste Verbindung zum rechteckigen Grundkörper des HFCR ergibt sich nur durch gasdichtes Verschrauben des oberen rechteckigen Flansches des Edelstahlgehäuses mit der Deckplatte des rechteckigen Grundkörpers.
Durch die Spalten zwischen dem Hohlleitergehäuse und den Zwischenwänden des HFCR, ist das Innere des den Hohlleiter beinhaltenden Hohlleitergehäuses zum Oxidationsbereich hin belüftet.
Es können sich dort demzufolge keine Drücke durch erhitzte und sich ausdehnende Gase entstehen, die im ungünstigsten Fall das Gehäuse aufblähen und verformen könnten. Im unteren Bereich, in Höhe des Ausganges des Hohlleiters, sind zwei schräg nach unten geneigte Reflektoren jeweils seitlich vom Hohlleiterausgang angeordnet, die gleichzeitig den unteren Abschluss des Edelstahlgehäuses bildet. Durch die Reflektoren werden Wärmeabstrahlung aus dem Oxidationsbereich, und Mikrowellen, nach unten in Richtung des Oxidationsbereiches reflektieren.
Der Ausgang des Hohlleiters ist als Schutz vor Verschmutzung mit einer Glimmerplatte verschlossen. Alle Bauteile des Hohlleitergehäuses, bis auf die Glimmerplatte, sind zum Schutz vor Korrosion aus Edelstahl gefertigt, wobei zum Schutz vor Schweißverzug alle Bauteile miteinander durch Punkten, aber nicht durch durchgezogene Schweißnähte miteinander verbunden sind.
Vorteilig erleichtert die nicht gasdichte Fertigung des Hohlleitergehäuses dessen Belüftung zum Inneren des HFCR hin.
Die Ausformung des den Hohlleiter beinhaltenden Hohlleitergehäuses durch ausladende Stirnwände im oberen und unteren Bereich des Gehäuses, sowie schräg angeordnete Reflektoren, verhindert in Kombination mit den Seitenwänden des eigentlichen Hohlleiters ein Verdrillen oder Verformen des Hohlleitergehäuses, in dem sich hierdurch die Konstruktion des Gehäuses durch seine konstruktive Gestaltung versteift. Derart werden Verformungen des Hohlleiters, mit sich hieraus ergebendem verminderten Transport von Mikrowellen, konstruktiv wirksam und sicher entgegengewirkt.
Während des Betriebes wird durch die Abwärme des Oxidationsbereiches, wie im z. B. HF-Reaktor oder HTCR, der eingebrachte Primärbrennstoff getrocknet, einer Pyrolyse unterworfen und zu Holzkohle verschwelt.
Die bei der Pyrolyse und dem Verschwelen entstehenden Polyzyklischen-Aromatischen-Kohlenwasserstoffe (PAK) werden bei Durchgang durch den heißen Oxidationsbereich, bei Temperaturen von ca. 1400°C, zu hauptsächlich Kohlenstoffmonoxid thermisch aufgekrackt.
Durch den Saugzugbetrieb werden im Pyrolysebereich entstehende PAK sicher und zuverlässig durch den heißen Oxidationsbereich gesaugt, so dass nach erfolgtem thermischen Kracken keine PAK mehr im Brenngas zu finden sind.
Die Primärluftzufuhr, durch den sich außerhalb befindlichen Lüfter, ist über eine fest einstellbare Drossel reduzierbar, so dass eine ausreichende Sauerstoffversorgung für eine zuverlässige Zündung gewährleistet ist, sich ansonsten aber eine unterstöchiometrische Oxidation im Oxidationsbereich ergibt, so dass es entsprechend der Boudouarschen Gleichgewichtsreaktionen zu einer weitgehenden Vergasung von Kohlenstoff kommt, in dem überwiegend Reaktionen von Kohlenstoff und Sauerstoff zu Kohlenstoffmonoxid und Reduktion von Kohlenstoffdioxid zu Kohlenstoffmonoxid stattfinden.
Neben hier nicht weiter genannten Reaktionen ergeben sich die Brenngas bildenden Reaktionen zu hauptsachlich Kohlenstoffmonoxid wie folgt:
Neben Kohlenstoffmonoxid finden sich als weitere brennbare Bestandteile
Methan und Wasserstoff im Brenngas, als nichtbrennbare Bestandteile überwiegend Kohlenstoffdioxid, Sauerstoff und Stickstoff, letzteres aus der angesaugten Primärluft, oder in den HFCR mit dem Brennstoff eingetretenen Außenluft.
Im Oxidationsbereich, nach vollständiger Umsetzung der Kohlenstoffanteile der Holzkohle, übrigbleibende mineralische Asche rieselt durch die beiden Roste in den Aschesammelraum, ebenfalls wie kleine glühende Holzkohlestücke.
Letztere oxidieren im Ascheraum vollständig mit Restsauerstoff, wobei das entstehende Kohlenstoffdioxid als Vergasungsmittel für die brenngasbildenden Reaktionen wieder in den sich darüber befindlichen Oxidationsbereich gesaugt wird.
Im übrigen werden die chemischen Vorgänge und gasbildenden Reaktionen in heißen Oxidationsbereichen mit Verweis auf den HF-Reaktor und dem HTCR als bekannt vorausgesetzt.
Das Brenngas wird in Richtung der Rückwand des HFCR quer durch den Oxidationsbereich gesaugt, wobei die Strömungsrichtung durch die entsprechenden begrenzenden inneren Zwischenwände, der entsprechenden Absaugöffnung im oberen Bereich der Rückwand, und dem Absaugen im Saugzugprinzip durch z. B. einen selbstansaugenden Gasmotor vorgegeben ist. Durch den sich hierdurch im Betrieb beständig einstellenden Unterdruck wird im Aschesammelraum entstehendes Kohlenstoffmonoxid, als Vergasungsmittel in den sich über dem Aschesammelraum befindenden Oxidationsbereich gesaugt.
Durch die erzwungene Gasströmungsrichtung, quer durch den Oxidationsbereich, befinden sich weder der Hohlleiter, noch die dessen Ausgang verschließende Glimmerplatte im Bereich des abgesaugten heißen Gasstromes.
Thermische Schäden an Glimmerplatte und Hohlleiter, z. B. elastische und plastische Verformungen und/oder Rissbildung, wird hierdurch wirksam und zuverlässig entgegengewirkt.
Dadurch, dass der heiße Gasstrom nunmehr quer durch den Oxidationsbereich gesaugt wird, und nicht mehr entgegen der aus dem Hohlleiter austretenden Mikrowellen, bilden feinste Kohlenstoffstäube keine Plasmawolken mehr im Bereich von Hohlleiter und Glimmerplatte. Thermische Strukturschäden durch Plasmabildung an diesen wesentlichen Bauteilen sind somit ausgeschlossen.
Plasmabildung findet nur noch im Oxidationsbereich, oder dem Gasausgangsraum statt, wobei durch entsprechende Dimensionierung der dortigen Begrenzungs- und Zwischenwände, und auf Grund der Kurzlebigkeit der Plasmawolken, keine Schäden entstehen.
Die Rückwand des HFCR ist zum Reinigen des Gasausgangsraumes, und des sich dort befindenden Wärmetauschers, oberhalb der Gasausgangsöffnung mit einer Revisionsklappe versehen.
Um den rechteckigen Grundkörper des HFCR befindet sich im Abstand von wenigen Zentimetern ein zusätzliches Gehäuse aus Blech, und zwar derart, dass sich in dem sich bildenden Zwischenraum thermisch isolierendes Material befindet.
Im Gasausgangsraum ist ein Gegenstromrohrbündelwärmetauscher zur Bereitstellung von Warm- bzw. Brauchwasser eingebaut, dessen Kaltwasserzufuhr oben und die Warmwasserentnahme unten erfolgt, und die Wasseranschlüsse seitlich durch eine beliebige Seitenwand des Gasausgangsraumes angebracht sind.
Die Warmwassererzeugung erfolgt durch Wärmeübergang aus dem heißen abgesaugten Synthesegas auf das Wärmeträgermedium in den Rohrbündeln, die beständig vom heißen Synthesegas umströmt werden. Bei Nichtbedarf ist dieser Wärmetauscher unbefüllt, und zur Atmosphäre hin belüftet.
Im Gegensatz zum HF-Reaktor ist im HFCR demzufolge bereits die Möglichkeit der Warmwassererzeugung vorgesehen.
Der Gegenstromrohrbündelwärmetauscher kann entsprechend dem bereits bekannten Stand der Technik ausgeformt sein.
Sollte der HFCR nicht zur Synthese eines Brenngases aus kohlenstoffhaltigen Materialien dienen, so kann er als reiner, z. B. Scheitholzkessel, Anwendung finden, indem die Warmwassererzeugung nicht mehr durch Wärmeauskopplung aus dem heißen Synthesegas erfolgt, sondern durch Wärmeauskopplung aus den heißen Rauchgasen bei Verbrennung von z. B. Scheitholz.
Dadurch, dass in dem Hochfrequenzcarbonreaktor alternativ als Heizkessel nutzbar (HFCR) bereits ein Wärmetauscher integriert ist, ist ein weiterer anzubauender Wärmetauscher zur Bereitstellung von Warmwasser nicht mehr notwendig.
Neben dem Vorteil der niedrigen Bauhöhe von ca. 80 cm für eine einfache und bequeme Brennstoffbeschickung von Hand, lässt sich die rechteckige Grundform des HFCR optisch ansprechender in einen z. B. Heizungskeller integrieren, als ein hoher HF-Reaktor der frei im Raum stehen muss. Insbesondere auf Grund der Primärluftzufuhr nur noch an der vorderen Stirnseite des HFCR, kann dieser wie ein normaler Heizungskessel auch, in Wandnähe untergebracht werden.
Sollte der HFCR nur als Warmwassererzeuger aus z. B. Scheitholz genutzt werden, sind keine weiteren Anbauteile außer Ausgleichsbehälter, Überdruckventil und Vorlaufpumpe notwendig.
Neben Scheitholz kann der HFCR hierbei auch mit Holzbriketts, Holzpellets Holzkohle, Kohlebriketts, Braunkohle, Steinkohle, Torf und anderen handelsüblichen festen Brennstoffen betrieben werden.
Diese Brennstoffe können auch bei Verwendung des HFCR zur Synthese von Brenngas durch Vergasen von Kohlenstoff verwendet werden. Andere kohlenstoffhaltige Brennstoffe, wie z. B. Plastikflaschen, sind aus umweltrechtlichen Gründen nicht zulässig, wenn auch technisch möglich. Soll der HFCR zusätzlich der Kraft-Wärme-Kopplung dienen, so ist neben der Gaskonditionierung des Synthesegases ein geeigneter Motor-Generator zur ottomotorischen Umsetzung des Brenngases notwendig.
Zur Gaskonditionierung soll hierbei auf das Prinzip der Funktionsweise des Gas-Kohlenstoff-Katalysators mit Ionenfänger (GKK) zurückgegriffen werden. Durch die vollständig neue Gestaltung der Geometrie des HFCR, insbesondere der sich aus den Zwischenräumen ergebenden inneren Geometrie, und einer veränderten Gasführung des heißen Synthesegases nicht mehr um den Hohlleiter herum, sondern quer durch den Oxidationsbereich hindurch, erfolgen keine thermischen Schäden mehr im Bereich von Hohlleiter und Glimmerplatte.
Die veränderte Gasführung quer durch den Oxidationsbereich verhindert weiterhin zuverlässig die Bildung von thermisch schädlichem Plasma im Bereich von Hohlleiter und Glimmerplatte.
Der vollständig neu konstruierte und geometrisch gestaltete Hochfrequenzcarbonreaktor alternativ als Heizkessel nutzbar (HFCR) beseitigt somit die sich beim HF-Reaktor ergebenden technischen Probleme, und kann auf Grund seiner geometrischen Gestaltung optisch ansprechender, und aufstellungsmäßig günstiger, in einen z. B. bestehenden Heizungsraum eingebaut werden.
Derart ist mit dem HFCR der sichere und zuverlässige Einsatz einer Anlage zur Kraft-Wärme-Kopplung in einem Niederenergiebereich von 5 kW elektrisch bis 10 kW elektrisch gegeben. Da es in diesem Leistungsbereich keine vergleichbaren Anlagen gibt, aber Bedarf für solche Anlage vorhanden ist, kann von einem großen Markt sowohl im ländlichen Bereich, aber auch im Bereich von z. B. Einfamilienhäusern, gewerblichen Betrieben u. ä. ausgegangen werden.
Intention der Entwicklung ist die Verfügbarmachung einer kleinen leistungsstarken regenerativen Energieerzeugungsanlage, nicht zum Zwecke des kommerziellen Gewinnes durch Rückvergütungen, sondern die Einsparung von Energiekosten für den Betreiber eines HFCR. Vorteilig erweist sich auch, dass durch den Einsatz des HFCR der Betrieb vieler kleiner dezentraler Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen ohne Gefahr einer Netzüberlastung möglich ist.
Die bevorzugte Frequenz des beim HFCR zur Anwendungen kommenden Magnetrons liegt bei 2,45 GHz, womit keine Zulassung durch die Bundesnetzagentur notwendig ist.
Magnetrons mit 2,45 GHz sind handelsüblich in Serie für Mikrowellenherde, und somit preisgünstig, zu erhalten.
Die bevorzugte Mikrowellenleistung des Magnetrons liegt zwischen 900 Watt und 1000 Watt.
Die Ausführung des Hochspannungsteils des Magnetrons, sowie die elektronischen Schaltungen, orientieren sich hierbei am Stand der Technik, und sind ebenfalls preisgünstig auf dem Markt erhältlich.
Bezugszeichenliste
Indices-Liste, Fig. 1, Innerer Aufbau des HFCRWärmetauscher aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht eingezeichnet, siehe hierzu Fig. 5

1: Magnetron
2: Gasdicht verschließbare Klappe zum Befüllen
4: Primärluftzufuhr
5: Gasdichte Revisionsklappe zur Ascheentleerung
8: Deckplatte des rechteckigen Grundkörpers
9: Trockenbereich des Brennstoffes
10: Pyrolyse und Verschwelbereich des Brennstoffes
11: Nach innen geneigte Schamottschicht mit Primärluftöffnungen
12: Hohlleiter beinhaltendes Hohlleitergehäuse
13: Zwischenwand zwischen Brennstoffbevorratung und Hohlleiterraum
14: Hintere Wand des Hohlleiterraumes
15: Vordere Wand des Gasausgangsraumes
16: Rückwand des geometrischen Grundkörpers
17: Oxidationsbereich
18: Rost
19: Sammelraum für mineralische Asche

21: Deckel
22: Stirnseite
22: Seitenwand des Hohlleiters
24: Reflektor
25: Hohlleiter Ausgang
26: Glimmerplatte

27: Trocknen bei ca. 80°C bis ca. 220°C
28: Absaugen von Wasser
29: Beginn Pyrolyse bei ca. 220°C
30: Abfuhr von CO, CO₂, CH₄, H, O₂, H₂O, C₂H₄, C_nH_m, PAK, u. a.
31: Verschwelen und verkohlen bei 260°C bis 750°C
32: Zufuhr von Primärluft
33: Aufkracken von C_nH_m, PAK, Thermolyse von H₂O, Vergasen von C
35: Mineralische Asche
36: Mikrowellenausbreitung nach unten
37: Thermisch isolierender Totraum
38: Mikrowellenausbreitung in den Oxidationsbereich
39: Brenngas bestehend aus überwiegend CO, CO₂, CH₄, H, O₂, H₂O
40: Aufsteigendes CO₂ in den Oxidationsbereich

41: Ca. 80°C
42: ca. 150°C
43: ca. 230°C
44: ca. 750°C bis ca. 800°C
45: ca. 850°C
46: ca. 1400°C

6: Kaltwasser Eingang
7: Kaltwasser Ausgang
48: Rohrbündelwärmetauscher

1: Abdeckung für Magnetron
2: Gasdichte Befüllklappe für Brennstoff
3: Vordere Stirnwand
4: Gehäuse für Lüfter und Drossel der Primärluftzufuhr
5: Revisionsklappe für die Ascheentleerung
6: Kaltwassereingang
7: Kaltwasserausgang

Claims

Hochfrequenzcarbonreaktor alternativ als Heizkessel nutzbar (HFCR) dadurch gekennzeichnet, dass dieser sich im Aufbau zusammensetzt aus einem rechteckigen Grundkörper, wobei die obere vordere Stirnseite nach innen geneigt ist. Des weiteren ist der rechteckige Grundkörper mit mehreren inneren Zwischenwänden ausgestattet, die das Innere des rechteckigen Grundkörpers in mehrere Einzelräume aufteilt, wobei diese Zwischenwände an der Deckplatte und den Seitenwänden des rechteckigen Grundkörpers dicht verschweißt, aber am unteren Ende offen miteinander verbunden sind. Die Zwischenwände unterteilen hierbei den inneren Raum des rechteckigen Grundkörpers in einen Bevorratungsraum für den Brennstoff, einen Raum für die Aufnahme einer die Mikrowellen transportierenden Vorrichtung, einen Totraum, und einem Raum über den im inneren des geometrischen Grundkörpers entstehende Gase über eine sich im oberen Bereich der Rückwand des geometrischen Grundkörpers befindlichen Öffnung abgesaugt werden kann. Zwischen der inneren Zwischenwand des Raumes über den das Gas abgesaugt wird, und der einen Zwischenwand des Raumes in dem sich die Vorrichtung zum Transport der Mikrowellen befindet, ist ein Totraum vorhanden der einen direkten Wärmeübergang vom Gasausgangsraum in den, die Mikrowellen transportierende Vorrichtung beinhaltenden Raum, verhindert. Im weiteren inneren Aufbau geht die nach innen geneigte Stirnplatte in einen geraden Abschnitt über, der mit mehren Bohrungen als Primarluftversorgung versehen ist, wobei sich hinter diesem geraden Abschnitt eine mehrere Zentimeter dicke Schamottschicht anschließt, die sich zwischen der inneren Seite des geraden Abschnittes und dem Innenraum des rechteckigen Grundkörpers befindet. An den Stellen der Bohrungen für die Primarluftversorgung im geraden Abschnitt ist diese Schamottschicht mit runden Hohlräumen versehen, so dass Primärluft von außen durch die Bohrungen des geraden Abschnitts und die Schamottschicht in das Innere des geometrischen Grundkörpers eintreten kann, wobei die sich zum Innenraum des rechteckigen Grundkörpers befindliche Schamottseite nach innen geneigt als schiefe Ebene ausgeformt ist. Im inneren des rechteckigen Grundkörpers befinden sich zwei thermisch beständige Roste, die sich längs zwischen der unteren inneren Seite der Schamottschicht und der innenliegenden Seite der Rückwand des geometrischen Grundkörpers befinden. Die beiden Roste sind jeweils so breit wie der Abstand zwischen den inneren Seiten der Seitenwände des rechteckigen Grundkörpers. Unterhalb der beiden Roste schließt sich ein Raum zum Sammeln von Asche an, der an der vorderen Stirnseite mit einer gasdicht verschließbaren Revisionsöffnung verbunden ist (1 innerer Aufbau des HFCR).
Hochfrequenzcarbonreaktor alternativ als Heizkessel nutzbar (HFCR) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass über eine Öffnung in der Deckplatte des rechteckigen Grundkörpers, die sich direkt über den Bevorratungsraum für Brennstoff befindet, geeigneter Brennstoff in den Bevorratungsraum eingebracht werden kann (1 Innerer Aufbau des HFCR).
Hochfrequenzcarbonreaktor alternativ als Heizkessel nutzbar (HFCR) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass sich im Raum für die Aufnahme der die Mikrowellen transportierenden Vorrichtung ein den Hohlleiter beinhaltendes Hohlleitergehäuse eingesetzt ist, wobei dieses frei hängend über einen Flansch, durch eine entsprechende Öffnung in der Deckplatte, gasdicht von oben mit der Deckplatte verschraubt ist, ohne hierbei in Berührung mit sonstigen Einbauten des HFCR zu kommen (1 Innerer Aufbau des HFCR).
Hochfrequenzcarbonreaktor alternativ als Heizkessel nutzbar (HFCR) nach Anspruch 1 und Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass das den Hohlleiter beinhaltende Hohlleitergehäuse aus zwei ausladenden Stirnseiten besteht, die über zwei Seitenwände miteinander verbunden sind und zwar derart, dass sich ein hieraus gebildeter Raum mit rechteckigem Querschnitt ergibt, dessen innere Länge auf der Stirnseite 8 cm und dessen innere Breite 4 cm ergibt. Demzufolge sind die beiden Stirnseiten des Hohlleitergehäuses 4 cm voneinander entfernt. Im weiteren Aufbau ist der sich aus Stirnseiten und Seitenlängen im inneren ergebende rechteckige Raum genau mittig unter einer gleich großen rechteckigen Öffnung in der Deckplatte des Hohlleitergehäuses angeordnet und derart befestigt, dass sich der rechteckige Hohlraum aus Stirnseiten und Seitenwänden direkt unter der gleich großen rechteckigen Öffnung im Deckel befindet. Am anderen Ende des Hohlleitergehäuses befindet sich ein rechteckiger Abschluss der innen der Geometrie des Hohlleiters entspricht, in einem Abstand von 4 mm vom Ende des rechteckigen Hohlraumes des Hohlleitergehäuses angebracht ist, und in den über passende Aussparungen in den Stirnseiten eine Glimmerplatte eingeschoben wird. Der sich derart ergebende nicht gasdichte Verschluss des rechteckigen Hohlraumes im Hohlleitergehäuse schützt das Innere des Hohlleiters vor Eintreten von groben Schmutz, wobei die Glimmerplatte für Mikrowellenstrahlung durchgängig ist. Alle die den Hohlleiter beinhaltenden Teile des Hohlleitergehäuses bestehen aus Edelstahl und werden zum Schutz vor Schweißverzug lediglich durch Punkten miteinander verbunden, aber nicht über durchgezogene Schweißnähte. Vorteilig ist hierdurch das Innere des Hohlleitergehäuses zur Umgebung hin belüftet, so dass es zu keinen sich bei Temperaturänderungen ergebenden Druckunterschieden kommt. Durch die Ausformung als hängende Konstruktion die mit keinen Seiten- und Zwischenwänden des HFCR in Berührung kommt, werden Spannungen durch sich thermisch ausdehnende oder zusammenziehende Bauteile des HFCR auf das Hohlleitergehäuse wirksam verhindert. Weiterhin ist das Hohlleitergehäuse durch seinen massiven Aufbau, insbesondere durch die ausladenden Stirnseiten, zuverlässig und sicher vor Torsion und ähnlichen Zustandsänderungen geschützt (2 Aufbau des den Hohlleiter beinhaltenden Hohlleitergehäuse)
Hochfrequenzcarbonreaktor alternativ als Heizkessel nutzbar (HFCR) nach einem der obigen Schutzansprüche dadurch gekennzeichnet, dass es nach Einschalten des die Mikrowellen erzeugenden Magnetrons, und Zufuhr von Primärluft, zu einer Zündung des sich im Oxidationsbereich und somit im Wirkbereich der den Hohlleiter verlassenden Mikrowellen befindlichen Brennstoffes kommt. Hierdurch ist eine Zündung des Brennstoffes stets sicher und zuverlässig zu bewerkstelligen.
Hochfrequenzcarbonreaktor alternativ als Heizkessel nutzbar (HFCR) nach einem der obigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass nach Zündung des Oxidationsbereichs und Einstrahlung von den Hohlleiter verlassenden Mikrowellen, diese ca. 7 cm Tief in den Oxidationsbereich eintreten und diesen auf bis zu 1400°C aufheizen (4 Temperaturbereiche des HFCR).
Hochfrequenzcarbonreaktor alternativ als Heizkessel nutzbar (HFCR) nach einem der obigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass es bei unterstöchiometrischer Sauerstoffversorgung im Oxidationsbereich zu brenngasbildenden Reaktionen kommt, wobei bei einer Temperatur von 1400°C entsprechend der Boudouarschen Gleichgewichtsreaktionen Kohlenstoff zu hauptsächlich brennbaren Kohlenstoffmonoxid vergast wird (3 Innere Bereiche des HFCR, 4 Temperaturbereiche des HFCR)
Hochfrequenzcarbonreaktor alternativ als Heizkessel nutzbar (HFCR) nach einem der obigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass durch Wärmeabstrahlung in den Brennstoffbevorratungsraum, der Brennstoff getrocknet, einer Pyrolyse unterworfen und schließlich zu Holzkohle verschwelt wird, wobei der Kohlenstoffanteil dieser Holzkohle im Oxidationsbereich vergast wird. Durch die nach innen geneigte Stirnseite des rechteckigen Grundkörpers und der ebenfalls geneigten Seite der Schamottschicht, in Form einer schiefen Ebene, ist hierbei ein sicheres nach unten Rutschen des Brennstoffes gewährleistet. (1 Innerer Aufbau des HFCR, 3 Innere Bereiche des HFCR).
Hochfrequenzcarbonreaktor alternativ als Heizkessel nutzbar (HFCR) nach einem der obigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass bei der Pyrolyse und dem Verkohlen des Brennstoffes entstehende Polyzyklische-Aromatische-Kohlenwasserstoffe (PAK) durch die vorgegebene Strömungsrichtung gezwungen sind, den heißen Oxidationsbereich zu durchqueren, wobei die PAK hierbei bei 1400°C in vorwiegend brennbares Kohlenstoffmonoxid thermisch aufgekrackt werden. Die erzwungene Strömungsrichtung ergibt sich daraus, dass durch Heraussaugen von Gasen durch die Öffnung in der Rückwand des geometrischen Grundkörpers des HFCR ein beständiger Unterdruck gegeben ist (3 Innere Bereiche des HFCR).
Hochfrequenzcarbonreaktor alternativ als Heizkessel nutzbar (HFCR) nach einem der obigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass anstelle eines Rostes im Oxidationsbereich zwei Roste zum Einsatz kommen, die bei Erhitzung weniger zu thermischer Verformung neigen als ein einzelner langer Rost, und an der Stelle wo sie aneinander liegen durch einen zusätzlichen Steg abgestützt werden. Vorteilig erleichtert das Herausheben von zwei leichteren, kurzen Rosten, anstelle eines schweren, langen und sperrigen Rostes, die Reinigung des Inneren des HFCR bei Revision (1 Innerer Aufbau des HFCR.
Hochfrequenzcarbonreaktor alternativ als Heizkessel nutzbar (HFCR) nach einem der obigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass nach der Vergasung übrigbleibende mineralische Asche und kleine glühende Holzkohlestücke durch die Roste in einen sich darunter befindlichen Ascheraum sammeln, wobei kleine Holzkohlestücke dort ausglühen und hierbei das für die Vergasung von Kohlenstoff benötigte Vergasungsmittel Kohlenstoffdioxid im Oxidationsbereich bereitstellen, wobei das Kohlenstoffdioxid durch den im HFCR herrschenden Unterdruck in den sich über dem Ascheraum befindlichen Oxidationsbereich gesaugt wird (3 Innere Bereiche des HFCR).
Hochfrequenzcarbonreaktor alternativ als Heizkessel nutzbar (HFCR) nach einem der obigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass sich im Gasausgangsraum ein Wärmetauscher befindet, über den sich durch Wärmeauskopplung aus dem Brenngas Warmwasser erzeugen lässt ( 5 Wärmetauscher im HFCR)
Hochfrequenzcarbonreaktor alternativ als Heizkessel nutzbar (HFCR) nach einem der obigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der HFCR sich auch als reiner z. B. Scheitholzbeheizter Warmwassererzeuger nutzen lässt, in dem die Wärmeauskopplung auf das Wärmeträgermedium im Wärmetauscher aus den heißen Rauchgasen erfolgt. Je nach eingesetztem festen Brennstoff kann die erforderliche Primärluftmenge über eine Luftdrossel und einen Lüfter vor den Primärluftöffnungen reguliert werden (1 Innerer Aufbau des HFCR).
Hochfrequenzcarbonreaktor alternativ als Heizkessel nutzbar (HFCR) nach einem der obigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass sich um den rechteckigen Grundkörper ein zweites Gehäuse befindet und zwar derart, dass sich zwischen diesem äußeren Gehäuse und dem inneren rechteckigen Grundkörper ein thermischer Isolator befindet (6 Äußeres Gehäuse des HFCR).