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Die
Erfindung bezieht sich auf einen katalytischen Reaktor, insbesondere
thermokatalytischen Reaktor mit einem Reaktorrohr, mit einer am
Anfang des Reaktorrohres angeordneten Zuführeinrichtung für die Beschickung
des Reaktorrohres mit organischem Material, das mittels eines Fördersystems durch
das Reaktorrohr transportiert wird und dabei katalytisch zersetzt
wird, wobei die dadurch entstehende Konvertierungskohle mittels
einer am Ende des Reaktorrohres angeordneten Entnahmeeinrichtung
entnommen wird, und mit einer Rückführeinrichtung,
die wenigstens einen Teil der Konvertierungskohle als katalytisches
Material an den Anfang des Reaktorrohres zurückführt.
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Ein
derartiger Reaktor ist z. B. in der US PS 4,781,796 beschrieben.
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Dieser
Reaktor dient der thermokatalytischen Vergasung von organischem
Material (Biomaterial), wie z. B. Klärschlämmen, wobei das Biomaterial
unter Luftausschluss langsam auf eine Konvertierungstemperatur von
200 bis 600° C
erhitzt wird und dabei zum größten Teil
vergast. Bei dem dabei zurückbleibenden
Material handelt es sich um Konvertierungskohle. Aus dem abgeschiedenen
Gas kann u. a. Rohöl
gewonnen werden. Bei einer solchen thermokatalytischen Umwandlung
wirken die in der Biomasse vorhandenen Spurenelemente, wie z. B. Kupfer,
Kobalt und Aluminiumsilikate als Katalysatoren.
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Im
Prinzip können
derartige Reaktoren auch der anaeroben Fermentation dienen, z. B.
für die
Reinigung von Industrieabwässern
oder landwirtschaftlichen Rückständen. Die Betriebstemperatur
beträgt dabei
allerdings nur ca. 35° C.
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Der
Reaktor gemäß der US
PS 4,781,796 besitzt dazu ein liegendes Reaktorrohr, durch das hindurch
das zu behandelnde organische Biomaterial zunächst mit einer Schnecke und
dann mit mehreren Paddeln transportiert wird, die keinen Kontakt
zur Innenmantelfläche
des Reaktorrohrs haben und damit ausschließlich dem Transport des Materials
dienen.
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Das
zu behandelnde Biomaterial befindet sich lediglich im Bodenbereich
des Rohres und wird dort von einer außen am Rohr angebrachten Heizeinrichtung
auf die entsprechende Zersetzungstemperatur gebracht. Der Wärmeübertrag
ist auf die vom Biomaterial belegte Bodenfläche begrenzt. Eine stärkere Befüllung des
Rohres ist nicht möglich,
da das Biomaterial zum Verbacken neigt und das Fördersystem nicht mehr in der
Lage ist, verdichtetes und zusammengebackenes Biomaterial durch
das Reaktorrohr zu transportieren. Der Durchsatz durch liegende Rohre
ist daher prinzipiell begrenzt.
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Die
Erfindung beruht somit auf dem Problem, einen katalytischen Reaktor
zu schaffen, der einen hohen Durchsatz und eine lange Standzeit
aufweist, weil verhindert wird, dass das Biomaterial verbackt und
das Reaktorrohr verstopft.
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Zur
Lösung
des Problems sieht die Erfindung einen katalytischen Reaktor gemäß dem Oberbegriff des
Anspruchs 1 vor mit den weiteren Merkmalen, dass der Reaktor aufrecht
angeordnet ist und konzentrisch zum Reaktorrohr ein Innenrohr aufweist, wobei
durch den zwischen dem Reaktorrohr und dem Innenrohr gebildeten
Ringspalt das organische Material von oben nach unten transportiert
wird.
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Mit
dem Begriff "aufrecht" ist insbesondere eine
vertikale Anordnung bestimmt; es sollen aber auch Schrägstellungen
des Reaktorrohres umfasst sein, bei denen die Schwerkraft zum Transport
der Biomasse durch das Reaktorrohr beiträgt.
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Durch
diese Anordnung wird zweierlei erreicht. Zum Einen ist es durch
die vertikale Anordnung möglich,
dass sich das Biomaterial gleichmäßig am Innenumfang des Reaktorrohres
verteilt, so dass die gesamte Mantelfläche des Reaktorrohres als wärmeübertragungsfläche dient
und das Biomaterial so von allen Seiten gleichmäßig erhitzt werden kann. Da
außerdem
die Materialverteilung im Reaktorrohr auf den Ringspalt begrenzt
ist, ist die Wärmeübertragung
in radialer Richtung auf die Breite des Spaltes begrenzt. Auch Biomaterial,
das sich nahe dem Innenrohr befindet, also vom Außenrohr
und damit von der Heizung entfernt ist, wird noch in ausreichendem Maße erhitzt.
Da das Biomaterial außerdem
von der Gewichtskraft durch das Reaktorrohr bewegt wird, kann das
Fördersystem
so gestaltet werden, dass es in der Lage ist, das Biomaterial aufzulockern
und dadurch seiner Verdichtung und Verbackung vorzubeugen.
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Das
katalytische Verfahren zersetzt das organische Material weitgehend.
Zurück
bleibt eine Konvertierungskohle, die zurückgefördert wird und dem dem Reaktor
zugeführten
Biomaterial zugesetzt wird. Die Konvertierungskohle hat mehrere
Funktionen:
- Die katalytisch wirkenden Spurenelemente werden an
ihr gebunden und mit ihr zurückgefördert, so
dass sie dem dem Reaktor neu zugeführten Biomaterial als Katalysatoren
zur Verfügung
stehen, so dass auch die Konvertierungskohle als Katalysator verstanden
werden kann.
- Die Konvertierungskohle bindet die bei der Konvertierung verflüssigten
Stoffe, wie z. B. Fette.
- Sie verdünnt
die in den Reaktor eingetragene Biomasse und schafft dadurch eine
große
Phasengrenzefläche
zwischen der Biomasse und den Katalysatoren, wodurch eine hohe Stoffumsatzrate
erzielt wird.
- Es wird der Rekombination von Radikalen entgegengewirkt und
damit die Depolymerisation komplexer Biomoleküle unter Bildung von monomeren,
kleinen Molekülen
gefördert.
- Es wird der Entstehung von teerartigen Produkten entgegengewirkt.
- Die Verweilzeit von mit der Konvertierungskohle verbundenen
und mit ihr zurückgeförderten
Stoffen, wie z. B. langlebige Umweltchemikalien und Arzneimittel, wird
erhöht,
so dass deren Abbaurate erhöht
wird.
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Bei
den bisher bekannten Reaktoren wird die Konvertierungskohle am Ende
dem Reaktorrohr entnommen und in einem Behälter gesammelt. von dort wird
sie über
ein außerhalb
des Reaktors verlaufendes Rohrsystem zur Zuführeinrichtung zurückgeführt.
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Um
hier eine Vereinfachung zu erzielen, sieht die Erfindung weiterhin
vor, dass die Rückführeinrichtung
in dem Innenrohr angeordnet ist. Die Rückführung der Konvertierungskohle
erfolgt somit innerhalb des Reaktors. Dies führt zu einem äußerst kompakten
Aufbau der Anlage. Außerdem
beheizt die noch warme Konvertierungskohle den Re aktor von innen,
was den Energieverbrauch der Anlage senkt.
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Obwohl
der Reaktor vertikal angeordnet ist und damit das zu bearbeitende
organische Material mit der zugefügten Konvertierungskohle unter
der Schwerkraft durch das Reaktorrohr wandert, ist sowohl zur Unterstützung des
Transportes als auch zur ständigen
Auflockerung eine Transporteinrichtung im Ringspalt vorzusehen.
Diese besteht vorzugsweise aus Scharen, die an dem Außenumfang
des Innenrohres befestigt sind und bis zur Innenmantelfläche des
Reaktorrohres reichen, wobei das Innenrohr mittels eines Antriebes
in eine langsame Drehbewegung versetzbar ist. Hier zeigt sich auch
noch einmal der Vorteil der vertikalen Anordnung. Da das organische Material
im Wesentlichen durch die auf das Biomaterial wirkende Schwerkraft
durch das Reaktorrohr wandert, können
die Schare insbesondere so gestaltet werden, dass sie das Biomaterial
auflockern und gut mit der Konvertierungskohle vermischen. Dies fördert die
katalytische Zersetzung und Vergasung des Biomaterials. Da die Schare
bis zum Außenumfang
des Reaktorrohres reichen, wirken sie wie Kratzer oder Schaber,
die Verbackungen an der Innenmantelfläche des Reaktorrohres entfernen.
In diesem Sinne unterscheiden sie sich von den allein dem Materialtransport
dienenden Paddeln gemäß der US
PS 4,781,796.
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Die
Rückführung der
Konvertierungskohle durch das Innenrohr erfolgt mit einer Transportschnecke,
die gegensinnig zum Innenrohr angetrieben ist, was die Transportgeschwindigkeit
trotz einer relativ langsamen Drehbewegung der Transportschnecke erhöht.
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Zum
Beschicken des Reaktorrohres mit dem organischen Material ist das
obere Ende des Reaktorrohres zu einer runden Mischwanne mit einem
Beschickungsanschluss und einem Gasabzug erweitert, in welchem wenigstens
eine Mischschar vorhanden ist. Die Mischwanne verläuft nach
unten konisch zu und wirkt damit wie ein Trichter. Die Mischschar sorgt
für eine
gute Durchmischung von Biomaterial und Konvertierungskohle, wobei,
da die Mischwanne ebenfalls erhitzt ist, der Reaktorprozess schon
einsetzt.
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Zur
Zuführung
der Konvertierungskohle ragt das Innenrohr in die Mischwanne hinein
und weist oberhalb des Füllstandes
der Mischwanne Fenster auf, durch die die durch das Innenrohr nach
oben geförderte
Konvertierungskohle heraustritt.
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Der
Beschickungsanschluss ist seitlich angebracht. Die Mischschare sorgen
für eine
Mischung der von innen eintretenden Konvertierungskohle und des
seitlich zugeführten
Biomaterials.
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Die
Mischwanne ist oben mit einem Deckel luftdicht verschlossen. Dort
befindet sich ein Gasabzug.
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Am
unteren Ende des Reaktorrohrs befindet sich ein trichterförmiger Konvertierungskohlensammler,
in den die Transportschnecke eintaucht und der an seinem Boden einen
Konvertierungskohlenabzug für
die Konvertierungskohle aufweist.
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Da
nur ein Teil der Konvertierungskohle zur Anreicherung des Biomaterials
benötigt
wird, kann die für
den Prozess nicht benötigte
Konvertierungskohle am Konvertierungskohlenabzug entnommen werden.
Um im Bereich des Sammlers Verbackungen zu vermeiden, ist die letzte
Schar im Reaktorrohr nach unten in den Sammler hinein verlängert.
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Um
eine gute Durchmischung im Ringspalt des Reaktorrohres zu erreichen,
sind die Schare im Reaktorrohr auf einer Schneckenlinie versetzt
zueinander angeordnet. Insbesondere sind die Schare schräg angeordnet
und zwar mit einer in Drehrichtung ansteigenden Schaufelfläche. Dies
bewirkt, dass das Biomaterial immer wieder gegen die zum unteren
Ende des Reaktors gerichtete Hauptbewegungsrichtung angehoben wird,
wodurch insbesondere eine Verdichtung der Masse verhindert wird
und eine stete Auflockerung erfolgt. Dies wird auch dadurch gefördert, dass
die Schaufelflächen
konkav gewölbt
sind.
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Damit
die Schare als Schaber wirken können,
ist ihre Außenkante
gehärtet
und so geformt, dass sie einer Zylinderlinie folgt und damit praktisch spaltfrei
an der Innenmantelfläche
des Reaktorrohres anliegt.
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Um
den Wärmeübertrag
zu verbessern und eine weitere Verbesserung der Durchmischung zu
erreichen, sieht die Erfindung weiterhin vor, dass scheibenförmige Bereiche
des Ringspaltes von Scharen frei sind und in diesen Bereichen feststehende,
an dem Reaktorrohr befestigte Ablenker hineinragen. Diese Ablenker übertragen
die Wärme
des Reaktorrohres radial weiter nach innen, so dass auch nahe des
Innenrohres eine gute und ausreichende Erwärmung des Biomaterials erfolgt.
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Damit
der Beschickungsanschluss nicht verschlossen wird, die Belastung
des Reaktors mit Biomaterial nicht zu hoch wird und insbesondere
die Austrittsfenster für
die Konvertierungskohle frei bleibt, ist für die Mischwanne ein maximaler
Füllstand vorgesehen.
Um diesen einzuhalten, ist eine Füllstandsüberwachungseinrichtung in der
Mischwanne vorhanden. Dabei kann der Füllstand durch die Menge des
zugeführten
organischen Materials, aber auch durch die Menge der am unteren
Ende des Reaktors abgezogenen Konvertierungskohle kontrolliert werden.
Um dies zu be werkstelligen, befindet sich dort ein von der Füllstandsüberwachungseinrichtung
gesteuertes Ventil.
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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Reaktor, bei dem unabhängig von
seiner Lage eine innere Rückführung der
Konvertierungskohle erfolgt. Dies hat insbesondere den Vorteil,
dass die Rückführung in
einfacher Weise geregelt werden kann und dass die in der Konvertierungskohle
gespeicherte Wärmeenergie
den Reaktor von innen heizt.
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Im
Folgenden soll anhand eines Ausführungsbeispiels
die Erfindung näher
erläutert
werden. Zur Verdeutlichung zeigen:
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1 einen
Längsschnitt
durch einen katalytischen Reaktor gemäß der Erfindung in einer ersten Ausführungsform
und
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2 einen
Längsschnitt
durch einen katalytischen Reaktor gemäß der Erfindung in einer zweiten
Ausführungsform.
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Ein
katalytischer Reaktor 1 besteht aus einem vertikal angeordneten
Reaktorrohr 2, das sich am oberen Ende zu einer Mischwanne 3 erweitert.
An seinem unteren Ende befindet sich ein trichterförmiger Konvertierungskohlensammler 4.
Konzentrisch zum Reaktorrohr 2 befindet sich in diesem
ein Innenrohr 5, das sich über die Länge des Reaktorrohres 2 und
der Mischwanne 3 erstreckt. In dem Innenrohr 5 befindet
sich eine Transportschnecke 6, die in den Konvertierungskohlensammler 4 hineinreicht.
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Gemäß der ersten
Ausführungsform
(1) ist das Reaktorrohr 2 zylindrisch
ausgeführt
und die Mischwanne 3 ist deutlich davon abgesetzt. Eine zweite
Ausführungsform (2)
sieht vor, dass sich das Reaktorrohr 2 nach oben hin kontinuierlich,
insbesondere konisch erweitert, und dass die Mischwanne 3 sich
stufenlos, die Form des Reaktorrohres weiterführend an dieses anschließt. Eine
hier nicht dargestellte Form sieht vor, dass das Reaktorrohr und
die Mischwanne aus einem durchgehenden zylindrischen Rohr bestehen.
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Das
Reaktorrohr 2 und das Innenrohr 5 bilden einen
Ringspalt 7, durch den das zu behandelnde organische Material
von oben nach unten wandert. Um diese Wanderungsbewegung zu unterstützen und
gleichzeitig das Biomaterial aufzulockern und damit Verdichtungen,
die zu Verbackungen führen,
zu vermeiden, sind am Innenrohr 5 Schare 8 befestigt,
die sich über
die Breite des Ringspaltes 7 erstrecken.
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Die
Mischwanne 3 ist durch einen Deckel 9 verschlossen.
An diesem befindet sich ein Gasabzug 10; außerdem eine
gedichtete Durchführung
für eine Hohlwelle 11 zum
Antrieb des Innenrohres 5 und darin angeordnet eine Antriebsachse 12 für die Transportschnecke 6.
Die Mischwanne 3 weist weiterhin seitlich einen Beschickungsanschluss 13 für das zu zersetzende
organische Material auf.
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Die
Konvertierungskohle wird durch das Innenrohr 5 mittels
der Transportschnecke 6 nach oben transportiert und tritt
durch Fenster 14 hindurch und fällt in die Mischwanne 3.
Um die Konvertierungskohle und das Biomaterial gut vermischen zu
können, befindet
sich in der Mischwanne 3 wenigstens eine Mischschar 15,
das an dem Innenrohr 5 befestigt ist und bis zur Wand der
Mischwanne 3 reicht und dort spaltfrei anliegt. Die Mischschar 15 hat
die Funktion, einerseits Konvertierungskohle und Material zu mischen
und andererseits Verbackungen an der Innenseite der Mischwanne 3 abzuschaben.
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Um
im Bereich des Konvertierungskohlensammlers 4 die aus dem
Ringspalt 7 austretende Konvertierungskohle in den Bereich
der Transportschnecke 6 zu führen, ist die letzte Schar 8a nach
unten verlängert
und reicht in den Konvertierungskohlensammler 4 hinein.
Am unteren Ende des Konvertierungskohlensammlers 4 befindet
sich ein Konvertierungskohlenabzug 16 mit einem hier nicht
näher dargestellten
Schieberventil, das füllstandsgesteuert geöffnet und
geschlossen wird.
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Wie
schon erwähnt,
befinden sich im Ringspalt 7 Schare B. Sie sind vorzugsweise
auf einer Schraubenlinie angeordnet. Sie sind, was die Figur zeigt,
bezogen auf die Drehrichtung (Pfeil 20) des Innenrohres 4 schräg nach oben
verlaufend angeordnet, wobei sie eine konvex verlaufende Schaufelfläche 21 aufweisen.
Durch die einzelnen Schare 8 wird das Biomaterial gegen
die Hauptwanderungsbewegung zum unteren Ende des Reaktorrohres 2 immer wieder
angehoben. Dies wirkt einer Verbackung entgegen. An der Innenmantelfläche des
Reaktorrohres 2 anhaftendes Biomaterial wird von den ggf.
gehärteten
Außenkanten 22 der
Schare 8 abgeschabt.
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Um
die gesamte Anordnung herum befindet sich ein Heizmantel 17 (gestrichelte
Linie). Dieser reicht vom Konvertierungskohlensammler über das Reaktorrohr 2 zur
Mischwanne 3 und deren Deckel 9. Er sorgt dafür, dass
sich das Biomaterial im System auf die für die Zersetzung notwendige
Temperatur aufheizt. Für
die Beheizung könne
die verschiedensten Techniken eingesetzt werden. Elektrische Heizungen,
aber auch Gasheizungen haben sich bewährt. Die Beheizung des Konvertierungskohlensammlers 4 hat
auch den Vorteil, dass die dort gesammelte Konvertierungskohle auf
einer hohen Temperatur bleibt und ihre Wärme über das Innenrohr 5 an
das zu bearbeitende Biomaterial im Ringspalt 7 abgeben
kann. Dies sorgt für
eine gleichmäßige Erwärmung des
Biomaterials.
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Ein
weiterer Gasabzug befindet sich – was hier nicht näher dargestellt
ist – am
unteren Ende des Reaktorrohres 2. Hier können vom
Biomaterial mitgerissene Gase gesammelt und entnommen werden.
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Zur
Durchführung
des an sich bekannten Verfahrens wird das katalytisch zu zersetzende
Biomaterial über
den Beschickungsanschluss 13 in die Mischwanne 3 gebracht.
Dort wird es mit der aus dem Fenster 14 austretenden Konvertierungskohle vermischt,
wobei schon eine katalytische Umsetzung zu Gas erfolgt. Dieses Gas
gelangt zum Gasabzug 10 und kann dort einer weiteren Verarbeitung
zugeführt
werden. Die Mischschar 15 sorgt für eine innige Vermischung von
Konvertierungskohle und Biomaterial. Derart gemischt gelangt es
in den Ringspalt 7 zwischen dem Reaktorrohr 2 und
dem Innenrohr 5. Die Schare 8 sorgen für eine dauernde
Auflockerung und Durchmischung des Biomaterials. Durch die zugeführte wärme wird
das Biomaterial weiter vergast, bis am Ende des Reaktorrohres 2 lediglich
Konvertierungskohle vorhanden ist, die im Konvertierungskohlensammler 4 gesammelt
wird und mittels einer Transportschnecke 6 zum Teil wieder
in die Mischwanne 3 zurückgeführt wird.
Um dort einen definierten Füllstand
zu erhalten, ist der Konvertierungskohlenabzug 16 mit einem
steuerbaren Ventil versehen. Durch Abziehen von Konvertierungskohle,
indem das Ventil geöffnet
wird, senkt sich der Füllstand,
durch Schließen
kann er sich weiter erhöhen.
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Folgende
weitere, in der 2 näher dargestellte Ausgestaltungen
können
gemäß der Erfindung generell
genutzt werden:
Seitlich an dem Reaktorrohr können weitere
Beschickungsanschlüsse 13a, 13b vorgesehen
werden, die jeweils verschiedenen Schichten im Reaktorohr 2 zugeordnet
sind. Damit ergibt sich eine gute Möglichkeit den Schichtaufbau
zu beeinflussen. Insbesondere kann die Schichtung so aufgebaut werden,
dass sich Zonen erhöhten
Kohleanteils mit Zonen erhöhter, noch
zu konvertierender Biomasse abwechseln.
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Des
Weiteren ergibt sich die Möglichkeit,
in Abhängigkeit
von der Konzentration der zugeführten Biomasse
eine bestimmte Eingabehöhe
zu wählen.
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Insbesondere
kann der oberste Beschickungsanschluss 13 unterhalb des
Spiegels in der Mischwanne 3 vorgesehen sein. Dadurch ergibt
sich ein Schichtaufbau in der Mischwanne 3, deren obere Schicht
aus Konvertierungskohle besteht, die wie ein Aktivfilter auf das
nach oben abziehende Gas wirkt.
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Ein
Gasabzug mit einem Überdruckventil sollte
am unteren Ende des Reaktorrohres vorgesehen werden, damit sich
kein Überdruck
bildet, falls die Biomasse im Reaktorrohr zu einem Pfropf verbacken
sollte.
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Mit
einer gesteuerten Rückführung der
Konvertierungskohle kann das Mischungsverhältnis zur Biomasse ziemlich
genau eingestellt werden. Da das Mischungsverhältnis in Abhängigkeit
von der Art des zugeführten
Biomaterials Einfluss auf die Art und Güte der Edukte des Reaktors
hat, ergibt sich damit eine einfache Möglichkeit, darauf Einfluss
zu nehmen, indem die Drehgeschwindigkeit der Rückförderschnecke entsprechend eingestellt
wird.
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- 1
- Reaktor
- 2
- Reaktorrohr
- 3
- Mischwanne
- 4
- Konvertierungskohlensammler
- 5
- Innenrohr
- 6
- Transportschnecke
- 7
- Ringspalt
- 8
- Schar
- 9
- Deckel
- 10
- Gasabzug
- 11
- Hohlwelle
- 12
- Antriebsachse
- 13
- Beschickungsanschluss
- 13a
- Beschickungsanschluss
- 13b
- Beschickungsanschluss
- 14
- Fenster
- 15
- Mischschar
- 16
- Konvertierungskohlenabzug
- 17
- Heizmantel
- 20
- Pfeil
(Drehsinn Innenrohr)
- 21
- Schaufelfläche
- 22
- Außenkanten