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Verfahren zum Erzeugen von Wassergas,
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insbesondere aus kohlenstoffhaltigem Abfallmaterial Die Erfindung
bezieht sich auf ein Verfahren zum Erzeugen von blauem Wassergas aus kohlenstoffhaltigem
Material, insbesondere aus kohlenstoffhaltigem Abfallmaterial, sowie auf eine Einrichtung
zum Durchführen dieses Verfahrens.
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Wassergas-Generatoren werden üblicherweise mit Brennstoffen oder anderen
Materialien betrieben, die thermische Energie enthalten, z.B. mit Dampf,erhitzter
Kohle oder mit heißen Gasen. Es werden dabei Vorgänge mit innerer Verbrennung eingesetzt,
die eine Sauerstoffzufuhr benötigen. Beispielsweise kann hierfür ein Brennstoff,
wie Kohle oder dergl.
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in einer zwangsbelüfteten Retorte verbrannt werden. Andere bekannte
Verfahren verwenden die gleichmäßige Erhitzung einer Retorte unter Luftabschluß.
Bei allen diesen Verfahren entstehen Kohlendioxyd-Anteile, die für viele katalytische
Verfahren, die mit Wassergas arbeiten, zu hoch sind.
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Weiterhin bedienen sich die meisten dieser Verfahren einer schub-
oder partieweisen Beschickung und können daher nicht mit kontinuierlicher Beschickung
oder Entleerung ohne Unterbrechnung der Gaserzeugung arbeiten.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Erzeugen
von Wassergas, insbesondere aus kohlenstoffhaltigem Abfallmaterial, der eingangs
genannten Art zu schaffen, das kontinuierlich zu arbeiten vermag und in dem erzeugten
Wassergas nur einen geringen Anteil an Kohlendioxyd aufweist.
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Dies wird erfindungsgemäß durch folgende Verfahrensschritte erreicht:
Einbringen von kohlenstoffhaltigem Material und von Wasser in eine abgeschlossene
Retorte, Ausbilden eines vertikalen Temperaturgradienten in der abgeschlossenen
Retorte durch Erhitzen des unteren Teiles der Retorte 0 auf eine Temperatur oberhalb
1000 Celsius, Fortbewegen des kohlenstoffhaltigen Materiales innerhalb der abgeschlossenen
Retorte durch den ausgebildeten vertikalen Temperaturgradienten hindurch und Entnehmen
des erzeugten Wassergases.
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Dieses Verfahren hat den weiteren Vorteil, daß die Gasausbeute von
ca 40* bei den bekannten Verfahren hier auf etwa 95* gesteigert wird.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens nach der Erfindung
bestehen in den zusätzlichen Verfahrensschritten des Entziehens von Sauerstoffgas
aus der abgeschlossenen Retorte nach dem Einbringen des kohlenstoffhaltigen Materiales
und des Wassers in die Retorte und/oder des Entnehmens von festen Verfahrensprodukten
aus der abgeschlossenen Retorte.
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Eine besonders günstige Einrichtung zum Durchführen des Verfahrens
nach der Erfindung zeichnet sich aus durch eine luftdicht abgeschlossene Reaktionskammer,
die als senkrecht stehende Trommel ausgebildet ist und in ihrem unteren Teil eine
Haltevorrichtung für das in die Reaktionskammer eingebrachte kohlenstoffhaltige
Material aufweist, durch eine thermisch mit der Reaktionskammer gekoppelte Heizvorrichtung,
mit der unterhalb des kohlenstoffhaltigen Materiales Wärme und dadurch innerhalb
der Reaktionskammer ein im wesentlichen senkrechter Temperaturgradient erzeugbar
ist, welcher im unteren Teil der Reaktionskammer ein höheres Temperaturpotential
besitzt als in deren oberen Teil, und durch eine mit der Reaktionskammer verbundene
Gasentnahmevorrichtung, mit der das in der Reaktionskammer erzeugte Wassergas auffangbar
ist. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen Unteransprüchen.
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Durch die Erfindung wird somit ein Verfahren und eine Einrichtung
zum Erzeugen von blauem Wassergas geschaffen, bei welchen kohlenstoffhaltiges (Abfall-)
Material und Wasser in einem Umlaufsystem durch einen vertikalen Temperaturgradienten
unter Luftabschluß in einer Retorte hindurchgeführt wird, die keine äußere Sauerstoffzufuhr
besitzt. Die Retorte ist als vertikale Säule ausgebildet und in ihrem unteren Teil
mit einer Auffangvorrichtung für das in Umlauf zu versetzende kohlenstoffhaltige
Material versehen. Innerhalb der Retorte wird ein Temperaturgradient mit nach oben
hin abnehmendem Temperaturpotential erzeugt, in dem der untere Teil der Retorte
auf ungefähr 12000 Celsius erhitzt wird. Ein Teil des kohlenstoffhaltigen Materiales
verdampft dabei und der Rest wird in Kohlenmonoxyd oxydiert. Wenn das kohlenstoffhaltige
Material keinen ausreichenden Wassergehalt besitzt, kann
in den
unteren Teil der Retorte Wasser eingeführt werden, um den für die Reaktion erforderlichen
Wasserstoff und Sauerstoff zur Verfügung zu stellen.
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Das verbleibende kohlenstoffhaltige Material läuft mit dem erzeugten
Gas um und trifft auf den unteren Teil der Retorte auf, wo entsprechend den herrschenden
Reaktionsbedingungen in der Hauptsache Kohlenmonoxyd und Wasserstoff gebildet wird.
Komplexere Verbindungen werden in mehreren solchen Aufheiz- und Umlauf-Zyklen in
Kohlenmonoxyd und Wasserstoff zurückgeführt. Der Sauerstoff für diese Reaktionen
wird dabei durch Zerlegen der Wasserdampfmolekühle gebildet. Der aus den Wassermolekühlen
freigesetzte Sauerstoff verbindet sich mit dem Kohlenstoff, wenn der Dampf auf das
heiße kohlenstoffhaltige Material auftrifft, wobei dann Kohlenmonoxyd und Wasserstoffgas
gebildet wird. Eine Zufuhr von freiem Sauerstoff ist unerwünscht, weil dieser den
Kohlendioxydanteil erhöht.
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Asche und andere feste Reaktionsprodukte werden aus dem unteren Teil
der Retorte nach außen abgeführt. Von dem Generator erzeugte gefährliche Kohlenmonoxydgase
bleiben entweder in der Retorte eingeschlossen oder werdan der weiteren Verwendung
zugeführt bzw. verbrannt.
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Ein Teil des erzeugten Wassergases kann dazu dienen, die Arbeitstemperatur
der Retorte aufrecht zu erhalten, wozu es unterhalb der Retorte verbrannt wird,
und das restliche Wassergas steht zum Heizen, Beleuchten oder zur katalytischen
Syntese anderer Stoffe zur Verfügung.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausfürhungsbeispiels näher erläutert.
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Es zeigen: Fig 1 einen Längsschnitt durch einen Wassergas-Generator
zum Durchführen des Verfahrens nach der Erfindung, Fig.2 einen Querschnitt durch
die Anordnung nach Fig.1 und Fig.3 ein Schemabild einer Steuervorrichtung für den
Generator nach Fig.1.
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In Fig. 1 ist ein Wassergas-Generator dargestellt, der als Retorte
eine unter Luftabschluß stehende Reaktionskammer 2 mit Umlaufsystem aufweist. Die
Reaktionskammer 2 besitzt eine Beschickungs-Luftschleuse 4 für das Rohmaterial und
eine Entleerungs-Luftschleuse 6 für die Asche und ist aus Brennraum-Stahl gefertigt.
Die beiden Luft schleusen 4 und 6 sind mit Absaugvorrichtungen 5 und 7 versehen,
die mit Vakuumpumpen verbunden sind und betätigt werden, wenn die zugehörige Luftschleuse
geöffnet werdensoll bzw. worden ist, um giftige Gase abzusaugen, die sonst aus der
Reaktionskammer 2 entweichen würden, und um die Fufuhr beien Sauerstoffes in die
Reaktionskammer 2 so gering wie möglich zu halten.
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Wenn z.B. durch die Luftschleuse 4 kohlenstoffhaltiges Rohmaterial
eingeführt werden soll, wird die Luftschleuse 4 durch die Absaugvorrichtung 5 evakuiert,
um etwaiges Kohlenmonoxyd zu entfernen. Dann wird eine Beschickungsklappe 4a geöffnet,
das Rohmaterial eingelassen und die Klappe 4a wieder verschlossen. Die Luftschleuse
4 wird dann wiederum evakuiert, um die Sauerstoffzufuhr zu verringern. Dann wird
eine Beschickungsklappe 4b geöffnet, so daß das Rohmaterial in die Reaktionskammer
2 gelangen kann. Schließlich wird die Klappe b wieder geschlossen und die Luftschleuse
4 erneut evakuiert.
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Die Luftschleuse 6 und zwei Entleerungsklappen 6a und 6b werden in
ähnlicher Weise bedient, um das Eindringen von Sauerstoff und das Entweichen von
Kohlenmonoxyd in die bzw. aus der Reaktionskammer 2 gering zu halten.
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Die aufgefangenen Gase werden über Rohrleitungen und (in (Fig.1 nicht
dargestellte) Vakuumpumpen einer Anzahl Brenner 8 und 308 zugeführt. Die Absaugvorrichtungen
5 und 7 dienen auch dazu, dasBashicken der Luftschleuse 4 mit kohlenstoffhaltigem
Material und das Entleeren der Luftschleuse 6 von Asche zu erleichtern.
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Der untere Teil der Reaktionskammer 2 ist kegelförmig ausgebildet
und mit den Brennern 8 und 308 thermisch gekuppelt, die so angeordnet sind, daß
sie den Kegel so direkt wie möglich erhitzen, damit der untere Teil der Reaktionskammer
2 möglichst stark erwärmt wird. Der kegelförmige untere Teil der Reaktionskammer
2 strahlt die Hitze dann wieder in das Innere der Reaktionskammer 2 aus.
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Ein Brennerrohr 10 verbindet die Brenner 8 und 308, die hier als durchGebläse
9 und 309 unterstützte Brenner ausgebildet sind, und Ventil 12 und 312 mit einem
Gasentnahme-Leitungsrohr 14 innerhalb der Reaktionskammer 2. Das Leitungsrohr 14
erstreckt sich bis unterhalb eines Rostes 16 und eines Dampfringes 18 (Fig.2), die
innerhalb der Reaktionskammer 2 angeordnet sind und thermisch und strukturell mit
ihr zusammen wirken. Der Rost 16 ist so angeordnet, daß er durch die Luftschleuse
4 eintretendes und durch die Reaktionskammer 2 hindurchfallendes kohlenstoffhaltiges
Material 20 aufzufangen und zu halten vermag. Der Dampfring 18 liegt etwas unterhalb
des Rostes 16 und ist mit Wasserleitungen 22 verbunden, die ihm von einem externen
Wasserbehälter 24 über Ventile 26 und 28 Wasser zuführen.
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Außen um die Reaktionskammer 2 herum ist eine Brenner-Abzugkammer
30 durch eine Hülle 32 aus Brennraum-Stahl gebildet. Die Abzugkammer 30 sammelt
die Abgase der Brenner 8 und 308 und leitet sie an einen Kamin 34 weiter.
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Die Abzugkammer 30 und ihre Hülle 32 sind von einer Wärmeisolationsschicht
36 umgeben.
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Der untere Teil der Reaktionskammer 2 und der Rost 16 können auf eine
Temperatur von ungefähr 1200 0 Celsius erhitzt werden. Hierzu wird die Reaktionskammer
2 von außen her durch Verbrennen von zuvor in einem Vorratstank 15 gespeichertem
Gas durch die Brenner 8 und 308 zunächst aufgeheizt, um den Generator in Betrieb
zu nehmen. Dazu sind zwei Ventile 11 und 17 geschlossen und zwei andere Ventile
12 und 13 geöffnet. Der Generator nach dem beschriebenen Ausführungsbeispiel benötigt
zum Aufheizen vier Brenner, dann genügt der eine Brenner um ihn auf seiner Betriebstemperatur
zu halten.
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Wenn die Reaktionskammer 2 und der Rost 16 ihre Betriebstemperatur
erreicht haben, wird durch die Luftschleuse 4 das kohlenstoffhaltige Abfallmaterial
20 eingeführt. Falls erforderlich, wird Wasser von dem Wasserbehälter 24 über die
Wasserleitungen 22 in durch die Ventile 26 und 28 abgemessenen Mengen dem Dampfring
18 zugeführt. Beim Durchlaufen der Leitungen 22 wird das Wasser zu Dampf, da diese
bei dem in der Reaktionskammer 2 herrschenden Druck sich oberhalb der Siedetemperatur
des Wassers befinden.
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Die für den Betrieb am besten geeignete Wassermenge wird empirisch
bestimmt. Sie hängt von der Art des kohlenstoffhaltigen Abfallmateriales und deesen
Wassergehalt ab.
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Wenn es sich hierbei um Holzwürfel von etwa 15 mm Kantenlänge handelt,
wird der gleiche Gewichtsanteil Wasser benötigt. Der Ascheanteil ist dann etwa 5
Gew 96 des Rohmateriales. Für den Generator ist fast jedes kohlenstoffhaltige Material
geeignet, z.B. auch Kunststoff-Schnitzel, Filterkohleabfall von Schnellreinigungen
und Obstkerne, und die optimale Menge des zuzufügenden Wassers läßt sich leicht
empirisch feststellen.
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Beim Betrieb der Anordnung nach Fig.1 wird abhängig von der Gaserzeugung
in der Reaktionskammer 2, wie sie etwa durch einen Druckmesser festgestellt werden
kann, das Steuerventil 11 geöffnet.Der Vorratstank 15 wird wieder aufgefüllt und
so-dann das Ventil 13 geschlossen. Das in der Reaktionskammer 2 erzeugte Wassergas
speist jetzt die Brenner 8 und 308, so daß sich die Reaktion selbst erhält, und
das überschüsige Wassergas steht über das Ventil 17 für die Verwendung in einem
externen Prozess oder zur Speicherung zur Verfügung. Die Brenner 8 und 308 und ihre
Gebläse 9 und 309 werden so eingestellt,daß sie die Temperatur am Ende des Gasentnahmerohres
14 auf 1190 Celsius halten, was sich durch ein Thermoelement 38 und ein Anzeigegerät
40 feststellen läßt.
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Ein kontinuierlicher Betrieb mit kontinuierlicher Beschickung und
Ascheentleerung wird durch die Luftschleuse 4 und 6 und durch das indirekte Umlauf-Heizverfahren
ermöglicht. Es ist nicht nötig, den Generator beim Zuführen neuen Rohmateriales
abzuschalten, da die Luftschleuse 4 während der Beschickung und die Luftschleuse
6 während der Ascheentleerung einen praktisch vollkommenen Luftabschluß bewirken.
Die Brenner 8 und 308 sowie die Gebläse 9 und 309 können ebenfalls ohne Betriebsunterbrechung
gewartet und ausgetauscht werden, da sie außerhalb der Reaktionskammer 2 angeordnet
sind und für die Aufrechterhaltung der Betriebstemperatur immer nur ein Brenner
erforderlich ist.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig.1 hat die Reaktionskammer 2 eine
Höhe von etwa 1,85 m . Das kohlenstoffhaltige Material, beispielsweise in Form von
Holzspänen, verteilt sich bei der Beschickung und im Betrieb ausreichend durch das
Hinabfallen und Umwälzen in der Reaktionskammer. Andere Materialien können die Verwendung
von Leitblechen oder dergl. zum Verteilen des Materiales über den Rost 16 erfordern.
Der Rost 16 kann auch beweglich ausgebildet und mit einer Schüttelvorrichtung versehen
sein.
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In Fig. 3 ist eine Steuervorrichtung für den Gasgenerator des Ausführungsbeispieles
dargestellt. Die Beschickungs-Luftschleuse 4 wird durch Signale 204 von einer Steuereinheit
300 geöffnet, die als von Hand betätigte Schalttafel, als speziell vorprogrammierter
Computer oder dergl. ausgebildet sein kann. Die Signale 204 lösen dabei eine Klappenbetätigungsvorrichtung
104 aus, die ein Elektromagnet sein kann, der mit federbelasteten Ventilen verbundene
Hebel betätigt, oder dergl. Auf ein Signal 100 der Steueinheit 300 hin wird eine
mit der Absaugvorrichtung 5 verbundene Vakuumpumpe 105 eingeschaltet. Dabei wird
die Stärke, der Zeitpunkt und die Dauer des Vakuums von der Steuereinheit 3 mit
der Betätigung der Beschickungsklappen 4a und 4b abgestimmt gesteuert. Das von der
Absaugvorrichtung 5 und der Vakuumpumpe 105 abgesaugte Gas wird über ein durch ein
Signal 205 gesteuertes Ventil 305 an die Brennstoffzuleitungen der Brenner weitergegeben.
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In ähnlicher Weise wird während der Asche-Entleerung durch ein Signal
206 der Steuereinheit 300 an eine Klappenbetätigungsvorrichtung 106 die Luftschleuse
6 geöffnet.
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Die Absaugvorrichtung 7 und eine Vakuumpumpe 107 saugen Gas aus der
Luftschleuse 6 ab und geben es über eine Leitung 307 an die Brenner 8 und 308 weiter.
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die Betriebstemperatur der Reaktionskammer 2 wird durch das Thermoelement
38 abgefühlt, das ein entsprechendes Signal 241 an die Steuereinheit 300 abgibt.
Diese regelt die zugeführte Wärme durch Dosieren der Brennstoff- und Luftmenge jedes
Brenners und durch An- und Abschalten einzelner Brenner aus.
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Die Brennstoffmenge wird durch die Ventile 12 und 312 bestimmt, die
durch Signale212 und 222 gesteuert werden. Die Luftzufuhr wird durch die Wahl der
Geschwindigkeit der Gebläse 9 und 309 mittels Signalen 209 und 219 eingestellt.
Das An- und Abschalten der Brenner erfolgt ebenfalls über die Brennstoff- und Luftzufuhr.
Dabei muß zum Anschalten eines Brenners eine Zündvorrichtung betätigt werden, was
bei den Brennern 8 und 308 durch Signale 229 und 329 erfolgt.
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Das Abmessen der Wassermengen von dem Wasserbehälter 24 durch die
Ventile 26 und 28 geschieht durch Signale 226 und 228. Das erzeugte Gas wird über
die Ventile 11, 17 und 13, die durch Signale211, 217 und 213 gesteuert werden, an
den Vorratstank 15 weitergeleitet.
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Obwohl bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel externe Gebläse-Brenner
verwendet werden, können auch andere Heizvorrichtungen eingesetzt werden, wenn die
Einrichtung sich nicht selbst unterhalten muß. So kann die Reaktionskammer 2 beispielsweise
auch elektrisch oder durch Sonnenwärme aufgeheizt werdeii. Wenn die Heizvorrichtung
entsprechend temperaturbeständig ist und keinen freien Sauerstoff abgibt, könnte
sie auch innerhalb der Reaktionskammer 2 angeordnet sein. Beispielsweise kann zu
diesem Zwecke der Rost aus einer hochtemppraturfesten und mit einer Keramikbeschichtung
versehenen Heizspirale ausgebildet sein, so daß er zusätzlich als Heizvorrichtung
dient.
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Die konische Form des unteren Teiles der Reaktionskammer ist bei der
Verwendung von Gasbrennern sehr günstig, es können aber auch andere Formen verwendet
werden. Beispielsweise kann der untere Teil auch als Halbkugel oder als Kubus ausgebildet
sein. Auch der Rost kann erforderlichenfalls anders aufgebaut sein, etwa mit halbkugeliger
oder parabolischer Oberfläche.