DE3543582C2 - Reaktor zur thermischen Behandlung von kohlenstoffhaltigem Material - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Reaktor zur ther­ mischen Behandlung von organischem kohlenstoffhaltigem Ma­ terial nach dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 3.

Ein derartiger Reaktor und ein derartiges Verfahren sind für die Behandlung von organischen kohlenstoffhaltigen Materialien, die eine Restfeuchte enthalten, unter gesteuerten Druck- und erhöhten Temperaturbedingungen geeignet, um eine gewünschte physikalische und/oder chemische Modifikation von derartigen Materialien zur Erzeugung eines Reaktionsproduktes, das als Brennstoff geeignet ist, zu erzielen. Genauer gesagt betrifft die Erfindung einen Reaktor und ein Verfahren, mittels den kohlenstoffhaltige Materialien, die beträchtliche Mengen an Feuchtigkeit in Rohzustand enthalten, erhöhten Temperatur- und Druckbedingungen ausgesetzt werden,wodurch eine beträcht­ liche Herabsetzung des Restfeuchtegehaltes des festen Reaktions­ produktes zusätzlich zu einer gewünschten thermischen chemischen Neustrukturierung des organischen Materiales erreicht wird, um diesem Material verbesserte physikalische Eigenschaften einschließlich eines erhöhten Heizwertes auf einer trockenen, feuchtigkeitsfreien Basis zu verleihen.

Die Knappheit und die zunehmenden Kosten von herkömmlichen Energiequellen, einschließlich Erdöl und Erdgas, haben Forschungen nach alternativen Energiequellen bewirkt, die in ausreichendem Maße zur Verfügung stehen, wie beispielsweise lignitische Kohlenarten, bitumenarme Kohlenarten, Zellulose- Materialien, wie beispielsweise Torf, Zelluloseabfallmate­ rialien, wie beispielsweise Sägemehl, Rinde, Holzschnitzel, Zweige und Späne aus Sägewerken und Holzverarbeitungswerken, verschiedenartige landwirtschaftliche Abfallmaterialien, wie beispielsweise Baumwollpflanzenstengel, Nußschalen, Mais­ kolben o. ä., und städtische Abfallpulpe. Derartige alter­ native Materialien sind jedoch bedauerlicherweise in ihrem in der Natur auftretenden Zustand aus einer Reihe von Gründen zum direkten Einsatz als Hochenergiebrennstoffe nicht geeig­ net. Aufgrund dieser Tatsache ist eine Vielzahl von Verfahren vorgeschlagen worden, um derartige Materialien in eine zur Verwendung als Brennstoff geeignetere Form zu bringen, indem man ihren Heizwert auf einer feuchtigkeitsfreien Basis er­ höht und zur gleichen Zeit ihre Beständigkeit in bezug auf Verwitterung, Transport und Lagerung verbessert.

Typische derartige Vorrichtungen und Verfahren des Standes der Technik sind in der US-PS 4 052 168 beschrieben, gemäß der lignitische Kohlenarten durch eine gesteuerte thermische Behandlung chemisch umstrukturiert werden, wodurch ein auf­ gearbeitetes festes kohlenstoffhaltiges Produkt erzielt wird, das verwitterungsbeständig ist sowie einen erhöhten Heiz­ wert aufweist, der sich dem von bituminöser Kohle annähert. In der US-PS 4 127 391 ist ein Verfahren beschrieben, bei dem feine bituminöse Abfallpartikel, die aus üblichen Kohle­ wasch- und Reinigungsvorgängen herrühren, thermisch be­ handelt werden und feste agglomerierte koksähnliche Produkte erzeugt werden, die für einen direkten Einsatz als feste Brennstoffe geeignet sind. Schließlich ist in der US-PS 4 129 420 ein Verfahren beschrieben, gemäß dem in der Natur vorkommende Zellulosematerialien, wie beispielsweise Torf, sowie Zelluloseabfallmaterialien durch einen ge­ steuerten thermischen Umstrukturierungsprozeß aufgearbeitet werden, und feste kohlenstoffhaltige oder koksähnliche Pro­ dukte zu erzeugen, die als fester Brennstoff oder für Ge­ mische mit anderen herkömmlichen Brennstoffen, wie bei­ spielsweise Heizölschlämmen, geeignet sind. Ein Reaktor und ein Verfahren zur Durchführung einer Aufarbeitung von derartigen kohlenstoffhaltigen Beschichtungsmaterialien der in der erwähnten amerikanischen Patenten beschriebenen Art sind in der US-PS 4 126 519 offenbart, wobei ein flüssiger Schlamm des Beschickungsmaterials in einen ge­ neigten Reaktor eingeführt und zunehmend erhitzt wird, um ein in wesentlichen trockenes festes Reaktionsprodukt mit einem erhöhten Heizwert zu erzeugen. Die Reaktion wird unter gesteuerten erhöhten Drücken und Temperaturen durchgeführt, wobei desweiteren der Verweilzeit Beachtung geschenkt wird, um die gewünschte thermische Behandlung zu erreichen, die die Verdampfung des nahezu gesamten Feuchtigkeitsgehaltes des Beschickungsmateriales sowie von mindestens einem Teil der flüchtigen organischen Bestandteile umfassen kann, während gleichzeitig eine gesteuerte partielle chemische Umstrukturierung oder Pyrolyse durchgeführt wird. Die Reaktion wird in einer nicht oxidierenden Umgebung ausge­ führt, und das feste Reaktionsprodukt wird dann auf eine Temperatur gekühlt, bei der es ohne Verbrennung oder Zer­ setzung in Kontakt mit der Atmosphäre abgegeben werden kann.

Ein Reaktor der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung ist aus der US-PS 2,421,542 bekannt. Der Reaktor nach der US-PS 2,421,542 dient zum Kalzinieren von Karbona­ ten und zur gleichzeitigen Wiedergewinnung von Oxidproduk­ ten und Gasen mit einem hohen Kohlenstoffdioxidgehalt. Ein Reaktor der im Oberbegriff des Anspruchs 3 angegebenen Gat­ tung ist aus der oben erwähnten US-PS 4,126,519 bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Reaktor zur thermischen Behandlung von organischem kohlenstoffhaltigem Material zu schaffen, mit dem die Umwandlung und Erzeugung von festen Hochenergie-Brennstoffen als Ersatz und Alterna­ tive zu herkömmlichen Energiequellen noch wirtschaftlicher gestaltet werden kann und der in seiner Betriebsweise wir­ kungsvoller, vielseitiger, einfacher und leichter steuerbar ist.

Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1 und 3 ge­ kennzeichnete Erfindung gelöst.

Durch die vorliegende Erfindung wird ein Reaktor geschaf­ fen, mit dem sich auf wirtschaftliche Weise und mit hohem Wirkungsgrad kohlenstoffhaltiges Material thermisch behan­ deln läßt. Der Betrieb und die Steuerung des Reaktors zeichnen sich durch Einfachheit und Wirtschaftlichkeit aus.

Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbei­ spielen in Verbindung mit der Zeichnung im einzelnen er­ läutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch ein Ausführungs­ beispiel eines mehrere Herdelemente auf­ weisenden Reaktors;

Fig. 2 einen Horizontalschnitt durch den Reaktor der Fig. 1, und zwar durch einen Reaktor­ abschnitt, bei dem die Anordnung der quer verlaufenden Wärmetauscherrohre erkenn­ bar ist;

Fig. 3 eine Teildraufsicht, teilweise im Schnitt, auf die Abgabeöffnungen eines geneigten ringförmigen Herdelementes, das in der oberen Vorheizzone des in Fig. 1 ge­ zeigten Reaktors angeordnet ist;

Fig. 4 ein schematisches Flußdiagramm des Reaktors und verschiedener Verfahrensabläufe bei der thermischen Behandlung von kohlenstoff­ haltigen Ausgangsmaterialien; und

Fig. 5 eine Teilseitenansicht, teilweise im Schnitt, eines mehrere Herdelemente auf­ weisenden Reaktors, der mit einer vom Reaktor getrennten Vorheiz- und Trocknungs­ stufe versehen ist, gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel.

Wie aus den Fig. 1 bis 3 hervorgeht, umfaßt ein mit mehreren Herdelementen versehener Reaktor gemäß einem Aus­ führungsbeispiel der Erfindung einen Druckbehälter 10, daß einen domförmigen oberen Abschnitt 12, einen kreis­ zylindrischen Mittelabschnitt 14 und einen domförmigen un­ teren Abschnitt 16 aufweist, die mit Hilfe von ringförmi­ gen Flanschen 18 gasdicht aneinander befestigt sind. Der Reaktor wird in einer im wesentlichen aufrecht stehenden Position von einer Reihe von Beinen 20 getragen, die an Anschlägen 22 befestigt sind, welche mit dem unteren Flansch 18 des mittleren Abschnitts des Behälters verbunden sind. Der obere domförmige Abschnitt 12 ist mit einem mit einem Flansch versehenen Einlaß 24 zur Einführung von partikel­ förmigem feuchten kohlenstoffhaltigen Ausgangsmaterial in das Innere des Reaktors versehen. Ein ringförmiges Leit­ element 26 ist benachbart zum Einlaß 24 angeordnet und dient dazu, das eintretende Ausgangsmaterial in Richtung auf den Unfang der Reaktionskammer zu führen. Ein mit ei­ nem Flansch versehener Auslaß 28 ist an der gegenüberlie­ genden Seite des oberen Abschnittes 12 vorgesehen und dient dazu, die unter Druck stehenden Reaktionsgase in einer nachfolgend beschriebenen Weise von der Reaktionskammer ab­ zuziehen. Ein sich nach unten erstreckender ringförmige Vor­ sprung 30 ist am inneren mittleren Abschnitt des oberen Ab­ schnittes 12 ausgebildet. Ein Lager 32 ist in dem Vorsprung angeordnet, um das obere Ende einer drehbaren Welle 34 drehbar zu lagern.

Die Welle 34 erstreckt sich in der Mitte des Innenraums des Reaktors und ist an ihrem unteren Ende mit Hilfe eines La­ gers 38 und einer strömungsmitteldichten Dichtungseinheit 40 in einem ringförmigen Vorsprung 36 gelagert, der im un­ teren Abschnitt 16 ausgebildet ist. Das auswärts vorstehende Ende der Welle 34 weist einen abgestuften Stummelwellenab­ schnitt 42 auf, der in einem Drucklager 44 gelagert ist, das in einem Lagerträger 46 montiert ist.

Eine Vielzahl von radial verlaufenden Kratz- bzw. Rührarmen 48 ist in Vertikalrichtung in Abständen an der Welle 34 be­ festigt und steht von dieser radial vor. Normalerweise können zwei, drei oder vier Kratzarme in der Vorheiz- oder Trocknungs­ zone und bis zu sechs Kratzarmen in der Reaktionszone Ver­ wendung finden. Typischerweise sind vier Kratzarme auf je­ dem entsprechenden Niveau an der drehbaren Welle befestigt, und zwar in Abständen von etwa 90°. Eine Vielzahl von winklig angeordneten Kratzzähnen 50 ist an den unteren Seiten der Kratzarme 48 angeordnet und winklig orientiert, so daß eine radial einwärts- und auswärts gerichtete Überführung des Ausgangsmaterials entlang der Vielzahl der Herdelemente in Abhängigkeit von einer Drehung der Welle durchgeführt wer­ den kann.

Eine Drehung der Welle 34 und der daran befindlichen Kratz­ armeinheiten wird mit Hilfe eines Motors 52 erreicht, der auf einer einstellbaren Basis 54 gelagert ist und ein Kegelrad 56 aufweist, das an seiner Ausgangswelle fixiert ist. Dieses Kegelrad kämmt in konstanter Weise mit einem angetriebenen Kegelrad 58, das am unteren Endabschnitt der Welle fixiert ist. Bei dem Motor 52 handelt es sich vorzugs­ weise um einen solchen mit veränderlicher Drehzahl, so daß die Drehzahl der Welle in gesteuerter Weise verändert werden kann.

Um eine Expansion und Kontraktion der Welle in Längsrichtung und Veränderungen in der Vertikallage der davon vorstehenden Kratzarme in Abhängigkeit von Temperaturänderungen innerhalb des Reaktors zu ermöglichen, sind die Basis 54 und das aus­ wärts vorstehende Ende der Welle 34 auf einstellbaren Hub­ einrichtungen 60 angeordnet, die durch einen strömungsmittel­ betätigten Zylinder 62 unterstützt werden. Hierdurch kann die Höhe der Basis 54 wahlweise verändert werden, um eine geeignete Anordnung der Kratzzähne 50 relativ zu den Ober­ flächen der Herdelemente innerhalb des Reaktors zu ermög­ lichen.

Bei der in Fig. 1 gezeigten speziellen Ausführungsform ist das Innere des Reaktors in eine obere Vorheiz- oder Ent­ wässerungszone und eine untere Reaktionszone unterteilt. Die Vorheizzone umfaßt eine Vielzahl von übereinander an­ geordneten, winklig geneigten ringförmigen Herdelementen 64, die in Richtung auf den Umfang der Reaktionskammer abwärts geneigt sind. Die obere Vorheizzone ist mit einer kreis­ förmigen zylindrischen Auskleidung 66 versehen, die radial einwärts im Abstand von der Wand des mittleren Ab­ schnittes (14) angeordnet und an der die winklig geneigten Herd­ elemente 64 befestigt sind. Das obere Ende der Auskleidung 66 ist mit einen auswärts geneigten Abschnitt 68 versehen, um das Eindringen von kohlenstoffhaltigem Ausgangsmaterial in den Ringraum zwischen der Auskleidung und der Wand 14 des Mittelabschnittes zu verhindern. Wie aus Fig. 1 er­ sichtlich, ist das oberste Herdelement 64 an seinem Umfang mit der Auskleidung 66 verbunden und erstreckt sich aufwärts und einwärts in Richtung auf die drehbare Welle 34. Das Herdelement 64 endet in einem abwärts gerichteten kreis­ förmigen Leitring 70, der einen Ringkanal begrenzt, durch den das Ausgangsmaterial kaskadenförmig nach unten auf den inneren Abschnitt des darunter befindlichen ring­ förmigen Herdelementes fällt. Das unter dem obersten Herd­ element 64 angeordnete abwärts geneigte ringförmige Herd­ element 64 ist mit Hilfe von Armen 71 in Winkelabständen an der Auskleidung 66 befestigt und wird von dieser getragen. Wie man am besten aus Fig. 3 ersehen kann, ist das zweite ringförmige Herdelement 64 mit einer Vielzahl von Öffnungen 73 um seinen Umfang herum versehen, über die das Ausgangs­ material kaskadenförmig auf das nächste darunter befindliche Herdelement abgegeben wird. Bei dieser Ausbildung wird ein feuchtes kohlenstoffhaltiges Ausgangsmaterial, das durch den Einlaß 24 eingegeben wird, über das Leitelement 26 zum Außenumfang des obersten Herdelementes 64 abgeleitet und danach durch die Kratzzähne 50 aufwärts und einwärts in eine Lage über dem Leitring 70 gefördert, wo das Material nach unten auf das darunter befindliche Herdelement fällt. Die auf dem zweiten Herdelement befind­ lichen Kratzzähne 50 fördern das Ausgangsmaterial entlang der Oberfläche des Herdelementes abwärts und auswärts, bis es schließlich durch die um den Umfang des Elementes herum angeordneten Öffnungen 73 abgegeben wird. Das Ausgangsmaterial setzt seine Abwärtsbewegung in einer abwechselnd einwärts und auswärts gerichteten kaskadenförmigen Weise fort, wie durch die Pfeile in Fig. 1 angedeutet, und wird schließlich in die untere Reaktionszone abgegeben.

Während seiner kaskadenförmigen Abwärtsbewegung kontaktiert das Ausgangsmaterial die im Gegenstrom geführten erhitzten Reaktionsgase, die eine Vorerhitzung des Ausgangsmaterials auf eine Temperatur zwischen etwa 94 und etwa 260°C bewirken. Um einen engen Kontakt des Ausgangsmaterials mit den aufwärts strömenden Reaktionsgasen zu erreichen, sind ringförmige Leit­ elemente 72 unmittelbar über den Kratzarmen 48 von mindestens einigen der winklig geneigten Herdelemente 64 angeordnet, so daß die Strömung von diesen heißen Reaktionsgasen auf ei­ nen Bereich unmittelbar benachbart zur Oberfläche der ring­ förmigen Herdelemente begrenzt wird und hier ein Wärmeaus­ tausch mit dem auf den Herdelementen befindlichen Ausgangs­ material stattfinden kann. Eine Vorerhitzung des Ausgangs­ materials wird teilweise durch Kondensation von kondensier­ baren Teilen des Reaktionsgases erreicht, wie beispielsweise von Dampf auf den Oberflächen des kalten eintretenden Aus­ gangsmaterials, sowie durch einen direkten Wärmeaustausch.

Die kondensierten Flüssigkeiten sowie das freigesetzte chemisch gebundene Wasser in dem eintretenden Ausgangs­ material werden abwärts und auswärts entlang den ringförmig geneigten Herdelementen entwässert und an Umfang von diesen Herdelementen, die an ihren äußersten Enden mit der kreis­ förmigen Auskleidung verbunden sind, über eine ringförmige Rinne 74 abgezogen, die mit einem Sieb 76, beispielsweise einem Johnson-Sieb über ihrem Einlaßende versehen ist, welches mit Hilfe einer Reinigungseinrichtung 77 in Form eines Kratzers oder einer Drahtbürste am äußersten Kratzzahn des benachbarten Kratzarmes kontinuierlich abgewischt werden kann. Die ringförmigen Rinnen 74 stehen in Verbindung mit Fallrohren 78, die inner­ halb des Ringraumes zwischen der Auskleidung 66 und der Wand 14 des Mittelabschnittes angeordnet sind. Die Flüssigkeit wird aus dem Reaktionsbehälter über einen Kondensatauslaß 80 abgezogen, wie in Fig. 1 gezeigt.

Die gekühlten Reaktionsgase, die aufwärts durch die Vorheiz­ zone strömen, werden schließlich durch den mit dem Flansch versehenen Auslaß 28 vom oberen Abschnitt 12 des Druckbe­ hälters abgezogen.

Das vorerhitzte und teilweise entwässerte Ausgangsmaterial gelangt vom untersten Herdelement in der Vorheizzone zum obersten ringförmigen Herdelement 82 in der Reaktionszone unter einem kontinuierlich gesteuerten erhöhten Druck und wird weiter erhitzt auf Temperaturen, die von etwa 200 bis etwa 650°C oder höher reichen. Die ringförmigen Herdele­ mente 82 in der Reaktionszone sind in einer im wesentlichen horizontalen Lage angeordnet, wobei der Umfang der über­ nächsten Herdelementen einer im wesentlichen abgedichteten Weise gegen eine kreiszylindrische feuerfeste Auskleidung 84 an der Innenwand 14 des mittleren Abschnittes stößt. Die Kratzzähne 50 an den Kratzarmen 48 in der Reaktionszone bewirken in entsprechender Weise eine abwechselnd radial einwärts und radial auswärts gerichtete Bewegung des Aus­ gangsmaterials durch die Reaktionszone in einer kaskadenför­ migen Weise, wie dies durch die Pfeile in Fig. 1 angedeutet ist. Das im wesentlichen feuchtigkeitsfreie und thermisch aufgearbeitete feste Reaktionsprodukt wird am Mittelpunkt des untersten Herdelementes 82 in einen konischen Kanal 86 abgegeben und vom Druckbehälter über einen mit einem Flansch versehenen Auslaß 88 abgeführt.

Um die Wärmeverluste des Druckbehälters weiter zu reduzieren, sind der zylindrische Abschnitt sowie der untere Abschnitt 16 mit einer äußeren Isolationsschicht 90 irgendeiner bekannten Ausführungsform versehen. Der mittlere Abschnitt ist vorzugs­ weise desweiteren mit einer äußeren Umhüllung 92 ausgestattet, um die darunter befindliche Isolation zu schützen.

Die Erhitzung des Ausgangsmateriales innerhalb der Reaktions­ zone kann durch darin angeordnete elektrische Heizelemente, durch eine den Umfang der Wand 14 des mittleren Abschnittes umgebende Umhüllung, durch die ein Wärmeaustauschströmungs­ mittel umgewälzt wird, oder alternativ dazu gemäß der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform durchgeführt werden, bei der eine sich in Umfangsrichtung erstreckende rohrförmige Wärmeaustauschanordnung, die ein schraubenförmiges Rohrbündel 94 aufweist, das benachbart zu der Innenfläche der feuer­ festen Auskleidung 84 angeordnet ist, sowie ein sich in Quer­ richtung erstreckender Wärmetauscher vorgesehen ist, der eine Vielzahl von U-förmig gebogenen Rohren 96 umfaßt, welche hori­ zontal über den Druckbehälter bis zu einer Stelle unmittelbar unter den ringförmigen Herdelementen 82 vorstehen. Das Rohr­ bündel 94 des sich in Umfangsrichtung erstreckenden Wärme­ tauschers steht über einen mit einem Flansch versehenen Ein­ laß 98 und einen mit einem Flansch versehenen Auslaß 100 mit einer äußeren Quelle eines Wärmeübertragungs­ mittels, beispielsweise komprimierten Kohlendioxid o. ä. in Verbindung. Die Rohre 96 des in Querrichtung verlaufenden Wärmetauschers sind, wie am besten den Fig. 1 und 2 zu entnehmen ist, an einen Einlaßverteiler 102 und einen Auslaßverteiler 104 angeschlossen, die wiederum mit einem mit einem Flansch versehenen Einlaß 106 und einen mit einem Flansch versehenen Auslaß 108, welche sich durch die Wand des Druckbehälters erstrecken, verbunden sind. Die sich in Umfangsrichtung und in Querrichtung erstreckenden Wärmetauschersysteme können an die gleiche Quelle eines Strömungs­ mittels angeschlossen sein oder gemäß einer bevorzugten Ausführungsform, die in Fig. 4 schematisch dargestellt ist, an separate Heizquellen, die eine unabhängige Steuerung eines jeden Systems zur Erzielung der gewünschten Erhitzung und thermischen Umstrukturierung des Ausgangsmaterials in der Reaktionszone ermöglichen.

Wie man dem Flußdiagramm der Fig. 4 entnehmen kann, wird im Betrieb des Reaktors ein geeignetes feuchtes kohlenstoff­ haltiges Ausgangsmaterial aus einem Lagerbunker 110 über einen geeigneten Druckverschluß 111 unter Druck in den Ein­ laß 24 des Druckbehälters 10 geführt. Das feuchte Ausgangs­ material wird durch die obere Vorheizzone 112 in der vor­ stehend beschriebenen Weise und in Wärmeaustauschkontakt mit den sich nach oben bewegenden Reaktionsgasen abwärts geführt, um eine Vorerhitzung des Ausgangsmaterials inner­ halb eines Temperaturbereiches von etwa 94 - etwa 260°C in der vorstehend in Verbindung mit Fig. 1 beschriebenen Weise zu erreichen. Danach dringt das vorerhitzte und teilweise entwässerte Ausgangsmaterial nach unten in die untere Reaktionszone 114 des Reaktors ein, in der es auf eine er­ höhte Temperatur von etwa 200 bis etwa 650°C erhitzt wird, um eine gesteuerte thermische Umstrukturierung oder Teil­ pyrolyse desselben zu erreichen, die von einer Verdampfung nahezu des gesamten Feuchtigkeitsgehaltes sowie der or­ ganischen flüchtigen Bestandteile und der Pyrolysereaktions­ produkte begleitet wird. Der Druck innerhalb des Reaktors wird in einem Bereich von etwa 21 bis etwa 207 bar oder höher gesteuert, je nach der verwendeten Art des Ausgangs­ materials und der gewünschten thermischen Umstrukturierung desselben, um das gewünschte feste Reaktionsprodukt zu erzeugen. Die Anzahl der ringförmigen Herdelemente in der Vorheizzone und in der Reaktionszone des Reaktors wird in Abhängigkeit von der gewünschten Behandlungsdauer ge­ steuert, um eine Verweilzeit des Materials in der Reaktions­ zone vorzusehen, die von etwa 1 min bis 1 h oder länger dauert. Das entstandene thermisch aufgearbeitete feste Reaktionsprodukt wird über den Auslaß 88 im unteren Ab­ schnitt des Reaktors abgeführt und in einem Kühler 116 weiter bis auf eine Temperatur abgekühlt, auf der das feste Reaktionsprodukt ohne Verbrennung oder andere nachteilige Auswirkungen in Kontakt mit der Atmosphäre abgegeben werden kann. Üblicherweise ist eine Abkühlung des festen Reaktionsproduktes auf eine Temperatur unter etwa 260°C, üblicherweise unter etwa 150°C, angemessen. Die Abgabe­ leitung vom Auslaß 38 ist ebenfalls mit einem Druckver­ schluß 118 versehen, den das Reaktionsprodukt passiert, um einen Druckverlust des Reaktors zu verhindern.

Die abgekühlten Reaktionsgase werden vom oberen Ende des Reaktors durch den mit dem Flansch versehenen Auslaß 28 abgezogen und strömen über ein Druckreduzierventil 120 zu einem Kondensator 122. Im Kondensator 122 werden die organischen und kondensierbaren Teile des Reaktionsgases kondensiert und als als Nebenprodukt anfallendes Kondensat abgezogen. Der nicht kondensierbare Teil des Gases wird abgezogen und kann wiedergewonnen und zur Ergänzung der Beheizung des Reaktors verwendet werden. In entsprechender Weise wird der von Reaktor in der Vorheizzone abgezogene flüssige Teil durch ein geeignetes Druckreduzierventil 124 entfernt und als Abwasser abgezogen. Dieses Wasser enthält häufig wertvolle gelöste organische Bestandteile und kann weiterbehandelt werden, um eine Extraktion dieser Bestandteile zu erreichen. Das die gelösten organischen Bestandteile enthaltende Wasser kann auch direkt zur Erzeugung eines wäßrigen Schlammes verwendet werden, der Teile des verkleinerten festen Reaktionsproduktes ent­ hält, um einen Transport desselben zu einem vom Reaktor entfernten Punkt zu ermöglichen.

Im Flußdiagramm der Fig. 4 sind ferner schematisch Hilfs­ heizsysteme zur Wiederumwälzung des Wärmeübertragungs­ mediums durch die sich in Umfangsrichtung und in Quer­ richtung erstreckenden Wärmetauscherabschnitte der Reaktions­ zone 114 dargestellt. Das sich in Umfangsrichtung erstreckende Wärmeaustauschsystem umfaßt eine Pumpe 126 zur Umwälzung des Wärmeübertragungsmittels durch einen Wärmetauscher oder ei­ nen Ofen 128, um eine Wiedererhitzung desselben und eine Abgabe in das Rohrbündel in der Reaktionszone zu ermöglichen.

In entsprechender Weise ist das sich in Querrichtung er­ streckende Wärmeaustauschsystem mit einer Umwälzpumpe 130 und einem Ofen 132 zur Umwälzung und Wiedererhitzung des Wärmeübertragungsmittels und zur Abgabe in die U-förmigen Rohre in der Reaktionszone 114 versehen.

Der vorstehend beschriebene Reaktor und das entsprechend Ver­ fahren sind besonders geeignet zur Behandlung von kohlen­ stoffhaltigen Materialien oder Gemischen aus derartigen Materialien der vorstehend beschriebenen Art, die insbe­ sondere dadurch gekennzeichnet sind, daß sie in ihrem "Rohzustand" einen hohen Feuchtigkeitsgehalt aufweisen. Der hier verwendete Begriff "kohlenstoffhaltig" soll Materialien bezeichnen, die einen hohen Gehalt an Kohlen­ stoff aufweisen und in der Natur vorkommende Lagerstätten sowie Abfallmaterialien umfassen, die aus der Landwirt­ schaft und der Forstwirtschaft resultieren. Derartige Ma­ terialien umfassen üblicherweise Kohlearten mit geringem Bitumengehalt, lignitische Kohlearten, Torf, Zellulose­ abfallmaterialien, wie beispielsweise Sägemehl, Rinde, Holzschnitzel, Zweige und Späne aus Sägewerken und Holz­ bearbeitungsfabriken, landwirtschaftliche Abfallmaterialien, wie beispielsweise Baumwollpflanzenstengel, Nußschalen, Maiskolben, Reisschalen o. ä., und feste städtische Abfall­ pulpe, aus der die metallischen Verunreinigungen ent­ fernt worden sind und die weniger als etwa 50 Gew.-% Feuchtigkeit, typischerweise etwa 25 Gew.-% Feuchtigkeit, ent­ hält. Der vorstehend beschriebene Reaktor und das ent­ sprechende Verfahren sind besonders geeignet zur Behandlung und Aufarbeitung von derartigen Zellulosematerialien unter Bedingungen und Verfahrensparametern, wie sie in den US-PS 4 052 168, 4 126 519, 4 129 420, 4 127 391 und 4 477 257 beschrieben sind.

Es wird nunmehr ein typisches Beispiel in bezug auf die Be­ triebsweise des in Fig. 1 dargestellten Reaktors zur Auf­ arbeitung von geringbitumenhaltiger Kohle beschrieben, die etwa 30 Gew.-% Feuchtigkeit im Ausgangszustand enthält. Die unbehandelte Kohle wurde, wie in Fig. 4 gezeigt, vom Bunker 110 durch den Druckverschluß 111 mit einer Temperatur von etwa 15°C und unter atmosphärischem Druck in den Reaktor eingeführt, der auf einem Druck von etwa 57 bar gehalten wurde. Die Kohle wurde in der Vorheizzone 112 des Reaktors während ihrer Abwärtsbewegung von ihren 15°C erhitzt und dann in die Reaktionszone 114 mit einer Temperatur von etwa 260°C ein. Das aus der Vorheizzone abgezogene Wasser wurde mit einer Temperatur von etwa 160°C und einem Druck von etwa 57 bar entfernt. Vom oberen Abschnitt der Vorheizzone wurde Gas entfernt, das die gleiche Temperatur und den gleichen Druck aufwies. Das Reaktionsgas von der Reaktions­ zone drang in den unteren Abschnitt der Vorheizzone mit einer Temperatur von etwa 260°C und einem Druck von 57 bar ein. Das entstandene feste Reaktionsprodukt wurde vom Boden der Reaktionszone mit einer Temperatur von etwa 380°C und einem Druck von 57 bar abgezogen, wonach es auf eine Tem­ peratur von etwa 94°C abgekühlt und auf atmosphärischem Druck abgegeben wurde.

Ein typischer Durchsatz des Ausgangsmaterials betrug 23,32 t pro Stunde, wobei dieses Ausgangsmaterial 7,22 t pro Stunde Wasser enthielt. Das gewonnene Wasser betrug 9,21 t pro Stunde, während das gewonnene Gas 2,51 t pro Stunde zusätz­ lich zu 0,15 t pro Stunde Dampf betrug. Der Durchsatz des vom Reaktor abgegebenen festen Reaktionsproduktes betrug 11,49 t pro Stunde, während das nach Extraktion der konden­ sierbaren Teile verbleibende Gas 2,51 t pro Stunde zusätz­ lich zu 0,15 t pro Stunde Wasser betrug.

Bei einem Verfahren der vorstehend beschriebenen Art besaß die zugeführte feuchte Kohle einen Heizwert von 78.606 kJ/h, während das auf 94°C abgekühlte feste Reaktionsprodukt einen Heizwert von 1.348.867 kJ/h aufwies. Das gewonnene Gas besaß einen Heiz­ wert von 1130825 kJ/h, während das heiße abgezogene Wasser einen Heizwert von 628071 kJ/h aufwies.

Der vorstehend beschriebene Verfahrensablauf sowie die ent­ sprechenden Bedingungen sind typisch für die Behandlung von bitumenarmen Kohlearten. Es versteht sich, daß die speziellen Temperaturen in den verschiedenen Zonen des Reaktors, die angewendeten Drücke und die Verweildauer des Ausgangsmateriales innerhalb der verschiedenen Zonen verändert werden können, um die erforderliche thermische Aufarbeitung und/oder chemische Umstrukturierung des Zellulose-Ausgangsmaterials in Abhängigkeit von seinem anfänglichen Feuchtigkeitsgehalt, dem allgemeinen chemischen Aufbau und dem Kohlenstoffge­ halt desselben sowie den gewünschten Eigenschaften des gewonnenen festen Reaktionsproduktes zu erzielen. Die Vor­ heizzone des Reaktors kann daher so gesteuert werden, daß eine Vorerhitzung des mit Raumtemperatur eintretenden Aus­ gangsmaterials auf eine erhöhte Temperatur erreicht wird, die allgemein zwischen etwa 94°C und etwa 260°C liegt, wonach das Material bei Eintreten in die Reaktionszone auf eine Temperatur von etwa 650°C oder mehr erhitzt wird. Der Druck innerhalb des Reaktors kann ebenfalls in einem Bereich von etwa 21 bis etwa 207 bar variiert werden, wo­ bei Drücke von etwa 41 bis etwa 103 bar typisch sind.

Es wird nunmehr ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Reaktors anhand der Fig. 5 beschrieben. Bei diesem Reaktor wird die Vorheizzone durch eine geneigte Vorheizkammer 134 gebildet, deren oberes Auslaßende über einen Flansch 136 mit einem mit einem Flansch versehenen Einlaß 138 eines mehrere Herdelemente aufweisenden Reaktionsteil 140 ver­ bunden ist, der die Reaktionszone umgrenzt. Die Kammer 134 ist an ihrem unteren Endabschnitt mit einem Einlaß 142 versehen, durch den das feuchte kohlenstoffhaltige Ausgangsmaterial eintritt. Dieses Material wird über einen Schneckenförderer oder einen Bunkerverschluß 144 unter Druck in das untere Ende der Kammer geführt. Das Ausgangsmaterial wird unter Druck mit Hilfe eines Schneckenförderers 146, der sich über die Länge der Kammer erstreckt, in der Kammer 134 aufwärts gefördert. Das obere Ende des Schneckenförderers wird durch eine End­ kappe 148 gelagert, die über Bolzen am oberen Ende der Kammer befestigt ist, während das untere Ende des Förderers mit Hilfe einer Dichtung und Lagereinheit 150 gelagert wird, welche an einem Flansch montiert ist, der über Bolzen am unteren Ende der Kammer befestigt ist. Die vorstehend Endwelle des Schneckenförderers 146 ist mit Hilfe einer Kupplung 152 an einen Elektromotor 154 mit veränderlicher Drehzahl angeschlossen.

Das obere Ende der Kammer 134 weist einen mit einem Flansch versehenen Auslaß 156 auf, der mit einem geeigneten Druck­ entlastungsventil, beispielsweise einer Bruchscheibe, ver­ sehen ist, um den Druck des Reaktorsystems bei Erreichen eines vorgegebenen Druckniveaus abzubauen. Der untere Ab­ schnitt der gleichen Kammer ist mit einem zweiten mit einem Flansch versehenen Auslaß 158 versehen, der über ein geeig­ netes Sieb, beispielsweise ein Johnson-Sieb, mit der Wand der Kammer 134 verbunden ist. Durch diesen Auslaß werden die nicht kondensierbaren Gase vom System abgeführt. Der Auslaß 158 ist in einer in Fig. 4 dargestellten Weise über ein Ventil 120 an ein Behandlungs- und Wiedergewinnungssystem für ein als Endprodukt anfallendes Gas angeschlossen.

Eine Vorerhitzung und teilweise Entwässerung des kohlenstoff­ haltigen Materials, das aufwärts durch die geneigte Kammer 134 gefördert wird, wird in Abhängigkeit von den im Gegen­ strom geführten Reaktionsgasen, die aus dem Reaktor 140 über den Einlaß 138 abgeführt werden, durchgeführt. Wie bei der in Fig. 1 beschriebenen Ausführungsform wird eine Vorer­ hitzung des Ausgangsmaterials zum Teil durch Kondensation der kondensierbaren Teile des Reaktionsgases, wie beispiels­ weise Dampf auf den Oberflächen des kalten eintretenden Materiales, sowie teilweise durch einen direkten Wärmeaus­ tausch erreicht. Die Vorerhitzung des Ausgangsmaterials erfolgt in einem Temperaturbereich von etwa 94 bis etwa 260°C. Die kondensierten Flüssigkeiten und das chemisch gebundene Wasser, das während der Vorerhitzung und Kompaktion des kohlenstoffhaltigen Materials in der Kammer 134 freigesetzt wird, werden nach unten entwässert und aus dem unteren Abschnitt der Kammer durch eine Öffnung 160 ab­ gezogen, und zwar in der Art und Weise, wie sie in Verbindung mit Fig. 4 beschrieben worden ist. Die Öffnung 160 ist mit einem geeigneten Ventil 124 zur Abwasserbehandlung und Wieder­ gewinnung versehen. Die Wand der Kammer 134 benachbart zur Öffnung 160 ist mit einem geeigneten Sieb, beispielsweise einem Johnson-Sieb, versehen, um das Entweichen von festen Teilen des Ausgangsmateriales minimal zu halten.

Das in Fig. 5 dargestellte Reaktionsteil 140 besitzt einen ent­ sprechenden Aufbau wie der in Fig. 1 gezeigte Reaktor, mit der Ausnahme, daß das Innere des Reaktors eine Reaktionszone bildet und nicht die winklig geneigten Herdelemente 64 ent­ hält, die in Fig. 1 im oberen Vorheizabschnitt des Reaktors dargestellt sind. Das Reaktorteil 140 besitzt eine entsprechende Konstruktion und umfaßt einen domförmigen oberen Abschnitt 162, der mit einem kreiszylindrischen Mittelabschnitt 164 in gasdichter Weise über Ringflansche 166 verbunden ist. Ein ringförmiger Vorsprung 168 ist am inneren Mittelabschnitt des domförmigen Abschnitts 162 ausgebildet und nimmt ein Lager 170 auf, in den das obere Ende einer drehbaren Welle 172 ge­ lagert ist, die eine Vielzahl von Kratz- bzw. Rührarmen 174 wie bei der vorstehend in Verbindung mit Fig. 1 beschrie­ benen Ausführungsform trägt. Jeder Kratzarm ist mit einer Vielzahl von winklig angeordneten Kratzzähnen 176 versehen, die das Ausgangsmaterial radial einwärts und auswärts über eine Vielzahl von mit vertikalem Abstand angeordneten Herd­ elementen 178 fördern.

Das vorerhitzte und teilweise entwässerte Ausgangsmaterial, das vom oberen Ende der geneigten Kammer 134 abgegeben wird, dringt durch den mit einem Flansch versehenen Einlaß 138, der mit einer Rinne 180 zur Verteilung des Materials über das oberste Herdelement 178 versehen ist, in den Reaktor ein. In Abhängigkeit von einer Drehung der Kratzarme bewegt sich das Material in der vorstehend beschriebenen und in Fig. 5 mit Pfeilen angedeuteten Weise abwechselnd kaska­ denförmig nach unten. Da der untere Abschnitt des Reaktorteils 140 im wesentlichen dem in Fig. 1 gezeigten Reaktor ent­ spricht, ist keine spezielle Darstellung vorgesehen. Die Antriebs- und Lageranordnung der Fig. 1 kann in zufrieden­ stellender Weise für das Reaktorteil 140 eingesetzt werden.

Wie bei dem Reaktor der Fig. 1 ist auch das Reaktorteil 140 der Fig. 5 mit einer zylindrischen Auskleidung 182 ver­ sehen, die die Innenwand der Reaktionszone bildet. Zwischen der Auskleidung 182 und dem Mittelabschnitt 164 befindet sich eine äußere Isolationsschicht 184. In entsprechender Weise kann die Außenfläche der Wand und des domförmigen oberen Abschnittes mit einer Isolationsschicht 186 versehen sein, um Wärmeverluste minimal zu halten.

Bei der in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform wird das Ausgangsmaterial auf der Oberfläche eines jeden Herdelementes 178 durch eine elektrische Heizvorrichtung erhitzt, die schematisch bei 188 dargestellt ist. Diese Heizvorrichtung wird durch eine ringförmige leitende Abschirmung 190, die an der Unterseite des Herdelementes befestigt ist, nahezu vollständig umschlossen. Die Abschirmung 190 verhindert die Ablagerung von Teer und anderen thermischen Zersetzungspro­ dukten auf den Heizelementen, die sonst den Wirkungsgrad der Wärmeübertragung herabsetzen würden. Derartige Abschirmungen 190 können in gleicher Weise bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform zum Umhüllen der Rohre 94 und 96 Verwendung finden, um in entsprechender Weise eine Abscheidung von Kohlenstoff und anderen Fremdmaterialien zu verhindern.

Bei der Ausführungsform der Fig. 5 werden mindestens die unteren Flächen der ringförmigen Abschirmungen 190 mit Hilfe von geeigneten Kratzelementen, vorzugsweise Drahtbürsten, gereinigt, welche bei 192 dargestellt und am oberen Rand der Kratzarme 174 befestigt sind sowie sich radial zu die­ sem oberen Rand erstrecken. Eine Drehung der Welle 172 und der daran befestigten Kratzarme bewirkt daher eine konti­ nuierliche Reinigung der Unterseite der Abschirmungen, so daß eine Wärmeübertragung mit hohem Wirkungsgrad von den darin angeordneten Heizelementen sichergestellt wird.

Nach einer langen Betriebsdauer kann eine unerwünschte An­ sammlung von Teer und anderen Materialien auf den Innen­ flächen der in den Fig. 1 und 5 dargestellten Reakto­ ren auftreten. In einem solchen Fall kann das Innere des Reaktors gereinigt werden, indem die weitere Einführung von Ausgangsmaterialien gestoppt wird. Nachdem der letzte Teil des Materiales den Auslaß verlassen hat, kann Luft in das Innere des Reaktors eingeführt werden, um eine Oxidation und Entfernung der angesammelten kohlenstoff­ haltigen Ablagerungen zu bewirken.

Bei der in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform ist der Reaktor 140 vorzugsweise mit einem einen Flansch aufweisenden Auslaß 194 im domförmigen oberen Abschnitt desselben ver­ sehen, der an eine geeignete Bruchscheibe oder ein Druck­ entlastungssystem angeschlossen sein kann, und zwar in ent­ sprechender Weise wie der Auslaß 156 der Kammer 134.

Die Betriebsbedingungen des in Fig. 5 dargestellten Reaktors entsprechen im wesentlichen denen des Reaktors der Fig. 1, wobei ein aufgearbeitetes, chemisch umstrukturiertes, teil­ weise pyrolysiertes Produkt erzeugt wird.

Claims (8)

1. Reaktor zur thermischen Behandlung von Material mit einem Behälter (10), der eine Kammer umgrenzt, mehreren in der Kammer übereinander angeordneten ringförmigen Herd­ elementen in Form einer Reihe von oberen Herdelementen (64), die in Richtung auf den Umfang der Kammer abwärts geneigt sind, und einer Reihe von unteren Herdelementen (82), die im Abstand darunter angeordnet sind, einem Einlaß (24) im oberen Abschnitt (12) des Behälters (10) zur Einführung des Ausgangsmaterials auf das oberste Herdelement (64), Kratz­ armen (48), die über jedem Herdelement angeordnet sind und das Ausgangsmaterial radial entlang jedem Herd­ element abwechselnd einwärts und auswärts fördern, um eine kaskadenförmige Abwärtsbewegung des Ausgangsmaterials von einem Herdelement zum darunter befindlichen nächsten zu erzeugen, einem Auslaß (28) im oberen Abschnitt des Behälters zum Abzug von Reaktionsgasen aus der Kammer, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktor zur Behandlung von organischem kohlenstoffhaltigem Material ausgebildet ist, daß der Behälter ein Druckbehälter (10) ist, in dem das feuchte Ausgangsmaterial, die Reaktionsgase und das Reak­ tionsprodukt beim Zu- und Abführen unter Druck stehen, daß die oberen Herdelemente (64) und Kratzarme (48) von Leitelementen (72) überlagert sind, die den aufwärts gerichteten Gegenstrom der Reaktionsgase in Kontakt mit dem Ausgangsmaterial halten, und daß mit den oberen Herdelementen (64) eine Flüssigkeitsablaßeinrichtung (74, 76) in Verbindung steht, um bei der Behandlung entstehende flüssige Bestandteile unter Druck abzuziehen.

2. Reaktor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Reinigungseinrichtung (77), die zum Reinigen der Flüssigkeitsablaßeinrichtung (74, 76) den Kratz­ armen (48) zugeordnet ist.

3. Reaktor zur thermischen Behandlung von organischem kohlenstoffhaltigem Material unter Druck, mit einer Vorheizkammer (134) mit einem Einlaß (142) an einem Ende zur Aufnahme des Ausgangsmaterials unter Druck und einem Auslaß am anderen Ende zur Abgabe des vorerhitzten Ausgangsmaterials, einer Fördereinrichtung (146) zum Fördern des Ausgangsmaterials durch die Vorheizkammer (134) vom Einlaß (142) zum Auslaß, einem Auslaß (156) im oberen Abschnitt der Vorheizkammer zum Abziehen von Reaktionsgasen unter Druck aus der Vorheizkammer an einer Stelle, die im Abstand zu dem Auslaß angeordnet ist, einem Reaktorteil (140) mit einem Druckbehälter, einem Einlaß (138) im oberen Abschnitt (162) des Druckbehälters, der in Ver­ bindung mit dem Auslaß der Vorheizkammer zur Einführung des vorerhitzten Ausgangsmaterials unter Druck steht, einer Heizvorrichtung (188) im Druckbehälter zum fortschreitenden Erhitzen des Ausgangsmaterials auf eine erhöhte Temperatur über eine Zeitdauer, die zum Verdampfen mindestens eines Teils der darin befindlichen flüchtigen Substanzen zur Erzeugung von Reaktionsgasen und einem Reaktionsprodukt ausreicht, und einer Abgabeeinrichtung im unteren Abschnitt des Druckbehälters zur Abgabe des Reaktionsproduktes unter Druck aus dem Druckbehälter, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorheizkammer (134) eine Flüssigkeitsablaßeinrichtung (160) enthält, durch die bei der Behandlung entstehende flüssige Bestandteile unter Druck abgezogen werden, daß der Druckbe­ hälter des Reaktorteils (140) in an sich bekannter Weise mehrere ringförmige, überein­ ander angeordnete Herdelemente (178) aufweist und über jedem Herdelement Kratzarme (174) angeordnet sind, die das Material radial entlang eines jeden Herdelementes abwech­ selnd einwärts und auswärts fördern, um eine kaskadenartige Abwärtsbewegung des Materials von einem Herdelement zum nächsten darunter befindlichen Herdelement zu erzeugen, wobei die Einlaßeinrichtung (138) das vorerhitzte Ausgangs­ material an das oberste Herdelement abgibt und die Heiz­ vorrichtung (188) das auf den Herdelementen (178) liegende Material erhitzt, und daß eine Einrichtung vorgesehen ist, die die Reaktionsgase im Gegenstrom zu dem Material nach oben durch den Druckbehälter und durch die Vorheizkammer zur Auslaßeinrichtung lenkt.

4. Reaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die Fördereinrichtung (146) in der Vorheizkammer (134) ein Schneckenförderer ist.

5. Reaktor nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtungen (94) in Umfangsrichtung um das innere der Kammer herum angeordnet sind.

6. Reaktor nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Heizeinrichtungen (96) in Abständen in Querrichtung innerhalb der Kammer und benachbart zur Unterseite eines jeden unteren Herdelementes (82) erstrecken.

7. Reaktor nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtungen (94, 96, 188) innerhalb einer leitenden Abschirmung (190) angeordnet sind und desweiteren Kratzelemente (192) an den Kratzarmen (48; 174) zum Entfernen von Ablagerungen von mindestens einem Teil der Außenflächen der Abschirmung (190) aufweisen.

8. Reaktor nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er Einrichtungen (60, 62) zur verstellbaren Lagerung der Kratzarme (48; 174) für eine Vertikal­ bewegung relativ zu den Oberflächen der oberen und unteren Herdelemente (64, 82; 178) aufweist.