DE4317412A1 - Anlage zur thermischen Behandlung von kohlenstoffhaltigem Material - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anlage zum thermischen Behandeln von kohlenstoffhaltigem Material in einem mit Wärmeenergie beaufschlagbaren Reaktor.

Es ist bekannt, kohlenstoffhaltiges Material in mit Wärmeenergie beaufschlagbaren Reaktoren zu be­ handeln und im Ergebnis dessen Holzkohle oder Aktivkohle herzustellen. Zur Herstellung von Holz­ kohle oder Aktivkohle sind bereits Reaktoren bekannt, die diskontinuierlich mit kohlenstoff­ haltigen Ausgangsstoffen beschickt werden, die nach Erreichen eines bestimmten Füllungsgrades der thermischen Behandlung unterworfen werden. Dabei wird einem beispielsweise als Drehrohrofen ausge­ bildeten Reaktor Wärmeenergie und die für die Behandlung notwendigen Prozeßgase über geeignete Einlaßöffnungen zugeführt. Sowohl die Wärmeenergie als auch die Prozeßgase durchströmen dabei das kohlenstoffhaltige Material innerhalb des Dreh­ rohrofens in der Regel im Gegenstrom, so daß über­ schüssige Wärmeenergie und die Prozeßabgase an der Einlaßseite des Drehrohrofens herausgeführt werden müssen. Diese bekannten Drehrohröfen besitzen den Nachteil, daß sie auf Grund ihres sehr großen Gewichts, in der Regel handelt es sich um ausge­ mauerte große Rohre, einen sehr hohen Eigen­ energiebedarf haben. Weiterhin ist eine Instal­ lation der Drehrohröfen sehr aufwendig und ein Aufbau möglichst nahe an dem Anfallort der kohlen­ stoffhaltigen Materialien selten möglich.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Anlage der gattungsgemäßen Art zu schaffen, mit der in einfacher Weise eine kontinuierliche thermische Behandlung von kohlenstoffhaltigem Ma­ terial zur vorzugsweisen Herstellung von Holzkohle und/oder Aktivkohle möglich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst. Es wurde ge­ funden, daß wenn der Reaktor horizontal angeordnet ist und ein eine Eintragseinrichtung und eine Aus­ tragseinrichtung besitzendes indirekt mit Wärme­ energie beaufschlagbares Reaktionsrohr aufweist, in einfacher Weise eine kontinuierliche thermische Behandlung von kohlenstoffhaltigen Materialien durchgeführt werden kann, wobei es sich bei dem kohlenstoffhaltigen Material auch um kleinstückige, organische Reststoffe handeln kann. Somit kann in einer kleinen, leicht auf- bzw. abbaubaren Anlage auch bisher nicht verwertbares kohlenstoffhaltiges Material zur Herstellung von Holz- und/oder Aktiv­ kohle verwendet werden.

In bevorzugter Ausgestaltung der Anlage ist vorgesehen, daß das Reaktionsrohr eine innen­ liegende Misch- und/oder Transporteinrichtung auf­ weist, wobei die Misch- und/oder Transportein­ richtung vorzugsweise eine auf einer Welle ge­ lagerte Schnecke ist, deren Schaufeln eine unter­ schiedliche Formgestaltung, beispielsweise mit ge­ schlossener-schraubenförmiger Gestalt und/oder mit offener-paddelartiger Gestalt aufweisen. Durch die­ se Ausgestaltung der Misch- und/oder Transport­ einrichtung ist einerseits ein kontinuierlicher Transport des eingebrachten kohlenstoffhaltigen Materials durch das gesamte Reaktionsrohr möglich, wobei während des Transportes gleichzeitig eine gute Durchmischung stattfindet, so daß an jeder Stelle des Reaktionsrohres über dem Rohrquerschnitt homogene Verhältnisse hinsichtlich Zustand des zu behandelnden Gutes und der Temperatur herrschen. In weiterer bevorzugter Ausgestaltung ist vorgesehen, daß einzelne der Schaufeln so angeordnet sind, daß sie gegen die Hauptförderrichtung wirken. Hiermit wird nochmals sehr vorteilhaft der Durchmischungs­ grad des eingebrachten kohlenstoffhaltigen Mate­ rials verbessert.

In ebenfalls bevorzugter Ausgestaltung der Anlage ist vorgesehen, daß die Misch- und/oder Transport­ einrichtung mit unterschiedlicher Drehzahl und/oder wechselnd vor- und rückwärts und/oder zyklisch an­ treibbar ist. Durch diese Ausgestaltung wird sehr vorteilhaft erreicht, daß die Transportge­ schwindigkeit des eingebrachten kohlenstoffhaltigen Materials durch das Reaktionsrohr und die Bewegung des kohlenstoffhaltigen Materials zum Zwecke einer homogenen Durchmischung und eines effektiven Wärme­ austausches voneinander unabhängig durchführbar sind.

In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Anlage ist vorgesehen, daß das Reaktionsrohr wenigstens eine Auslaßöffnung für Prozeßabgase aufweist, die vorzugsweise über einen beheizbaren Verbindungs­ kanal mit einer Brennkammer in Verbindung steht. Hierdurch ist es sehr vorteilhaft möglich, daß die während der thermischen Behandlung des kohlenstoff­ haltigen Materials entstehenden Prozeßabgase, die neben brennbaren, gasförmigen Bestandteilen eben­ falls brennbare, kondensierbare Bestandteile, bei­ spielsweise Teer und Methanol enthalten, der Brenn­ kammer zugeführt werden können und dort zur Erzeu­ gung der für die thermische Behandlung benötigten Heizgase verbrannt werden. Durch die Zwischenbehei­ zung des Verbindungskanals wird erreicht, daß auf dem Weg zwischen dem Reaktionsrohr und der Brenn­ kammer die kondensierbaren Bestandteile nicht kon­ densieren und als flüchtige Bestandteile in der Brennkammer zur Verbrennung zur Verfügung stehen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Anlage er­ geben sich aus den übrigen in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.

Die Erfindung wird nachfolgend in einem Aus­ führungsbeispiel anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Aufbau einer Anlage zum thermischen Behandeln von kohlenstoff­ haltigem Material und

Fig. 2 die in Fig. 1 gezeigte Anlage in einer konkreteren Ausgestaltung.

Fig. 1 zeigt eine allgemein mit 10 bezeichnete Anlage zum thermischen Behandeln von kohlen­ stoffhaltigem Material. Die Anlage 10 besitzt ein in einem Reaktor 12 horizontal angeordnetes Reaktionsrohr 14. Das Reaktionsrohr 14 besitzt eine Eintragseinrichtung 16 sowie eine Austragsein­ richtung 18. Die Eintragseinrichtung 16 sowie die Austragseinrichtung 18 sind dabei, wie in Fig. 1 nicht dargestellt, gasdicht ausgeführt. Innerhalb des Reaktionsrohres 14 ist eine über einen Antrieb 20 antreibbare auf einer Welle 22 gelagerte, in Fig. 1 nicht dargestellte Schnecke angeordnet. Das Reaktionsrohr 14 besitzt eine Auslaßöffnung 24 für Prozeßabgase, die über einen hier angedeuteten Verbindungskanal 26 mit einer Brennkammer 30 in Verbindung steht. Eine Auslaßöffnung 32 der Brenn­ kammer 30 steht in Verbindung mit einem Innenraum 34 des Reaktors 12. Der Reaktor 12 besitzt weiter­ hin wenigstens eine Auslaßöffnung 36, die mit einem hier angedeuteten Kamin 38 in Verbindung steht. Der Innenraum 34 besitzt Zwischenwände 40, die den Innenraum 34 in miteinander verbundene Kammern aufteilen. Die Brennkammer 30 besitzt weiterhin eine Einlaßöffnung 42 für Mischluft und eine Ein­ laßöffnung 44 für Verbrennungsluft.

In der Fig. 2 ist die Anlage gemäß Fig. 1 in einer möglichen vorteilhaften Ausgestaltung näher gezeigt. Gleiche Teile wie in Fig. 1 sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und nicht nochmals erläutert.

Zum gasdichten Ein- bzw. Auslaß ist sowohl die Eintragseinrichtung 16 und die Austragseinrichtung 18 jeweils mit einer Zellradschleuse 46 versehen. Innerhalb des Reaktionsrohres 14 ist die Welle 22 geführt und trägt eine Schnecke 48 bildende Schaufeln 50. Die Schaufeln 50 sind hier nur schematisch angedeutet und können vorzugsweise eine geschlossene-schraubenförmige und/oder eine offen­ paddelartige mit teilweise gegen die Hauptförderrichtung wirkende Gestalt aufweisen. Das Reaktionsrohr 14 ist hier über drei Auslaßöffnungen 24′, 24′′, 24′′′ die axial beabstandet zueinander angeordnet sind, mit der Brennkammer 30 verbunden. Diese Auslaßöffnungen sind aus Sicherheitsgründen mit dem Kamin 38 unter Zwischenschaltung einer Berstscheibe 52 verbunden. Die Brennkammer 30 besitzt einen mehrstufigen Aufbau, wobei in einem Bereich 54 wenigstens ein Zusatzbrenner angeordnet ist.

Die in den Fig. 1 und 2 gezeigte Anlage übt folgende Funktion aus:

Über die Zellradschleuse 46 der Eintragseinrichtung 16 wird das kohlenstoffhaltige Ausgangsmaterial in kleinstückigen, organischen Reststoffen, beispiels­ weise Kakaoschalenkoks, Kokosnußschalenkoks oder auch kleinstückiges, minderwertiges Abfallholz in das Reaktionsrohr 14 des Reaktors 12 eingebracht. Durch die in Rotation versetzte Schnecke 48 wird das eingebrachte Material längs durch das Reak­ tionsrohr 14 transportiert. Durch die bereits be­ schriebene Ausgestaltung einzelner Schaufeln 50 wird während des Transportes eine gute Durch­ mischung des eingebrachten Materials gewährleistet. Die Schnecke 48 kann dabei beispielsweise zyklisch vor- und rückwärts drehen oder auch in bestimmten Zeitabständen eine Drehzahländerung erfahren. Während des Anfahrvorgangs wird der in dem Bereich 54 der Brennkammer 30 angeordnete Brenner betrieben, so daß der Innenraum 34 des Reaktors 12 mit einer Wärmeenergie beaufschlagt werden kann. Die in Form von Heizgasen vorliegende Wärmeenergie umspült dabei das Reaktionsrohr 14, wobei die erwähnten Zwischenwände 40 einen besonders guten Wärmeübergang ermöglichen, und erwärmt damit indi­ rekt das in dem Reaktionsrohr 14 transportierte kohlenstoffhaltige Ausgangsmaterial. Während der thermischen Behandlung des kohlenstoffhaltigen Ma­ terials in dem Reaktionsrohr 14 finden äußerst kom­ plexe endotherme und exotherme Zersetzungsvorgänge statt, die zur Bildung verschiedenartiger dampf- und gasförmiger, fast ausschließlich kohlen-, was­ ser- und sauerstoffhaltiger Substanzen führen. Der mittlere Gehalt dieser sogenannten Schwelgase an Sauerstoff und Wasserstoff ist gegenüber diesem Ge­ halt des ausgasenden Feststoffes größer. Hierdurch kommt es zur Anreicherung von Kohlenstoff in dem thermisch behandelten Ausgangsmaterial. Damit diese Karbonisierung genannten Abläufe in dem Reaktions­ rohr 14 stattfinden, erfolgt eine über die Länge des Reaktionsrohres 14 unterschiedliche tempera­ turabhängige Stoff- und Wärmemengenführung.

Zur Verdeutlichung sind in Fig. 2 die in verschiedenen Bereichen des Reaktionsrohres 14 vorherrschenden Temperaturen eingetragen. In einer ersten Zone beginnt nach Verdampfung von Haftwasser bereits eine erste Zersetzung des eingefüllten Materials. Es kommt hierdurch zur Bildung geringer Mengen von Wasserdampf, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und organischen Säuren, wie beispielsweise Ameisen- und Essigsäure. Der mittlere Wärmeinhalt der in diesen Bereichen abgespaltenen Substanzen ist gering und diese sind überwiegend nicht oder nur schwer brennbar. In einer zweiten Temperaturzone, die von ca. 170°C bis 270°C reicht, werden die Zersetzungsvorgänge intensiviert, so daß die Menge der entstehenden Gase und kondensierbaren Dämpfe ansteigt. Zusätzlich werden nunmehr Methanol und Homologe gebildet, die teilweise bereits einen er­ höhten Wärmeinhalt besitzen und damit gut brennbar sind. In einer dritten Temperaturzone, die von ca. 270°C bis 400°C reicht, kommt es zu einer sehr lebhaften Gas- und Dampfentwicklung. Gleichzeitig wird in dieser Entgasungsphase soviel Wärme frei, daß die Temperatur des ausgasenden Materials über weite Teile dieses Temperaturbereiches selbständig ansteigen kann. Nunmehr treten zusätzlich größer molekulare Kohlen-, Wasser- und Sauerstoffverbin­ dungen sowie Teere und Öle auf. Der Anteil von Koh­ lenmonoxid und Kohlendioxid sowie Wasserdampf geht dabei zurück. Der Wärmeinhalt der hier gebildeten Gasdampfgemische ist so hoch, daß die Stoffe gut brennbar sind. Das verbliebene feste Ausgangsma­ terial hat gewichtsmäßig nur noch etwa 1/3 seiner Ausgangsmasse, so daß sich sein Kohlenstoffgehalt auf ca. 70% angereichert hat. Somit ist hier be­ reits Holzkohle, wenn auch mit einem noch relativ hohen Gehalt an Flüchtigen entstanden. Im Anschluß liegt eine vierte Temperaturzone bei über 400°C, in der die ausgasenden Mengen an Gas und Dampf mit weiterer Temperatursteigerung nur noch gering ist. Bei dieser Nachentgasung werden überwiegend Teere und Öle gebildet, die bei höheren Temperaturen zu kürzeren Molekülen gecrackt werden. Bei gleichzei­ tiger Anwesenheit von Wasserdampf kommt es zu ver­ stärkter Bildung von Methan und Wasserstoff, die als hochenergetische Substanzen einen hohen Wärme­ inhalt besitzen.

Über die Auslaßöffnungen 24′, 24′′ und 24′′′ werden diese Prozeßabgase über die Verbindungskanäle 26′, 26′′ und 26′′′ gestuft der Brennkammer 30 zugeführt.

Durch die Zuführung der Prozeßabgase in die Brenn­ kammer 30 kann nach einer Anfahrphase der in den Bereich 54 angeordnete zusätzliche Brenner gedros­ selt bzw. ganz abgeschaltet werden, so daß die Temperaturführung nunmehr vollständig unter Aus­ nutzung der während der thermischen Behandlung ent­ stehenden Prozeßabgase erfolgen kann. Gemäß ihrem bereits weiter oben erwähnten unterschiedlichen Wärmeinhalt, können die Prozeßabgase, die an unter­ schiedlichen Stellen des Reaktionsrohres 14 abge­ zogen werden, gemäß ihrer kalorischen Wertigkeit und Zündfähigkeit gestuft in die Brennkammer 30 eingespeist werden. Auf diese Weise ist insbe­ sondere beim Anfahrbetrieb und bei Ausgangs­ materialien mit sehr hohem Wassergehalt eine zuverlässige Zündung und Verbrennung gewährleistet. Dieser Prozeß kann dadurch unterstützt werden, indem nach der durch die indirekte Beheizung auf über der Zündtemperatur liegenden Werten von ca. 300°C eine weitere Temperaturerhöhung in dem ein­ gebrachten Material durch eine Teilverbrennung der entstandenen Prozeßabgase (Schwelgase) dadurch un­ terstützt werden kann, indem gezielt relativ kleine Mengen sauerstoffhaltigen Gases, beispielsweise Luft, in den mittleren bis hinteren Teil des Reak­ tionsrohres 14 eingedüst werden. Bereits bei weit unterstöchiometrischem Sauerstoffzusatz lassen sich so kontrolliert 500°C und höhere Werte erreichen.

Nachdem das Ausgangsmaterial im Reaktionsrohr 14 in der beschriebenen Art und Weise thermisch behandelt wurde, wird es über die Zellradschleuse 46 der Austragseinrichtung 18 einer weiteren Verarbeitung und/oder Konfektionierung zugeführt. Die Austrags­ einrichtung 18 weist dabei vorzugsweise, in den Fig. 1 und 2 nicht dargestellt, eine Kühleinrich­ tung auf, die beispielsweise über Luft und/oder Wasser dem Material die Wärme entzieht. Die durch die Kühlung erwärmte Luft kann beispielsweise der Brennkammer 30 über die Einlaßöffnung 44 als vor­ gewärmte Verbrennungsluft zugeführt werden. Weiter­ hin ist denkbar, daß ein Teil der erwärmten Luft zur Trocknung des kohlenstoffhaltigen Ausgangs­ materials vor Einbringen in die Eintragseinrichtung 16 genutzt wird.

Durch die thermische Ausnutzung der während der Behandlung entstehenden Prozeßabgase wird erreicht, daß in dem Kamin 38 nur noch eine äußerst geringe Schadstoffemission gelangen kann, da die Prozeß­ abgase zuerst der Brennkammer 30 zugeführt und dort verbrannt werden und als Heizgase, nachdem sie den Innenraum 34 passiert haben, in abgekühltem Zustand den Kamin 38 erreichen. Die vollständige Verbren­ nung der in den Prozeßabgasen enthaltenen gasför­ migen und kondensierbaren Bestandteile wird dadurch unterstützt, daß in der Brennkammer 30 eine Ver­ brennung unter geringem Luftüberschuß erfolgt. Wird, wie bereits beschrieben, vorgewärmte Ver­ brennungsluft über die Einlaßöffnung 44 der Brenn­ kammer 30 zugeführt und dieser Luftstrom beispiels­ weise durch eine entsprechende Führung innerhalb der Brennkammer 30 weiter vorgewärmt, kann diese vollständige Verbrennung der gas- bzw. kondensier­ baren Bestandteile gewährleistet werden. Dies wird weiterhin dadurch unterstützt, daß die Prozeßabgase über die Verbindungskanäle 26′, 26′′ und 26′′′ so ge­ führt werden, daß diese Verbindungskanäle auf kürzestem Wege und ohne Wärme zu verlieren mit der Brennkammer 30 verbunden sind. Zu einer Erhöhung des Wirkungsgrades können diese Verbindungskanäle auch innerhalb des Reaktors 12 geführt werden, so daß diese gleichzeitig von dem heißen Heizgas der Brennkammer 30 umspült werden.

Eine vorteilhafte Temperaturführung innerhalb des Reaktors 12 kann dadurch erreicht werden, daß über die Einlaßöffnung 42 das die Brennkammer 30 ver­ lassende Heizgas mit beispielsweise aus der Um­ gebung entnommener Mischluft konditioniert wird. Somit ist die Einstellung von Temperaturen möglich, die einerseits für den auf dem Strömungsweg des Heizgases berührten Werkstoff des Reaktors 12 und des Reaktionsrohres 14 thermisch unbedenklich sind, und zum anderen ein ausreichender Wärmeübergang auf das Reaktionsrohr 14 gewährleistet ist. Zur Er­ höhung des Wärmeübergangskoeffizienten ist denkbar, daß das Reaktionsrohr 14 zusätzliche wärmeüber­ tragende Querrippen aufweist. Die bereits erwähnten innerhalb des Reaktors 12 angeordneten Zwischen­ wände 40 gewährleisten dabei, daß das so kon­ ditionierte Heizgas mit ausreichender Geschwindig­ keit das Reaktionsrohr 14 umströmt und so für einen ausreichenden Wärmeübergang sorgt.

Insgesamt zeigt sich, daß durch die in den Fig. 1 und 2 beschriebene Anlage 10 eine sehr wirt­ schaftliche Verwertung von insbesondere kleinstüc­ kigen, kohlenstoffhaltigen, organischen Reststoffen möglich ist und gleichzeitig die bei der thermi­ schen Behandlung anfallenden Nebenprodukte, nämlich die Prozeßabgase, optimal genutzt werden können. Durch diese Kopplung ist es möglich, die in den Ausgangsmaterialien enthaltene Energie für die Bereitstellung des erforderlichen Prozeßwärmebe­ darfs zu nutzen, wobei gleichzeitig eine Trennung der Wärmeenergieerzeugung und der Wärmeübertragung durch die indirekte Beheizung des kohlenstoff­ haltigen Ausgangsmaterials erreicht wird. So lassen sich zu einem höhere Temperaturen und damit ein vollkommener Umsatz der in den Prozeßabgasen ent­ haltenen Gase und kondensierbaren Substanzen ohne irgendwelche Umweltbelastungen erreichen. Im wei­ teren ist eine sehr gute Prozeßsteuerung durch die gestufte Zuführung der Prozeßabgase und/oder der Mischluft der Brennkammer 30 möglich, so daß bei einer kurzen Verweilzeit des Ausgangsmaterials in dem Reaktionsrohr 14 eine sehr homogene Aus­ tragscharge erreichbar ist.

Claims (13)

1. Anlage zum thermischen Behandeln von kohlen­ stoffhaltigem Material in einem mit Wärmeenergie beaufschlagbaren Reaktor, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktor (12) horizontal angeordnet ist, und ein eine Eintragseinrichtung (16) und eine Aus­ tragseinrichtung (18) besitzendes indirekt mit Wär­ meenergie beaufschlagbares Reaktionsrohr (14) auf­ weist.

2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintragseinrichtung (16) und die Austrags­ einrichtung (18) gasdicht ausgeführt sind.

3. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktionsrohr (14) eine innenliegende Misch- und/oder Transportein­ richtung aufweist.

4. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Misch- und/oder Transporteinrichtung eine auf einer Welle (22) gelagerte Schnecke (48) ist, deren Schaufeln (50) eine unterschiedliche Formgestaltung aufweisen.

5. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnecke (48) Schaufeln (50) mit geschlossener-schaufelartiger Gestalt mit unterschiedlicher Steigung und/oder mit offen-paddelartiger Gestalt aufweist.

6. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln (50) der­ art angeordnet sind, daß sie teilweise gegen die Hauptförderrichtung wirken.

7. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Misch- und/oder Transporteinrichtung mit unterschiedlicher Drehzahl und/oder wechselnd vor- und rückwärts und/oder zyklisch antreibbar ist.

8. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktionsrohr (14) wenigstens eine Auslaßöffnung (24) für Prozeßabgase aufweist.

9. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Auslaßöffnungen (24) über Verbindungskanäle (26) mit einer Brennkammer (30) in Verbindung steht.

10. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktionsrohr (14) wenigstens eine Einlaßöffnung für ein sauerstoff­ haltiges Gas aufweist.

11. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungskanäle (26) beheizbar sind.

12. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer (30) über wenigstens einen Heizgaskanal (32) mit dem Re­ aktor (12) in Verbindung steht.

13. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizgaskanäle (32) wenigstens zum Teil im Gegenstrom zum kohlen­ stoffhaltigen Ausgangsmaterial im Reaktorrohr (12) geführt sind.