DE60115109T2

DE60115109T2 - Plasmapyrolyse, vergasung und verglasung von organischen stoffen

Info

Publication number: DE60115109T2
Application number: DE60115109T
Authority: DE
Inventors: T. Robert DO; L. Gary LEATHERMAN
Original assignee: Solena Group Inc
Current assignee: Solena Group Inc
Priority date: 2001-08-22
Filing date: 2001-08-22
Publication date: 2006-08-03
Anticipated expiration: 2021-08-23
Also published as: WO2003018721A1; PL368039A1; ES2253415T3; CZ297852B6; EP1419220A1; WO2003018721A8; DE60115109D1; MY131819A; DK1419220T3; PL195032B1; CZ2004390A3; EP1419220B1; CA2465905C; ATE310067T1; CA2465905A1

Description

BEREICH DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft eine Einrichtung und ein Verfahren der ökologisch annehmbaren Erzeugung von Elektrizität aus erneuerbaren Brennstoffen, wie Abfall, einschließlich Siedlungsabfall, Industrieabfall (einschließlich Abfall aus Kohlebetrieben, wie Kohlestaub), gefährlicher Abfall und Biomasse, mithilfe von Vergasung und Pyrolyse, die eine Erhitzungstechnologie mit Plasmabogenbrennern nutzt.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Wie sich die einzelnen Staaten industriell entwickeln und die Weltbevölkerung wächst, so gibt es ein konstantes Anwachsen sowohl der Nachfrage nach Elektrizität als auch der Abfallproduktion.
Heute wird Strom typischerweise in Elektrizitätswerken erzeugt, die fossile Brennstoffe, wie Kohle, Erdgas oder schweres Heizöl verbrennen. Aber solche Kraftwerke produzieren auch große Mengen von luftverschmutzenden Stoffen. Kernkraftwerke erzeugen Strom in einer viel saubereren Weise, sie werden aber an vielen Orten der Welt aus dem Verkehr gezogen wegen allgemeinen Befürchtungen hinsichtlich möglicher Risiken und des radioaktiven Abfalls, den sie produzieren. Im Rahmen der wachsenden Kosten und wegen den sich verringernden Vorräten von fossilen Brennstoffen beginnen viele Staaten die Erzeugung von Elektrizität aus erneuerbaren Quellen, wie Wind-, Sonnen und Wasserenergie sowie Abfälle/Biomasse zu unterstützen.
Abfälle (einschließlich Siedlungsabfall, Industrieabfälle, toxische Abfälle sowie Kohleasche und Kohlestaub) werden auf verschmutzenden Deponien gelagert oder sie werden heutzutage in standardmäßigen Verbrennungsanlagen verbrannt, die Schadstoffe produzieren, einschließlich karzinogener Stoffe, wie mittel bis schwerflüchtige organische Verbindungen (SVOC) – Dioxine, Furane usw. – die bei der Verbrennung mit niedriger Temperatur entstehen.
Die Deponien werden mit der Zeit überfüllt und neue Stellen dafür in der Nähe von Ballungsgebieten sind weltweit beschränkt. Daneben führen die fortschreitende Verschmutzung von Grundwasser durch gefährliche Ausschwemmungen sowie Bedenken wegen der Gesundheitsgefährdung durch Gestank, Nagetiere und Ausdünstungen dazu, dass Mülldeponien unerwünscht sind. Diese und andere Probleme resultierten im Syndrom „NIMBY" (not in my backyard – „nicht in meinem Vorgarten") beim Großteil der Bevölkerung. Aus diesen Gründen strebt die Europäische Union die Schließung aller Mülldeponien bis zum Jahr 2002 an und schreibt vor, dass die bestehenden neue, strengere Normen zur Einschränkung von Ausschwemmungen und Verschmutzung erfüllen müssen. Das führt zu einer bedeutenden Verteuerung von Deponien.
Auch Verbrennungsanlagen wurden in zahlreichen Staaten wegen gefährlichen Emissionen und der Produktion von Ruß geschlossen oder verboten. Wegen der Verbrennung bei niedriger Temperatur, die in solchen Verbrennungsanlagen stattfindet, werden Kohlenwasserstoffketten nicht komplett gespalten, und sie entweichen in die Atmosphäre als SVOCs, die bekannte Karzinogene sind, die der menschliche Körper durch die Nahrungskette aufnimmt. Dazu zählen beispielsweise Dioxine, die sich auf Gras ablagern, von Kühen konsumiert werden und schließlich in der Milch enden. Gebundener Kohlenstoff im Abfall wird bei einer Verbrennung mit niedriger Temperatur auch nicht zerstört und endet als Asche und Flugasche. Diese Asche stellt bis zu 25% des Abfalls dar und gilt wegen der Möglichkeit ihrer Ausschwemmung nach ihrer Ablagerung auf einer Deponie als gefährlich. In einer Reihe von Ländern ist heute die direkte Ablagerung von Asche verboten.
Es existiert also der Bedarf sowohl an direkt erneuerbaren Quellen von Elektrizität als auch an einer Einrichtung und einem Verfahren zur Beseitigung diverser Formen von Abfall, die die obigen Probleme lösen würden. Dieser Bedarf wird teilweise von der Einrichtung und vom Verfahren gedeckt, die in den nordamerikanischen Patenten Nr. 5,544,597 und Nr. 5,634,414 für Camacho enthalten sind, die an Global Plasma Systems Group, Inc. („Camacho-Patente") abgetreten wurden. Die Camacho-Patente beschreiben ein System, bei dem der Abfall verdichtet wird, um Luft und Wasser herauszudrücken, und in aufeinander folgenden Portionen einem Reaktor mit einem Gestell (Herdbett) zugeführt wird. Es wird ein Plasmabrenner als Wärmequelle zur Pyrolyse organischer Komponenten des Abfalls verwendet und die anorganischen Komponenten werden als verglaste Schlacke beseitigt.
Aber bei Einrichtungen und Verfahren, die die Patentansprüche der Camacho-Patente nutzen, bleibt eine Reihe von Nachteilen und Problemen, die es zu lösen gilt. Erstens kann die Zuführung von Abfall in den Reaktor aus nur einer Richtung zu einer ungleichmäßigen Häufung von Material auf einer Reaktorseite und zur Entstehung von Kanälen und Brücken führen. Die Kanäle führen ihrerseits zu einer ungleichmäßigen Verteilung der Gasströmungen nach oben durch das Abfallbett, was wiederum eine ungleichmäßige Erhitzung des Abfallbetts bewirkt. Das resultiert in der Entstehung von Taschen von nicht vergastem Abfall, was sich in einer allgemein verminderten Effektivität des Verfahrens niederschlägt. Brücken entstehen durch Verbindungen von festen Teilen des Abfallbetts und sie blockieren das Aufsteigen von Gasen sowie das Absinken von Abfall in diesem Teil des Reaktors. Das führt auch zu einer Verminderung der Effektivität des Verfahrens und kann einen höheren Verschleiß des feuerfesten Materials bewirken, mit dem der Reaktor ausgekleidet ist. Zweitens verteilt der Reaktorboden die Wärme im Abfallbett nicht immer gleichmäßig. Drittens genügt manchmal nur ein in den Camacho-Patenten aufgeführter Plasmabrenner nicht, damit genügend Wärme entwickelt wird. Viertens sollte die Anzahl der Gaseintrittsventile erhöht und ihre Anordnung verbessert werden, damit die für die Reaktion benötigten Gase effektiver zugeführt werden können. Und schließlich erfordert die in den Camacho-Patenten aufgeführte Einrichtung zur Verdichtung des Abfalls, dass dieser zuerst aus seinen Behältern entfernt wird, was zu einer kleineren Effektivität und zu höheren Kosten führt.
Daher ist es der Gegenstand dieser Erfindung, eine Verbesserung des früher beschriebenen Verfahrens für die Pyrolyse, Vergasung und Verglasung von organischem Material, wie Abfall, zu beschreiben.
Weiter ist es Gegenstand dieser Erfindung, ein besseres System zur Zuführung von Material anzubieten, um die Effektivität des Verfahrens sowie die Flexibilität des Systems zu erhöhen, und die Manipulation mit dem Material zu erleichtern und zu ermöglichen, dass der Reaktor eine Vielzahl von diversen Materialien aufnehmen kann.
Ein weiterer Gegenstand dieser Erfindung ist eine verbesserte Konstruktion der Einrichtung, um die Möglichkeit der Steuerung der Vergasung zu erhöhen, eine optimale Effektivität sowie die Zerlegung sämtlicher Kohlenwasserstoffketten zu gewährleisten, den Verschleiß der feuerfesten Verkleidung und den Energieverbrauch der Brenner zu senken und die allgemeine Energieeffizienz des Verfahrens zu optimieren.
Ein weiterer Gegenstand dieser Erfindung ist eine verbesserte Methode der Manipulation mit dem heißen Ausgangsgas und seine bessere Vorbereitung, damit es die Anforderungen der Gasturbine erfüllt, bevor es den integrierten kombinierten Zyklus der Gasturbine erreicht.
Ein weiterer Gegenstand dieser Erfindung ist es, das Verfahren der Plasmapyrolyse, Vergasung und Verglasung (PPVV) von Mischabfall als einer sicheren und wirkungsvollen Methode zur Herstellung von Gasbrennstoff für den kombinierten Zyklus einer Turbine zur Produktion von erneuerbaren Elektrizität zu beschreiben.
Und schließlich ist es Gegenstand dieser Erfindung, die Nutzung des PPW-Verfahrens von organischem Material zur Herstellung von gasförmigem H₂ als einer Brennstoffquelle für Brennstoffzellen zu beschreiben.
Zusätzliche Gegenstände und Vorteile werden aus der Beschreibung im Folgenden und den angelegten Patentansprüchen ersichtlich.
ÜBERBLICK DER ERFINDUNG
Abfall aus verschiedenen Quellen oder anderes kohlenstoffhaltiges Material (wie Kohlestaub), einschließlich Siedlungsabfall, Industrieabfall und gefährlicher Abfall oder Biomasse, entweder in fester oder flüssiger Form, oder ihr Gemisch, werden kombiniert und dem Beschickungssystem zugeführt, wo das Material gemischt, zerkleinert und gepresst wird, einschließlich der Abfallbehälter, was schließlich in einem stark verdichteten Materialblock resultiert. Dieser Materialblock wird fortlaufend aus verschiedenen Richtungen in den Plasmareaktor gedrückt, wie z.B. über zwei gegenüberliegende Füllschütten. Die Beschickung mit Material verläuft mit einer zuvor festgelegten Geschwindigkeit, abhängig von der Zusammensetzung des Materials, der Dicke des Materialbetts und den Anforderungen an das Ausgangsgas. Das Beschickungssystem dient der Homogenisierung des zugeführten Materials sowie seiner Behälter zu einem Block von konstanter Größe und Zusammensetzung, wobei überflüssige Luft und überflüssiges Wasser beseitigt werden.
Die Blöcke von gepresstem und zerkleinertem Material werden kontinuierlich oben dem Bett des Verbrauchskohlenstoffkatalysators zugeführt, der fortlaufend von unten mit Heißluft aus mehreren Plasmabrennern erhitzt wird, die gleichmäßig um den Reaktorboden herum angeordnet sind.
Die Materialblöcke bilden ein Bett auf dem Verbrauchskohlenstoffkatalysator, eine Gegenbewegung von kühlerem Material nach unten und einen Strom von heißem Gas und Kohlepartikeln nach oben im Reaktor.
Die organischen Kohlenwasserstoffe im zugeführten Material werden zu einem oberen Ausgangsgas vergast und pyrolysiert, dessen Zusammensetzung, Durchfluss, Temperatur, Heizwert und Volumen zum Voraus festgelegt wurden. Anorganische und kohlenstofflose Komponenten des zugeführten Materials, wie Metalle und Asche, werden durch das aufsteigende heiße Gas geschmolzen und fließen nach unten als Schmelzflüssigkeit durch des Bett des Kohlenstoffkatalysators und werden in einem Schlackenbehälter auf dem Reaktorboden aufgefangen, von wo sie fortlaufend abgelassen werden und zu inerter verglasten Schlacke abgekühlt werden.
An bestimmten Stellen entlang dem Reaktorschacht wird dem Reaktor Luft, Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereicherte Luft durch Öffnungen in gesteuerter Menge zugeführt, damit der gewünschte Verlauf der Reaktion der Vergasung/Pyrolyse im Reaktor sowie die Produktion des oberen Ausgangsgases gewährleistet sind.
Der Verbrauchskohlenstoffkatalysator und das Beschickungsmaterial werden auch in gesteuerter Geschwindigkeit zugeführt, damit der gewünschte Verlauf der Reaktion der Vergasung/Pyrolyse im Reaktor und das erforderliche Materialbett sowie die erforderliche Höhe des Kohlenstoffkatalysators gewährleistet sind. Dem Reaktor werden ebenso Kalk und Silikatflussmittel in gesteuerten Mengen über die Schütten zur Steuerung der Verglasung zugeführt.
Das obere Ausgangsgas, das hauptsächlich CO und H₂ enthält, wird im Quencher gekühlt und zur Beseitigung sämtlicher sauren Gase, wie H₂S, HCl sowie anderer Verunreinigungen, die auftreten könnten, gewaschen. Das gewaschene und abgekühlte Ausgangsgas wird anschließend hoch komprimiert und der Gasturbine zur Stromerzeugung zugeleitet. Die heißen Abgase aus der Turbine können zur Dampferzeugung genutzt werden, wobei dieser Dampf zu einer Dampfturbine zu weiterer Stromerzeugung geleitet werden kann.
BILDERBESCHREIBUNG
1 stellt eine Perspektivansicht des in dieser Erfindung beschriebenen Reaktors dar.
2 ist ein Schnitt durch den Reaktor aus 1 zusammen mit einer schematischen Darstellung des Beschickungssystems.
3 stellt eine vergrößerte Darstellung des unteren Reaktorabschnitts mit dem Bett des Verbrauchskohlenstoffkatalysators und dem Bett des Abfalls dar.
4 ist ein technologisches Schema des Verfahrens zur Stromerzeugung nach der Methodologie der gegenständlichen Erfindung.
5 ist ein technologisches Schema des Verfahrens zur Stromerzeugung nach einer alternativen Methodologie der gegenständlichen Erfindung.
GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Im Folgenden finden Sie die Beschreibung der Einzelheiten der Erfindung. Für das einfache Verständnis wird in dieser Beschreibung das in dieser Einrichtung und in diesem Verfahren zu verarbeitende Material „Abfallmaterial" genannt, denn die Verwendung von solchem Material gewährleistet den Nutzen sowohl bei der Energieerzeugung als auch bei der Beseitigung von Abfall in einer ökologischen Art und Weise. In dieser Einrichtung und in diesem Verfahren kann jedoch jegliches organische Material verarbeitet werden.
Reaktor
Der typische Reaktor nach der hier beschriebenen Methode befindet sich in einer Größenordnung zur Verarbeitung von 5–20 t von Mischabfall pro Std., obwohl auch ein kleinerer bzw. größerer Reaktor verwendet werden kann; die genaue Leistung hängt von der Zusammensetzung des Abfallmaterials und der gewünschten Gesamtleistung des Kraftwerks ab.
Wie auf 1 und 2 dargestellt ist, ist der Reaktor 10 am besten aus hochwertigem Stahl herzustellen. Abhängig von den Konstruktionskriterien kann der gesamte Reaktor wassergekühlt sein. Alternativ kann die Wasserkühlung nur in den oberen zwei Dritteln des Reaktors Verwendung finden, und der untere Drittel kann luftgekühlt sein. Die gesamte Innenfläche des Reaktors ist feuerfest ausgekleidet 12. Normalerweise sind die oberen zwei Drittel des Reaktors mit 3 Schichten aus feuerfestem Material ausgekleidet, wobei jede Schicht eine Dicke von 0,102–0,152 m aufweist. Normalerweise ist das untere Drittel des Reaktors, welches keine Wasserkühlung braucht, mit bis zu 5 Schichten feuerfester Ziegel mit einer Gesamtdicke von 0,508–0,762 m ausgelegt. Abhängig von der Anwendung können auch andere Konfigurationen von feuerfestem Material verwendet werden. In beiden Abschnitten werden normale kommerzielle feuerfeste Produkte verwendet, die Fachleuten der Reaktorbranche bekannt sind.
Der Reaktor 10 ist geformt wie ein Trichter und in 3 Abschnitte aufgeteilt. Das obere Drittel des Reaktors stellt die Zone der Pyrolyse bzw. Thermospaltung 16 dar. Normalerweise tritt das Gas aus dem Reaktor durch einen Austritt 30 in der Mitte des Oberteils der Zone 16 aus. Alternativ können auch mehrere Gasaustritte um das Oberteil von Zone 16 herum angeordnet werden. Zone 16 beinhaltet auch zwei gegenüberliegende Eingänge für das Beschickungsmaterial 32 und 34; es kann jedoch eine größere Zahl von Eingängen verwendet werden.
Der mittlere Abschnitt 18 des Reaktors ist von der Seitenwand 20 begrenzt, die einen kleineren Umfang als Zone 16 hat und die von zwei oder mehr Luftzylindern oder Lüftungstrommeln 38 und 40 umgeben ist. Jede Lüftungstrommel enthält Luft oder mit Sauerstoff angereicherte Luft (wie im Voraus gemäß der Zusammensetzung des Abfallmaterials festgelegt wird), die durch gleichmäßig um den Reaktor herum angeordnete Eingänge oder Gebläserohre 39 und 41 in den Reaktor eingespeist wird. Die Anzahl der Gaseingänge beträgt normalerweise 6–10 in Abhängigkeit von der Reaktorgröße und der Leistungsfähigkeit des Systems, obwohl es auch mehr oder weniger Gaseingänge sein können. Der mittlere Abschnitt 18 wirkt auch als Vergasungszone.
Der untere Abschnitt des Reaktors ist die Verglasungszone 19, die von der Seitenwand 22 mit einem kleineren Umfang als Zone 18 umgeben ist. Die Seitenwände 20 und 22 sind mit dem stumpfkegeligen Abschnitt 24 verbunden. In Zone 19 münden 2 bis 6 Gebläserohre oder Eingänge 37, die gleichmäßig in der Reaktorwand verteilt sind. In jedem Gebläserohrausgang, der am besten aus wassergekühltem Kupfer (ne copper) bestehen sollte, ist ein fester Plasmabogenbrenner 42 montiert, dessen Wärme durch die Eingänge 37 in Zone 19 strömt. Das Gas für die Plasmabrenner 42 strömt aus der Lüftungstrommel 36. Die Verglasungszone 19 enthält auch einen oder mehr Auslasse 44, durch die die geschmolzene Schlacke fortlaufend in ein bewegliches Granulationswasserbad (nicht auf Abbildungen) strömt. Hier findet die Abkühlung und Verglasung der Schlacke zu inertem Schlackenmaterial, das als Baumaterial wieder verwendet werden kann. (Solches Baumaterial kann Pflastersteine, Dachgranulat oder Ziegelsteine darstellen.) Dieser untere Abschnitt (ungefähr das untere Drittel) des Reaktors, der die geschmolzene Schlacke enthält, kann in bestimmten Konfigurationen mit einer Flanschverbindung am Reaktor angeschlossen sein, die ein schnelles Austauschen dieses Abschnitts ermöglicht, falls die feuerfeste Innenauskleidung ausgetauscht oder repariert werden muss.
Wie in den Camacho-Patenten beschrieben ist, wird jeder Plasmabogenbrenner 42 meist mit einem eigenen Stromanschluss, einer Kühlung mit deionisiertem Wasser und einer Speisung mit Plasmagas aus der entsprechenden Gasleitung (nicht auf den Abbildungen) geliefert. Die Anzahl Brenner, die Nennleistung jedes Brenners, die Kapazität des Beschickungssystems, die Menge des Kohlenstoffkatalysators, die Menge des Flussmittels, die Größe des Reaktors, die Größe und Kapazität der Waschanlage für das Synthesegas und die Größe des Systems für den kombinierten Zyklus der Gasturbine sind Variablen, die nach der Art und dem Volumen des Abfallmaterials, das verarbeitet werden soll, festgelegt werden.
Der Reaktor soll innen Schächte enthalten, am besten in Abständen von 0,914 m oder weniger, Sensoren (nicht auf den Abbildungen) zur Feststellung des Drucks und der Temperatur im Reaktorinneren und Öffnungen für Gasproben und die entsprechenden Einrichtungen zur Gasanalyse an strategischen Stellen im Reaktor für das Monitoring der Vergasung. Die Verwendung solcher Sensoren und Einrichtungen zur Gasanalyse sind bereits gründlich erforscht worden.
System der Beschickung mit Abfallmaterial
In den Camacho-Patenten wurde ein System zur Komprimierung des zugeführten Abfallmaterials mithilfe von hydraulischen Walzen zur Verringerung des Volumens und zur Beseitigung von Luft und Wasser aus dem Abfallmaterial vor seiner Beschickung in den oberen Teil des Reaktors beschrieben und angemeldet.
Damit Abfallmaterial aus mehreren und gemischten Quellen verarbeitet werden kann, wie z.B. Müllbrennstoff, loser Siedlungsabfall, Industrieabfall und toxischer Abfall in Behältern, wie Stahl- oder Plastiktrommeln, Säcken oder Dosen, wird nun ein robusteres Beschickungssystem als das in den Camacho-Patenten beschriebene verwendet. Das Abfallmaterial kann in seiner bestehenden Form verwendet werden und direkt dem Beschickungssystem zugeführt werden, ohne zuerst sortiert oder ausgepackt werden zu müssen. Einrichtungen zur Zerkleinerung und Verdichtung von Abfallmaterial, die einen solchen Betrieb zulassen, sind Fachleuten auf dem Gebiet der Manipulation mit Materialien bekannt. Dieser Schritt eliminiert die Notwendigkeit eines direkten Kontakts des Bedieners mit dem Abfallmaterial, wodurch seine Sicherheit und Gesundheit gewährleistet ist. Dem zugeführten Abfallmaterial können periodisch Muster zur Bestimmung seiner Zusammensetzung vor der Verarbeitung entnommen werden.
Sämtliches Abfallmaterial, einschließlich der ab und zu auftretenden Verpackungen, wird zerhackt, zermahlen, gemischt, gepresst und in den Plasmareaktor als ein kontinuierlicher Block mithilfe des Systems 50 gedrückt, das schematisch in 2 aufgezeigt ist, und das einen Behälter 52, einen Zerkleinerer/Verdichter 54 und ein Transportband 56 beinhaltet. Die Zerkleinerungs-/Pressvorrichtung 54 zerkleinert das Abfallmaterial auf eine zuvor festgelegte Größe, die die optimale Leistungsfähigkeit des Reaktors gewährleistet. Die Geschwindigkeit der Beschickung wird auch im Voraus eingestellt, damit die optimale Leistungsfähigkeit des Reaktors gewährleistet ist.
Die Abfallmaterialblocks 58 werden dem Reaktor fortlaufend aus mehreren Stellen in der Zone 16 zugeführt. So ist die gleichmäßige Verteilung des Abfallmaterials im Reaktor gewährleistet, bis die gewünschte Höhe des Abfallbetts über dem Bett des Verbrauchskohlenstoffkatalysators erreicht wird. Zwei Abfallblöcke 58 können gleichzeitig über die einander gegenüberliegenden Schütten dem Reaktor 10 zugeführt werden. Es können auch mehr als zwei Schütten für die Zuführung weiterer Blöcke installiert werden.
Jegliche solche Anordnung ist zulässig, sofern sie eine Häufung von Abfallmaterial an einer Stelle in Zone 18 des Reaktors ausschließt.
Entlang dem Reaktorschacht sind Druck- und Temperatursensoren zur Messung der Höhe des Betts und zur Steuerung der Beschickungsgeschwindigkeit angebracht. Es können auch Sichtbullaugen an bestimmten Stellen zur Überprüfung der Vorgänge im Inneren des Reaktors installiert werden. Sämtliche Informationen von den Sensoren werden an ein digitales Steuerungssystem übergeben, das den gesamten Betrieb steuert. Wie dies in den Camacho-Patenten aufgeführt ist, ist die Steuerung und das Monitoring des Beschickungssystems unter Verwendung von Sensoren und eines digitalen Steuerungssystems als Bestandteil der Reaktorsteuerung allgemein bekannt und Fachleuten aus der Branche gewohnt.
Für verschiedene Materialien kann das Beschickungssystem anders konfiguriert werden. So können beispielsweise feine oder flüssige Abfallmaterialien direkt in den Reaktor eingespritzt werden. Für die Zuführung von feinen Feststoffen, wie Kohlestaub, kann Druckluftförderung verwendet werden. Für Flüssigkeiten können normale Pumpen benutzt werden. Solche Systeme sind Fachleuten auf dem Gebiet der Manipulation mit Materialien gut bekannt.
Betrieb des PPVV-Reaktors
Wie auf 2 aufgezeigt ist, wird das zerkleinerte und gepresste Abfallmaterial 58 kontinuierlich vom Beschickungssystem dem Reaktor 10 zugeführt. Zur Vereinfachung zeigt 2 nur ein Beschickungssystem 50 in eine der Schütten 32. Damit das Abfallmaterial den beiden gezeigten Schütten zugeführt werden kann, kann ein zweites Beschickungssystem 50 verwendet werden oder der Ausgang des Beschickungssystems 50 kann auf zwei Zweige aufgeteilt werden. Die kontinuierliche Beschickung des Reaktors aus gegenüberliegenden Seiten gewährleistet die gleichmäßige Verteilung des zugeführten Abfallmaterials im Querschnitt des Reaktors. Eine gleichmäßige Verteilung des zugeführten Abfallmaterials, das das in 3 gezeigte Abfallbett 70 bildet, gewährleistet eine gleichmäßig aufsteigende Strömung von heißem Gas aus der Plasmaverbrennung. Das Kohlenstoffkatalysatorbett 60 im unteren Teil des Plasmareaktors ist gleichmäßig im Querschnitt des Reaktors verteilt. Die Wärme und das heiße Gas steigen gleichmäßig nach oben; dabei gewährleisten sie die Erhitzung und die Austrocknung des nach unten sinkenden Abfallmaterials und ermöglichen so einen effizienten Verlauf der Pyrolyse und der Vergasung. Die gleichmäßige Verteilung der Wärme nach oben und das Kohlenstoffkatalysatorbett verhindern auch die Entstehung von Wärmekanälen, was wiederum die Entstehung von Brücken im Abfallmaterial verhindert (dies ist ein typisches Problem bei anderen Abfallverbrennungsverfahren).
Die trichterförmige Form des Reaktors und die Geschwindigkeit der zugeführten aufsteigenden Gase (aus den Brennern und den übrigen Gaseingängen) sind derart konzipiert, damit eine minimale Oberflächengeschwindigkeit des heißen aufsteigenden Gases gewährleistet ist. Diese kleine Oberflächengeschwindigkeit ermöglicht, dass das zugeführte Abfallmaterial komplett auf das Abfallbett sinkt und nicht wieder als unverarbeiteter Abfall oder als Restpartikel nach oben in das Ausgangsgas gedrückt wird. Darüber hinaus dient die Thermospaltungszone 16 des Reaktors dazu, dass sämtliches Kohlenwasserstoffmaterial vor dem Austritt aus dem Reaktor einer großen Hitze mit einer Rückhaltezeit von über 2–3 Sekunden ausgesetzt ist. In dieser Zone wird der Prozess der Thermospaltung beendet und die vollständige Vergasung und Umwandlung höherer Kohlenwasserstoffe zu CO und H₂ gewährleistet.
Da die Blöcke des kalten Abfallmaterials 58 kontinuierlich dem Plasmareaktor zugeführt werden und ein Abfallbett 70 auf der Oberfläche des vorgeheizten Betts des Verbrauchskohlenstoffkatalysators 60 im unteren Reaktorteil bilden, bewirken das absinkende kalte Abfallmaterial und das aufsteigende erhitzte Gas vom Bett des Verbrauchskohlenstoffkatalysators 60 einen Gegenstrom, der die vollständige und gleichmäßige Vergasung/Pyrolyse von Kohlenwasserstoffmaterial im Reaktor gewährleistet.
Das in diesem Verfahren verwendete Bett des Verbrauchskohlenstoffkatalysators 60 unterscheidet sich nicht von derartigen Betten, die in Hüttenhochöfen Verwendung finden, und seine Teilnahme am Vergasungsprozess hat mindestens die folgenden Vorteile: (1) es initiiert die Vergasungsreaktion dadurch, dass es die Schlüsselkomponente des Ausgangsgases beiträgt, d.h. CO (Kohlenmonoxid), dass zum Heizwert des oberen Ausgangsgases beiträgt; (2) es gewährleistet die gleichmäßige Verteilung der von den Plasmabrennern produzierten Wärme im Reaktor und so einem übermäßigen Verschleiß des feuerfesten Materials vorbeugt, der sonst bei der Verwendung von intensiven fokalen Wärmequellen, wie Plasmabrenner, auftritt; (3) es dient als poröse aber zugleich feste Stütze am Reaktorboden, auf der das Abfallbett ausgebreitet werden kann; (4) es ermöglicht, dass das heiße Gas zusammen mit den heißen Kohlenstoffpartikeln gleichmäßig nach oben durch das Abfallbett strömen kann und ermöglicht gleichzeitig, dass das anorganische Material im Abfallmaterial, wie Metalle und Asche, geschmolzen wird und nach unten in den Auffangbehälter auf dem Reaktorboden fließt; und 5) es gewährleistet eine Schutzschicht innerhalb der inneren feuerfesten Schicht und senkt so den Wärmeverlust im Reaktor und verlängert die Lebensdauer des feuerfesten Materials.
Das Bett des Kohlenstoffkatalysators 60 wird wegen seiner höheren Dichte der gebundenen Kohlenstoffatome, seinem höheren Schmelzpunkt und der größeren Härte langsamer als das Abfallbett 70 verbraucht. Die Höhe des Betts des Verbrauchskohlenstoffkatalysators, sowie die des Abfallbetts, werden laufend mithilfe von Temperatur- und Drucksensoren überwacht, die im Umfang des Reaktors und in verschiedenen Höhen entlang dem Schacht angebracht sind. So wie das Abfallbett 70 und das Bett des Kohlenstoffkatalysators 60 während dem Verfahren verbraucht werden, verzeichnen die Sensoren ein Temperatur- sowie Druckgefälle im Reaktor und steuern automatisch das Beschickungssystem zur Erhöhung bzw. Verminderung des Betts im Dauerbetrieb.
Die Interaktion eines Kohlenstoffkatalysatorbetts mit geschmolzenem Material ist eine genügend studierte Erscheinung. Im Falle von geschmolzenem Metall, das über heißen Koks fließt, wie bei Kupolschmelzöfen, haftet das geschmolzene Eisen nicht am heißen Bett, sondern fließt darüber. Dieselbe Erscheinung ist zu beobachten beim Schmelzen von nichtmetallenen Materialien, d.h. bei der Verglasung der Schlacke. Im Unterschied zum Schmelzen von Metallen, beinhaltet die Verglasung der Schlacke kein Auflösen von Kohlenstoff, denn die Löslichkeit von Kohlenstoff aus dem Koks in die geschmolzene Schlacke ist vernachlässigbar.
Wie dies in den Camacho-Patenten beschrieben ist, wird der Kohlenwasserstoffanteil des Abfallmaterials in einer teilweise reduzierenden Atmosphäre des Reaktors in einer Umgebung Luft/ohne O₂ (wegen der kompletten Oxidierung von Kohlenstoff zu CO₂) pyrolysiert/vergast. Deshalb produziert der Verbrennungsprozess des Reaktors keinerlei Schadstoffe, wie sie in herkömmlichen Verbrennungsanlagen anzutreffen sind, wie mittel bis schwerflüchtige organische Verbindungen (SVOC), Dioxine und Furane, was eigentlich teilweise verbrannte Stoffe sind. In den Camacho-Patenten wurde beschrieben, dass Kohlenwasserstoffmaterial der nachfolgenden chemischen Reaktion ausgesetzt ist: C_xH_y + H₂O = CO + CO₂ + H₂ (1), wobei C_xH_y einen beliebigen Kohlenwasserstoff und die Komponente H₂O rezyklierten Dampf darstellen.
Obwohl der Prozess der „Dampfvergasung", wie sie in der Formel (1) beschrieben ist, auch weiterhin die hauptsächliche chemische Reaktion in der Plasmapyrolyse/-vergasung und -Verglasung ist, haben neue Betriebserfahrungen gezeigt, dass der Energieverbrauch in dieser endothermischen Reaktion unangemessen hoch ist. Da das endgültige Ziel des PPW-Verfahrens die Erzeugung von Netto-Energie aus Abfallmaterial ist, wurden bestimmte Verbesserungen und Modifikationen zur Optimierung der chemischen Reaktion innerhalb des Reaktors eingeführt, damit der Energieverbrauch der Plasmabrenner gesenkt und mehr Energie gewonnen wird. Zu diesem Zweck wird eine gesteuerte Menge von Luft, O₂ oder O₂-angereicherter Luft dem Reaktor durch die Eingänge 39 und 41, die sich in Zone 18 des Reaktors 10 befinden, zur Unterstützung der nachfolgenden Reaktionen zugeführt: C_xH_y + O₂ = 2CO + H₂ (2) 2C + O₂ = 2CO (3) C + H₂O = CO + H₂ (4)
Die Reaktionen 2 und 3 sind exotherm, währenddem die Reaktionen 1 und 4 grundsätzlich endotherm sind; dies ermöglicht, dass die Eigenenergie des Abfallmaterials mithilfe dieser gesteuerten Oxidationsreaktion den Heizwert des oberen Ausgangsgases durch die Produktion einer größeren Menge von CO und H₂ erhöht und dass der Energieverbrauch der Plasmabrenner für die Reaktionen (1) und (4) sinkt, d.h. die Spaltung der H₂O-Bindung, was zu einer kumulativen höheren Erzeugung von Netto-Energie führt.
Die Reaktion nach Formel (1) wird auch weiterhin mit der normalerweise im zugeführten Abfallmaterial vorhandenen Komponente H₂O im Reaktor verlaufen. Diese H₂O-Moleküle werden natürlich durch den Kontakt mit dem heißen, durch das Abfallbett steigende Gas in 2H und O gespalten; diese Atome verbinden sich anschließend mit freien C-Atomen aus dem Abfallmaterial und dem Verbrauchskohlenstoffkatalysator und bilden ein hochstabiles (und erwünschtes) Gemisch von CO und H₂.
Durch die gesteuerte Zuführung von O₂-angereicherter Luft wird für den Verlauf der oben aufgeführten Oxidationsreaktionen (2) und (3) eine genügende Menge von O₂ in den Reaktor gespeist, aber nicht genügend O₂ für eine vollständige Reaktion der Oxidationsverbrennung C_xH_y + O₂ = CO₂ + H₂O (5),die bei der viel niedrigeren Temperatur des Verbrennungsprozesses auftritt.
Die gesteuerte Zuführung von mit Sauerstoff angereicherter Luft in den Plasmareaktor für den Verlauf der gesteuerten Teiloxidationsreaktion der Vergasung führt zur Produktion eines oberen Ausgangsgases mit einem höheren Heizwert bei gleichzeitig kleineren Anforderungen an spezifische Energie, d.h. die von den Plasmabrennern verbrauchte Energie zur Abfallvergasung. Dies wird zur Erzeugung einer größeren Menge von Netto-Energie aus der Vergasung von organischem Abfall führen. Dies steht im Widerspruch zur These in den Camacho-Patenten, die aufführen, dass eine größere Menge von Plasmagas mit Sauerstoff keine verhältnismäßige Steigerung der Wirksamkeit des Systems im Verhältnis Energie/Wärme bietet. Bei den gegebenen Temperaturen im Reaktor unter der Teilnahme von festem Kohlenstoff aus dem Katalysatorbett verschiebt sich die Reaktion (6) gänzlich nach links, wobei CO zum dominierenden vorhandenen Kohlenstoffoxid wird: CO + 1O₂ = CO₂ (6)
Durch den gesteuerten Vergasungsprozess und den zugesetzten Sauerstoff, die zugesetzte Luft und die Eigenfeuchte des Abfallmaterials kann ein oberes Ausgangsgas mit einem minimalen Heizwert (HHV) von 3600 kJ/kg produziert werden (Zusammensetzung des Gases mindestens 40–45% H₂ und 40–45% CO). (Die restlichen Gaskomponenten sind typisch CO₂, CH₄, H₂ und Spuren von sauren Gasen, in Abhängigkeit des Rohstoffs.)
Wie oben in den Camacho-Patenten aufgeführt wird, ist der hauptsächliche Anteil des Ausgangs aus dem Verfahren nach dieser Erfindung in der Form von Gas, wobei ein Rest von geschmolzenem anorganischen Material gebildet wird, das zu verglaster inerter Schlacke abgekühlt wird.
Das Abfallbett 70 wird fortlaufend durch das heiße Gas verbraucht, das aus dem Bett des Verbrauchskohlenstoffkatalysators aufsteigt, wobei das Abfallbett fortlaufend vom Beschickungssystem zur Erhaltung der festgelegten Abfallbettdicke nachgefüllt wird. (Der Kohlenstoffkatalysator wird auch nach Bedarf über die Beschickungsschütten nachgefüllt.) Diese Anordnung führt zu einem Temperaturgefälle von fast 4000–5000°C am Reaktorboden bis zu ca. 1200°C am Ausgang des oberen Gases. Ein derartiges System von aufsteigendem Gegenstrom dient zur Trocknung des eintretenden Abfallmaterials und ermöglicht, dass ein Abfallstrom mit einem Feuchtegehalt von bis zu 90% verarbeitet werden kann, ohne ein verhältnismäßiges Anwachsen des Energieverbrauchs.
Der Reaktor wird unter einem Druck betrieben, der etwas geringer ist als der atmosphärische Druck, und die Ausgangsgase werden fortlaufend aus dem Reaktor mithilfe eines Ventilators mit künstlichem Zug (ID-Ventilator) 150 abgesaugt, der zwischen der Waschanlage des Synthesegases 140 und dem Kompressor 160 angebracht ist (siehe 4). Wie zuvor erwähnt, sind die Bedingungen im Reaktor grundsätzlich reduzierend, wobei die sauerstoffarmen bzw. sauerstofflosen Bedingungen dem Vergasungsprozess zuträglich sind.
Die unabhängigen steuernden Variablen des Prozesses sind (1) die Geschwindigkeit der Beschickung mit Abfallmaterial, (2) die Höhe des Betts des Verbrauchskohlenstoffkatalysators, (3) der Energieverbrauch der Brenner, (4) die Luft-/O₂-Zufuhr und (5) die Zufuhr des Flussmittels (zur Steuerung der Schlackenbildung).
Der Auffangbehälter für das geschmolzene anorganische Material am Reaktorboden 10 wird fortlaufend über den Schlackenverschluss 44 in eine mit feuerfestem Material ausgekleidete Schütte entleert, die an ein geschlossenes, mit Wasser gefülltes, Kettentransportband (nicht auf den Abbildungen) angeschlossen ist. Das geschmolzene Material wird abgekühlt und wird fest zu glasartigen Granulen, die mithilfe eines Kettentransportbands zu einem beweglichen Behälter (nicht auf den Abbildungen) transportiert werden. Der Dampf, der bei der Abkühlung der Schlacke auf dem Transportband entsteht, kann in den Plasmareaktor entlüftet und dort in der Dampfvergasungsreaktion verbraucht werden. Alternativ kann die Schlacke in große Blöcke gegossen werden, um eine maximale Verringerung des Volumens zu erreichen.
Zur Gewährleistung, dass der Fluss der Schlacke gleichmäßig ist und um einer Verstopfung des Schlackenauslasses 44 vorzubeugen, kann die Schlackentemperatur, die mit einem System von Thermoelementen am Reaktorboden festgestellt wird, und die Schlackenviskosität unabhängig mit der Energie der Plasmabrenner und der Menge an Flussmittel (CaO + Silikat), das über die Beschickungsschütten aufgrund von bekannten Beziehungen zugegeben wird, gesteuert werden. Der Fluss des geschmolzenen Materials wird auch sorgfältig mit einem Durchflussmengenmesser (nicht auf den Abbildungen) überwacht, der sich beim Reaktorboden befindet.
Alle diese Parameter betreffend Temperatur, Druck, Zusammensetzung des Gases und der Flussgeschwindigkeit des Gases und des geschmolzenen Materials werden als Eingänge ins digitale Steuerungssystem eingespeist, das wiederum zur Steuerung der unabhängigen Variablen, wie der Brennerenergie, des Durchflusses der Luft/des Gases, der Beschickungsgeschwindigkeit des Abfallmaterials und des Katalysators usw. konzipiert ist.
Gemäß den Resultaten der vorausgehenden Analyse des Abfallmaterials werden die spezifischen Bedingungen für die Vergasung und die Verglasung durch Einstellungen im digitalen Steuerungssystem zum Voraus festgelegt. Beim Betriebsstart, als mit der Beschickung des Systems begonnen wird, können noch zusätzliche Informationen generiert und optimierende Einstellungen vorgenommen werden.
Prinzipien des Betriebs
Im Allgemeinen arbeiten die Einrichtung und das Verfahren zur Plasmapyrolyse-Vergasung-Verglasung nach mehreren Hauptprinzipien.
Abweichungen in der Zusammensetzung des Abfallmaterials haben Auswirkungen auf das Ergebnis des Verfahrens und erfordern die Neueinstellung der steuernden unabhängigen Variablen. So verursacht zum Beispiel, unter der Voraussetzung einer konstanten Beschickungsgeschwindigkeit, ein größerer Feuchtegehalt des Abfallmaterials ein Absinken der Temperatur des oberen Ausgangsgases; somit muss die Energie des Plasmabrenners erhöht werden, um die Solltemperatur des Ausgangsgases zu erreichen. Ein anderes Beispiel ist ein geringerer Gehalt an Kohlenwasserstoffen im Abfallmaterial, was sich in einer Verringerung des Gehalts an CO und H₂ im Ausgangsgas äußert, was wiederum zu einem niedrigeren Heizwert des oberen Ausgangsgases führt; somit müssen der Faktor der Anreicherung des Eingangsgases oder der Energie des Plasmabrenners zur Erreichung des Soll-Heizwertes erhöht werden. Oder wir haben einen größeren Gehalt an anorganischen Komponenten im Abfallmaterial, was ein Anwachsen der Schlackenmenge bewirkt, was wiederum einen größeren Durchfluss von Schlacke und eine geringere Temperatur der Schlacke mit sich bringt; also muss die Energie der Brenner erhöht werden, damit die Temperatur der Schlacke ihren Sollwert erreicht. Durch die Einstellung der verschiedenen unabhängigen Variablen kann der Reaktor an Abweichungen des Eingangsrohstoffs angepasst werden; wobei gleichzeitig die erforderlichen Sollwerte der Steuerungsanzeiger eingehalten werden.
Anlaufen
Das Ziel des festgelegten Vorgehens beim Anlaufen des Reaktors ist es, Bedingungen einer stufenweisen Aufheizung des Plasmareaktors zum Schutz und zur Verlängerung der Lebensdauer der feuerfesten Auskleidung und der Einrichtungen des Reaktors zu schaffen, sowie den Reaktor für die Aufnahme des Beschickungsmaterials vorzubereiten. Das Anlaufen des Reaktors ist ähnlich wie bei jedem komplexen Hochtemperaturbetriebssystem und ist jedem Fachmann aus der entsprechenden Branche klar. Die grundlegenden Schritte sind: (1) Starten der Erdgasturbine zur Erzeugung von Strom; (2) Starten des Gaswaschsystems, wobei zunächst der Ventilator mit künstlichem Zug gestartet wird; und (3) die langsame Erhitzung des Reaktors unter Verwendung von minimaler Energie, die in den Plasmabrennern zur Verfügung steht (dies wird hauptsächlich zur Maximierung der Lebensdauer des feuerfesten Materials durch die Minimierung des Temperaturschocks getan). Nun wird das Bett des Verbrauchskohlenstoffkatalysators 60 gebildet, indem ein geeignetes Material beschickt wird. Das Bett bildet sich zunächst auf dem Reaktorboden. Aber wie das am nächsten bei den Brennern gelegene Katalysatormaterial verbraucht wird, bildet sich schließlich das Bett als eine Schicht über den Plasmabrennern im Reaktorteil, der die Form eines stumpfen Kegels 24 hat oder in seiner Nähe, wie dies auf 3 zu sehen ist.
Nun kann das Abfall- oder ein anderes Beschickungsmaterial zugeführt werden. Aus Sicherheitsgründen sollte anfänglich der Wassergehalt des Beschickungsmaterials nicht mehr als 5% betragen, bis sich ein genügendes Abfallbett 70 gebildet hat. Die Höhe des Betts des Verbrauchskohlenstoffkatalysators sowie die Höhe des Abfallbetts hängen von der Größe des Reaktors, den physikalisch-chemischen Eigenschaften des Beschickungsmaterials, den eingestellten Betriebswerten und der gewünschten Verarbeitungsgeschwindigkeit ab. Wie jedoch aufgeführt wurde, sollte sich das Niveau des Betts des Verbrauchskohlenstoffkatalysators über den Eingängen der Plasmabrenner befinden.
Stetiger Betrieb
Nachdem sowohl das Abfallbett als auch das Bett des Kohlenstoffkatalysators ihre Sollhöhe erreicht haben, ist das System für den stetigen Betrieb bereit. Nun kann der Bediener den gewünschten Mischabfall dem Beschickungssystem zuführen, das auf eine bestimmte Durchsatzgeschwindigkeit eingestellt wurde. Die unabhängigen Variablen wurden auch auf die Werte eingestellt, die der Analyse des Abfallmaterials entnommen wurden. Die typischen unabhängigen Variablen des PPVV-Verfahrens sind:

A. Energie der Plasmabrenner
B. Fließgeschwindigkeit des Gases
C. Verteilung des Gasdurchsatzes
D. Höhen des Abfallbetts und des Betts des Kohlenstoffkatalysators
E. Beschickungsgeschwindigkeit des Abfallmaterials
F. Beschickungsgeschwindigkeit des Kohlenstoffkatalysators
E. Beschickungsgeschwindigkeit des Flussmittels

Während dem stetigen Betrieb überwacht der Bediener die abhängigen Systemparameter, wie:

A. Ausgangstemperatur des oberen Gases (gemessen am Ausgang des oberen Gases)
B. Zusammensetzung und Fließgeschwindigkeit des oberen Ausgangsgases (gemessen durch Probennahme des Gases und mit einem Durchflussmengenmesser am oben beschriebenen Ausgang)
C. Temperatur und Fließgeschwindigkeit der geschmolzenen Schlacke
D. Heizwert des oberen Ausgangsgases
E. Ausschwemmbarkeit der Schlacke
F. Viskosität der Schlacke

Während dem Betrieb und aufgrund der oben beschriebenen Prinzipien kann der Bediener die unabhängigen Variablen aufgrund von Schwankungen der abhängigen Variablen einstellen. Dieser Prozess kann vollständig automatisiert werden mit im digitalen Steuerungssystem programmierten Anpassungen der Einstellungen auf der Grundlage der Ein- und Ausgänge der Sensoren und Steuerungseinheiten des Reaktors. Die voreingestellten Werte werden meist im Laufe der Inbetriebnahme der Einrichtung optimiert, wenn Abfallmaterial beschickt wird und die Eigenschaften des oberen Ausgangsgases und der Schlacke gemessen werden. Das digitale Steuerungssystem wird für den stetigen Betrieb so eingestellt, damit das gewünschte Ausgangsgas und die gewünschte Schlacke bei voreingestellten Abfallmaterialbeschickungsgeschwindigkeiten gebildet werden. Abweichungen in der Zusammensetzung des Abfallmaterials äußern sich in Abweichungen der überwachten abhängigen Parameter, und das digitale Steuerungssystem oder der Bediener nehmen die erforderlichen Einstellungen der unabhängigen Variablen zur Erhaltung des stetigen Betriebs vor.
Kühlen und Waschen des oberen Ausgangsgases
Wie oben aufgeführt wurde, ist eine der Zielsetzungen des PPW-Verfahrens die Produktion von Gasbrennstoff mit spezifischen Eigenschaften (d.h. Zusammensetzung, Heizwert, Reinheit und Druck), damit er sich zum Antreiben einer Gasturbine zur Erzeugung von erneuerbarer Elektrizität eignet.
Da der Brennstoff in dem hier beschriebenen Verfahren der Pyrolyse/Vergasung von organischem Abfallmaterial produziert wird, wird es eine bestimmte Menge von Unreinheiten, Partikelanteil oder sauren Gasen geben, die für einen normalen und sicheren Betrieb von Gasturbinen nicht geeignet sind. Ein sehr vereinfachtes Vorgehen des Waschens des Ausgangsgases wurde in den Camacho-Patenten beschrieben. Hier wird ein detaillierteres und konkreteres Vorgehen vorgestellt.
Erstens wird unter der Wirkung des Vakuums eines ID-Ventilators 150 das heiße Ausgangsgas kontinuierlich aus dem Reaktor durch die Ausgangsöffnung (-öffnungen) 30 abgezogen. Dieses Gas muss vor dem Eintritt in den Kompressor und die Gasturbine zunächst abgekühlt und gewaschen werden.
Wie auf 4 zu sehen ist, wird das Synthesegas aus dem Plasmareaktor 100 zuerst durch direkte Wasserverdampfung in einem Verdampfer wie einem Quencher 130 abgekühlt. Dies ist eine einfache, verlässliche und rentable Methode. Falls aus dem Reaktor Staubpartikel austreten, werden diese aus dem Gas mithilfe eines elektrostatischen Filters 135 entfernt, der eine wirksame und verlässliche Methode zur Staubseparation darstellt. Alternativ können auch andere standardmäßigen Methoden zur Partikelentfernung (wie Venturi-Wäscher oder ein Sacktextilienfilter) verwendet werden, die Fachleuten für Gasreinigung gut bekannt sind. Alternative Ausführungen können auch eine andere Reihenfolge der einzelnen Schritte der Gaswäsche aufweisen, damit die spezifischen Eigenschaften dieser Methoden voll ausgenutzt werden können. Der Staub wird anschließend gesammelt und kann wieder in den Plasmareaktor gespeist werden, sodass die Gaswaschanlage keinerlei gefährlichen festen Abfälle produziert. Alternativ kann auch ein Schlackenkessel, ein Metall-/Stahlbehälter mit feuerfester Auskleidung, mit einem fest installiertem Plasmabogenbrenner, zur Verglasung der festen Abfälle aus der Gaswaschanlage in unausschwemmbare Schlacke verwendet werden. Es gibt Fälle, in Abhängigkeit von den Bedingungen im Betrieb und von den lokalen Vorschriften, in denen feste Abfälle aus der Gaswaschanlage zur sicheren Liquidierung versandt werden können.
Das Synthesegas wird anschließend in zwei Schritten verarbeitet: erstens werden Komponenten, wie Chlor, in einem Wäscher-Kontaktor Gas/Flüssigkeit 140 mit großer Wirksamkeit entfernt. Die Waschflüssigkeit wird zurück in den ersten Kühlabschnitt rezykliert; bei diesem Schritt entstehen auch keine Abfälle und der Wasserverbrauch ist absolut minimal. Bei diesem ersten Schritt kann Soda verwendet werden.
Bei der Verarbeitung von Abfallmaterial mit einem großen Schwefelgehalt kann Synthesegas produziert werden, das viel Schwefel enthält. Im zweiten Schritt wird eine Flüssigkeitswäsche zur Entfernung von Schwefelverbindungen aus dem Synthesegas verwendet. Schwefel im Elementarzustand ist der einzige resultierende Rest aus diesem Verfahren und dieser Schwefel kann als Düngemittel verwendet werden. Die Waschflüssigkeit wird nach einer Regenerierung zurück in das Verfahren rezykliert: in diesem Schritt entstehen keinerlei flüssigen Abfälle. Dieses Vorgehen ist gut untersucht worden und besitzt eine große Wirksamkeit, die es ermöglicht, dass das derart verarbeitete Synthesegas weiter zum Kompressor und zur Turbine geleitet werden kann.
Kompression und Einspeisen des Gasbrennstoffs
Das Synthesegas, das aus dem Abfallrohstoff hergestellt wurde, wird zu einem normalen Brennstoff für ein konventionelles Kraftwerk mit einem kombinierten Zyklus. Die Anlaufphase des Kraftwerks muss aber mit Erdgas statt finden, und danach wird auf das Synthesegas umgeschaltet. Der Gasbrennstoff muss zuerst komprimiert werden, bevor er zur Gasturbine des Kraftwerks mit einem Kombizyklus geleitet werden kann.
Das Synthesegas wird in den Kompressor 160 geleitet und wird hier auf ca. 36 bar komprimiert. Bei der Kompression erwärmt sich das Synthesegas. Das heiße, komprimierte Synthesegas wird zwischen den Stufen des Kompressors abgekühlt und nach der letzten Stufe kondensiert das Restwasser im Gas, was seinen Heizwert noch erhöht. Das aus dem Synthesegas kondensierte Wasser sammelt sich im Wasserabscheider und wird zur Verwendung bei der Vergasung rezykliert. Nach der letzten Stufe findet die Kühlung teilweise in einem Rekuperator statt, in dem die Wärme aus dem feuchten Synthesegas ins trockene Synthesegas übertragen wird. Die endgültige Kühlung findet in einem Wärmetauscher mit Kühlwasser statt.
Der Rekuperator wird verwendet, weil die zusätzliche fühlbare Wärme des Synthesegases die Wirksamkeit des kombinierten Zyklus des Kraftwerks bei einem minimalen Verbrauch an Kühlwasser im System verbessert. Die Erwärmung ist auch erforderlich, um den Gasbrennstoff weit über dem Kondensationspunkt zu erhalten, damit ein ordnungsgemäßer Betrieb des Brennstoffsystems der Gasturbine sowie seine Steuerung gewährleistet sind.
Vor dem Eintritt ins Brennstoffsystem der Gasturbine 170 wird das komprimierte, trockene Synthesegas gefiltert, damit jegliche Spurenmengen von Partikeln entfernt werden, die von der Betriebseinrichtung oder den Rohrleitungen stammen könnten.
Der Druck des Erdgases aus der lokalen Gasleitung wird auf 34 bar mithilfe eines Kolbenverdichters erhöht. Das Erdgas strömt dann durch einen standardmäßigen Filter/Separator, wo jegliche Spuren von Wassertropfen oder Festkörpern entfernt werden, und tritt in das Brennstoffsystem der Gasturbine ein.
Die Gasturbine mit einem kombinierten Zyklus erzeugt Elektrizität aus dem Gasbrennstoff, der im Plasmareaktor produziert wird. Ungefähr 25% des erzeugten Stroms wird für den Betrieb des Kraftwerks verbraucht, wie die Plasmabrenner, den Plasmareaktor, den Kompressor und verschiedene Einrichtungen, wie z.B. Pumpen, und so ist die energetische Selbstversorgung des Systems gewährleistet. Der übrige Strom wird ins lokale Stromnetz als der Ertrag des Betriebs verkauft.
Faktoren der Energieerzeugung
Wie dies in den Camacho-Patenten beschrieben ist, beinhaltet der Ertrag der Wärmeenergie (1) fühlbare Wärme und (2) Heizwärme. Die hier beschriebene Erfindung erklärt, dass die gesamthaft gewonnene Wärme ist die Summe des Wärmeinhalts des Abfallmaterials, der Wärmeenergie enthalten im Kohlenstoffkatalysator, im O₂ und in der ins System eingespeiste Luft und der Wärmeenergie aus der Plasmaerhitzung, minus die Wärmeverluste im Reaktor.
Daneben, wenn wir in Betracht ziehen, dass der Gasbrennstoff gewaschen und komprimiert werden muss, wobei jede dieser Stufen eine gewisse Energiemenge beansprucht, besitzt die gesamte Energierückgewinnung des PPVV-Betriebs mit der Kombizyklus-Turbine einen Wärmewirkungsgrad von zwischen 36% und 40%. Das Synthesegas aus dem PPVV-Verfahren enthält jedoch durchschnittlich 45–55% gasförmiges H₂. Nach der Wäsche und der Abkühlung (wie dies hier beschrieben ist) kann das H₂ vom Synthesegas mit einer Reihe von kommerziell erhältlichen Technologien getrennt werden. Die bevorzugte Ausführung nutzt eine kommerziell erhältliche Membrantechnologie, wie der Membranseparator 260, wie in 5 aufgezeigt. Das reine gasförmige H₂, das derart separiert wurde, kann gelagert und zum Verkauf abtransportiert werden. Alternativ kann das H₂ direkt in ein Brennstoffzellensystem 270 zur Herstellung von Elektrizität und Wasser im Betrieb selber eingespeist werden; dies in Erwartung einer Entwicklung von kommerziell erschwinglichen stationären Brennstoffzellen. Das Synthesegas (reich an CO), das nach der Separierung des H₂ zurückbleibt, kann zur Stromerzeugung in einem Turbogenerator 280 oder in einem anderen Gasmotor mit der Technologie eines konventionellen Wärmemotors verwendet werden.
Die Wirksamkeit des Systems kann gemäß der verwendeten Einrichtung, dem angewendeten Prozess und der Qualifizierung und Erfahrung des Bedieners variieren. Diese Erfindung beschreibt ein verbessertes Verfahren der Pyrolyse und der Vergasung in einem Plasmareaktor, dessen Ergebnis eine deutliche Einsparung an Energie bei der Plasmaerhitzung pro Tonne verarbeiteten Abfallmaterials ist. Die alten Camacho-Patente führten einen Protonnenenergieverbrauch von ca. 500 kWh/t für Siedlungsabfall auf; die gegenständliche Erfindung, sofern sie in Übereinstimmung mit allen ihren Aspekten angewendet wird, erfordert nur 150 kWh/t, es ergibt sich also eine Energieeinsparung von 350 kWh/t.
Wie hier beschrieben wird, gewährleistet das verbesserte Beschickungssystem, das verbesserte Verfahren der Plasmapyrolyse, der Vergasung und der Verglasung mit einem spezifizierten und definierten Steuerungssystem des Betriebs, das verbesserte Verfahren der Kühlung und des Waschens des Gases sowie das detailliert festgelegte Zuführen dieses Gases in ein ICG-Stromerzeugungssystem eine wirksamere Gewinnung von Wärmeenergie aus Abfallmaterial, Biomasse und anderen Rohstoffen in der Form von erneuerbarer Elektrizität sowie eine selbstversorgende Methode der Abfallliquidierung; die in diesem Verfahren erzeugte Energie macht mindestens ein Vierfaches der verbrauchten Energie aus. Das tatsächliche Verhältnis der Gesamtenergie, die zur Erzeugung von reiner Energie notwendig ist, hängt von einer Reihe von Faktoren ab, wie der Zusammensetzung des Abfallmaterials, der Konfiguration des Betriebs und der Betriebserfahrung. Diese Erfindung bietet auch ein ökologisch sicheres Verfahren zur Beseitigung von gefährlichen Abfallkomponenten an, indem eine stabile inerte verglaste Schlacke entsteht, die die fortlaufende Umwandlung von Abfall aus einer Form in eine andere durch Lagern und Verbrennen eliminiert.

Claims

Vorrichtung für die Plasmapyrolyse, Vergasung und Verglasung von Material, welche einschließt: – einen allgemein trichterförmigen Reaktor (10), der einen oberen Abschnitt (16) und einen unteren Abschnitt aufweist, wobei der untere Abschnitt einen ersten, weiteren Bereich (18) aufweist, der mit einer stumpfkegeligen Überleitung mit einem zweiten, engeren Bereich (19) verbunden ist, und der dafür ausgelegt ist, ein Kohlenstoff-Katalysatorbett (60) aufzunehmen, wobei der obere Abschnitt (16) mindestens eine Auslassöffnung (30) aufweist und mindestens zwei einander gegenüber liegende Einlassöffnungen (32, 33) für das Material aufweist und so aufgebaut ist, dass er das Material an einer Reihe von Stellen mit Bezug auf den unteren Abschnitt aufnehmen kann; – ein Gaseinlasssystem (38, 40), das um den unteren Abschnitt herum angeordnet ist, um Gas durch eine oder mehrere Einlassöffnungen (39, 41) in dem unteren Abschnitt in den unteren Abschnitt zu liefern; und – eine Vielzahl von Plasmabogenbrennern (42), die in dem unteren Abschnitt und unter dem Kohlenstoff-Katalysatorbett (60) angebracht sind, um das Kohlenstoff-Katalysatorbett und das Material zu erhitzen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend: – ein Materialzufuhrsystem (50), um dem Reaktor (10) das Material durch die Einlassöffnungen (32, 34) zuzuführen, wobei das Zufuhrsystem folgendes umfasst: – einen Behälter (52), um das Material aufzunehmen, eine Zerkleinerungs- und Verdichtungseinheit (54), die so angeordnet ist, dass sie das Material aus dem Behälter (52) aufnimmt und das Material zerkleinert und verdichtet, und eine Überführungseinheit (56), um dem Reaktor (10) das zerkleinerte und verdichtete Material zuzuführen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner ein Kohlenstoff-Katalysatorbett (60) umfassend.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei das Kohlenstoff-Katalysatorbett (60) etwa 1 Meter hoch ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, ferner eine Vielzahl von Sensoren einschließend, die in dem Reaktor (10) verteilt angeordnet sind, um folgendes zu erfassen: die Höhe des Kohlenstoff-Katalysatorbetts (60) und/oder die Höhe des Materialbetts (70), und/oder die Temperatur des Reaktors und/oder die Strömungsrate des Gases im Reaktor und/oder die Temperatur des Gases, das durch die Auslassöffnung (30) aus dem Reaktor abgegeben wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der untere Abschnitt im Boden ein oder mehrere Hahnlöcher (44) aufweist.
Vorrichtung für die Erzeugung elektrischer Energie, welche eine Vorrichtung nach Anspruch 1 umfasst und ferner folgendes umfasst: – einen Quencher oder Wärmetauscher (130), der mit der Auslassöffnung (30) verbunden ist, um einem Gas, das aus der Auslassöffnung abgegeben wird, Eigenwärme zu entziehen; – einen Wäscher (140), der mit einem Auslass des Quenchers oder Wärmetauschers (130) verbunden ist, um das Gas zu reinigen; – einen Kompressor (160), der mit einem Auslass des Wäschers (140) verbunden ist, um das Gas zu verdichten; und – eine Gasturbine (170), die mit einem Auslass des Kompressors (160) verbunden ist, um aus dem verdichteten Gas Elektrizität zu erzeugen.
Verfahren zum Umwandeln von Material, das Abfallmaterial, Biomasse oder anderes kohlenstoffhaltiges Material einschließt, durch Plasmapyrolyse, Vergasung und Verglasung unter Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Verfahren folgendes umfasst: – Bereitstellen eines Kohlenstoff-Katalysatorbetts (60) in einem unteren Abschnitt des Reaktors (10); – Liefern einer oder mehrerer aufeinander folgenden Mengen des Materials an einer Vielzahl von Stellen in einen oberen Abschnitt (16) des Reaktors (10) von mindestens zwei einander gegenüber liegenden Einlassöffnungen (32, 34), wobei der obere Abschnitt (16) mindestens eine Gasauslassöffnung (30) aufweist, die mit einem Gebläse (150) verbunden ist, wobei das Material ein Bett (70) über dem Kohlenstoff-Katalysatorbett (60) bildet; – Erhitzen des Kohlenstoff-Katalysatorbetts (60) und des Materialbetts (70) mittels einer Vielzahl von Plasmabogenbrennern (42), die im unteren Abschnitt unter dem Katalysatorbett (60) angebracht sind; und – Einführen einer vorgegebenen Menge an Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereicherter Luft in den unteren Abschnitt.
Verfahren zum Erzeugen von elektrischer Energie aus Abfallstoffen, welches das Verfahren nach Anspruch 8 einschließt und ferner folgendes einschließt: – Abkühlen des Gases, das aus der Auslassöffnung abgegeben wird; – Waschen des Gases; – Verdichten des gewaschenen Gases; und – Zuführen des verdichteten Gases, um eine Gasturbine (170) für die Erzeugung elektrischer Energie oder eine Brennstoffzelle (270) anzutreiben bzw. aufzuladen.
Verfahren zum Erzeugen von elektrischer Energie aus Abfallstoffen, welches das Verfahren nach Anspruch 8 einschließt und weiter folgendes einschließt: – Abkühlen des Gases, das aus der Auslassöffnung (30) abgegeben wird; – Waschen des Gases; – Verdichten des gewaschenen Gases; – Aufladen einer Brennstoffzelle mittels der Wasserstoffkomponente; und – Zuführen des übrigen verdichteten Gases, nach Abtrennen der Wasserstoffkomponente, zu einer Gasturbine, um elektrische Energie zu erzeugen, oder zu einer Brennstoffzelle.
Verfahren zum Erzeugen elektrischer Energie, welches das Verfahren nach Anspruch 8 einschließt, wobei das Gebläse (150) ein Induktionsgebläse ist.