DE68922310T2

DE68922310T2 - Verfahren zur herstellung gasförmiger brennstoffe.

Info

Publication number: DE68922310T2
Application number: DE68922310T
Authority: DE
Inventors: Arlin C Lewis
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1988-05-25
Filing date: 1989-05-23
Publication date: 1995-10-12
Anticipated expiration: 2009-05-24
Also published as: JP2811593B2; DK278990A; DK172824B1; DE68922310D1; IN167224B; CA1339271C; AU617486B2; EP0425506A4; EP0425506A1; WO1989011448A1; ATE121374T1; EP0425506B1; JPH03505570A; AU3686889A; MX170703B; DK278990D0

Description

1. Bereich der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht allgemein den Bereich der Technologie ein, der die Herstellung gasförmiger Brennstoffe aus der Reaktion von Wasser und kohlehaltigem Material betrifft. Spezieller bezieht die Erfindung sich auf ein verbessertes Verfahren für die Herstellung gasförmiger Brennstoffe, worin die Vergasungsreaktionen mittels eines Lichtbogens aktiviert werden.

2. Beschreibung des derzeitigen Standes der Technik

Es ist bekannt, einen gasförmigen Brennstoff, der hauptsächlich aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid besteht, mittels des Wasser-Gas-Systems herzustellen, worin man Wasser oder Dampf mit weißglühendem kohlehaltigem Material reagieren läßt. Dies wird typischerweise in einem Zwei- Schritte-Vorgang realisiert, worin ein Bett aus kohlehaltigem Material, wie etwa Koks, zuerst durch das Hindurchleiten von Luft oxidiert wird, bis das Material weißglühend wird, und, im zweiten Schritt, Dampf durch das weißglühende Material geleitet wird, uin die Gasprodukte zu erzeugen, einschließlich Wasserstoff und Kohlenmonoxid entsprechend der folgenden chemischen Gleichung:
H&sub2;O + C T H&sub2; + CO
Das Koksbett wird während des zweiten Schritts gekühlt, und der erste Schritt der Luftoxidation muß wiederholt werden, um das Bett wieder zu erhitzen.
Es ist auch bekannt, das Bett von kohlehaltigem Material elektrothermisch durch die Verwendung von Kohle- oder Graphitelektroden zu erhitzen. Dies wird verwirklicht, indem die Elektroden in Kontakt mit dem Material gebracht werden und ein ausreichendes elektrisches Potential an die Elektroden angelegt wird, wodurch Widerstandsheizen des Materials auf ausreichend erhöhte Temperaturen, die zu den Vergasungsreaktionen führen, verursacht wird. Für die Vergasungsreaktionen erforderliches Wasser wird in Form eingespritzten Dampfs ode als Wasserdampf aus einem am Boden des Reaktorkessels angeordneten Reservoir zur Verfügung gestellt. Zusätzlich zur Verwendung von Elektroden für das Widerstandsheizen ist es weiterhin bekannt, die Wasser-Gas-Reaktion durch die Verwendung eines elektrischen Lichtbogens zum Erhitzen des Materials auf die erforderlichen erhöhten Temperaturen durchzuführen.
Bekannte Verfahren für die Herstellung brennbarer Gase sind in erster Linie auf sehr spezifische kohlehaltige Materialien beschränkt, wie etwa Koks oder ähnliches, und können nicht auf die Vergasung einer Zufuhrquelle angewendet werden, die eine breite Vielfalt von kohlehaltigen Materialien umfaßt, insbesondere, wo der Gegenstand die Produktion eines sauber brennenden Gasbrennstoffs oder eines sauberen Synthesegases für Verwendung in der chemischen Industrie einbezieht. Die konventionelle Technologie hat sich für die effiziente Vergasung verschiedener Abfallprodukte, wie etwa Altbrennstoffen (RDF), sowie Abfallstoffe von Forst, Industrie oder Landwirtschaft, nicht als kommerziell erfolgreich erwiesen. Die Rückgewinnung von Energie aus diesen Materialien wird allgemein durch den Abbrennprozess mit begleitender niedriger Energie-Rückgewinnungseffizienz und Rückstandsentsorgungsproblemen vollzogen, oder durch Wirbelschichtverbrennungsprozesse, die ein Gas mit geringen kJ-Werten ergeben, wenn sie im Vergasungsprozess gefahren werden.
Die technischen und wirtschaftlichen Mängel der hier beschriebenen Technologie des derzeitigen Kenntnisstandes für die Produktion brennbarer Gase sind wohlbekannt. Es besteht ein Bedarf an einem energieeffizienten und umweltbezogen akzeptablen Verfahren für die Herstellung brennbarer Gase aus einer breiten Vielfalt von kohlehaltigem Material.
US-A-1 974 125 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung brennbarer Gase aus kohlehaltigen Materialien, umfassend die Produktion von Wasserdampf mittels eines Lichtbogens in einer Primärkammer, wobei fein verteilter fester kohlehaltiger Brennstoff durch die Lichtbogenzone fällt und die produzierten heißen gasförmigen Produkte durch einen Körper von festem kohlehaltigem Material in eine zweite Kammer zurückgezogen werden, um dieses Material zu verkohlen. Die heißen gasförmigen Produkte verlassen die Primärkammer dort, wo die Lichtbogenzone angeordnet ist. Es besteht kein Wärmeaustausch zwischen diesen gasförmigen Produkten und dem eintretenden Material in der Primärkammer.
Alle gasförmigen Produkte werden in die zweite Kammer verbracht, und es besteht kein Rückfluß. Dieses Verfahren ist auch beschränkt auf spezifische kohlehaltige Materialien wie etwa Torf, Späne, Koksstaub, Holzkohlepulver und ähnliches.
US-A-1 146 776 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung brennbarer Gase aus einem kohlehaltigen Material in einem kontinuierlichen Prozeß durch Befüllen eines ersten Kessels mit "vordestilliertem" kohlehaltigem Material, durch Einblasen von Luft in diesen ersten Kessel, um das kohlehaltige Material zu oxidieren, um es bis auf Weißglut zu erhitzen, und durch das Einführen von Dampf in den ersten Kessel, so daß Luftoxidation und die Reaktion gleichzeitig durchgeführt werden. Die exothermisch erzeugte Hitze der Luftoxidation stellt die benötigte Wärmeenergie für die Aufrechterhaltung der endothermischen Wasser-Gas-Reaktion zur Verfügung. Durch die Kombination dieser Schritte der Gaserzeugung wird das Verdünnen des Gasprodukts mit Stickstoff, der in der Luft enthalten ist, die in den ersten Kessel geblasen wird, um Wärme zur Verfügung zu stellen, verwirklicht. Ein zweiter Kessel ist vorgesehen, in dem die Destillation oder Verkohlung eines kohlehaltigen Ausgangsmaterials durchgeführt wird, wobei die ungebundene Wärme eines Teils oder des gesamten heißen Gases, das im ersten Kessel erzeugt wird, genutzt wird. Der zweite Kessel wird erwärmt, indem heißes Gas aus dem ersten Kessel direkt gegen und aufwärts um das Äußere des zweiten Kessels herum geleitet wird, um für Wärmetransfer durch die Außenwand des zweiten Kessels zu sorgen. Der zweite Kessel dieses Patents ist nur eine "Destillierkammer", in der ungesiebte Kohle nach oben verbracht und heißes Gas aus dem ersten Kessel benutzt wird, um den Kessel zu heizen, indem das Gas entlang der Außenseite des letzteren geleitet wird. Der Prozeß im zweiten Kessel ist nicht ein "Raffinieren" von im ersten Kessel produziertem Gas, wie in der vorliegenden Erfindung beabsichtigt.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG.

Ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zur effektiven Herstellung gasförmiger Brennstoffe durch die Vergasung einer breiten Vielfalt kohlehaltiger Materialien.
Ein anderer Gegenstand der Erfindung ist die Bereitstellung eines verbesserten Systems zur effizienten Vergasung einer Vielfalt kohlehaltiger Materialien, worin die chemischen Vergasungsreaktionen sowohl photochemisch als auch elektrothermisch aktiviert werden.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Bereitstellung eines Systems für die Vergasung kohlehaltiger Materialien mittels der Verwendung elektrischer Energie für die photochemische und elektrothermische Aktivierung der Vergasungsreaktionen,
des Bereitstellens einer primären Reaktionskammer und des Aufrechterhaltens einer ersten Lichtbogenzone am Boden der Primärkammer, des Bereitstellens einer Wasserzufuhr in der Lichtbogenzone, und des Bereitstellens zumindest einer sekundären Reaktionskammer, die ein weißglühendes Koksbett umfaßt, wobei jede Kammer eine vertikale Konfiguration aufweist;
des Einfüllens von kohlehaltigem Material in den oberen Bereich der Primärkammer und des kontinuierlichen Bewegens des kohlehaltigen Materials nach unten durch die Primärkammer und in Kontakt mit der Lichtbogenzone, um die Vergasung des Materials elektrothermisch und photochemisch zu aktivieren und daraus ein Rohstoffgas herzustellen;
des Aufrechterhaltens eines hauptsächlich konstanten Volumenniveaus von kohlehaltigem Material über der ersten Lichtbogenzone und des Weiterleitens des Rohstoffgases nach oben durch das sich nach unten bewegende kohlehaltige Material in gegenläufigem Wärmeaustausch damit, um die Pyrolyse des eintretenden Materials zu initiieren und ein kondensierbares und ein nicht-kondensierbares Produkt zu erzeugen;
des Entfernens des Rohstoffgases und des nicht-kondensierbaren Produkts aus dem oberen Bereich der Primärkammer und des Einführens derselben in die Sekundärkammer;
des Rückleitens des kondensierbaren Produkts mit dem nach unten strömenden kohlehaltigen Material in Richtung des Bodens der Primärkammer;
des Aufrechterhaltens einer zweiten Lichtbogenzone an der Oberseite des weißglühenden Koksbetts;
des Unterwerfens des in die Sekundärkammer eingeführten Rohstoffgases an die elektrothermischen und photochemischen Auswirkungen der zweiten Lichtbogenzone; und
des anschließenden Weiterleitens des Rohstoffgases und des nicht-kondensierbaren Produkts durch das weißglühende Koksbett in die zweite Kammer, um ein raffiniertes Gasprodukt zu erzeugen, das hauptsächlich aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid besteht.
Wird ein permanenter Lichtbogen an den Elektroden aufrechterhalten, erzeugt die intensive Hitze des Bogens eine "Bogentasche" in der zugeführten Befüllung an der Lichtbogenzone, wobei die nach unten zugeführte Befüllung an der Peripherie der Tasche sowie die Gase und Dämpfe innerhalb der Tasche den thermischen und photochemischen Effekten des Bogens ausgesetzt werden.
Die daraus resultierenden Reaktionen in der Lichtbogenzone und im unteren Bereich der Befüllung produzieren ein Rohstoffgas, das nach oben durch die sich nach unten bewegende Befüllung in gegenläufigem Wärmeaustausch damit aufsteigt, so daß die frühen Pyrolysephasen ungefähr in der Mitte der Höhe der Befüllung initiiert werden. Dadurch werden die Produkte einer teilweisen Pyrolyse den sich nach oben bewegenden Gasen zugefügt. Die Pyrolyseprodukte umfassen brennbare Gase, Kohlendioxid, und kondensierbare Produkte einschließlich Teeren und Gums. Die Teere und Gums schlagen sich auf den kühlen eintretenden Befüllungspartikeln nieder und werden in die Reaktionszonen weiter unten im Reaktor rückgeführt. Die nicht-kondensierbaren gasförmigen Produkte und das Kohlendioxid werden vollständig durch die Befüllung geleitet und werden Teil des Rohstoffgases, das aus dem oberen Bereich des Reaktors entfernt wird.
Das Rohstoffgas wird hiernach in den oberen Bereich eines Sekundärreaktors geleitet, in welchem sich eine Koksbefüllung befindet. Das Rohstoffgas aus dem Primärreaktor wird zunächst den elektrothermischen und photochemischen Effekten des Lichtbogens unterworfen und danach nach unten durch die weißglühende Koksbefüllung geleitet, zwecks weiterer Reaktion und anschließender Entfernung vom Boden des Sekundärreaktors in Form eines raffinierten Gasprodukts, das sich in der Hauptsache aus Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Methan zusammensetzt.
Die Erfindung betrifft auch ein Gerät für die Durchführung des Verfahrens zur Herstellung gasförmiger Brennstoffe gemäß dem obengenannten Verfahren.
Die Erfindung betrifft folglich ein Gerät, umfassend einen Primärreaktor mit einer vertikalen Reaktionskammer, einem Paar Elektroden am Boden der Kammer zur Erzeugung einer Lichtbogenzone von ausreichender Intensität für die elektrothermische und photochemische Aktivierung der Vergasung der kohlehaltigen Materialien, und ein Wasserreservoir, das unterhalb der Lichtbogenzone angeordnet ist, sowie Mittel für das Anlegen eines elektrischen Potentials über die Elektroden im Primärreaktor; gekennzeichnet durch Mittel, angeordnet im oberen Bereich der Kammer, für die Aufrechterhaltung eines hauptsächlich konstanten Volumenniveaus von kohlehaltigem Material in der Reaktionskammer; einen Sekundärreaktor mit einer Reaktionskammer von vertikaler Konfiguration, einschließlich eines hierin angeordneten Koksbetts, einer Elektrode, die sich in den oberen Bereich der Kammer erstreckt und einen Abstand zu dem Koksbett aufweist, um einen Lichtbogen damit zu erzeugen, und einer Elektrode, angeordnet am Boden der Kammer, in elektrischer Verbindung mit dem Koksbett; Mittel für das Anlegen eines elektrischen Potentials über die Elektroden in der Sekundärkammer; einem Abzug für das Entfernen von Rohstoffgas aus dem oberen Bereich des Primärreaktors und das Einführen desselben in den oberen Bereich des Sekundärreaktors; und einen Abzug für das Entfernen von raffiniertem Gasprodukt vom Boden des Sekundärreaktors.
Andere Gegenstände, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden hiernach aus der folgenden detaillierten Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform davon in Zusammenhang mit der beigefügten Zeichnung deutlich.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Die einzige Zeichnung ist eine schematische Darstellung eines Geräts, das für die Praxis einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verwendet wird.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

In Übereinstimmung mit der Praxis der Erfindung wird eine Befüllung einheitlicher oder unterschiedlicher kohlehaltiger Abfallstoffe einem Lichtbogen ausgesetzt, der einen thermischen und photochemischen Abbau der Materialien verursacht. Der Lichtbogen ist von ausreichender Intensität, um die Erzeugung radikaler Gattungen durch homolytische Bindungsspaltung zu verursachen. Die Materialien enthalten Kohlenwasserstoffe, Kohlehydrate und reichlich Wasser. All diese Moleküle werden zu Radikalen homolysiert, wobei Wasserhomolyse aufgrund des hohen Wasserstoffgehalts des Gasprodukts eine der dominierenden Reaktionen ist. Die Wasserhomolysereaktion bildet Hydroxylradikale und Wasserstoffatome, wie in der folgenden Gleichung dargestellt:
H&sub2;O + hv T Hº + HOº
Diese Reaktion produziert ein potentes Reduktionsagens im Wasserstoffatom und ein potentes Oxidationsmittel im Hydroxylradikal. Beide Vertreter dieser Art reagieren rasch mit den kohlehaltigen Materialien, um zusätzliche radikale Gattungen zu erzeugen. Das Nettoergebnis dieser Reaktionen ist die Umwandlung der Kohlenwasserstoff- und Kohlehydratmaterialien mit relativ hohem Molekulargewicht in der Befüllung in Gasprodukte mit niedrigem Molekulargewicht, in erster Linie Kohlenmonoxid und molekularen Wasserstoff. Dies geschieht durch das Aufbrechen der Bindungen zwischen Kohlenstoffatomen in den Materialien und der Bildung von Bindungen zwischen Kohlenstoff und Sauerstoff, und zwischen zwei Wasserstoffatomen.
Ein anderer wichtiger Aspekt der Erfindung beruht auf der Kettenreaktionsnatur der Chemie. Die anfänglich durch den Lichtbogen gebildeten Radikale bilden ihrerseits durch Reaktion mit den Befüllmaterialien in einer Kettenreaktion zusätzliche Radikale. Es liegt in der Natur solcher Radikale, daß sie nicht nur in der Lage sind, mit den Befüllmaterialien zur Erzeugung neuer Radikale zu reagieren, sondern daß sie auch untereinander reagieren können. Die Kombination zweier Wasserstoffatome für die Bildung von Wasserstoffmolekülen ist repräsentativ für den Radikalen-Rekombinationsprozeß, der seinerseits zu einer Nettoreduktion der Anzahl von Radikalen führt.
Der gesamte Prozeß kann in drei Schritte aufgeteilt werden, einschließlich der Anfangsphase, worin die Anzahl von Radikalen steigt, der Ausbreitungsphase, worin die Anzahl von Radikalen in der Hauptsache gleichbleibt, obwohl die Natur der Radikale sich ändern kann, und der Endphase, worin die Anzahl von Radikalen sich verringert. In der Praxis der Erfindung spielt sich die Anfangsphase in der Lichtbogenzone ab, in welcher das durch den Lichtbogen bereitgestellte Licht und die elektrothermische Energie chemische Bindungen in den Befüllmaterialien und Wassermolekülen, die bei der Produktion von Radikalen aufgebrochen werden sollen, erzeugen. Diese Radikale reagieren mit anderen Befüllmaterialien, um noch mehr Radikale zu bilden und das Aufbrechen weiterer chemischer Bindungen in der Ausbreitungsphase zu verursachen, bis die Materialien auf relativ kleine Moleküle reduziert sind. In dem Maße, wie die Materialien durch Umwandlung in Verbindungen mit niedrigerem Molekulargewicht verbraucht werden, sinkt die Erzeugungsrate von neuen Radikalen. Die Radikale werden durch Rekombination zerstreut, wobei sie in der Endphase die Produktbildung bewirken.
Unter Verweis auf die einzige Zeichnung ist dort ein in der Praxis einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verwendetes Gerät 1 schematisch dargestellt. Das Gerät 1 umfaßt einen Primärreaktor 3, bestehend aus einem äußeren Stahlgehäuse 5 und einem Innenfutter 7 aus feuerfestem Normalstein oder ähnlichem Material, welche gemeinsam eine Reaktionskammer 9 von vertikaler Konfiguration definieren. Der Boden der Kammer 9 bildet ein Reservoir 10, das mittels einer mit einem Ventil versehenen Wasserzufuhrleitung 13 mit einer kontrollierten Wassermenge 11 befüllt wird. Am Boden der Kammer 9 ist auch eine mit einem Ventil versehene Ablaßöffnung 15 für das Entfernen von Asche angebracht. Ein Paar gegenüberliegender Kohleelektroden 17 und 19 ist verschiebbar durch geeignete Achszapfen 21 beziehungsweise 23 unterstützt, so daß die entsprechenden Enden der Elektroden 17 und 19 innerhalb der Kammer 9 und gerade über dem Wasserpegel 11 angeordnet sind. Die Achszapfen 21 und 23 sind mit geeigneten Gasdichtungen versehen. Die Elektroden 17 und 19 sind mit jeweiligen elektrischen Verbindungen 25 und 29 für den Anschluß an eine geeignete elektrische Energiequelle versehen.
Der obere Bereich der Reaktionskammer 9 ist mit einem Befüllmechanismus 30 versehen, der einen Befülltrichter 31 umfaßt, welcher kohlehaltige Materialien 33 aufnimmt und mittels eines geeigneten Fördermittels 35, wie etwa einer Förderschnecke oder ähnlichem, das sich innerhalb einer Führung 36 befindet, der Kammer 9 zuführt. Der Mechanismus 30 wird durch einen Motor 37 bedient, der seinerseits durch einen Sensor 39 kontrolliert wird, der in einer geeigneten Position, benachbart dem oberen Bereich der Kammer 9, angebracht ist. Der Sensor 39 kann von einem beliebigen, dem Stand der Technik nach bekannten und für die Praxis der Erfindung, wie hierin beschrieben, als geeignet eingeschätzten Typ sein. Auf diese Weise kann der gewünschte Höhenpegel von kohlehaltigen Materialien 33, die in die Kammer 9 geleitet werden, durch den Sensor 39 konstant überwacht und durch den Mechanismus 30 aufrechterhalten werden. Trichter 31, Fördermittel 35 und Führung 36 definieren gemeinschaftlich eine Gasdichtung, wenn Materialien 33 sich darin befinden und komprimiert werden.
Der Primärreaktor 3 umfaßt auch eine Ausstoßleitung 41 für Rohstoffgas. In Reaktor 3 erzeugtes Rohstoffgas wird durch die Leitung 41 zum oberen Bereich eines Sekundärreaktors 45 geleitet, der dem Reaktor 3 in Bau und Konfiguration entspricht. Der Sekundärreaktor 45 kann auch aus einem äußeren Stahlgehäuse 47 und Innenfutter 49 aus feuerfestem Normalstein bestehen, die gemeinsam eine Reaktionskammer 51 von vertikaler Konfiguration definieren.
Der obere Bereich des Sekundärreaktors 45 ist mit einer einzigen Kohleelektrode 53 versehen, die verschiebbar innerhalb eines geeigneten Gasdichtungs-Achszapfens 55 montiert ist, so daß das Ende der Elektrode 53 innerhalb der Kammer 51 auf einer gewünschten Höhe positioniert werden kann. Der obere Bereich des Reaktors 45 ist auch mit einem Befüllmechanismus 56 einschließlich eines Trichters 57 und einem geeigneten Fördermittel 59, angetrieben durch einen Motor 61, versehen. In diesem Fall sollte der Trichter 57 ein geeignetes Verschlußsystem für die Bereitstellung einer Gasdichtung umfassen, so daß verhindert wird, daß Gas durch den Mechanismus 56 entweicht, insbesondere während des Beladevorgangs desselben. Der Trichter 57 wird mit Koks gefüllt, der der Kammer 51 zugeführt wird, so daß ein Koksbett 63 mit einem konstanten Höhenpegel innerhalb der Kammer 51 aufrechterhalten werden kann. Wie dargestellt, ist das freie Ende der Elektrode 53 mit einem gewünschten Abstand zum oberen Pegel des Koksbetts 63 angebracht, um die Erzeugung eines Lichtbogens dazwischen zu gestatten, wie im folgenden beschrieben.
Der untere Bereich des Reaktors 45 ist mit einem Block 65 aus Kohlematerial versehen, der in elektrischem Kontakt mit dem Koksbett 63 angeordnet ist. Der Kohleblock 65 wird durch eine Metallklammer 67 und einen geeigneten Erdungsanschluß 68 an Ort und Stelle gehalten und elektrisch geerdet. Entsprechend ist auch die Elektrode 53 mit einem Elektroanschluß 69 versehen. Wird mit einer passenden elektrischen Energiequelle ein elektrisches Potential über die Anschlüsse 67 und 69 angelegt, findet Bogenbildung zwischen dem Ende der Elektrode 53 innerhalb der Kammer 51 und der Oberseite des Koksbetts 63 statt. Gleichzeitig findet auch Widerstandsheizen in der gesamten Höhe des Koksbetts 63 statt. Eine Gasprodukt-Ausstoßleitung 71 ist im unteren Bereich des Reaktors 45 für das Entfernen von raffinierten gasförmigen Brennstoffen hieraus angebracht. Die Leitung 71 ist vorzugsweise mit einem geeigneten Steuerventilmittel 73 darin versehen. Auch ist ein mit einem Ventil versehener Ablaßschieber 75 für das Entfernen von Asche im untersten Bereich des Reaktors 45 vorgesehen.
Die Reaktoren 3 und 45 sind in aufrechter Position schematisch dargestellt, gestützt durch Metallbeine 77 beziehungsweise 79, oder mittels anderer geeigneter und bekannter Stützmittel.

BETRIEBSABLAUF

Die Praxis der Erfindung in der Bedienung von Gerät 1 wird nun unter Verweis auf die Zeichnung beschrieben. Der Befüllmechanismus 30 wird zum Befüllen und Aufrechterhalten eines gewünschten Pegels von kohlehaltigen Materialien 33 in der Reaktionskammer 9 des Primärreaktors 3 verwendet. In dem Maße, wie Materialien 33 während der Reaktion verbraucht werden, aktiviert der Sensor 39 den Befüllmechanismus 30, um Materialien 33 nachzufüllen, wobei stets ein konstanter Pegel hiervon in der Kammer 9 aufrechterhalten wird. Das Vorhandensein der Materialien 33 innerhalb von Trichter 31 und Führung 36 des Mechanismus 30 dienen zur Bildung einer Gasdichtung und verhindern damit das Entweichen von Reaktionsgasen durch den Mechanismus 30. Der Wasserpegel 11 am Boden der Kammer 9 wird etwa 2,45 bis 7,62 cm unter dem zwischen den einander gegenüberliegenden Enden der Elektroden 17 und 19 erzeugten Lichtbogen aufrechterhalten, wobei dieser Pegel durch die Zufuhrleitung 13 aufrechterhalten wird, wenn das Wasser durch den Lichtbogen verdampft wird.
Die Vergasungsreaktion wird durch das Anlegen eines elektrischen Potentials über die Elektroanschlüsse 25 und 29 innerhalb des Bereichs von etwa 40 bis 120 Volt initiiert, was, wenn es an den Elektroden 17 und 19 aufrechterhalten wird, einen konstanten Lichtbogen zwischen diesen erzeugt. Die intensive Hitze des Lichtbogens erzeugt und erhält eine Lichtbogenzone aufrecht, die durch eine "Bogentasche" in der Befüllung mit Materialien 33 definiert wird, welche in der Zeichnung allgemein mit P angedeutet wird. Die Materialien 33 an der Peripherie der Tasche P und die innerhalb der Tasche P erzeugten Gase und Dämpfe werden den resultierenden thermischen und photochemischen Effekten des Lichtbogens ausgesetzt. Der Lichtbogen strahlt Licht von hoher Intensität im Wellenbereich zwischen 100 nm und 600 nm aus und erzeugt dabei Lichtbogeneffekte, die energiereich genug sind, um die Erzeugung radikaler Arten durch homolytische Bindungsspaltung auf die hier vorangehend beschriebene Weise zu verursachen.
Zusätzlich zu den in den Materialien 33 vorhandenen Kohlenwasserstoffen und Kohlehydraten findet sich auch reichlich Wasser 11, das vom Reservoir 10 am Boden der Kammer 9 verdampft wird, wobei Wasserhomolyse eine der vorherrschenden Reaktionen innerhalb der Bogentasche P darstellt, was zur Bildung von Hydroxylradikalen und Wasserstoffatomen in Übereinstimmung mit der vorangehend angedeuteten Reaktionsgleichung führt. Das Hydroxylradikal als potentes Oxidationsmittel und das Wasserstoffatom als potentes Reduktionsagens wirken als Gattungen, die rasch mit heißen kohlehaltigen Materialien 33 reagieren, um zusätzliche radikale Gattungen zu erzeugen. Diese Radikalen nehmen ihrerseits an Kettenreaktionen teil, die, in den zuvor beschriebenen drei aufeinanderfolgenden Phasen, zur Bildung neuer und kleiner Moleküle durch Kohlenbindungsspaltung dienen. Das Nettoergebnis ist der nahezu vollständige Abbau und die Umwandlung der kohlehaltigen Materialien 33 in die einfache Kohlenstoffverbindung, Kohlenmonoxid (CO). Die in den Vorgang einbezogenen Wasserstoffatome verbinden sich zur Erzeugung von Wasserstoffmolekülen.
Diese Reaktionen finden im unteren Bereich der Kammer 9 statt, in deren Richtung sich die Materialien 33 während ihres Verbrauchs kontinuierlich bewegen. Die durch den Lichtbogen produzierten Gase steigen nach oben durch die sich nach unten bewegenden Materialien 33 in gegenläufigem Wärmeaustausch damit, wobei die frühe Phase eines Pyrolyseprozesses bei etwa der mittleren Pegelposition der Materialien innerhalb der Kammer 9 initiiert wird. Die Produkte des Pyrolyseprozesses umfassen Kohlendioxid, Teere und Gums, die dazu neigen, sich auf den kühlen einströmenden Materialien 33 niederzuschlagen. Das resultierende Rohstoffgas von Primärreaktor 3, das im oberen Bereich der Kammer 9 gesammelt wird, enthält, in absteigender Mengenordnung, Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Methan und Spuren von C&sub2;- bis C&sub6;-Kohlenwasserstoffverbindungen. Zudem beinhaltet das Gasprodukt typischerweise diejenigen Teer- und Gummengen, die nicht wieder auf den kühlen einströmenden Materialien 33 abgelagert wurden und kann, weiterhin, auch feine einströmende Partikel von Materialien 33 aus dem Befüllmechanismus 30 mitreißen.
Das im Primärreaktor 3 produzierte Rohstoffgas ist generell wegen seines hohen (etwa 10%) Kohlendloxidgehalts, des Gehalts an Teeren und Gums und mitgerissener feiner Partikel kohlehaltiger Materialien 33 nicht für direkten Gebrauch geeignet. Beispielsweise setzt sich ein typisches Rohstoffgas aus dem Primärreaktor 3, mit Holzabfall als hauptsächlicher Befüllung mit kohlehaltigen Materialien 33 beschickt, aus den folgenden Komponenten zusammen: KOMPONENTE MOL-% Wasserstoff Kohlenmonoxid Kohlendioxid Methan Ethan Propan Stickstoff Isobutan Hexane Plus
Der berechnete Brutto-kJ-Gehalt des obigen Rohstoffgases beträgt etwa 353, wodurch es als mittleres kJ- Brennstoffgas qualifiziert ist. Das Raffinieren dieses Rohstoffgases wird durch Entfernen des Gases aus dem oberen Bereich der Kammer 9 durch die Ablaßleitung 41 und das Leiten des Gases in den oberen Bereich des Sekundärreaktors 45 vervollständigt. Ein Bett aus Kokspartikeln 63 wird innerhalb der Reaktionskammer 51 des Reaktors 45 auf einem konstanten Pegel gehalten. Wird ein elektrisches Potential innerhalb des Bereichs von etwa 40 bis 120 Volt über die Elektroanschlüsse 67 und 69 des Kohleblocks 65 beziehungsweise der Elektrode 53 angelegt, so wird ein konstanter Lichtbogen zwischen dem Ende der Elektrode 53 und der Oberseite des Koksbetts 63 aufrechterhalten, unter gleichzeitigem Widerstandsheizen im gesamten Koksbett 63. Dies verursacht das Aufheizen des Betts 63 auf Weißglut. Rohstoffgas aus Leitung 41 tritt in die Kammer 51 ein und wird zunächst den elektrothermischen und photochemischen Effekten des Lichtbogens unterworfen und danach zur weiteren Reaktion durch das weißglühende Koksbett 63 nach unten geleitet. Dies führt zu einer Reduktion des Kohlendioxidgehalts auf etwa die Hälfte oder weniger als die Hälfte seines ursprünglichen Prozentsatzes, wobei der an dieser Reaktion beteiligte Kohlenstoff vom Aufbrechen der im Rohstoffgas von Primärreaktor 3 enthaltenen Teere, Gums und feinen Partikeln der kohlehaltigen Materialien stammt, wie auch vom weißglühenden Koksbett 63. Das raffinierte Gasprodukt von Reaktor 45 wird durch die Ausstoßleitung 71 zur Bevorratung und Verwendung entfernt. Die Zusammensetzung des raffinierten Gasprodukts mit Holzabfällen als Zufuhrmaterial hat folgendes ergeben: KOMPONENTE MOL-% Wasserstoff Kohlenmonoxid Kohlendioxid Methan Ethan Propan Stickstoff Isobutan Hexane Plus
Zusätzlich zu Obigen führten andere Testläufe mit Gerät I bei der Verwendung von Autoreifen und Petroleumkoks als hauptsächliche kohlehaltige Materialien 33 zu raffinierten Gasprodukten mit den folgenden Zusammensetzungen: KOMPONENTE AUTOREIFEN MOL-% PETROLEUMKOKS MOL-% Wasserstoff Kohlenmonoxid Kohlendioxid Methan Ethan Propan Stickstoff Isobutan Hexane Plus
Der CO&sub2;-Gehalt des Gasprodukts wird im Sekundärreaktor 45 gemäß der folgenden chemischen Reaktion gesenkt
CO&sub2; + C T 2CO
Wie zuvor angedeutet, kann der Kohlenstoff für diese Reaktion von den Teeren, Gums und feinen mitgerissenen Partikeln von kohlehaltigem Material 33 im Rohstoffgas aus dem Primärreaktor 3 stammen, oder vom weißglühenden Koksbett im Sekundärreaktor 45. Die elektrothermischen und photochemischen Effekte des Lichtbogens sorgen für die Aktivierung von Wasserdampf und organischen Radikalen. Diese aktivierten Gattungen und das weißglühende Koksbett 63 sind an den abschließenden Raffinierungsreaktionen innerhalb von Reaktor 45 beteiligt, welche ein raffiniertes Gasprodukt ergeben, das überwiegend aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid besteht, mit niedrigen Anteilen von CO&sub2;, CH&sub4; und geringeren Anteilen von anderen Bestandteilen, wie etwa C&sub2; bis C&sub6;-Kohlenwasserstoffverbindungen. Der Sekundärreaktor 45 wirkt daher als Raffinierungseinheit für die Bereitstellung eines raffinierten Gasprodukts, das als sauber brennendes mittleres kJ-Brennstoffgas oder als synthetisches Gas für Anwendung in der chemischen Industrie verwendbar eingeschätzt wird.
Die Erfindung kann weiter an die Verarbeitung und Vernichtung gefährlicher, Krankenhaus- und verschiedener Typen chemischer Abfallstoffe angepaßt werden. Solche Zufuhrmaterialien würden demselben Grad von zerlegendem Abbau unterzogen wie die hier zuvor beschriebenen Materialien. Für besonders gefährliche Abfallstoffe kann ein Tertiärreaktor für weiteres Raffinieren mit dem Sekundärreaktor 45 in Serie verbunden sein. Ein derartiger Tertiärreaktor wird dieselben strukturellen und funktionellen Eigenschaften wie der Sekundärreaktor 45 haben und sein eintretendes Gasprodukt von der Ausstoßleitung 71 von Reaktor 45 erhalten. Der Tertiärreaktor kann als Sicherheits-Reservevorrichtung für das Aufspalten jeglicher restlicher gefährlicher Verbindungen, die durch geeignete Überwachungsvorrichtungen in der Ausstoßleitung von Reaktor 45 entdeckt werden, dienen.
Wassergleichgewicht ist ein wichtiger Faktor im Betrieb von Gerät 1. Beispielsweise enthält Holzabfall als kohlehaltiges Zufuhrmaterial normalerweise bis zu 55% Wasser, eine Menge, die weit über der für effiziente Vergasung benötigten stöchiometrischen Menge liegt. Entsprechend kann Holzabfall vor seinem Einfüllen in Gerät 1 getrocknet werden. Sonst kann der Koksverbrauch im Sekundärreaktor 45 höher als erwünscht sein. Ähnliche Überlegungen gelten auch für Altbrennstoffe (RDF). Zudem erscheint bei der Vergasung von hoch schwefelhaltiger Kohle der Schwefel im Gasprodukt als Wasserstoffsulfid, das durch konventionelle Verfahren aus dem Gas entfernt werden kann, um ein kommerzielles Schwefelnebenprodukt herzustellen. Das behandelte Gas ist ein sauber brennender Brennstoff, geeignet für die Verbrennung in Stromerzeugungsanlagen. Auf diese Weise stellt die Erfindung ein effizientes Mittel für die Verarbeitung von hoch schwefelhaltiger Kohle dar, da konventionelle Gichtgas-Verarbeitungskosten und Umweltverschmutzung deutlich reduziert oder ausgeschaltet werden.

Claims

1. Ein Verfahren zur Herstellung gasförmiger Brennstoffe, welche hauptsächlich Wasserstoff und Kohlenmonoxid aus kohlehaltigen Materialien beinhalten, umfassend die Schritte:

a) des Bereitstellens einer primären Reaktionskammer und des Aufrechterhaltens einer ersten Lichtbogenzone am Boden der Primärkammer, des Bereitstellens einer Wasserzufuhr in der Lichtbogenzone, und des Bereitstellens zumindest einer sekundären Reaktionskammer, die ein weißglühendes Koksbett umfaßt, wobei jede Kammer eine vertikale Konfiguration aufweist;

b) des Einfüllens von kohlehaltigem Material in den oberen Bereich der Primärkammer und des kontinuierlichen Bewegens des kohlehaltigen Materials nach unten durch die Primärkammer und in Kontakt mit der Lichtbogenzone, um die Vergasung des Materials elektrothermisch und photochemisch zu aktivieren und daraus ein Rohstoffgas herzustellen;

gekennzeichnet durch die Schritte:

c) des Aufrechterhaltens eines hauptsächlich konstanten Volumenniveaus von kohlehaltigem Material über der ersten Lichtbogenzone und des Weiterleitens des Rohstoffgases nach oben durch das sich nach unten bewegende kohlehaltige Material in gegenläufigem Wärmeaustausch damit, um die Pyrolyse des eintretenden Materials zu initiieren und ein kondensierbares und ein nicht-kondensierbares Produkt zu erzeugen;

d) des Entfernens des Rohstoffgases und des nicht-kondensierbaren Produkts von dem oberen Bereich der Primärkammer und des Einführens derselben in die Sekundärkammer;

e) des Rückleitens des kondensierbaren Produkts mit dem nach unten strömenden kohlehaltigen Material in Richtung des Bodens der Primärkammer;

f) des Aufrechterhaltens einer zweiten Lichtbogenzone an der Oberseite des weißglühenden Koksbetts;

g) des Unterwerfens des in die Sekundärkammer eingeführten Rohstoffgases an die elektrothermischen und photochemischen Auswirkungen der zweiten Lichtbogenzone;

und

h) des anschließenden Weiterleitens des Rohstoffgases und des nicht-kondensierbaren Produkts durch das weißglühende Koksbett in die zweite Kammer, um ein raffiniertes Gasprodukt zu erzeugen, das hauptsächlich aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid besteht.

2. Das Verfahren, wie in Anspruch 1 beansprucht, des weiteren gekennzeichnet durch den Schritt des Erhitzens des Koksbetts im zweiten Reaktor auf Weißglut durch eine Kombination von Lichtbogen- und elektrischer Widerstandsheizung.

3. Das Verfahren, wie in jedem der vorangehenden Ansprüche beansprucht, des weiteren gekennzeichnet durch den Schritt des Aufrechterhaltens des Koksbetts auf einem hauptsächlich konstanten Volumenniveau in der Sekundärkammer.

4. Das Verfahren, wie in jedem der vorangehenden Ansprüche beansprucht, des weiteren gekennzeichnet durch die Schritte:

des Bereitstellens eines Tertiärreaktors von vertikaler Konfiguration, umfassend ein weißglühendes Koksbett; und

des Weiterleitens des raffinierten Gasprodukts vom Sekundärreaktor durch das weißglühende Koksbett des Tertiärreaktors zur Herstellung eines endgültigem Gasprodukts.

5. Eine Vorrichtung zur Herstellung gasförmiger Brennstoffe, welche hauptsächlich Wasserstoff und Kohlenmonoxid aus kohlehaltigen Materialien beinhalten, umfassend:

einen Primärreaktor (3) mit einer vertikalen Reaktionskammer (5), ein Paar Elektroden (17, 19) am Boden der Kammer zur Erzeugung einer Lichtbogenzone von ausreichender Intensität für die elektrothermische und photochemische Aktivierung der Vergasung der kohlehaltigen Materialien, und einen Wasserbehälter (10), der unterhalb der Lichtbogenzone angeordnet ist, sowie Mittel (25, 29, 69) für das Anlegen eines elektrischen Potentials über die Elektroden im Primärreaktor;

gekennzeichnet durch Mittel (39), angeordnet im oberen Bereich der Kammer, für die Aufrechterhaltung eines hauptsächlich konstanten Volumenniveaus von kohlehaltigem Material in der Reaktionskammer (5);

einen Sekundärreaktor (45) mit einer Reaktionskammer (47) von vertikaler Konfiguration, einschließlich eines hierin angeordneten Koksbetts (63), einer Elektrode (53), die sich in den oberen Bereich der Kammer erstreckt und einen Abstand zu dem Koksbett aufweist, um einen Lichtbogen damit zu erzeugen, und einer Elektrode (65), angeordnet am Boden der Kammer (65), in elektrischer Verbindung mit dem Koksbett;

Mittel für das Anlegen eines elektrischen Potentials über die Elektroden (53, 65) in der Sekundärkammer;

einem Abzug (41) für das Entfernen von Rohstoffgas aus dem oberen Bereich des Primärreaktors und das Einführen desselben in den oberen Bereich des Sekundärreaktors; und

einen Abzug (71) für das Entfernen von raffiniertem Gasprodukt vom Boden des Sekundärreaktors.

6. Die Vorrichtung, wie in Anspruch 5 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel für das Aufrechterhalten eines hauptsächlich konstanten Volumenniveaus von kohlehaltigem Material im Primärreaktor einen Befüllmechanismus (30) für das Einführen kohlehaltiger Materialien in den oberen Bereich des Primärreaktors umfassen, und Mittel (39) für das Erfassen des Volumenniveaus kohlehaltiger Materialien in der Reaktionskammer und das Aktivieren des Befüllmechanismus, sobald das Niveau unter einen vorher festgelegten Wert sinkt.

7. Die Vorrichtung, wie in Anspruch 5 oder 6 beansprucht, weiter gekennzeichnet durch Mittel (56) für das Aufrechterhalten des Koksbetts im Sekundärreaktor auf einem hauptsächlich konstanten Volumenniveau.