DE69534579T2

DE69534579T2 - Festbettvergaser und Verfahren zur Vergasung von organischen Abfällen

Info

Publication number: DE69534579T2
Application number: DE1995634579
Authority: DE
Inventors: Kenichi c/o Nagasaki Research & Dev. Nagasaki-shi Arima; Masahiro c/o Nagasaki Research & Dev Nagasaki-shi Soda; c/o Choryo Engineering K.K. Hisao Nagasaki-shi Yamamoto; c/o Choryo Engineering K.K. Masayasu Nagasaki-shi Sakai; c/o Nagasaki Research & Dev. Center Hideaki Nagasaki-shi Ohta; Yuichi c/o Nagasaki Research Nagasaki-shi Fujioka
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1994-12-01
Filing date: 1995-07-14
Publication date: 2006-08-10
Anticipated expiration: 2015-07-15
Also published as: EP1207192A2; ES2236115T3; DE69534110T2; EP1207192B1; ES2250941T3; EP1462505A1; EP1207192A3; DE69534579D1; EP1462505B1; DE69534110D1

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein die Verbrennung von organischem Abfall und insbesondere Festbettvergasungsöfen zum Vergasen von organischem Abfall, wie etwa Altreifen und Altkunststoff, und Verfahren zum Vergasen von solchem organischen Abfall unter Verwendung derartiger Öfen.
2. Beschreibung des relevanten Standes der Technik
Herkömmlicherweise wird organischer Abfall, wie etwa Altreifen und Altkunststoff, einzig zu dem Zweck der Erzeugung von Dampf mittels eines Wärmetauschers und der Nutzung des Dampfes als Wärmequelle direkt veräschert. Somit werden solche organischen Abfälle in der Praxis nicht als Bestandteil oder Rohstoff für andere Produkte verwendet.
Nimmt man Altreifen als Beispiel für organischen Abfall, bestehen diese zu 50–60% aus flüchtigen Stoffen, zu 20–30% aus festem Kohlenstoff und zu 10–15% aus anorganischen Stoffen, wie etwa Stahl und Asche, wie in Tabelle 1 gezeigt. Da Altreifen Stahldrähte umfassen, ist es schwierig, sie zu zerkleinern. Demgemäß ist es übliche Praxis, die ganzen Altreifen in einem Stoker oder Kiln zu verbrennen oder die Altreifen zu Würfeln von ungefähr 10 cm Größe zu zerkleinern und sie dann in einem Stoker oder Kiln zu verbrennen. Bei diesen Verbrennungsverfahren kommt es jedoch zu den folgenden Problemen:

(1) Wenn Altreifen unter Zuhilfenahme von Luft verbrannt werden, zerfallen und verbrennen darin vorhandene flüchtige Stoffe rasch. Infolgedessen wird örtlich eine hohe Temperatur von 1.500°C oder darüber erreicht, wodurch der Ofen häufig beschädigt wird. Darüber hinaus werden durch die Flamme große Mengen an Ruß und Teer erzeugt, was eine Nachbehandlung erforderlich macht.
(2) Der nach der Verdampfung der flüchtigen Stoffe zurückbleibende feste Kohlenstoff hat eine so niedrige Verbrennungsgeschwindigkeit, dass er bei Vermengung mit anorganischen Stoffen einen Rückstand bilden kann. Dieser Rückstand ist nicht leicht zu beseitigen.
(3) Andererseits wird, wenn Altreifen mit einem Gasgemisch aus Luft und Verbrennungsabgas verbrannt werden, das im obigen Absatz (1) beschriebene Problem gemindert. Das im obigen Absatz (2) beschriebene Problem wird jedoch aufgrund einer Zunahme des zurückbleibenden festen Kohlenstoffs verschlimmert. Daher ist es unmöglich, eine Gesamtlösung vorzusehen.

Aus diesen Gründen ist es schwierig, organischen Abfall, wie etwa Altreifen, zu beseitigen. Beim derzeitigen Stand der Technik ist es unmöglich, aus derartigen Abfällen Rohstoffe zurückzugewinnen.
Tabelle 1: Zusammensetzung von Reifen
In Bezug auf die vorliegende Erfindung ist ein Beispiel eines herkömmlichen Festbettvergasungsofens zum Vergasen von organischem Abfall, wie etwa Altreifen und Altkunststoff, in 4 dargestellt. Bei dem Festbettvergasungsofen 201 gemäß 4 werden im von oben zugeführten organischen Abfall 206 vorhandene flüchtige Stoffe durch die Wärme, die infolge der teilweisen Verbrennung von im darunter liegenden Rückstand vorhandenen festen Kohlenstoff erzeugt wird, pyrolysiert und vergast, wodurch sich ein Rückstand 207 ergibt, der größtenteils aus festem Kohlenstoff besteht. Der im Rückstand 207 vorhandene feste Kohlenstoff wird mittels eines Vergasungsmittels 211 teilweise verbrannt und vergast, welches ein Gemisch aus einem sauerstoffhaltigen Gas und Dampf ist und über ein Ventil 212 einem Raum unterhalb einer perforierten Platte 204 zugeführt wird, wobei der feste Kohlenstoff dazu dient, die zum Pyrolysieren der flüchtigen Stoffe erforderliche Wärme zu liefern. Das durch die Pyrolyse und Vergasung flüchtiger Stoffe erzeugte Gas und das durch die Vergasung festen Kohlenstoffs erzeugte Gas werden miteinander vermischt und als durch Vergasung von organischem Abfall erzeugtes Gas 210 entnommen. Die während dieses Prozesses stattfindenden Reaktionen sind durch die folgenden Gleichungen (1), (2) und (3) dargestellt. C + O₂ → CO + CO₂ + Q₁ (exotherm) (1)(Lieferung der Reaktionswärme durch die teilweise Verbrennung und Vergasung von festem Kohlenstoff) C + H₂O → CO + H₂ – Q₃ (endotherm) (2)(Vergasung durch die Reaktion von festem Kohlenstoff mit Dampf) C_nH_m → C_n1H_m1 – Q₂ (endotherm) (3)(n > n1, m > m1)
(Pyrolyse und Vergasung flüchtiger Stoffe)
Wenn die Pyrolysetemperatur flüchtiger Stoffe hoch ist (z.B. 700°C oder darüber), werden C-C-Bindungen extensiv getrennt, so dass in hohen Anteilen ein niedermolekulares Kohlenwasserstoffgas bestehend aus niedermolekularen Komponenten wie etwa Methan (CH₄), Ethan (C₂H₆) und Ethylen (C₂H₄) erzeugt wird. Andererseits wird, wenn die Pyrolysetemperatur niedrig ist (z.B. 500–700°C), ein hochmolekulares Kohlenwasserstoffgas erzeugt, das aromatische Verbindungen enthält, wie etwa Benzen (C₆H₆), Toluen (C₇H₈) und Naphthalen (C₁₀H₈). Diese Situation ist schematisch in 5 dargestellt.
Wenn ein durch die Vergasung von organischem Abfall erhaltenes Gas als Rohmaterial für die Bildung von Ruß verwendet wird, wird das im Vergasungsofen erzeugte Gas zur Bildung von Ruß in einen Verbrennungsofen eingebracht und in einer sauerstoffarmen Umgebung verbrannt, um Ruß zu bilden. Während dieses Prozesses wird ein aus niedermolekularen Komponenten bestehendes Gas hauptsächlich durch die Reaktion mit Sauerstoff verbrannt, wodurch ein Hochtemperaturfeld erzeugt wird. In diesem Hochtemperaturfeld wird ein hochmolekulares Kohlenwasserstoffgas wiederholt einer Dehydrierung und Polykondensation unterzogen, wodurch es anwächst, um Ruß zu bilden. Das bedeutet, zur Steigerung der Ausbeute an Ruß ist es bevorzugt, den Gehalt an hochmolekularen Komponenten, wie etwa Naphthalen (C₁₀H₈) und Anthracen (C₁₄H₁₀), in dem durch die Vergasung von organischem Abfall erhaltenen Gas zu erhöhen. Zu diesem Zweck ist es bevorzugt, die Pyrolyse flüchtiger Stoffe bei einer Temperatur von 500–700°C durchzuführen.
Wenn die Pyrolysetemperatur höher als 700°C ist, werden die in flüchtigen Stoffen vorhandenen C-C-Bindungen extensiv getrennt, um niedermolekulare Kohlenwasserstoffe, wie etwa Methan (CH₄), Ethan (C₂H₆) und Ethylen (C₂H₄), zu erzeugen. Wenn sie niedriger als 500°C ist, verläuft die Pyrolyse nicht zufrieden stellend.
Für gewöhnlich beträgt die zum Pyrolysieren und Vergasen flüchtiger Stoffe bei einer Temperatur von 500–700°C erforderliche Wärmemenge nur ungefähr 5–10% der Gesamtwärmemenge, die organischer Abfall besitzt. Wenn der Gehalt an festem Kohlenstoff in organischem Abfall hoch ist (z.B. 20%), erzeugt die Verbrennung des gesamten festen Kohlenstoffs eine überschüssige Wärmemenge.
Somit ergeben sich, wenn es erwünscht ist, bei der Vergasung organischen Abfalls aus flüchtigen Stoffen ein hochmolekulares Kohlenwasserstoffgas zu erzeugen, die folgenden Probleme. Diese machen es schwierig, die Pyrolysetemperatur von flüchtigen Stoffen so zu steuern, dass sie in einem angemessenen Rahmen bleibt.

(1) Wenn die Zufuhrrate von Sauerstoff reduziert wird, um die Menge an festem Kohlenstoff zu verringern, die einer teilweisen Verbrennung unterzogen wird (d.h. die Verbrennungswärme, Q₁, von festem Kohlenstoff), und dadurch die Pyrolysetemperatur herabzusetzen, verbleibt ein Rückstand, der festen Kohlenstoff enthält. Dieser Rückstand ist nicht leicht zu beseitigen.
(2) Im Gegensatz dazu wird, wenn fester Kohlenstoff bei einer ausreichend hohen Zufuhrrate von Sauerstoff teilweise verbrannt wird, so dass kein restlicher fester Kohlenstoff zurückbleibt, die Verbrennungswärme erhöht, um die Pyrolysetemperatur heraufzusetzen. Infolgedessen kann kein hochmolekulares Kohlenwasserstoffgas erhalten werden.
(3) Die Reaktionstemperatur kann durch Hinzufügen von Dampf zum Vergasungsmittel herabgesetzt werden. Wenn jedoch die Zufuhrrate von Dampf heraufgesetzt wird, um die Wärmemenge (Q₃) zu erhöhen, die durch die Reaktion von festem Kohlenstoff mit Dampf absorbiert wird, reagieren der feste Kohlenstoff und der nicht reagierte Dampf mit dem durch die Pyrolyse flüchtiger Stoffe erzeugten hochmolekularen Kohlenwasserstoffgas, was zur Bildung von niedermolekularen Kohlenwasserstoffen führt.

C_n1H_m1 + H₂O → C_n2H_m2 + CO + H₂ – Q₄ (4)(n1 > n2, m1 > m2)
Darüber hinaus ist, wie vorstehend erwähnt, eine angemessene Temperatursteuerung erforderlich, um ein Gas mit einer Zusammensetzung zu erhalten, das zur Verwendung als Rohmaterial für die Herstellung von Ruß geeignet ist. Bei herkömmlichen Festbettvergasungsöfen wird die Zufuhrrate des gesamten Vergasungsmittels für gewöhnlich in Abhängigkeit von der Höhe der organischen Abfallschicht im Ofen gesteuert, wobei die folgenden Probleme auftreten.
Wenn die Zufuhrrate von organischem Abfall variiert, wird die resultierende Änderung der Zufuhrrate des Vergasungsmittels aufgrund der zeitlichen Verzögerung der Änderung der Höhe der organischen Abfallschicht verzögert. Dies verursacht ein Ungleichgewicht des Verhältnisses zwischen Vergasungsmittel und organischem Abfall. Infolgedessen wird auch die Wärmezufuhr durch die teilweise Verbrennung und Vergasung des festen Kohlenstoffs gemäß den obigen Gleichungen (1) und (2) unausgeglichen, so dass die Innentemperatur des Vergasungsofens schwanken kann. Somit kann die Pyrolysetemperatur flüchtiger Stoffe, die von der Gleichung (3) abhängig ist, schwanken, wodurch sie von ihrem ordnungsgemäßen Bereich abweicht. Das bedeutet, wenn die Zufuhrrate von organischem Abfall abnimmt, wird das Verhältnis zwischen Vergasungsmittel und organischem Abfall zeitweise unangemessen hoch, was zu einem Anstieg der Pyrolysetemperatur führt. Im Gegensatz dazu wird, wenn die Zufuhrrate von organischem Abfall ansteigt, das Verhältnis zwischen Vergasungsmittel und organischem Abfall zeitweise unangemessen niedrig, was zu einer Herabsetzung der Pyrolysetemperatur führt. Infolgedessen schwanken die Eigenschaften des resultierenden durch Vergasung von organischem Abfall erzeugten Gases, was einen instabilen Ablauf des darauf folgenden Verfahrens (wie etwa ein Rußherstellungsverfahren) verursacht, welches dieses Gas verwendet.
Außerdem muss, um die Pyrolysetemperatur flüchtiger Stoffe niedrig zu halten, die Teilverbrennungs-/-vergasungstemperatur von festem Kohlenstoff niedrig gehalten werden. Da die Reaktionsgeschwindigkeit von festem Kohlenstoff dadurch verringert wird, verdickt sich die organische Abfallschicht, was einen großen Festbettvergasungsofen erforderlich macht.
Zusammenfassung der Erfindung
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Festbettvergasungsofen bereitzustellen, der die Schwankungen der Innentemperatur des Ofens mindern und dadurch eine stabile Pyrolysetemperatur aufrechterhalten kann, sowie ein Verfahren zum Vergasen von organischem Abfall unter Verwendung eines solchen Ofens.
Erfindungsgemäß sind vorgesehen:

(1) Ein Festbettvergasungsofen, in dem in ihn gefüllter organischer Abfall mittels eines ihm zugeführten Vergasungsmittels vergast wird, wobei der Ofen umfasst: zwei unterteilte innere Sektionen: eine A-Kammer, der ein Rohmaterial zugeführt wird und in der darin vorhandene flüchtige Stoffe hauptsächlich pyrolysiert und vergast werden, und eine B-Kammer, in die der Rückstand, welcher größtenteils aus festem Kohlenstoff besteht, der zurückbleibt, nachdem der Großteil der flüchtigen Stoffe pyrolysiert und vergast worden ist, eingeführt und verbrannt oder vergast wird; Mittel zum Ermitteln der Innentemperatur der A-Kammer und zum Steuern der Zufuhrrate des der A-Kammer in Abhängigkeit von dem gemessenen Wert derselben zugeführten Vergasungsmittels; Mittel zum Ermitteln der Höhe der organischen Abfallschicht in der A-Kammer und zum Steuern der Zufuhrrate des der B-Kammer in Abhängigkeit von dem gemessenen Wert derselben zugeführten Vergasungsmittels; und Mittel zum Ermitteln der Höhe der Rückstandsschicht in der B-Kammer und zum Steuern der Menge des in Abhängigkeit von dem gemessenen Wert derselben von der A-Kammer in die B-Kammer überführten Rückstands; und
(2) ein Verfahren zum Vergasen von organischem Abfall durch Füllen des organischen Abfalls in einen Festbettvergasungsofen und Vergasen des organischen Abfalls mittels eines dem Ofen zugeführten Vergasungsmittels, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Verwenden eines Festbettvergasungsofens, der zwei unterteilte innere Sektionen umfasst: eine A-Kammer, der ein Rohmaterial zugeführt wird und in der darin vorhandene flüchtige Stoffe hauptsächlich pyrolysiert und vergast werden, und eine B-Kammer, in die der Rückstand, welcher größtenteils aus festem Kohlenstoff besteht, der zurückbleibt, nachdem der Großteil der flüchtigen Stoffe pyrolysiert und vergast worden ist, eingeführt und verbrannt oder vergast wird; Ermitteln der Innentemperatur der A-Kammer; Steuern der Zufuhrrate des der A-Kammer in Abhängigkeit von dem gemessenen Wert derselben zugeführten Vergasungsmittels; Ermitteln der Höhe der organischen Abfallschicht in der A-Kammer; Steuern der Zufuhrrate des der B-Kammer in Abhängigkeit von dem gemessenen Wert derselben zugeführten Vergasungsmittels; Ermitteln der Höhe der Rückstandsschicht in der B-Kammer; und Steuern der Menge des Rückstands, die in Abhängigkeit von dem gemessenen Wert derselben von der A-Kammer in die B-Kammer überführt wird, um die Vergasung des organischen Abfalls durchzuführen.

Der Innenraum des erfindungsgemäßen Festbettvergasungsofens ist in eine A-Kammer, der ein Rohmaterial zugeführt wird und in der darin vorhandene flüchtige Stoffe hauptsächlich pyrolysiert und vergast werden, und eine B-Kammer unterteilt, in die der Rückstand, welcher größtenteils aus festem Kohlenstoff besteht, der zurückbleibt, nachdem der Großteil der flüchtigen Stoffe pyrolysiert und vergast worden ist, eingeführt und verbrannt oder vergast wird. Als Rohmaterial verwendeter organischer Abfall wird in die A-Kammer gefüllt und durch ein Gas auf 500–700°C erwärmt, das im unteren Teil derselben infolge der Verbrennung oder Vergasung des größtenteils aus festem Kohlenstoff bestehenden Rückstandes durch Reaktion mit einem zugeführten Vergasungsmittel erzeugt wird, so dass der Großteil der im organischen Abfall vorhandenen flüchtigen Stoffe pyrolysiert und vergast wird. Nachdem der Großteil der flüchtigen Stoffe durch Pyrolyse und Vergasung entfernt worden ist, bewegt sich der hauptsächlich aus festem Kohlenstoff bestehende resultierende Rückstand zur B-Kammer, die im unteren Teil des Vergasungsofens mit der A-Kammer in Verbindung steht, und wird mittels eines zugeführten Vergasungsmittels bei 1.000–1.500°C verbrannt oder vergast. Das aus der A-Kammer austretende Gas, das größtenteils aus einem durch die Pyrolyse und Vergasung von flüchtigen Stoffen erhaltenen Gas besteht, und das aus der B-Kammer austretende Gas, das größtenteils aus einem durch die Verbrennung oder Vergasung von Rückständen erhaltenen Gas besteht, werden im oberen Teil des Vergasungsofens miteinander vermischt und als durch Vergasung von organischem Abfall erhaltenes Gas entnommen.
Als den A- und B-Kammern zugeführte Vergasungsmittel können sauerstoffhaltiges Gas, wie etwa Luft, Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereicherte Luft, und/oder Dampf verwendet werden. Für gewöhnlich ist es bevorzugt, der A-Kammer ein sauerstoffhaltiges Gas und der B-Kammer ein gasförmiges Gemisch aus einem sauerstoffhaltigen Gas und Dampf zuzuführen.
Bei dem erfindungsgemäßen Vergasungsofen kann die Vergasung innerhalb eines geeigneten Temperaturbereiches durchgeführt werden, indem die Zufuhrraten der den A- und B-Kammern zugeführten Vergasungsmittel und der Menge des von der A-Kammer in die B-Kammer überführten Rückstands gesteuert werden. Insbesondere wird während des Betriebs des Vergasungsofens die Innentemperatur der A-Kammer ermittelt und dazu verwendet, die Zufuhrrate des der A-Kammer in Abhängigkeit von dem gemessenen Wert derselben zugeführten Vergasungsmittels zu steuern, die Höhe der organischen Abfallschicht in der A-Kammer ermittelt und dazu verwendet, die Zufuhrrate des der B-Kammer in Abhängigkeit von dem gemessenen Wert der selben zugeführten Vergasungsmittels zu steuern sowie die Höhe der Rückstandsschicht in der B-Kammer ermittelt und dazu verwendet, die Menge des in Abhängigkeit von dem gemessenen Wert derselben von der A-Kammer in die B-Kammer überführten Rückstands zu steuern.
Wenn die Zufuhrrate organischen Abfalls in den Vergasungsofen abnimmt, verringert sich die Höhe der organischen Abfallschicht in der A-Kammer und das Verhältnis zwischen Sauerstoff und organischem Abfall wird zeitweise unangemessen hoch, was zu einem Anstieg der Pyrolyse-/Vergasungstemperatur führt. Demgemäß wird die Innentemperatur der A-Kammer kontinuierlich gemessen und die Zufuhrrate des der A-Kammer zugeführten Vergasungsmittels in Abhängigkeit von einem Anstieg der Innentemperatur derselben herabgesetzt, um so den Temperaturanstieg zu verhindern.
Wenn die Zufuhrrate des der A-Kammer zugeführten Vergasungsmittels abnimmt, erhöht sich die organische Abfallschicht. Dann wird die Vergasungsrate des größtenteils aus festem Kohlenstoff bestehenden Rückstands erhöht, indem die Zufuhrrate des der B-Kammer zugeführten Vergasungsmittels heraufgesetzt wird, so dass die Höhe des Rückstands in der B-Kammer abnimmt. Folglich kann die Höhe der organischen Abfallschicht in der A-Kammer durch Erhöhen der Bewegungsrate des Rückstands von der A-Kammer in die B-Kammer verringert werden. Sobald sich die organische Abfallschicht in der A-Kammer ausreichend verringert hat, wird die Zufuhrrate des der B-Kammer zugeführten Vergasungsmittels reduziert. Auf diese Weise kann schließlich ein stabiler Betrieb erzielt werden.
Wenn andererseits die Zufuhrrate organischen Abfalls in den Vergasungsofen zunimmt, erhöht sich die Höhe der organischen Abfallschicht in der A-Kammer und das Verhältnis zwischen Sauerstoff und organischem Abfall wird zeitweise unangemessen niedrig, was zu einem Abfall der Pyrolyse-/Vergasungstemperatur führt. Demgemäß wird die Zufuhrrate des der A-Kammer zugeführten Vergasungsmittels in Abhängigkeit von einem Abfall der Innentemperatur derselben erhöht, um so den Temperaturabfall zu verhindern.
Wenn die Zufuhrrate des der A-Kammer zugeführten Vergasungsmittels steigt, verringert sich die organische Abfallschicht. Dann wird die Vergasungsrate des größtenteils aus festem Kohlenstoff bestehenden Rückstands verringert, indem die Zufuhrrate des der B-Kammer zugeführten Vergasungsmittels herabgesetzt wird, so dass die Höhe des Rückstands in der B-Kammer steigt. Folglich kann die Höhe der organischen Abfallschicht in der A-Kammer durch Verringern der Bewegungsrate des Rückstands von der A-Kammer in die B-Kammer erhöht werden. Sobald sich die organische Abfallschicht in der A-Kammer ausreichend erhöht hat, wird die Zufuhrrate des der B-Kammer zugeführten Vergasungsmittels reduziert. Auf diese Weise kann schließlich ein stabiler Betrieb erzielt werden.
Somit ermöglicht es der erfindungsgemäße Vergasungsofen, die Innentemperatur des Vergasungsofens, trotz Variation der Zufuhrrate des organischen Abfalls, auf einem im Wesentlichen konstanten Niveau zu halten. Folglich wird auch die Pyrolysetemperatur flüchtiger Stoffe im Wesentlichen konstant gehalten, so dass ein durch Vergasung organischen Abfalls erzeugtes Gas produziert werden kann, das große Mengen an hochmolekularen Kohlenwasserstoffkomponenten enthält und stabilisierte Eigenschaften hat.
Der erfindungsgemäße Vergasungsofen ist zur Verwendung als Vergasungsofen in einem Verfahren zur Herstellung von Ruß unter Verwendung von organischem Abfall als Rohmaterial geeignet. Er ist jedoch auch zur Verwendung als Festbettvergasungsofen zum Vergasen organischen Abfalls und Kohle zur Rückgewinnung von Brennölen und Brenngasen geeignet.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Ansicht, die ein Beispiel eines Festbettvergasungsofens zeigt, der mit der vorliegenden Erfindung in Zusammenhang steht, jedoch nicht Teil derselben ist,
2(a) und 2(b) sind Diagramme, die den Zustand der Steuerung der Vergasungsmittel- und Stickstoffzufuhrraten in dem Beispiel gemäß 1 (Beispiel 1) zeigen,
3 ist eine schematische Ansicht, die ein Beispiel des erfindungsgemäßen Festbettvergasungsofens zeigt,
4 ist eine schematische Darstellung eines Beispiels eines herkömmlichen Ofens zur Vergasung von organischem Abfall, und
5 ist ein Diagramm, welches das Verhältnis zwischen der Pyrolysetemperatur von organischem Abfall und der Zusammensetzung des derart erzeugten Gases schematisch darstellt.
Genaue Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Die vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf das zweite Beispiel genauer erläutert.
(Beispiel 1)
1 ist eine schematische Ansicht, die ein Beispiel eines Festbettvergasungsofens zeigt, der mit der vorliegenden Erfindung in Zusammenhang steht, jedoch nicht Teil derselben ist. Dieser Festbettvergasungsofen 401 umfasst eine Beschickungsrutsche 404 für organischen Abfall, welche mit dem oberen Teil eines zylindrischen Vergasungsofengehäuses 402 verbunden ist, einen Auslass 405 für durch Vergasung von organischem Abfall erzeugtes Gas, welcher am oberen Ende des Gehäuses vorgesehen ist, und eine perforierte Platte 403, die im unteren Teil des Gehäuses angeordnet ist und dazu dient, den darin eingefüllten organischen Abfall zu halten und ein Vergasungsmittel gleichmäßig zuzuführen. Mit der Unterseite des Vergasungsofengehäuses 402 oder seiner Seitenwand unterhalb der perforierten Platte 403 ist ein Mischgefäß 406 mittels einer Rohrleitung und eines Ventils 407 verbunden. Dieses Mischgefäß 406 dient zur Bereitung eines Vergasungsmittels 418 durch Vermischen eines sauerstoffhaltigen Gases 416 und Dampf 417, welche dem Gefäß zugeführt werden. Darüber hinaus ist eine Düse 419 zum Zuführen von Dampf oder gasförmigem Stickstoff zur organischen Abfallschicht an einer Stelle bereitgestellt, die einem mittleren Teil der organischen Abfallschicht innerhalb des Vergasungsofengehäuses 402 entspricht. Die perforierte Platte 403 hat eine leicht schräg abfallende schirmartige Form und ist drehbar montiert.
Dieser Festbettvergasungsofen 401 ist mit einem Ultraschall-Pegelmesser 413, der als Mittel zum Messen der Schichthöhe des dem Ofen zugeführten organischen Abfalls dient, und außerdem mit einem Thermoelement 414 ausgestattet, das als Mittel zum Messen der Innentemperatur des Vergasungsofens dient. Darüber hinaus ist eine Steuereinheit 415 eingebaut, die den Öffnungsgrad der Ventile 407 und 420 in Abhängigkeit von Signalen vom Ultraschall-Pegelmesser 413 und Thermoelement 414 steuert. In 1 wird der Öffnungsgrad der Ventile 407 und 420 durch die einzige Steuereinheit 415 gesteuert. Selbstverständlich können die Ventile 407 und 420 jedoch auch durch zwei separate Steuereinheiten gesteuert werden.
Unter Verwendung dieses Festbettvergasungsofens 401 wurden Altreifen, die ein typisches Beispiel für organischen Abfall darstellen, einem Vergasungstest unterzogen.
Wie in 1 gezeigt, wurde ein Vergasungsmittel 418 durch Einbringen von Sauerstoff in Form von sauerstoffhaltigem Gas 416 und Dampf 417 in ein Mischgefäß 406 und Vermischen derselben in einem Verhältnis von 1:1 bereitet und einem Raum unterhalb der rotierenden perforierten Platte 403 mit einer Zufuhrrate zugeführt, die durch das Ventil 407 geregelt wurde.
Altreifen (organischer Abfall) 408, die zerkleinert worden waren, wurden über eine Beschickungsrutsche 404 für organischen Abfall zugeführt und bildeten auf der perforierten Platte 403 eine Altreifenschicht. In einem Pyrolysebereich 409 flüchtiger Stoffe, der dem oberen Teil der Altreifenschicht entspricht, wurden flüchtige Stoffe pyrolysiert und vergast. Der resultierende Rückstand 410, der größtenteils aus festem Kohlenstoff bestand, bewegte sich nach unten und wurde in einem Teilverbrennungs-/-vergasungsbereich 411 für festen Kohlenstoff teilweise verbrannt und vergast. Direkt über diesem Teilverbrennungs-/-vergasungsbereich 411 für festen Kohlenstoff wurde über die Düse 419 Stickstoff 421 mit einer Zufuhrrate zugeführt, die durch ein Ventil 420 geregelt wurde, so dass die Temperatur des Pyrolysebereichs 409 flüchtiger Stoffe zwischen 500 und 700°C lag. Das durch die Pyrolyse und Vergasung flüchtiger Stoffe erhaltene Gas und das durch die teilweise Verbrennung und Vergasung von festem Kohlenstoff erhaltene Gas wurden miteinander vermischt und durch einen Auslass 405 für durch Vergasung von organischem Abfall erhaltenes Gas als durch Vergasung von organischem Abfall erhaltenes Gas 412 entnommen.
Während dieses Verfahrens wurde der Abstand (h) zwischen dem oberen Ende des Vergasungsofengehäuses 402 und der Oberseite der Schicht aus Altreifen (organischem Abfall) 408 durch den Ultraschall-Pegelmesser 413 gemessen. Durch Vergleichen des Abstandes (H) zwischen dem oberen Ende des Vergasungsofengehäuses 402 und der Oberseite der perforierten Platte 403, wurde die Höhe der Schicht aus Altreifen (organischem Abfall) 408 als (H-h) bestimmt. In Abhängigkeit von dem Unterschied zwischen diesem Wert und einem voreingestellten Wert, regelte die Steuereinheit 415 die Zufuhrrate des Vergasungsmittels 418 durch Steuern des Öffnungsgrades des Ventils 407.
Darüber hinaus wurde die Innentemperatur (T) des Vergasungsofens (d.h. die Temperatur oberhalb des Pyrolysebereichs flüchtiger Stoffe, die der Temperatur des durch Vergasung von organischem Abfall erhaltenen Gases nahezu gleich ist) mittels des Thermoelements 414 gemessen. In Abhängigkeit von dem Unterschied zwischen diesem Wert und einem voreingestellten Wert regelte die Steuereinheit 415 die Zufuhrrate von Stickstoff durch Steuern des Öffnungsgrades des Ventils 420.
Altreifen enthalten 60–70 Gew.-% flüchtige Stoffe (wie etwa Rohgummi und Öl), 20–30 Gew.-% festen Kohlenstoff und 10–15 Gew.-% anorganische Bestandteile. Zum Einstellen der Temperatur des durch Vergasung von organischem Abfall erhaltenen Gases 412 (d.h. der Temperatur direkt oberhalb der organischen Abfallschicht) auf 500°C sollten Sauerstoff und Dampf, welche ein Vergasungsmittel bilden, in Mengen zugeführt werden, die durch molare Äquivalentverhältnisse (O₂/C und H₂O/C) von 0,4–0,5 ausgedrückt werden und auf dem in Altreifen vorhandenen festen Kohlenstoff basieren, wobei Stickstoff in einer Menge zugeführt werden sollte, die durch ein Molverhältnis (N₂/C) von ungefähr 0,5 ausgedrückt wird und auf dem in Altreifen vorhandenen festen Kohlenstoff basiert. Bei einem Vergasungsofen mit einer Kapazität zur Verarbeitung von Altreifen mit einer Geschwindigkeit von 1 Tonne pro Stunde werden die Zufuhrraten des Vergasungsmittels und Stickstoffs wie in 2 gezeigt gesteuert.
2(a) ist ein Diagramm, welches das Verhältnis zwischen der Höhe (H-h) der Altreifenschicht und der in Abhängigkeit davon gesteuerten Vergasungsmittelzufuhrrate zeigt. Dieses Diagramm zeigt, dass die Vergasungsmittelzufuhrrate in einem stabilen Zustand (d.h. wenn die Schichthöhe einem voreingestellten Wert entspricht) 400 Nm³/h beträgt und dass die Zufuhrrate von Sauerstoff erhöht wird, wenn die Schichthöhe zunimmt, oder verringert wird, wenn die Schichthöhe abnimmt, und zwar in Abhängigkeit von einer Abweichung vom voreingestellten Wert der Schichthöhe.
2(b) ist ein Diagramm, welches das Verhältnis zwischen der Innentemperatur (T) des Vergasungsofens und der in Abhängigkeit davon gesteuerten Stickstoffzufuhrrate zeigt. Dieses Diagramm zeigt, dass die Dampfzufuhrrate 200 Nm³/h beträgt, wenn die Temperatur einem voreingestellten Wert von 500°C entspricht, und dass die Stickstoffzufuhrrate erhöht wird, wenn die Temperatur steigt, oder verringert wird, wenn die Temperatur fällt, und zwar in Abhängigkeit von einer Abweichung vom voreingestellten Temperaturwert.
Eine spezifische Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird genauer unter Bezugnahme auf das folgende Beispiel beschrieben.
(Beispiel 2)
3 ist eine schematische Ansicht, die ein Beispiel des erfindungsgemäßen Festbettvergasungsofens zeigt. Dieser Festbettvergasungsofen 501 weist eine leicht schräg abfallende drehbare konische perforierte Platte 504 und ein Innengehäuse 502 auf, welches über dieser eine A-Kammer 505 bildet, und zwar innerhalb eines Außengehäuses 503, das die Außenwand des Festbettvergasungsofens 501 darstellt. Das Innengehäuse 502 und das Außengehäuse 503 sind so bemessen, dass das Verhältnis der Querschnittsfläche des Innengehäuses 502 zur Querschnittsfläche des Raumes zwischen dem Innengehäuse 502 und dem Außengehäuse 503 (d.h. der B-Kammer 506) ungefähr 1:1 einspricht. Entsprechend der A-Kammer 505 und der B-Kammer 506 ist der Raum unterhalb der perforierten Platte 504 ebenfalls in eine A1-Kammer 507 und eine B1-Kammer 508 unterteilt. Der A1-Kammer 507 wird über ein Ventil 511 Luft 509 zugeführt, während der B1-Kammer 508 über ein Ventil 512 ein Gasgemisch 510 aus Sauerstoff und Dampf zugeführt wird.
Dieser Festbettvergasungsofen 501 ist mit Ultraschall-Pegelmessern 513 und 514, die als Mittel zum Messen der Schichthöhe des organischen Abfalls 525 in der A-Kammer 505 bzw. der Schichthöhe des Rückstandes 526 in der B-Kammer 506 dienen, und außerdem mit einem Thermoelement 515 ausgestattet, das als Mittel zum Messen der Innentemperatur der A-Kammer 505 dient. In Abhängigkeit von Signalen von den Ultraschall-Pegelmessern 513, 514 und dem Thermoelement 515 steuert eine Steuereinheit 516 den Öffnungsgrad der Ventile 511 und 512 sowie einen Regelantrieb 519, der direkt mit einem Motor 520 zum Drehen der perforierten Platte 504 verbunden ist. In 3 werden die Öffnungsgrade der Ventile 511, 512 und der Regelantrieb 519 durch die einzige Steuereinheit 516 gesteuert. Selbstverständlich können die Ventile 511, 512 und der Regelantrieb 519 jedoch auch durch separate Steuereinheiten gesteuert werden.
Unter Verwendung dieses Festbettvergasungsofens 501 wurden Altreifen (bestehend zu 70% aus flüchtigen Stoffen und zu 30% aus festem Kohlenstoff), welche ein typisches Beispiel für organischen Abfall darstellen, einem Vergasungstest unterzogen.
Altreifen (organischer Abfall) 521, die zerkleinert worden waren, wurden der A-Kammer über ein Beschickungsloch 523 mittels einer Aufgabeeinrichtung 522 zugeführt und bildeten auf der perforierten Platte 504 eine Altreifenschicht. In einem Pyrolysebereich 523 flüchtiger Stoffe, der dem oberen Teil der Altreifenschicht ent spricht, wurden flüchtige Stoffe pyrolysiert und vergast. Der resultierende Rückstand 523, der größtenteils aus festem Kohlenstoff bestand, bewegte sich nach unten, wobei ein Teil desselben in einem Teilverbrennungsbereich 524 für festen Kohlenstoff mittels aus der A1-Kammer 507 zugeführter Luft 509 teilweise verbrannt und vergast wurde. Der Rückstand bewegte sich durch die Drehung der perforierten Platte 504 zur B-Kammer 506 und wurde mittels des Gasgemisches 510 aus Sauerstoff und Dampf, das als Vergasungsmittel aus der B1-Kammer 508 zugeführt wurde, teilweise verbrannt und vergast. Das durch die Pyrolyse und Vergasung flüchtiger Stoffe erhaltene Gas und das durch die teilweise Verbrennung und Vergasung von festem Kohlenstoff erhaltene Gas wurden miteinander vermischt und als durch Vergasung von organischem Abfall erhaltenes Gas 527 dem Vergasungsofen entnommen.
Während dieses Verfahrens wurde die Innentemperatur (T) der A-Kammer 505 (d.h. die Temperatur direkt oberhalb der organischen Abfallschicht, die der Temperatur des durch Vergasung von organischem Abfall erhaltenen Gases nahezu gleich ist) mittels des Thermoelements 515 gemessen. In Abhängigkeit von dem Unterschied zwischen dem gemessenen Wert und einem voreingestellten Wert (z.B. 500°C) regelte die Steuereinheit 516 die der A1-Kammer 507 zugeführte Menge an Luft 509 durch Steuern des Ventils 511.
Darüber hinaus wurde der Abstand (h1) zwischen dem oberen Ende des Vergasungsofens 501 und der Oberseite der Schicht aus Altreifen (organischem Abfall) 525 in der A-Kammer 505 mittels des Ultraschall-Pegelmessers 513 gemessen. Durch einen Vergleich mit dem Abstand (H) zwischen dem oberen Ende des Vergasungsofens 501 und der Oberseite der perforierten Platte 504 wurde die Höhe der Schicht aus Altreifen (organischer Abfall) 525 als (H-h1) bestimmt. In Abhängigkeit von dem Unterschied zwischen diesem Wert und einem voreingestellten Wert regelte die Steuereinheit 516 die Menge des Gasgemisches 510, das der B1-Kammer 508 durch Steuern des Ventils 512 zugeführt wurde.
Darüber hinaus wurde der Abstand (h2) zwischen dem oberen Ende des Vergasungsofens 501 und der Oberseite der Rückstandsschicht 526 in der B-Kammer 506 mittels des Ultraschall-Pegelmessers 514 gemessen. Durch einen Vergleich mit dem Abstand (H) zwischen dem oberen Ende des Vergasungsofens 501 und der Oberseite der perforierten Platte 504 wurde die Höhe der Rückstandsschicht 526 als (H-h2) bestimmt. In Abhängigkeit von dem Unterschied zwischen diesem Wert und einem voreingestellten Wert regelte die Steuereinheit 516 die Drehzahl der perforierten Platte 504 mittels eines mechanischen Regelantriebs 519. Dadurch konnte die Bewegungsrate des Rückstandes 526 von der A-Kammer 505 in die B-Kammer 506 geregelt werden.

Claims

Festbettvergasungsofen (501), in dem in ihn gefüllter organischer Abfall mittels eines ihm zugeführten Vergasungsmittels vergast wird, wobei der Ofen umfasst: zwei innere Sektionen: eine A-Kammer (505), der das Rohmaterial zugeführt wird und in der darin vorhandene flüchtige Stoffe hauptsächlich pyrolysiert und vergast werden, und eine B-Kammer (506), in die der Rückstand, welcher größtenteils aus festem Kohlenstoff besteht, der zurückbleibt, nachdem der Großteil der flüchtigen Stoffe pyrolysiert und vergast worden ist, eingeführt und verbrannt oder vergast wird, Mittel (515, 516) zum Ermitteln der Innentemperatur der A-Kammer (505) und zum Steuern der Zufuhrrate des der A-Kammer in Abhängigkeit von dem gemessenen Wert derselben zugeführten Vergasungsmittels, Mittel (513, 516) zum Ermitteln der Höhe der organischen Abfallschicht in der A-Kammer (505) und zum Steuern der Zufuhrrate des der B-Kammer in Abhängigkeit von dem gemessenen Wert derselben zugeführten Vergasungsmittels, Mittel (514, 516) zum Ermitteln der Höhe der Rückstandsschicht in der B-Kammer und zum Steuern der Menge des in Abhängigkeit von dem gemessenen Wert derselben von der A-Kammer in die B-Kammer überführten Rückstands.
Verfahren zum Vergasen von organischem Abfall durch Füllen des organischen Abfalls in einen Festbettvergasungsofen und Vergasen des organischen Abfalls mittels eines dem Ofen zugeführten Vergasungsmittels, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Verwenden eines Festbettvergasungsofens, der zwei unterteilte innere Sektionen umfasst: eine A-Kammer, der das Rohmaterial zugeführt wird und in der darin vorhandene flüchtige Stoffe hauptsächlich pyrolysiert und vergast werden, und eine B-Kammer, in die der Rückstand, welcher größtenteils aus festem Kohlenstoff besteht, der zurückbleibt, nachdem der Großteil der flüchtigen Stoffe pyrolysiert und vergast worden ist, eingeführt und verbrannt oder vergast wird, Ermitteln der Höhe der organischen Abfallschicht in der A-Kammer und Steuern der Zufuhrrate des der B-Kammer in Abhängigkeit von dem gemessenen Wert derselben zugeführten Vergasungsmittels, Ermitteln der Höhe der Rückstandsschicht in der B-Kammer, und Steuern der Menge des Rückstands, die in Abhängigkeit von dem gemessenen Wert derselben von der A-Kammer in die B-Kammer überführt wird, um die Vergasung des organischen Abfalls durchzuführen.