DE69535215T2

DE69535215T2 - Festbettvergaser für organische Abfälle

Info

Publication number: DE69535215T2
Application number: DE69535215T
Authority: DE
Inventors: Nagasaki R&D Center Kenichi Nagasaki-shi Arima; Nagasaki R&D Center Masahiro Nagasaki-shi Soda; Hisao Nagasaki-shi Yamamoto; Masayasu Nagasaki-shi Sakai; Nagasaki R&D Center Hideaki Nagasaki-shi Ohta; Nagasaki R&D Center Yuichi 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: 2007-08-23
Anticipated expiration: 2015-07-15
Also published as: DE69535215D1; EP1207190B1; JPH08157838A; JP3377630B2; EP1207190A2; EP1207190A3; ES2270938T3

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein die Verbrennung von organischem Abfall, wie etwa Altreifen und Altkunststoff. Genauer betrifft die Erfindung einen Festbettvergasungsofen zum Vergasen von solchem organischen Abfall und außerdem zum Erzeugen von Ruß sowie ein Verfahren zum Vergasen organischen Abfalls oder zum Erzeugen von Ruß aus derartigem Abfall unter Verwendung eines solchen Ofens.
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) Fester Kohlenstoff hat eine derart niedrige Verbrennungsrate, 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 7 dargestellt. Bei dem Festbettvergasungsofen 201 gemäß 7 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 8 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 zufriedenstellend.
Für gewöhnlich beträgt die zum Pyrolysieren und Vergasen von flüchtigen Stoffen 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 Sauerstoffzufuhrrate 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 Sauerstoffzufuhrrate 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 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 in Reaktion getretene 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 dies 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 Gases verwendet.
Außerdem muss, um die Pyrolysetemperatur flüchtiger Stoffe niedrig zu halten, die Temperatur der teilweisen Verbrennung/Vergasung 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.
Die deutschen Patentveröffentlichungen DE 25 20 492 und DE 26 22 266 offenbaren Anordnungen zur thermischen Behandlung von organischem Material und insbesondere von auf Kohlenstoff basierendem festen Brennstoffmaterial. DE 26 22 266 betrifft insbesondere die Erzeugung von Gas aus einem solchen Material.
Zusammenfassung der Erfindung
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, angesichts der bei der Steuerung der Pyrolysiertemperatur auftretenden Schwierigkeiten, einen Festbettvergasungsofen bereitzustellen, der die in organischem Abfall vorhandenen flüchtigen Stoffe innerhalb eines Temperaturbereichs pyrolysieren kann, der zur Erzeugung eines hochmolekularen Kohlenwasserstoffgases geeignet ist, ohne dass ein Rest an festem Kohlenstoff zurückbleibt, sowie ein Verfahren zum Vergasen von organischem Abfall unter Verwendung eines solchen Ofens.
Die vorliegende Erfindung stellt einen Festbettvergasungsofen mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen bereit. Die Erfindung sieht außerdem ein Verfahren zum Vergasen organischen Abfalls mit den in Anspruch 2 angegebenen Merkmalen vor.
Erfindungsgemäß ist ein Festbettvergasungsofen vorgesehen, bei dem ein Vergasungsmittel, das ein sauerstoffhaltiges Gas umfasst, dem mit organischem Abfall befüllten Ofen zugeführt wird, im organischen Abfall vorhandene flüchtige Stoffe im oberen Abschnitt des Ofens pyrolysiert und vergast werden und der verbliebene feste Kohlenstoff durch Reaktion mit dem Vergasungsmittel im unteren Abschnitt des Ofens vergast wird und dieser auch dazu dient, Wärme zur Pyrolyse der flüchtigen Stoffe zu liefern, wobei der Ofen zwei getrennte innere Sektionen umfasst: eine Sektion zur Pyrolyse flüchtiger Stoffe, um einen Teil des verbliebenen festen Kohlenstoffs durch Reaktion mit dem Vergasungsmittel zu vergasen und die flüchtigen Stoffe durch die dadurch entstandene Wärme zu pyrolysieren und zu vergasen, und eine Sektion zur teilweisen Verbrennung/Vergasung von festem Kohlenstoff, um überschüssigen festen Kohlenstoff mit dem Vergasungsmittel zur Reaktion zu bringen.
Gemäß einer Weiterentwicklung dieses Ofens sind eine erste Rohrleitung, um ein erstes Vergasungsmittel hauptsächlich der Sektion zur Pyrolyse flüchtiger Stoffe zuzuführen, und eine zweite Rohrleitung bereitgestellt, um ein zweites Vergasungsmittel hauptsächlich der Sektion zur teilweisen Verbrennung/Vergasung von festem Kohlenstoff zuzuführen, damit die Zusammensetzungen und Zufuhrraten des ersten und zweiten Vergasungsmittels unabhängig voneinander gesteuert werden können.
Des Weiteren ist ein Verfahren zur Vergasung organischen Abfalls vorgesehen, das folgende Schritte umfasst: Bereitstellen eines Festbettvergasungsofens, der zwei getrennte innere Sektionen umfasst: eine Sektion zur Pyrolyse flüchtiger Stoffe, um einen Teil des verbliebenen festen Kohlenstoffs durch Reaktion mit einem ersten Vergasungsmittel zu vergasen und die flüchtigen Stoffe durch die dadurch entstandene Wärme zu pyrolysieren und zu vergasen, und eine Sektion zur teilweisen Verbrennung/Vergasung von festem Kohlenstoff, um nur den überschüssigen festen Kohlenstoff mit einem zweiten Vergasungsmittel zur Reaktion zu bringen, Zuführen von organischem Abfall in den Ofen und Steuern der Zusammensetzung und Zufuhrrate des ersten und des zweiten Vergasungsmittels zur Vergasung des organischen Abfalls, so dass die Temperatur der Sektion zur Pyrolyse flüchtiger Stoffe in einem Bereich von 500 bis 700°C und die Temperatur der Sektion zur teilweisen Verbrennung/Vergasung von festem Kohlenstoff in einem Bereich von 700 bis 1500°C liegt.
Der erfindungsgemäße Festbettvergasungsofen und das Vergasungsverfahren, welches diesen Ofen verwendet, ermöglichen es, ein hochmolekulares Kohlenwasserstoffgas, das aromatische Verbindungen enthält, aus organischem Abfall, wie etwa Altreifen, zu erzeugen und darüber hinaus derartigen organischen Abfall vollständig zu vergasen, ohne dass ein Rest festen Kohlenstoffs zurückbleibt. Das erfindungsgemäß durch Vergasung organischen Abfalls erhaltene Gas, das ein hochmolekulares Kohlenwasserstoffgas in hoher Konzentration enthält, ist zur Verwendung als Rohmaterial zur Herstellung von Ruß besonders geeignet.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Festbettvergasungsofens,
2 ist eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Festbettvergasungsofens,
3 ist ein Diagramm, das die Beziehungen zwischen dem Verhältnis von Luft zu festem Kohlenstoff λ_c und der Vergasungstemperatur T_c von festem Kohlenstoff sowie zwischen dem Verhältnis von Luft zu festem Kohlenstoff λ_c und der Temperatur T_g1 nach der Pyrolyse und Vergasung flüchtiger Stoffe bei Verwendung des gesamten aus der Vergasung von festem Kohlenstoff resultierenden Gases zeigt, die anhand eines Falles bestimmt wurden, in dem Altreifen unter Zuhilfenahme Luft vergast wurden,
4 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Verteilungsverhältnis a des durch Vergasung von festem Kohlenstoff erhaltenen Gases, das auf zwei Ab schnitte des Vergasungsofens verteilt ist, und der Temperatur T_g2 nach der Pyrolyse und Vergasung flüchtiger Stoffe zeigt,
5 ist eine schematische Ansicht, die ein Beispiel des erfindungsgemäßen Festbettvergasungsofens zeigt,
6 ist eine schematische Ansicht, die ein weiteres Beispiel des erfindungsgemäßen Festbettvergasungsofens zeigt,
7 ist eine schematische Darstellung eines Beispiels eines herkömmlichen Ofens zur Vergasung organischen Abfalls, und
8 ist ein Diagramm, welches die Beziehung zwischen der Pyrolysetemperatur von organischem Abfall und der Zusammensetzung des derart erzeugten Gases schematisch darstellt.
Genaue Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Die vorliegende Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die 1 bis 6 erläutert.
1 ist eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Festbettvergasungsofens. Der Innenraum dieses Festbettvergasungsofens 201 ist vertikal durch eine Trennwand (wie etwa eine Trennplatte) 214 in zwei Sektionen unterteilt, d.h. eine Sektion zur Pyrolyse flüchtiger Stoffe 202 und eine Sektion zur teilweisen Verbrennung/Pyrolyse von festem Kohlenstoff 203. Unter der Trennwand 214 ist ein Raum gebildet, damit sich der Rückstand, der größtenteils aus festem Kohlenstoff 207 besteht, aus der Sektion zur Pyrolyse flüchtiger Stoffe 202 in die Sektion zur teilweisen Verbrennung/Pyrolyse von festem Kohlenstoff 203 bewegen kann. Organischer Abfall (wie etwa Altreifen und Altkunststoff) 206 wird der Sektion zur Pyrolyse flüchtiger Stoffe 202 zugeführt, in der die im organischen Abfall 206 vorhandenen flüchtigen Stoffe durch das durch Verbrennung von festem Kohlenstoff erzeugte Gas 213, das aus der teilweisen Verbrennung eines Teils des festen Kohlenstoffs 207 resultiert, erwärmt und dadurch pyrolysiert und vergast werden, um ein durch Vergasung flüchtiger Stoffe erhaltenes Gas 208 zu erzeugen. Der restliche feste Kohlenstoff 207 bewegt sich in die Sektion zur teilweisen Verbrennung/Pyrolyse von festem Kohlenstoff 203, in der er teilweise verbrannt wird, um ein durch Vergasung von festem Kohlenstoff erhaltenes Gas 209 zu erzeugen. Im oberen Abschnitt des Festbettvergasungsofens 201 werden das durch Vergasung flüchtiger Stoffe erhaltene Gas 208 und das durch Vergasung von festem Kohlenstoff erhaltene Gas 209 miteinander vermischt, um ein durch Vergasung von organischem Abfall erhaltenes Gas 210 zu erzeugen. Das Bezugszeichen 211 bezeichnet ein Vergasungsmittel, das einem Raum unterhalb einer perforierten Platte 204 durch eine mit einem Ventil 212 ausgestattete Vergasungsmittelzufuhrrohrleitung 205 zugeführt wird.
Bei diesem Vergasungsofen wird die Temperatur der Sektion zur Pyrolyse flüchtiger Stoffe 202 so gesteuert, dass sie innerhalb des Bereichs von 500 bis 700°C liegt. Wenn die Temperatur niedriger als 500°C ist, verläuft die Pyrolysereaktion nicht zufrieden stellend, wohingegen, wenn sie höher als 700°C ist, der Anteil von hochmolekularem Kohlenwasserstoffgas in unerwünschter Weise reduziert wird, wie vorstehend ausgeführt.
Die Temperatur der Sektion zur teilweisen Verbrennung/Pyrolyse von festem Kohlenstoff 203 sollte in dem Bereich von ungefähr 700 bis 1.500°C liegen, obgleich sie abhängig vom Luftverhältnis und anderen Faktoren variieren kann. Wenn die Temperatur niedriger als 700°C ist, kann die teilweise Verbrennung nicht aufrechterhalten werden, während, wenn die Temperatur höher als 1.500°C ist, Probleme, wie etwa eine Beschädigung des Ofens, auftreten können.
Die Temperaturen der Sektion zur Pyrolyse flüchtiger Stoffe 202 und der Sektion zur teilweisen Verbrennung/Pyrolyse von festem Kohlenstoff 203 können durch Regeln der Zufuhrrate des Vergasungsmittels 211 (d.h. des Luftverhältnisses) und des Verteilungsverhältnisses gesteuert werden.
Wenn beispielsweise das Luftverhältnis in Bezug auf den festen Kohlenstoff (d.h. das Verhältnis von Luft zu seiner stöchiometrischen Menge bei einer gegebenen Menge an Brennstoffen) λ_c im Falle einer Vergasung von Altreifen mit Hilfe von Luft variiert, verändern sich die Vergasungstemperatur T_c von festem Kohlenstoff und die Temperatur T_g1 nach der Pyrolyse und Vergasung flüchtiger Stoffe bei Verwendung des gesamten aus der Vergasung von festem Kohlenstoff resultierenden Gases, wie in 3 gezeigt. Aus 3 geht hervor, dass fester Kohlenstoff zurückbleibt, wenn λ_c ≤ 0,5. Andererseits übersteigt T_g1 750°C, wenn λ_c ≥ 0,6, so dass ein durch Vergasung flüchtiger Stoffe erhaltenes Gas mit einem hohen Gehalt an hochmolekularen Bestandteilen nicht erzeugt werden kann. Das bedeutet, der geeignete Bereich des Verhältnisses von Luft zu festem Kohlenstoff ist so schmal, dass die Temperatursteuerung schwierig ist.
Wenn der Innenraum des Vergasungsofens jedoch in eine Sektion zur Pyrolyse flüchtiger Stoffe und eine Sektion zur teilweisen Verbrennung/Pyrolyse von festem Kohlenstoff unterteilt ist und das durch Vergasung von festem Kohlenstoff erhaltene Gas auf diese Sektionen verteilt ist, ist die Beziehung zwischen der Temperatur T_g2 nach der Pyrolyse und Vergasung flüchtiger Stoffe und dem Verteilungsverhältnis a wie in 4 gezeigt, sogar bei einem λ_c von 0,6. Daher kann T_g2 innerhalb des Bereichs von 500 bis 700°C gehalten werden.
Die hochmolekularen Bestandteile, wie etwa aromatische Kohlenwasserstoffe, die in dem durch Vergasung flüchtiger Stoffe erhaltenen Gas vorhanden sind, sind, sobald sie einmal erzeugt worden sind, bei Temperaturen bis zu ungefähr 850°C stabil. Sogar wenn das durch Vergasung flüchtiger Stoffe erhaltene Gas mit dem daran vorbei geführten durch Vergasung von festem Kohlenstoff erhaltenen Gas vermischt wird, wird ersteres nur auf ungefähr 750°C erwärmt und somit keiner Veränderung seiner Zusammensetzung unterzogen.
2 ist eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Festbettvergasungsofens. Dieser Vergasungsofen entspricht im Wesentlichen dem gemäß 1, außer dass ersterer zwei Vergasungsmittelzufuhrrohrleitungen 205' und 205'' umfasst, die es ermöglichen, zwei Vergasungsmittel 211' und 211'' mit unterschiedlichen Zusammensetzungen und Zufuhrraten über die Ventile 212' bzw. 212'' zuzuführen. Auf diese Weise können Vergasungsmittel mit unterschiedlichen Zusammensetzungen und Zufuhrraten der Sektion zur Pyrolyse flüchtiger Stoffe und der Sektion zur teilweisen Verbrennung/Pyrolyse von festem Kohlenstoff separat zugeführt werden, so dass die Temperatursteuerung vereinfacht wird.
Als Vergasungsmittel kann ein sauerstoffhaltiges Gas, wie etwa Luft oder ein Gas verwendet werden, dem Dampf hinzugefügt wurde. Wenn das Vergasungsmittel Dampf enthält, hat dies die Wirkung, dass die Temperatur der teilweisen Verbrennung/Vergasung entsprechend der vorstehend beschriebenen Gleichung (3) verringert wird. Wenn jedoch nicht in Reaktion getretener Dampf mit dem durch Vergasung flüchtiger Stoffe erhaltenen Gas im oberen Abschnitt des Vergasungsofens in Kontakt kommt, wird das hochmolekulare Kohlenwasserstoffgas gemäß der vorstehend beschriebenen Gleichung (4) in ein niedermolekulares Gas umgewandelt. Dem entsprechend sollte Dampf in einer solchen Menge hinzugefügt werden, dass das molare Äquivalentverhältnis von Dampf zu festem Kohlenstoff (H₂O/C) nicht höher als 1 ist.
Wenn zwei Vergasungsmittelzufuhrrohrleitungen zur Zufuhr von Vergasungsmitteln mit unterschiedlichen Zusammensetzungen an die Sektion zur Pyrolyse flüchtiger Stoffe und die Sektion zur teilweisen Verbrennung/Pyrolyse von festem Kohlenstoff bereitgestellt sind, wie bei dem Vergasungsofen gemäß 2, ist es bevorzugt, auf die Zufuhr von Dampf in die Sektion zur Pyrolyse flüchtiger Stoffe oder die Zufuhr von Dampf in die Sektion zur Pyrolyse flüchtiger Stoffe mit einer niedrigeren Zufuhrrate als in die Sektion zur teilweisen Verbrennung/Pyrolyse von festem Kohlenstoff zu verzichten.
Die vorliegende Erfindung wir unter Bezugnahme auf die folgenden Beispiele genauer erläutert.
(Beispiel 1)
5 ist eine schematische Ansicht, die ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Festbettvergasungsofens zeigt. Dieser Festbettvergasungsofen 201 weist eine leicht schräg abfallende drehbare konische perforierte Platte 204 und ein Innengehäuse 215 auf, welches über dieser eine A-Kammer 215 (d.h. eine Sektion zur Pyrolyse flüchtiger Stoffe) bildet, und zwar innerhalb eines Außengehäuses 216, das die Außenwand des Festbettvergasungsofens 201 bildet. Das Innengehäuse 215 und das Außengehäuse 216 sind so bemessen, dass das Verhältnis der Querschnittsfläche des Innengehäuses 215 zur Querschnittsfläche des Raumes zwischen dem Innengehäuse 215 und dem Außengehäuse 216 (d.h. eine B-Kammer 218, die eine Sektion zur teilweisen Verbrennung/Vergasung von festem Kohlenstoff bildet) ungefähr 1:1 entspricht. Einem Raum unterhalb der perforierten Platte 204, wird über eine Vergasungsmittelzufuhrrohrleitung 205 und die Ventile 212 Luft 223 als Vergasungsmittel zugeführt.
Unter Verwendung dieses Festbettvergasungsofens 201 wurden Altreifen, welche ein typisches Beispiel für organischen Abfall darstellen, einer Vergasungsprüfung unterzogen. Stahl und Asche ausgenommen, enthalten Altreifen ungefähr 70 Gew.-% flüchtige Stoffe (wie etwa Rohgummi und Öl) und ungefähr 30 Gew.-% Ruß (festen Kohlenstoff).
Altreifen 220, die zerkleinert worden waren, wurden dem oberen Abschnitt der A-Kammer 217 innerhalb des Innengehäuses 215 über eine Beschickungsrutsche 219 zugeführt. Diese Altreifen 220 wurden durch ein Gas erwärmt, das im unteren Abschnitt der A-Kammer 217 infolge der teilweisen Verbrennung eines Teils des im Rückstand 221 vorhandenen festen Kohlenstoffs mit Hilfe von Luft 223 erzeugt wurde, die als Vergasungsmittel über ein Ventil 212 zugeführt wurde, so dass die darin vorhandenen flüchtigen Stoffe pyrolysiert und vergast wurden, um ein durch Vergasung flüchtiger Stoffe erhaltenes Gas 208 zu erzeugen. Nach der Entfernung der flüchtigen Stoffe bewegte sich der resultierende Rückstand (bestehend hauptsächlich aus festem Kohlenstoff) 221 durch die Drehung der perforierten Platte 204 in die B-Kammer 218 und wurde mit Hilfe von Luft 223, die als Vergasungsmittel über das andere Ventil 212 zugeführt wurde, teilweise verbrannt und vergast. Das derart durch Vergasung von festem Kohlenstoff erzeugte Gas 209 wurde mit dem durch Vergasung flüchtiger Stoffe erhaltenen Gas 208 im oberen Abschnitt des Vergasungsofens vermischt, um ein durch Vergasung von Altreifen erhaltenes Gas 222 zu erzeugen.
Das Verhältnis der der A-Kammer 217 und der B-Kammer 218 zugeführten Vergasungsmittel kann abhängig von der Zusammensetzung des verwendeten organischen Abfalls und anderen Faktoren beliebig reguliert werden. Neben einem sauerstoffhaltigen Gas, wie etwa Luft, kann auch ein Gas, dem eine geeignete Menge Dampf hinzugefügt wurde, als Vergasungsmittel verwendet werden.
(Beispiel 2)
6 ist eine schematische Ansicht, die ein weiteres Beispiel des erfindungsgemäßen Festbettvergasungsofens zeigt. Dieser Vergasungsofen 201 hat im Wesentlichen dieselbe Bauart wie der Festbettvergasungsofen gemäß 5, außer dass ersterer mit zwei Vergasungsmittelzufuhrrohrleitungen ausgestattet ist. Dieser Festbettvergasungsofen 201 weist insbesondere eine leicht schräg abfallende drehbare konische perforierte Platte 204 und ein Innengehäuse 215 auf, welches über dieser eine A-Kammer 215 (d.h. eine Sektion zur Pyrolyse flüchtiger Stoffe) bildet, und zwar innerhalb eines Außengehäuses 16, das die Außenwand des Festbettvergasungsofens 201 bildet. Das Innengehäuse 215 und das Außengehäuse 216 sind so bemessen, dass das Verhältnis der Querschnittsfläche des Innengehäuses 215 zur Querschnittsfläche des Raumes zwischen dem Innengehäuse 215 und dem Außengehäuse 216 (d.h. eine B-Kammer 218, die eine Sektion zur teilweisen Verbrennung/Vergasung von festem Kohlenstoff bildet) ungefähr 1:3 entspricht. Einem Raum unterhalb der perforierten Platte 204, wird über eine Vergasungsmittelzufuhrrohrleitung 205' Luft 223 und über eine Vergasungsmittelzufuhrrohrleitung 205'' ein Gasgemisch aus Sauerstoff 224 und Dampf 225 zugeführt. Bei diesem Ofen wird Luft 223 durch die Vergasungsmittelzufuhrrohrleitung 205' hauptsächlich in die A-Kammer eingebracht, während das Gasgemisch aus Sauerstoff 224 und Dampf 225 durch die Vergasungsmittelzufuhrrohrleitung 205'' hauptsächlich in die B-Kammer eingebracht wird.
Unter Verwendung dieses Festbettvergasungsofens 201 wurden dieselben Altreifen, die auch im Beispiel 1 verwendet wurden, einer Vergasungsprüfung unterzogen. Altreifen 220, die zerkleinert worden waren, wurden dem oberen Abschnitt der A-Kammer 217 innerhalb des Innengehäuses 215 über eine Beschickungsrutsche 219 zugeführt. Diese Altreifen 220 wurden durch ein durch Verbrennung von festem Kohlenstoff erzeugtes Gas 213 erwärmt, das im unteren Abschnitt der A-Kammer 217 infolge der teilweisen Verbrennung eines Teils des im Rückstand 221 vorhandenen festen Kohlenstoffs mit Hilfe von Luft 223 erzeugt wurde, die als Vergasungsmittel zugeführt wurde, so dass die darin vorhandenen flüchtigen Stoffe pyrolysiert und vergast wurden, um ein durch Vergasung flüchtiger Stoffe erhaltenes Gas 208 zu erzeugen. Ein Teil des resultierenden Rückstandes (bestehend hauptsächlich aus festem Kohlenstoff) 221 wurde verbrannt, während sich der Rest durch die Drehung der perforierten Platte 204 in die B-Kammer 218 bewegte und mit Hilfe des Gasgemisches aus Sauerstoff 224 und Dampf 225, das als Vergasungsmittel zugeführt wurde, teilweise verbrannt und vergast wurde. Dadurch wurde ein durch Vergasung von festem Kohlenstoff erhaltenes Gas 209 erzeugt, das brennbare Bestandteile, wie etwa CO und H₂, enthielt. Dieses durch Vergasung von festem Kohlenstoff erzeugte Gas 209 wurde mit dem durch Vergasung flüchtiger Stoffe erhaltenen Gas 208 im oberen Abschnitt des Vergasungsofens vermischt, um ein durch Vergasung von Altreifen erhaltenes Gas 222 zu erzeugen.
Wenn der A-Kammer 217 Luft 223 mit einem molaren Äquivalenzverhältnis von 0,3, basierend auf dem in den Altreifen 220 vorhandenen festen Kohlenstoff (ungefähr 30 Gew.-%), zugeführt wurde (d.h. 0,8 Nm³ Luft pro kg Altreifen), wurde ungefähr die Hälfte des festen Kohlenstoffs verbrannt, um ein durch Vergasung von festem Kohlenstoff erhaltenes Gas 213 zu erzeugen, das CO, CO₂ und dergleichen zusätzlich zu N₂ enthielt und eine Temperatur von ungefähr 1.000°C hatte. Die Altreifen 220 wurden durch dieses durch Vergasung von festem Kohlenstoff erhaltene Gas 213 erwärmt, so dass die flüchtigen Stoffe bei ungefähr 500°C pyrolysiert wurden, um ein durch Vergasung flüchtiger Stoffe erhaltenes Gas 208 zu erzeugen, das hochmolekulare Kohlenwasserstoffe enthielt. Andererseits wurde der im Rückstand 221 verblie bene feste Kohlenstoff in der B-Kammer 218 mittels eines Gasgemisches aus Sauerstoff 224 und Dampf 225 teilweise verbrannt und vergast, welches Sauerstoff und Dampf in molaren Äquivalenzverhältnissen von 0,4 bzw. 1,2 enthielt (d.h. 0,11 Nm³ Sauerstoff und 0,34 Nm³ Dampf pro kg Altreifen) enthielt. Dadurch wurde ein durch Vergasung von festem Kohlenstoff erzeugtes Gas 209 erhalten, das nahezu gleiche Volumina an CO₂, CO, H₂ und H₂O enthielt und eine Temperatur von ungefähr 1.000°C hatte.

Claims

Festbettvergasungsofen, bei dem ein Vergasungsmittel mit einem sauerstoffhaltigen Gas dem mit organischem Abfall (206) befüllten Ofen (201) zugeführt wird, im organischen Abfall vorhandene flüchtige Stoffe im oberen Abschnitt des Ofens pyrolisiert und vergast werden, verbliebener fester Kohlenstoff (207) durch Reaktion mit dem Vergasungsmittel im unteren Abschnitt des Ofens vergast wird und der verbliebene feste Kohlenstoff auch dazu dient, Wärme zur Pyrolyse der flüchtigen Stoffe zu liefern, wobei der Ofen zwei getrennte innere Sektionen umfasst: eine Sektion zur Pyrolyse flüchtiger Stoffe (202), um einen Teil des verbliebenen festen Kohlenstoffs (207) durch Reaktion mit dem Vergasungsmittel zu vergasen und die flüchtigen Stoffe durch die dadurch entstandene Wärme zu pyrolysieren und zu vergasen, und eine Sektion zur teilweisen Verbrennung/Vergasung von festem Kohlenstoff (203), um überschüssigen festen Kohlenstoff mit dem Vergasungsmittel (211) zur Reaktion zu bringen, dadurch gekennzeichnet, dass der Ofen ferner umfasst: eine erste Rohrleitung (205'), um ein erstes Vergasungsmittel (211') hauptsächlich der Sektion zur Pyrolyse flüchtiger Stoffe (202) zuzuführen, und eine zweite Rohrleitung (205''), um ein zweites Vergasungsmittel (211'') hauptsächlich der Sektion zur teilweisen Verbrennung/Vergasung von festem Kohlenstoff (203) zuzuführen, damit die Zusammensetzungen und Zufuhrraten des ersten und des zweiten Vergasungsmittels unabhängig voneinander gesteuert werden können.
Verfahren zur Vergasung organischen Abfalls, das gekennzeichnet ist durch die Schritte: Bereitstellen eines Festbettvergasungsofens, der zwei getrennte innere Sektionen umfasst: eine Sektion zur Pyrolyse flüchtiger Stoffe, um einen Teil des verbliebenen festen Kohlenstoffs durch Reaktion mit einem ersten Vergasungsmittel zu vergasen und die flüchtigen Stoffe durch die dadurch entstandene Wärme zu pyrolysieren und zu vergasen, und eine Sektion zur teilweisen Verbrennung/Vergasung von festem Kohlenstoff, um nur den überschüssigen festen Kohlenstoff mit einem zweiten Vergasungsmittel zur Reaktion zu bringen, Zuführen von organischem Abfall in den Ofen, und Steuern der Zusammensetzung und Zufuhrrate des ersten und des zweiten Vergasungsmittels zur Vergasung des organischen Abfalls, so dass die Temperatur der Sektion zur Pyrolyse flüchtiger Stoffe in einem Bereich von 500 bis 700°C und die Temperatur der Sektion zur teilweisen Verbrennung/Vergasung von festem Kohlenstoff in einem Bereich von 700 bis 1500°C liegt.