DE69913994T2 - Flash-pyrolyse in einem zyklon - Google Patents

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Pyrolyse, das in einem Zyklonreaktor durchgeführt wird. Genauer gesagt bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zur Pyrolyse von kohlenstoffhaltigem Material, durchgeführt in einem Zyklonreaktor, der mit verstärkten Filtereinrichtungen ausgestattet ist. Zusätzlich betrifft die Erfindung die Verwendung eines Zyklons, der mit einem rotierenden Filter ausgestattet ist, als Pyrolysereaktor.
  • Wegen der wachsenden Knappheit von fossilen Brennstoffen, muss eine steigende Menge an Energie aus erneuerbaren Quellen erhalten werden. Die Wärmeumwandlung von kohlenstoffhaltigen Materialien, wie Biomasse und Abfall, kann eine bedeutende Rolle spielen, Materialien zu liefern, die fossile Brennstoffe ersetzen können. Diese Umwandlungen können durch Pyrolyseverfahren bewirkt werden. Typischerweise tritt die Pyrolyse unter nichtoxidierenden Bedingungen in Anwesenheit von Hitze auf. In der Vergangenheit ist Pyrolyse wegen der geringen Wärmeübergangsraten in Reaktoren mit relativ langen Pyrolysezeiten durchgeführt worden. Jedoch haben Produkte, die durch Verfahren erhalten werden, bei denen eine lange Pyrolysezeit angewendet wird, oft eine inakzeptable Qualität. Dies ist einem übermäßigen Cracken des Produktes zugeschrieben worden, das durch die lange Verweilzeit im Reaktor herbeigeführt wird.
  • Eine Lösung der Probleme des übermäßigen Crackens des Produkts und/oder betriebsbedingter Schwierigkeiten ist ein sogenanntes Flash-Pyrolyseverfahren, das durch eine kurze Verweilzeit der Produkte im Reaktor gekennzeichnet ist. Die Flash-Pyrolyse kann z. B. in Strömungsrohrreaktoren durchgeführt werden. Die Verwendung von Strömungsrohrreaktoren verkürzt die Reaktionszeit wegen der hohen Wärmeübertragungsraten und hat somit ein geringeres thermisches Cracken zur Folge. Jedoch ist das Problem des Anbackens oder des Agglomerierens ein Nachteil bei der Verwendung eines Strömungsrohrreaktors für die Pyrolyse. Die meisten Einsatzmaterialien durchlaufen während des Pyrolysever fahrens einen klebrigen Zustand. In diesem Zustand haben die Teilchen die Neigung zu agglomerieren, insbesondere entlang der Wände des Reaktors, was Schwierigkeiten beim Betrieb eines solchen Verfahrens verursacht.
  • Im Stand der Technik ist auch vorgeschlagen worden, die Flash-Pyrolyseverfahren in Zyklonen durchzuführen. Die US-A-4 151 044 betrifft ein Verfahren zur Pyrolyse, das in einem Zyklonreaktor durchgeführt wird. Gemäß dieser Schrift verhindert die Verwendung eines Zyklons das Anbacken, weil eine konstante Verwirbelung des Gasstromes die Teilchen in Bewegung hält und so die Bildung von Agglomeraten verhindert.
  • Jedoch ergibt sich ein gewichtiger Nachteil aus dem Pyrolyseverfahren, das in Zyklonreaktoren durchgeführt wird, aus der Erzeugung von kleinen teilchenförmigen Stoffen während der Pyrolyse. Die Anwesenheit kleiner Feststoffteilchen im Produkt ist oft unvermeidlich. Die Anwesenheit von Feststoffteilchen vermindert den Wert des Produktstromes. Es wurde auch vorgeschlagen, dass die Anwesenheit von Feststoffteilchen eine Rolle beim übermäßigen Cracken oder anderen unerwünschten Reaktionen der Verbindungen im Produktstrom spielt, da die Teilchen eine Oberfläche bieten, an der diese unerwünschten Reaktionen stattfinden können. Ein Kohlenwasserstoffprodukt, das mit Feststoffen in dieser Größe verunreinigt ist, ist oft als ein Ausgangsmaterial für eine weitere Verarbeitung unannehmbar. Um Verfahren, die auf erneuerbaren Ausgangsmaterialvorräten basieren, erfolgreich und ökonomisch nutzbar zu machen, ist es von äußerster Wichtigkeit, Techniken bereitzustellen, die saubere Produkte erzielen.
  • Obwohl Zyklone fähig sind, Feststoffteilchen aus Gasen durch eine Zentrifugal- oder Zyklonwirkung, die für diese Abscheider typisch ist, zu entfernen, kann die Größe der Feststoffe, die den Gasausgang des Zyklons verlassen, 50 μm oder kleiner sein.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, das mindestens teilweise die Probleme des übermäßigen Crackens, der Agglomeration von Feststoffteilchen, die Anwesenheit von Feststoffteilchen im Produktstrom und andere Nachteile der bekannten Verfahren, wie oben erwähnt, zu lösen. Das Verfahren der vorliegenden Erfindung kann einen wichtigen Beitrag für die Verwendung von erneuerbaren Materialien als Einsatzmaterialvorrat für Verfahren leisten, die Kohlenwasserstoffe verwenden.
  • Es ist gefunden worden, dass ein Verfahren zur Umwandlung eines Einsatzmaterialstroms, der Gas und Teilchen enthält, in einen Produktstrom, der die Pyrolyseprodukte der Teilchen enthält, und einen Produktstrom, der Feststoffe enthält, bei dem i) der Einsatzmaterialstrom in einen Zyklon eingeführt wird, ii) dem Einsatzmaterialstrom in dem Zyklon Hitze zugeführt wird, um Pyrolyse zumindest eines Teils der Teilchen zu bewirken, iii) Feststoffe im Wesentlichen von Gasen getrennt werden, die im Zyklon vorhanden sind, indem a) eine Zyklonwirkung herbeigeführt wird und b) ein rotierender Filter betrieben wird, der mit einem der Gasaustritte des Zyklons verbunden ist, sodass der Produktstrom und der Feststoffstrom im Wesentlichen als separate Ströme austreten, und iv) mindestens eine Fraktion der Feststoffe, die in dem rotierenden Filter gesammelt werden, zu dem Zyklon transportiert wird, um anschließend durch eine Zyklonwirkung von den Gasen getrennt zu werden, mindestens ein Teil der oben erwähnten Probleme überwindet.
  • Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren tritt der Produktstrom durch den rotierenden Filter aus, und der Feststoffstrom tritt durch den Feststoffausgang des Zyklons aus, wobei beide Ströme im Wesentlichen als getrennte Ströme austreten.
  • Mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung wird eine wirksame Abtrennung von Feststoffen aus den Produktgasen erhalten. Zusätzlich können die abgetrennten Feststoffe in dem Verfahren der vorliegenden Erfindung wiederverwendet werden, was beträchtlich zur ökonomischen Durchführbarkeit beiträgt, sowohl aus Sicht der Abfallbeseitigung als auch aus Sicht der Gesamtenergieeffizienz. Darüber hinaus ist gefunden worden, dass ein rotierender Abscheider oder rotierender Filter, der ein Teil des Abscheiders ist, der als ein Pyrolysereaktor in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, so konstruiert sein kann, dass er den korrosiven Produktgasen bei Temperaturen nahe den Pyrolysetemperaturen widerstehen kann. Es kann der Korrosion durch eine gute Materialauswahl (z. B. Edelstahl) oder durch Zuführung von Additiven in den Reaktor, um korrosive Bestandteile in den Produktgasen (z. B. durch Kalksteininjektion, um Chlor einzufangen) einzufangen, widerstanden werden. Darüber hinaus werden die Feststoffe aus dem Produktgas durch den rotierenden Abscheider auf eine kontinuierliche Art und Weise getrennt, um so einen kontinuierlichen Betrieb zu ermöglichen. Die Produkte aus dem Zyklon gelangen vorzugsweise direkt nach dem Austreten aus dem Zyklon in den rotierenden Abscheider. Dies begrenzt die Größe des Rohrleitungssystems und der Hilfsmittel und verringert die Material- und/oder Betriebskosten. Auf diese weise werden Feststoffe, die in den Produkten aus dem Zyklon vorliegen, nahe am Ort der Entstehung dieser Feststoffe wirksam abgetrennt. Da die Feststoffe, die durch den rotierenden Filter eingefangen werden, in den Kanälen des rotierenden Filters agglomerieren, werden Agglomerate aus kleinen Teilchen ergeben, die wegen ihrer zunehmenden Größe durch den Zyklon, nachdem sie aus dem rotierenden Filter ausgeworfen wurden, wirksam abgetrennt werden können. Zusätzlich kann die Wärme der durch den rotierenden Filter eingefangenen Teilchen im Wesentlichen erhalten werden, weil der rotierende Filter nahe dem Zyklon angeordnet ist. Der Produktstrom muss nicht gekühlt werden, weder aktiv noch passiv, bevor die Teilchen davon abgetrennt werden. Auf diese Weise wird Wärme konserviert, was das Verfahren der vorliegenden Erfindung energieeffizienter macht.
  • Die Vorrichtung, die verwendet wird, um die erfindungsgemäße Pyrolysereaktion zu enthalten, ist ein Zyklon, der mit einem rotierenden Abscheider ausgestattet ist. Sowohl der Zyklon als auch der rotierende Abscheider wirken als Abscheider für Feststoffe aus Gasen aus den Strömen, die in dem Verfahren angewendet werden, während die Pyrolysereaktion im Wesentlichen in dem Zyklonteil stattfindet, obwohl dies hauptsächlich von der Temperaturverteilung in dem Reaktor abhängt. Wenn pyrolysierbare Teilchen bei Temperaturen vorhanden sind, die ausreichend hoch sind, wird Pyrolyse unabhängig davon stattfinden, ob dies im Zyklon, im rotierenden Filter oder an den unterschiedlichen Stellen wie dem einlassenden Rohrleitungssystem ist.
  • Der in dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendete Zyklon dient mindestens zwei Zwecken; abgesehen von der Durchführung der Pyrolysereaktion arbeitet er auch als Abscheider. Während oder nach dem Pyrolysevorgang werden irgendwelche Feststoffe, die in Zyklonen vorhanden sind, im Wesentlichen von den Gasen durch die Wirkung des Zyklons oder durch einen rotierenden Filter, der an einem der Gasaustritte des Zyklons vorhanden ist, abgetrennt. Die Feststoffe, die in dem Zyklon vorhanden sind, können Feststoffe sein, die bereits in dem Einsatzmaterialstrom vorhanden waren, oder Feststoffe, die Produkte der Pyrolysereaktion sind. Als ein Ergebnis der Abtrennung werden der Produktstrom und der Festkörperstrom im Wesentlichen als separate Ströme erhalten.
  • Der rotierende Filter ist im Einzelnen in der US-A-5 073 177 beschrieben, die hierin durch Bezugnahme eingefügt ist. Er umfasst parallele Kanäle und ist in der Lage, eine wesentliche Fraktion von Feststoffen zu entfernen, die mit einen größten Querschnitt aufweisen, der wesentlich kleiner ist als der Querschnitt eines jeden seiner parallelen Kanäle. Eine geeignete Ausführungsform des rotierenden Filters ist ein Monolith und er kann entweder aus einem keramischen Material wie Cordierit oder einem Metall wie Edelstahl gemacht sein. Vorzugsweise haben alle Kanäle im Wesentlichen den gleichen Durchmesser. Es ist auch bevorzugt, dass die Kanäle in paralleler Richtung verlaufen, vorzugsweise parallel zur Rotationsachse. Typischerweise kann der Durchmesser des Filterelements bis zu 1 m betragen, was Gasflüsse von 10,000 m3/h erlaubt. Typische Durchmesser der Kanäle in dem Filter liegen zwischen einem und einigen Millimetern. Der rotierende Filter wird durch axiale Rotation betrieben, nämlich indem die Rotationachse parallel zu den Kanälen des Filters liegt. Typischerweise wird die Rotation mit einer Rotationsgeschwindigkeit von 3 000 UpM durchgeführt. Der rotierende Filter ermöglicht das Entfernen von Feststoffpartikeln, die einen Durchmesser von weniger als 50 μm haben. Feststoffe mit einem Durchmesser so klein wie ungefähr 0,1 μm können entfernt werden.
  • Der rotierende Filter stellt eine effiziente Reinigungsvorrichtung bereit, die sehr vielseitig ist, da sie eine Anzahl von Parametern einführt, die gewählt und eingestellt werden können, um den Anforderungen des Verfahrens gerecht zu werden. Durch Wahl der Parameter wie den Kanaldurchmesser, die Kanallänge und die Rotationsgeschwindigkeit kann das Verfahren abgestimmt werden, um die Produktspezifikationen zu treffen. Dies ist wichtig, da das Pyrolyseverfahren, das in dem Zyklonreaktor durchgeführt wird, in der Tat eine begrenzte Anzahl von Freiheitsgraden hat, da es mehr oder weniger gleichzeitig mindestens zwei Aufgaben zu erfüllen hat, nämlich die Pyrolysereaktion und die Abtrennung durchzuführen. Jede dieser Aufgaben hat seine eigenen optimalen Verfahrensparameter und Gerätedimensionen. Oft unterscheiden sich diese Werte für die jeweilige Aufgabe und ein Kompromiss muss gefunden werden. Dieser Kompromiss vermindert die Effizienz mindestens einer dieser Aufgaben. Der rotierende Filter ermöglicht die Optimierung des gesamten Prozesses.
  • Der rotierende Filter ist vorzugsweise im Wesentlichen direkt auf oder in einem der Gasauslässe des Zyklons angebracht. Auf diese Weise wird das Gas, das den Zyklon verlässt und einige Feststoffe trägt, durch die Kanäle des rotierenden Filters gezwungen. Während seiner Anwesenheit in den Kanälen des rotierenden Filters wird das Gas einem Zentrifugalkraftfeld unterworfen, das zur Folge hat, dass die Feststoffe zu den Wänden eines jeden Kanals gezwungen werden, wo diese eingefangen werden, d. h. aus dem Gasstrom entfernt werden und Agglomerate bilden können. Der gereinigte Gasstrom verlässt den rotierenden Filter, um weiterverarbeitet zu werden. Die Richtung des Produktstroms verläuft im Wesentlichen vom Zyklon weg.
  • Als eine Folge der Ansammlung von Feststoffen werden die Wände der Kanäle im Filter mit Feststoffen beladen. Um das Verfahren der vorliegenden Erfindung kontinuierlich durchführen zu können, ist es bevorzugt, einen rotierenden Filter mit Mitteln zur Entfernung der angesammelten Feststoffe aus den parallelen Kanälen bereitzustellen. Dies wird vorzugsweise durch ein Fluidstrahl bewerkstelligt, der in Bezug auf die Richtung des Produktstroms in entgegengesetzte Richtung durch den Kanal bläst. Als Ergebnis des Blasens des Fluidstroms wird mindestens eine Fraktion der angesammelten Feststoffe zurück in den Zyklon transportiert und kann anschließend von den Gasen durch die Zyklonwirkung abgetrennt werden.
  • Durch die Beschaffenheit des Pyrolyseverfahrens sind die geblasenen Fluide bevorzugt inert gegenüber den Pyrolysebedingungen oder haben keine wesentliche Wirkung auf das Pyrolyseverfahren. Geeignete Fluide umfassen Gase wie Wasserdampf, das Pyrolysegas selbst, Stickstoff oder andere (inerte) Gase und Flüssigkeiten wie Wasser, Öl oder andere (inerte) Flüssigkeiten.
  • Der Fluiddüse kann so angebracht sein, dass sie bewegt werden kann und gleichzeitig die Feststoffe aus einem oder einer Gruppe von Kanälen auswirft. Dies ist besonders bei einem kontinuierlichen Betrieb bevorzugt, da Teile der Kanäle für die Filterwirkung freibleiben.
  • Im Stand der Technik sind Zyklone oder Wirbelabscheider gut bekannte Vorrichtungen. Ein Zyklon für die Verwendung in der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung, die mindestens einen Einlaß auf einem Gehäuse mit im Wesentlichen kreisförmigem Querschnitt hat. Mehrere Einlässe sind nützlich, wenn z. B. ein Einsatzmaterialstrom und ein Strom eines Wärmeträgers, wie heiße Inertpartikel, getrennt eingespritzt werden müssen, um sicherzugehen, dass die Pyrolyse nur im Inneren des Reaktors stattfindet. Der Einlaß verläuft bevorzugt tangential zum Gehäuse. Ein Einsatzmaterialstrom, der durch den Zyklon zu trennende Fluide und Teilchen umfasst, wird, wenn er als Abscheider verwendet wird, durch den Einlaß des Zyklons eingespritzt und in einen spiralförmig ausgeprägten Strömungsweg oder -wirbel entlang der inneren Oberfläche des Gehäuses gezwungen. Dies führt zu einem Zentrifugalkraftfeld, durch das die Teilchen, die im Zyklon vorhanden sind, in Richtung der inneren Oberfläche des Zyklons gezwungen werden. Dieses durch den Zyklon erzeugte Zentrifugalkraftfeld führt zur Abtrennung der Fluide und Teilchen und wird als "Zyklonwirkung" bezeichnet.
  • Der Zyklon arbeitet, wenn er als chemischer Reaktor verwendet wird, z. B. als ein Pyrolysereaktor, im Wesentlichen so wie ein physikalischer Abscheider, allerdings können die Feststoffteilchen auch aus der Pyrolysereaktion stammen. Es ist klar, dass die Zyklonabtrennung und die Reaktionsverfahren, wenn als ein Pyrolysereaktor gemäß der vorliegenden Erfindung betrieben, gleichzeitig stattfinden können. Zu pyrolysierende Teilchen werden, wenn als Pyrolysereaktor verwendet, in den Einlaß des Zyklons eingeführt, vorzugsweise indem ein inertes Trägergas verwendet wird. Während ihrer Anwesenheit im Reaktor unterzieht sich mindestens ein Teil der zugeführten Teilchen einer chemischen Umwandlung unter Bildung von Pyrolyseprodukten, während irgendein Inertgas unverändert bleiben wird. Pyrolyseprodukte können entweder im gasförmigen, festen oder flüssigen Zustand vorliegen, obwohl sie, wenn sie sich im flüssigen Zustand befinden, üblicherweise Teil der festen Phase sein werden, auf der solche Flüssigkeiten adsorbiert sind.
  • Die Partikel werden an den Wänden des Zyklons angesammelt und können unter dem Einfluss der Schwerkraft abwärtsgleiten. Am unteren Ende des Zyklons können die Teilchen angesammelt werden, gegebenenfalls als kontinuierlicher Strom. Die gereinigten Fluide verlassen den Zyklon durch einen oder mehrere Ausgänge, die sich vorzugsweise am oberen Ende des Zyklons befinden. Herkömmliche Zyklone haben einen zylindrischen oberen Teil, wo sich der Einlaß befindet, und ein konisches Unterteil. Der Gasauslass (die Gasauslässe) ist/sind im Allgemeinen am oberen Ende des zylindrischen oberen Teils angebracht. Ein oder mehrere Festkörperauslässe befinden sich am unteren Ende des konischen Unterteils. Normalerweise hat das konische Unterteil seinen kleinsten Querschnittsdurchmesser am unteren Ende und seinen größten Querschnittsdurchmesser an seinem oberen Ende, wo es mit dem oberen Teil, das üblicherweise denselben Durchmesser hat, verbunden ist. Fluide umfassen Flüssigkeiten und Gase. Partikel können Feststoffe aber auch Flüssigkeitströpfchen sein.
  • Viele Hinzufügungen und Änderungen zum allgemeinen Konzept von Zyklonen sind im Stand der Technik bekannt, wobei viele davon im Verfahren Verwendung finden können. Eine Ausführungsform, die für das erfindungsgemäße Verfahren der vorhandenen Erfindung besonders interessant ist, umfasst einen Zyklon, der mit dem Boden nach oben betrieben wird. In dieser Ausführungsform tritt das Einsatzmaterial durch einen Einlaß am unteren Ende des Bodens ein und die Partikel bewegen sich aufwärts mit einer Geschwindigkeit, die vom Kräftegleichgewicht zwischen der Schwerkraft und der Reibung abhängt. In diesem Fall kann die Verweilzeit der Partikel erhöht sein. Diese Ausführungsform kann auch mit einem inneren Zyklon erweitert sein, der im äußeren Zyklon angeordnet ist. In diesem Fall ist der äußere Zyklon der hauptsächliche Ort für die Pyrolysereaktion, und der innere Zyklon ist für die Trennung von Gas und Feststoffen vorgesehen (siehe 3a).
  • Eine weitere Konfiguration umfasst einen Pyrolysereaktor in Serie mit einem axial rotierenden Filterelement (siehe 3b). Die Pyrolysereaktion findet in dem Reaktor statt, und wegen der Verwirbelung im Reaktor verlassen die Feststoffe den Reaktor am oberen Ende über einen Radialausgang. Die feinen Partikel werden durch das rotierendes Filterelement eingefangen. Die Reinigung des rotierenden Filterelements kann auf die glei che Weise, wie oben beschrieben, durchgeführt werden. Die agglomerierten Feinanteile verlassen das System über den Radialausgang. In 3b wird der Reaktor als ein Wirbelreaktor (Vortex) dargestellt. Andere Reaktortypen, die in derselben Konfiguration verwendet werden können, sind: Zyklonreaktor, mitführender Durchflussreaktor, Fließbettreaktor, Torbedreaktor, usw.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die Fluide mit Hilfe von irgendwelchen herkömmlichen Mitteln durch den Zyklon und den rotierenden Abscheider gezwungen. Bevorzugt werden die Einsatzmaterialteilchen durch einen Einsatzmaterialstrom getragen, der ein Inertgas umfasst. Dieses Gas wird unter Verwendung bekannter Vorrichtungen, so wie Pumpen oder Gebläse oder irgendwelchen anderen Vorrichtungen durch das Verfahren gezwungen, die einen Druckabfall veranlassen. Eine bevorzugte Ausführungsform umfasst ein Gebläse, das direkt an dem Gasauslass des Zyklons angebracht ist. Bevorzugter wird dieses Gebläse entlang der gleichen Achse rotiert wie der rotierende Filter. Beim Einstellen der Rotationsgeschwindigkeit des Gebläses ist es auch möglich, einen Druckabfall von Null über das gesamte Verfahren zu simulieren. Die durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung zu pyrolysierenden Partikel können irgendein Kohlenwasserstoff enthaltendes Material (kohlenstoffhaltiges Material) sein. Üblicherweise werden die Partikel in Form von Feststoffen vorliegen, obwohl es auch möglich ist, Partikel zu verwenden, die Flüssigkeitströpfchen sind. Vorzugsweise umfassen diese Partikel Biomasse. Das Verfahren kann auch für die Verarbeitung von Abfall verwendet werden, bevorzugt Kunststoff enthaltendem Abfall, wie elektronische Bauteile. Mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung werden die Partikel in Produktströme umgewandelt. Wenn zum Beispiel Holzpartikel als Einsatzmaterial verwendet werden, umfasst der kondensierte Produktstrom typischerweise bei Raumtemperatur etwa 70 Gew.-% sogenanntes Bioöl, etwa 20 Gew.-% Gasverbindungen und etwa 10 Gew.-% künstliche Kohle, die eine Feststofffraktion ist, die eine Zusammensetzung hat, die mit Holzkohle vergleichbar ist. Die Fraktion der künstlichen Kohle wird im Wesentlichen separat als ein Feststoffprodukt erhalten und kann verwendet werden, um Wärme für die Pyrolysereaktion zu liefern.
  • Typischerweise sind physikalische Eigenschaften und die chemische Zusammensetzung der Bioöle, die durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden, wie folgt:
    Feuchtigkeit: 15–30 Gew.-%
    Spezifisches Gewicht: 1,15–1,25 kg/l
    Heizwert: 14–18 MJ/kg
    Viskosität : 30·10–6–60·10–6 m2/s (30–60 cSt) bei 40°C
    Säuregrad: 2,5–4,0 (pH)
    Kohlenstoff: 50–60 Gew.-%
    Wasserstoff: 5–7 Gew.-%
    Stickstoff: 0,1–0,4 Gew.-%
    Schwefel: 0–0,1 Gew.-%
    Sauerstoff: 34–43 Gew.-%
    Asche: 0,1–0,2 Gew.-%
  • Die zu pyrolysierenden Partikel können von irgendeiner Größe und Form sein, die praktisch zulässig ist, nämlich z. B. die Größe, die den Transport mittels eines Trägergases erlaubt. Vorzugsweise ist die Größe der Partikel kleiner als 10 mm, am meisten bevorzugt 2 bis 4 mm.
  • Die für die Pyrolyse erforderliche Hitze kann durch Erhitzen der Wände des Zyklons durch irgendwelche herkömmlichen Mittel zugeführt werden, wie elektrische Heizungen oder Feuerungen.
  • Produktgase oder Flüssigkeiten können verwendet werden, um die Hitze zu liefern. Bevorzugter wird diese Hitze jedoch aus der künstliche Kohle-Fraktion des Produkts erhalten.
  • Es ist auch möglich, Hitze mittels aufgeheizter Inertfeststoffe zuzuführen, die in den Zyklon eingeblasen werden. Vor zugsweise werden diese aufgeheitzen Feststoffe durch Verbrennung der künstlichen Kohle in Anwesenheit dieser inerten Feststoffe erhalten. Die inerten Feststoffe können auch erhitzt werden, indem die Verbrennungswärme der Produktgase (eines Teils der Produktgase) verwendet wird. Um sicherzustellen, dass die Pyrolyse im Zyklon stattfindet und nicht vorher, ist es bevorzugt, die heißen Inertfeststoffe und die Einsatzmaterialteilchen als getrennte Ströme in den Zyklon einzuführen oder diese unmittelbar vor dem Zykloneingang zu mischen.
  • Die festen Produkte, die am Feststoffausgang des Zyklons gesammelt werden, können inerte Feststoffe, Pyrolyseprodukte und gegebenenfalls nicht-umgesetzte Einsatzmaterialteilchen umfassen. Es ist klar, dass auch nicht-umgesetzte Einsatzmaterialkomponenten verwendet werden können, um inerte Partikel zu erhitzen.
  • Das Feststoffeinsatzmaterial des Verfahrens der vorliegenden Erfindung kann vorteilhafterweise ferner einen Katalysator umfassen. Solch ein Katalysator kann verwendet werden, um die chemischen Verfahren, die im Inneren des Reaktors stattfinden, weiter zu kontrollieren. Ein Katalysator kann auch auf oder im Inneren der Wände des rotierenden Filters vorhanden sein. Beispiele solcher Katalysatoren sind Zeolithe, auf Ton basierende und auf Metall basierende Katalysatoren.
  • Die Temperatur, bei der die Pyrolysereaktion durchgeführt wird, sollte ausreichend hoch sein. Typischerweise beträgt die Temperatur 300 bis 1000°C, bevorzugt 500 bis 850°C. Der bevorzugte Temperaturbereich hängt von den bevorzugten Produkten ab. Um Bioöl zu produzieren, ist die bevorzugte Temperatur 500 bis 600°C. Um Brennstoffgase herzustellen, ist der bevorzugte Temperaturbereich 600 bis 800°C. Die Herstellung von bestimmten Chemikalien wird die Pyrolysetemperatur stark beeinflussen.
  • Der durchschnittliche Druck ist der atmosphärische Druck. Höhere oder niedrigere Drücke können in Abhängigkeit von den erwünschten Produkten (Menge und Zusammensetzung) verwendet werden. Geringere Drücke werden die Verweilzeit vermindern und werden die Produktgasausbeute steigern. Höhere Drücke können vorzugsweise für eine direkte Kopplung des Pyrolysereaktors mit einer Gasturbine verwendet werden.
  • Die durchschnittliche Verweilzeit der Partikel und des Gases im Zyklon ist gemäß des Verfahrens der vorliegenden Erfindung üblicherweise geringer als 1000 ms, vorzugsweise etwa 500 ms. Wenn längere Verweilzeiten für eine vollständige Teilchenumwandlung angewendet werden, ist die Produktausbeute (z. B. die Ausbeute des Bioöls) verringert und mehr feste künstliche Kohle wird hergestellt.
  • Die Verweilzeit des (Pyrolyse-)Gases im Reaktor ist üblicherweise kleiner als 1 Sekunde. Längere Verweilzeiten können zu Nebenreaktionen wie Cracken führen und dies wird die Produktausbeute des Verfahrens verringern.
  • Das Verfahren der vorliegenden Erfindung wird vorteilhafterweise auf eine kontinuierliche Weise durchgeführt.
  • In 1 wird eine schematische Darstellung eines Zyklons des rotierenden Abscheidertyps angegeben, der als ein Pyrolysereaktor in einem Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
  • In 2 ist ein Beispiel für die Durchführung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung angegeben. Gemäß diesem Beispiel wird zuerst Biomasse einer Mühle zugeführt, wo es zu einer geeigneten Teilchengröße verarbeitet wird. Anschließend werden diese Teilchen unter Verwendung von Abfallwärme aus dem Kohlebrenner getrocknet. Die getrockneten Teilchen werden unter Verwendung eines Gasstromes, der auch inerte erhitzte Teilchen trägt, dem Zyklonreaktor zugeführt. Nach der Pyrolysereaktion verlassen die gasförmigen Pyrolyseprodukte den Reaktor durch der rotierenden Filter, während die Feststoffprodukte den Boden des Zyklons verlassen. Der rotierende Filter ist mit einem Flüssigkeitsstrahl ausgestattet, um (Agglomerate von) Teilchen aus den Kanälen des rotierenden Filters zu entfernen und sie zurück in den Zyklon auszuwerfen.
  • Die gasförmigen Pyrolyseprodukte werden zunächst abgeschreckt, um sie zu verflüssigen, und anschließend einem Tropfenabscheider zugeführt. Am unteren Ende des Tropfenabscheiders wird nach dem Abkühlen Bioöl erhalten. Ein Teil des Bioölstroms kann im Kreislauf zurückgeführt werden, um das Abschrecken der gasförmigen Produkte zu bewirken. Das obere Ende des Abscheiders umfasst das inerte Trägergas und gegebenenfalls nichtkondensierte gasförmige Produkte. Bevorzugt wird ein zusätzlicher rotierender Teilchenabscheider als Kondensierer und Tröpfenabscheider verwendet. In dem Zyklon können die gasförmigen Pyrolyseprodukte durch das Sprühen von Bioöl in den Zyklon abgeschreckt werden, und der rotierende Filter kann als Tröpfchenabscheider verwendet werden.
  • Die festen Bodenprodukte aus dem Zyklonreaktor, die Kohle, inerte Feststoffe und gegebenenfalls nicht-umgesetztes Einsatzmaterial umfassen, werden einem Kohleverbrennungsreaktor zugeführt, der vorzugsweise ein Fließbett(FB)reaktor ist. Luft kann als ein Trägergas verwendet werden, um die Feststoffe zu transportieren. Bevor die Teilchen dem FB-Reaktor zugeführt werden, können sie abgetrennt werden, sodass die Feststoffteilchen der Reaktionszone des FB zugeführt werden, und die Luft darunter eingeblasen wird, um die Feststoffe in einem aufgewirbelten Zustand zu halten.
  • Ein Produktgasstrom aus dem Tröpfchenabscheider, der inertes Trägergas umfasst, wird anschließend dem FB-Reaktor zugeführt, um die erhitzten Teilchen zum Pyrolysereaktor zu transportieren. Die Produktgase des FB umfassen hauptsächlich CO2 und H2O und andere gasförmige Reaktionsprodukte aus dem Verbrennen der Kohle. Nach dem Filtern dieser FB-Produktgase kann ein Teil wiederverwertet werden, um für den Trockner verwendet zu werden, und ein Teil wird als Abgas ausgelassen.
  • Die Erfindung wird jetzt durch die folgenden Beispiele veranschaulicht.
  • Beispiel 1
  • Ein 5 kW PYROS-Reaktor wurde in Übereinstimmung mit dem Verfahren der Erfindung gebaut. Holzteilchen mit einer durchschnittlichen Größe von 0,5 mm wurden als Einsatzmaterial verwendet. 50 bis 60 Gew.-% des Einsatzmaterials wurden in Öl umgewandelt. Während der Versuche wurde die Schnellpyrolysetemperatur zwischen 480 und 550°C verändert.
  • Die Qualität des Öls wurde analysiert. Das in dem PYROS-Reaktor hergestellte Öl hatte folgende Eigenschaften:
    Heizwert: 14,8 MJ/kg
    Feuchtigkeitsgehalt: 30,9 Gew.-%
    Dichte (25°C): 1,2 g/cm3
    pH: 2
    Viskosität bei 40 °C: 14,63 mm2/s
  • Beispiel 2
  • Die technische Durchführbarkeitsstudie wurde für die Schnellpyrolyse von Elektronikrückständen durchgeführt. Das Schnellpyrolyseverfahren wurde bei etwa 500 bis 550°C durchgeführt. Die Produktströme des Thermalverfahrens umfassten etwa 35% Öl, 40% Ferrometalle und 12,5% Nicht-Ferrometalle. Das Öl konnte für Energieerzeugungszwecke verwendet werden, während die Metalle wiederverwendet werden konnten. Der Rest der Produkte bestand aus nicht-kondensierbaren Gasen und einer Kohlenstofffraktion (künstlicher Kohle). Beide Ströme konnten (teilweise) für den internen Energiebedarf des endothermen Schnellpyrolyseverfahrens verwendet werden.

Claims (17)

  1. Verfahren zur Umwandlung eines Einsatzmaterialstroms, der Gas und Teilchen enthält, in einen Produktstrom, der die Pyrolyseprodukte der Teilchen enthält, und einen Produktstrom, der Feststoffe enthält, bei dem i) der Einsatzmaterialstrom in einen Zyklon eingeführt wird, ii) dem Einsatzmaterialstrom in dem Zyklon Hitze zugeführt wird, um Pyrolyse zumindest eines Teils der Teilchen zu bewirken, iii) Feststoffe im Wesentlichen von Gasen getrennt werden, indem a) eine Zyklonwirkung herbeigeführt wird und b) ein rotierender Filter betrieben wird, der mit einem der Gasaustritte des Zyklons verbunden ist, so dass der Produktstrom und der Feststoffstrom im Wesentlichen als separate Ströme austreten, und iv) mindestens eine Fraktion der Feststoffe, die in dem rotierenden Filter gesammelt werden, zu dem Zyklon transportiert wird, um anschließend durch die Zyklonwirkung von den Gasen getrennt zu werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Einsatzmaterialstrom ein inertes Trägergas umfasst.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Hitze zugeführt wird, indem die Wand des Zyklons erhitzt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Feststoffstrom inerte Feststoffe, Pyrolyseprodukte und gegebenenfalls nicht umgewandelte Einsatzmaterialteilchen umfasst.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die Hitze durch die inerten Feststoffe mit einer Temperatur, die ausreicht, um Pyrolyse zu induzieren, zugeführt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die Feststoffe zu einem Brennerreaktor geführt werden, in dem die umgewandelten Teilchen und gegebenenfalls die nicht umgewandelten Teilchen gebrannt werden, um die inerten Feststoffe zu erhitzen, wobei die heißen inerten Feststoffe anschließend verwendet werden, um die Hitze in den Zyklon einzubringen.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Einsatzmaterialstrom ferner einen festen Katalysator, vorzugsweise einen Zeolith-, auf Ton basierenden und/oder auf Metall basierenden Katalysator umfasst.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Teilchen Kohlenwasserstoffe enthalten.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Teilchen Biomasse, vorzugsweise Holz, und/oder Abfall, vorzugsweise Kunststoff, umfassen.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der rotierende Filter einen Katalysator umfasst, der vorzugsweise ein Zeolith-, auf Ton basierender und/oder auf Metall basierender Katalysator ist.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der rotierende Filter Kanäle umfasst, die die Feststoffe sammeln, wobei die Kanäle durch einen Flüssigkeitsstrom gereinigt werden können, der in eine Richtung entgegengesetzt zur Richtung des Produktstroms durch die Kanäle fließt.
  12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Pyrolysetemperatur 300 bis 1000°C, vorzugsweise 500 bis 850°C und am meisten bevorzugt von 500 bis 600°C beträgt.
  13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Pyrolyse bei ungefähr atmosphärischem Druck durchgeführt wird.
  14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Größe der Teilchen weniger als 10 mm, vorzugsweise 2 bis 4 mm beträgt.
  15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die durchschnittliche Verweilzeit der Teilchen und des Gases in dem Zyklon weniger als 1000 ms, vorzugsweise etwa 500 ms beträgt.
  16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Zyklon vom Typ mit dem Boden nach oben ist.
  17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das kontinuierlich ist.
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