EP1015527B1 - Verfahren zum thermischen behandeln von flüchtige, brennbare bestandteile enthaltendem material - Google Patents

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EP1015527B1
EP1015527B1 EP98945153A EP98945153A EP1015527B1 EP 1015527 B1 EP1015527 B1 EP 1015527B1 EP 98945153 A EP98945153 A EP 98945153A EP 98945153 A EP98945153 A EP 98945153A EP 1015527 B1 EP1015527 B1 EP 1015527B1
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EP
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reactor
solids
trickle zone
pyrolysis reactor
trickle
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EP98945153A
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EP1015527A1 (de
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Hans-Jürgen WEISS
Udo Zentner
Jörg SCHMALFELD
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MG Technologies AG
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MG Technologies AG
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    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10B—DESTRUCTIVE DISTILLATION OF CARBONACEOUS MATERIALS FOR PRODUCTION OF GAS, COKE, TAR, OR SIMILAR MATERIALS
    • C10B49/00—Destructive distillation of solid carbonaceous materials by direct heating with heat-carrying agents including the partial combustion of the solid material to be treated
    • C10B49/16—Destructive distillation of solid carbonaceous materials by direct heating with heat-carrying agents including the partial combustion of the solid material to be treated with moving solid heat-carriers in divided form
    • C10B49/20—Destructive distillation of solid carbonaceous materials by direct heating with heat-carrying agents including the partial combustion of the solid material to be treated with moving solid heat-carriers in divided form in dispersed form
    • C10B49/22—Destructive distillation of solid carbonaceous materials by direct heating with heat-carrying agents including the partial combustion of the solid material to be treated with moving solid heat-carriers in divided form in dispersed form according to the "fluidised bed" technique
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C10B—DESTRUCTIVE DISTILLATION OF CARBONACEOUS MATERIALS FOR PRODUCTION OF GAS, COKE, TAR, OR SIMILAR MATERIALS
    • C10B49/00—Destructive distillation of solid carbonaceous materials by direct heating with heat-carrying agents including the partial combustion of the solid material to be treated
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    • C10B—DESTRUCTIVE DISTILLATION OF CARBONACEOUS MATERIALS FOR PRODUCTION OF GAS, COKE, TAR, OR SIMILAR MATERIALS
    • C10B53/00—Destructive distillation, specially adapted for particular solid raw materials or solid raw materials in special form

Definitions

  • the invention relates to a method for thermal treatment of volatile, flammable components Insert material with a water content of up to 20% by weight, where the insert material with hot granular solids, that come from a collection bunker in a pyrolysis reactor mixes, withdraws gases and vapors from the reactor and in the reactor generates a solid mixture, which one from the reactor dissipates, at least part of it outside the Heated and over the collection bunker in the Pyrolysis reactor returns.
  • DE-A-29 46 102 and DE-A-25 37 732 disclose both a method according to the preamble of claim 1.
  • DE-A-29 46 102 additionally reveals the possibility of inserting material in the middle Area of the trickle zone.
  • the invention is based, from which Use a gas with the highest possible calorific value win that is completely or largely tar-free and therefore only a low content of condensable organic Has components. According to the invention this object is achieved by the characterizing features of claim 1.
  • the hot granular solids are also referred to below as Heat transfer solids called.
  • the insert material is at the same time one or more posting points in the trickle zone of the Pyrolysis reactor headed. Reached at multiple drop-off points a pre-distribution of the fed material.
  • the moist material is represented by 1 to 6 Guide the feed points into the reactor.
  • the drop-off points can flow into the middle or lower area of the trickle zone.
  • the pyrolysis reactor is expedient and in particular also its trickle zone free from rotating mixing devices in order Exclude wear problems as far as possible.
  • the trickle zone can be divided by a fixed roof-like installation and multiple deflection of the trickling streams of solids and so bring about their rapid mixing.
  • a height of 1 to 10 m is recommended for the trickle zone, the height depending on the material used and the temperatures, especially in the trickle zone. This results in or from the fluidized bed Moving bed of rising gases and vapors in the trickle zone Residence times in the range from 0.5 to 20 seconds and mostly 1 up to 10 seconds. With increasing temperature the Speed of the cracking reactions, so that at high Temperatures with shorter dwell times can be worked.
  • the insert material is in from the outside fed the middle or lower area of the trickle zone, but while you put the hot granular solids in the top Area of the trickle zone. This is how the ascending come Gases and vapors in the upper area of the trickle zone only with the hot solids in contact. At a given crack temperature can the necessary residence time of the gases and vapors in the Trickle zone can be reduced or the temperature of the feed solids are lowered.
  • the collection bunker may also be advisable to use the collection bunker to further increase the temperature of the heat transfer solids before they are fed into the pyrolysis reactor.
  • an O 2 -containing gas eg air
  • combustion can be provided there, which increases the temperatures in the desired manner.
  • a pyrolysis reactor (1) leads a pyrolysis reactor (1) according to the invention through the line (2) the feedstock to be treated and through the line (3) hot granular solids as heat transfer medium.
  • the line (2) branches into several before entering the reactor (1) Drop-off points (2a) and (2b).
  • the trickle zone (1a) In the upper area of the reactor (1) is the trickle zone (1a), below that forms the Solid mixture (4) a moving bed or fluidized bed.
  • a sighting gas e.g. B. Nitrogen or water vapor
  • the trickle zone is fixed Deflection devices in the form of several roof-like internals (8) on. A rotating mixing device is used waived.
  • the hot granular solids that collect in the lower area of the bunker (22) have temperatures of 700 to 1100 ° C. If these temperatures are not already reached in the pneumatic conveying section (20), an O 2 -containing gas (e.g. air) can be supplied to the bunker (22) through the line (28) and the temperatures in the bunker can be increased by post-combustion .
  • the gas supply through line (28) can also be used to remove dust-fine solids by sifting these dusts through line (23) to separator (24) and through line (26) from the circuit away.
  • Fig. 2 shows an embodiment of the Pyrolysis reactor (1) with countercurrent flow of the hot Heat transfer solids and the gases and vapors formed above the mouths of lines (2a) and (2b) through which the feed material is fed.
  • the heat transfer solids come from line (3); the other reference numbers have the already explained together with FIG. 1.
  • a pyrolysis reactor (1) as shown in Fig. 2, 5 t of dried sewage sludge with a residual moisture content of 7 wt .-% are fed through line (2) per hour.
  • the sewage sludge consists of 63% by weight of volatile components, it has a lower calorific value of 17.0 MJ / kg.
  • the reactor (1) is fed 80 t / h hot heat transfer solids at 900 ° C through line (3). This produces 2920 Nm 3 / h, 850 ° C hot pyrolysis gas with a lower calorific value of 23.3 MJ / Nm 3 which is discharged through line (9), dedusted in the cyclone (10) and then fed to gas cleaning (16).

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum thermischen Behandeln von flüchtige, brennbare Bestandteile enthaltendem Einsatz-Material mit einem Wassergehalt von bis zu 20 Gew.-%, wobei man das Einsatz-Material mit heißen körnigen Feststoffen, die aus einem Sammelbunker kommen, in einem Pyrolysereaktor mischt, aus dem Reaktor Gase und Dämpfe abzieht und im Reaktor ein Feststoffgemisch erzeugt, welches man aus dem Reaktor abführt, wobei man mindestens einen Teil davon außerhalb des Reaktors erhitzt und über den Sammelbunker in den Pyrolysereaktor zurückführt.
Aus dem US-Patent 3 703 442 ist ein Verfahren dieser Art bekannt, welches der thermischen Depolymerisation bituminöser Materialien und insbesondere Ölschiefer dient. Der Ölschiefer wird hierbei mit körnigen heißen Feststoffen von etwa 630°C gemischt, wobei sich eine Mischungstemperatur von etwa 530°C einstellt. Man arbeitet bei relativ niedrigen Temperaturen, um Crackprozesse in der Gasphase zu vermeiden.
Die Dokumente DE-A-29 46 102 und DE-A-25 37 732 offenbaren beide ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. DE-A-29 46 102 offenbart zusätzlich die Möglichkeit, das Einsatz-Material in den mittleren Bereich der Rieselzone einzuleiten.
Ein dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ähnliches Verfahren wird in DE-A-3 835 441 offenbart. Dieses Verfahren sicht vor, Gase und Dämpfe aus dem Wanderbett aufwärts im Gegenstrom durch die Rieselzone aus heißem körnigen Feststoffen und Einsatz-Material zu führen, bevor sie aus dem Reaktor abgezogen werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, aus dem Einsatz-Material ein Gas mit möglichst hohem Heizwert zu gewinnen, das ganz oder weitgehend teerfrei ist und somit nur einen geringen Gehalt an kondensierbaren organischen Bestandteilen aufweist. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die heißen körnigen Feststoffe werden nachfolgend auch als Wärmeträger-Feststoffe bezeichnet.
Beim Verfahren der Erfindung gibt man dem Pyrolysereaktor hoch erhitzte Feststoffe zu, und man sorgt auch im Wanderbett oder Wirbelbett für relativ hohe Temperaturen. Dadurch werden in den Gasen und Dämpfen im Reaktor und insbesondere auch im Bereich der Rieselzone erwünschte Crackreaktionen hervorgerufen. Die aus dem Reaktor abgezogenen Gase und Dämpfe sind dadurch an Komponenten mit niederem Molgewicht angereichert, wodurch insbesondere der Anteil an Wasserstoff, Methan und kurzkettigen Olefinen hoch ist. Auf diese Weise ist es ohne weiteres möglich, ein Gas mit einem unteren Heizwert von 20 bis 25 MJ/Nm3 zu erzeugen. Gleichzeitig kann man einen Kaltgas-Wirkungsgrad von 75 bis 85 % erreichen, weil die Temperaturen im Pyrolysereaktor sehr hoch liegen. Der Kaltgas-Wirkungsgrad W errechnet sich aus W = (G · a) : (M · b) dabei bedeuten
  • G = Menge des erzeugten Gases (Nm3/h),
  • M = Menge des Einsatz-Materials (kg/h),
  • a = unterer Heizwert des erzeugten Gases (MJ/Nm3),
  • b = unterer Heizwert des Einsatz-Materials (MJ/kg).
    • Als Material, das man dem Pyrolysereaktor aufgibt, kommen thermisch getrockneter Klärschlamm, Biomassen, Abfallkunststoffe oder andere organische Rückstände enthaltende Materialien verschiedenster Art mit hohem Anteil an flüchtigen Bestandteilen infrage.
    Vorteilhafterweise wird das Einsatz-Material gleichzeitig durch eine oder mehrere Aufgabestellen in die Rieselzone des Pyrolysereaktors geleitet. Bei mehreren Aufgabestellen erreicht man eine Vorverteilung des eingespeisten Materials. Üblicherweise wird man das feuchte Material durch 1 bis 6 Aufgabestellen in den Reaktor leiten. Die Aufgabestellen können im mittleren oder unteren Bereich der Rieselzone münden.
    Zweckmäßigerweise ist der Pyrolysereaktor und insbesondere auch seine Rieselzone frei von rotierenden Mischeinrichtungen, um Verschleißprobleme möglichst auszuschließen. In der Rieselzone kann man durch ortsfeste dachartige Einbauten für ein Aufteilen und mehrfaches Umlenken der rieselnden Feststoffströme sorgen und so deren rasche Durchmischung herbeiführen.
    Für die Rieselzone empfiehlt sich eine Höhe von 1 bis 10 m, wobei man die Höhe im Einzelfall abhängig vom Einsatz-Material und den Temperaturen insbesondere in der Rieselzone festlegt. Auf diese Weise ergeben sich für die aus dem Wirbelbett oder Wanderbett aufsteigenden Gase und Dämpfe in der Rieselzone Verweilzeiten im Bereich von 0,5 bis 20 Sekunden und zumeist 1 bis 10 Sekunden. Mit steigender Temperatur nimmt die Geschwindigkeit der Crackreaktionen zu, so daß bei hohen Temperaturen mit kürzeren Verweilzeiten gearbeitet werden kann.
    Das Einsatz-Material wird von außen in den mittleren oder unteren Bereich der Rieselzone eingespeist, während man aber die heißen körnigen Feststoffe in den oberen Bereich der Rieselzone aufgibt. Dadurch kommen die aufsteigenden Gase und Dämpfe im oberen Bereich der Rieselzone nur mit den heißen Feststoffen in Kontakt. Bei vorgegebener Cracktemperatur kann so die nötige Verweilzeit der Gase und Dämpfe in der Rieselzone verringert werden oder aber kann die Temperatur der eingespeisten Feststoffe abgesenkt werden.
    Es kann ferner empfehlenswert sein, den Sammelbunker dafür zu nutzen, um die Temperatur der Wärmeträger-Feststoffe weiter zu erhöhen, bevor sie in den Pyrolysereaktor geleitet werden. Insbesondere durch Einleiten eines O2-haltigen Gases (z. B. Luft) in den Sammelbunker kann dort für eine Verbrennung gesorgt werden, welche die Temperaturen in erwünschter Weise erhöht.
    Ausgestaltungsmöglichkeiten des Verfahrens werden mit Hilfe der Zeichnung erläutert. Es zeigt:
  • Fig. 1 ein Fließschema des Verfahrens mit einem Pyrolysereaktor nicht gemäß der Erfindung, und
  • Fig. 2 einen erfindungsgemäßen Pyrolysereaktor im Längsschnitt.
    • Fig 1 dient lediglich der Verauschaulichung des in Anspruch 1 beanspruchten Gesamtverfahrens.
    Gemäß Fig. 1 führt man einem nicht-erfindungsgemäßen Pyrolysereaktor (1) durch die Leitung (2) das zu behandelnde Einsatz-Material und durch die Leitung (3) heiße körnige Feststoffe als Wärmeträger zu. Die Leitung (2) verzweigt sich vor Eintritt in den Reaktor (1) auf mehrere Aufgabestellen (2a) und (2b). Im oberen Bereich des Reaktors (1) befindet sich die Rieselzone (1a), darunter bildet das Feststoffgemisch (4) ein Wanderbett oder Wirbelbett. Wenn man dem Reaktor (1) in den unteren Bereich ein Sichtungsgas, z. B. Stickstoff oder Wasserdampf, durch die gestrichelt eingezeichnete Leitung (5) zuführt, kann man die Feststoffschüttung soweit auflockern, daß zumindest teilweise ein Wirbelbett gebildet wird. Ohne ein solches Sichtungsgas bildet das Feststoffgemisch (4) eine Schüttung, die sich als Wanderbett langsam nach unten bewegt, weil ständig Feststoffe durch die Leitung (6) abgezogen werden.
    Bereits in der Rieselzone (1a) werden die mit Temperaturen von 700 bis 1100°C durch die Leitung (3) herangeführten heißen Feststoffe zumindest teilweise mit dem Einsatz-Material durchmischt. Zu diesem Zweck weist die Rieselzone ortsfeste Umlenkeinrichtungen in Form mehrerer dachartiger Einbauten (8) auf. Auf eine rotierende Mischvorrichtung wird hierbei verzichtet.
    Die sich durch die Rieselzone (1a) abwärts bewegenden heißen Wärmeträger-Feststoffe kommen intensiv in Kontakt mit dem sich ebenfalls abwärts bewegenden Einsatz-Material, das dabei erhitzt und einer Entgasung unterzogen wird. Gleichzeitig strömen Gase und Dämpfe aufwärts durch die Rieselzone (1a), die während der Erhitzung gebildet werden. Die Gase und Dämpfe werden durch die Leitung (9) zu einem Zyklonabscheider (10) geführt, wo man mitgeführte Feststoffe weitgehend abtrennt. Die Feststoffe können durch die Leitung (11) zumindest teilweise in den Reaktor (1) zurückgeführt werden, einen Teil kann man durch die Leitung (12) aus dem Verfahren entfernen. Die den Zyklonabscheider (10) durch die Leitung (15) verlassenden Gase und Dämpfe werden einer an sich bekannten Gasreinigung (16) aufgegeben, wobei auch eine Kühlung stattfindet. Gereinigte Gase und Dämpfe ziehen zur weiteren Verwendung, z. B. als Brenngas, in der Leitung (17) ab.
    Das in der Leitung (6) aus dem Reaktor (1) abgezogene heiße Feststoffgemisch kann teilweise durch die Leitung (7) aus dem Verfahren entfernt werden. Die übrigen Feststoffe werden zum Fuß einer pneumatischen Förderstrecke (20) geführt, der man durch die Leitung (21) Heißluft zuführt. Die Heißluft fördert die Feststoffe nach oben, wobei gleichzeitig brennbare Substanzen verbrannt werden, was zur Erhitzung der Feststoffe führt. Das Gemisch aus Feststoffen und Gasen gelangt in einen Sammelbunker (22), Gase werden durch die Leitung (23) abgezogen, durch einen Zyklonabscheider (24) geführt und in der Leitung (25) einer nicht dargestellten Abgasreinigung zugeführt. Abgeschiedene Feststoffe können in der Leitung (26) entfernt oder durch die Leitung (26a) zurück in den Sammelbunker (22) geführt werden.
    Die sich im unteren Bereich des Bunkers (22) sammelnden heißen körnigen Feststoffe weisen Temperaturen von 700 bis 1100°C auf. Wenn diese Temperaturen nicht bereits in der pneumatischen Förderstrecke (20) erreicht werden, kann man durch die Leitung (28) dem Bunker (22) ein O2-haltiges Gas (z. B. Luft) zuführen und die Temperaturen im Bunker durch Nachverbrennung erhöhen. Die Gaszufuhr durch die Leitung (28) kann ferner auch dazu genutzt werden, um durch Sichten staubfeine Feststoffe zu entfernen, wobei man diese Stäube durch die Leitung (23) zum Abscheider (24) führt und sie durch die Leitung (26) aus dem Kreislauf entfernt.
    Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführungsform des Pyrolysereaktors (1) mit Gegenstromführung der heißen Wärmeträger-Feststoffe und der gebildeten Gase und Dämpfe oberhalb der Einmündungen der Leitungen (2a) und (2b), durch die das Einsatz-Material zugeführt wird. Die Wärmeträger-Feststoffe kommen aus der Leitung (3); die übrigen Bezugsziffern haben die bereits zusammen mit der Fig. 1 erläuterte Bedeutung.
    Beispiel:
    Einem Pyrolysereaktor (1), wie er in Fig. 2 dargestellt ist, werden pro Stunde 5 t getrockneter Klärschlamm mit einer Restfeuchte von 7 Gew.-% durch Leitung (2) zugeführt. Der Klärschlamm besteht zu 63 Gew.-% aus flüchtigen Bestandteilen, er hat einen unteren Heizwert von 17,0 MJ/kg. Dem Reaktor (1) führt man 80 t/h heiße Wärmeträger-Feststoffe mit 900°C durch die Leitung (3) zu. Hierdurch entstehen 2920 Nm3/h, 850 °C heißes Pyrolysegas mit einem unteren Heizwert von 23,3 MJ/Nm3 welches durch Leitung (9) abgeführt, im Zyklon (10) entstaubt und dann der Gasreinigung (16) zugeführt wird. Aus dem Pyrolysereaktor zieht man 81 t/h auf 750°C gekühlte Feststoffe durch Leitung (6) ab. Nach Ausschleusung des überschüssigen Rückstandes (1 t/h) durch Leitung (7) wird der Wärmeträger-Feststoff in die pneumatische Förderstrecke (20) dosiert und dort mit vorgeheizter Verbrennungsluft durch Leitung (21) in den Sammelbunker (22) gefördert, wobei durch Abbrand von Restkoks aus dem Wärmeträger-Feststoff dieser auf 900°C rückerhitzt wird. Er wird dann bei dieser Temperatur im Sammelbunker (22) und Zyklon (24) von den Abgasen getrennt und dosiert dem Reaktor (1) wieder zugeführt.

    Claims (9)

    1. Verfahren zum thermischen Behandeln von flüchtige, brennbare Bestandteile enthaltendem Einatz-Material mit einem Wassergehalt von bis zu 20 Gew.-%, wobei man das Einsatz-Material mit heißen kömigen Feststoffen, die mit Temperaturen im Bereich von 700 bis 1100°C aus einem Sammelbunker (22) kommen, in einem Pyrolysereaktor (1) mischt, aus dem oberen Bereich des Reaktors Gase und Dämpfe abzieht (9) und im Reaktor ein Feststoffgemisch erzeugt, welches man aus dem Reaktor abführt (6), wobei man mindestens einen Teil davon außerhalb des Reaktors erhitzt (20, 21) und über den Sammelbunker in den Pyrolysereaktor zurückführt (3), wobei der Reaktor im oberen Bereich eine Rieselzone (1a) und unter der Rieselzone ein Wanderbett oder Wirbelbett (4) mit Temperaturen im Bereich von 650 bis 1000°C aufweist, wobei man die heißen kömigen Feststoffe und das Einsatz-Material zumindest teilweise gemeinsam abwärts durch die Rieselzone zum Wanderbett oder Wirbelbett leitet, und man die heißen körnigen Feststoffe in den oberen Bereich der Rieselzone einleilet, dadurch gekennzeichnet, daß man das Einsatz-Material in den mittleren oder unteren Bereich der Rieselzone einleit (2a, 16), und daß man Gase und Dämpfe aus dem Wanderbett oder Wirbelbett aufwärts im Gegenstrom zu den heißen Feststoffen durch die Rieselzone bis in den oberen Bereich der Rieselzone führt, bevor man sie aus dem Reaktor abzieht (9).
    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Einsatz-Material Klärschlamm, Biomasse, Abfallkunststoffe oder andere organische Rückstände enthaltende Materialien in den Pyrolysereaktor geleitet werden.
    3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Einsatz-Material gleichzeitig durch mehrere Aufgabestellen in die Rieselzone des Pyrolysereaktors geleitet wird.
    4. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Rieselzone eine Höhe von 1 bis 10 m aufweist.
    5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Einsatz-Material zumindest teilweise in den unteren Bereich der Rieselzone eingeleitet wird.
    6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die heißen Feststoffe im Sammelbunker durch Verbrennung nacherhitzt werden (28).
    7. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß in den unteren Bereich des Pyrolysereaktors ein Sichtungs- oder Strippgas eingeleitet wird (5).
    8. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Pyrolysereaktor frei von rotierenden Mischeinrichtungen ist.
    9. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Verweilzeit der Gase und Dämpfe im Pyrolysereaktor 0,5 bis 20 Sekunden beträgt.
    EP98945153A 1997-09-01 1998-08-06 Verfahren zum thermischen behandeln von flüchtige, brennbare bestandteile enthaltendem material Expired - Lifetime EP1015527B1 (de)

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    DE19738106 1997-09-01
    PCT/EP1998/004889 WO1999011736A1 (de) 1997-09-01 1998-08-06 Verfahren zum thermischen behandeln von flüchtige, brennbare bestandteile enthaltendem material

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    Publication Number Publication Date
    EP1015527A1 EP1015527A1 (de) 2000-07-05
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    AU (1) AU9257398A (de)
    DE (2) DE19738106C2 (de)
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