EP1261827B1

EP1261827B1 - Reaktor und verfahren zum vergasen und/oder schmelzen von stoffen

Info

Publication number: EP1261827B1
Application number: EP01911636A
Authority: EP
Inventors: Eckhardt Tischer; Frank Wuchert
Original assignee: Masch und Stahlbau GmbH; Maschinen- und Stahlbau GmbH
Current assignee: KBI INTERNATIONAL Ltd
Priority date: 2000-02-17
Filing date: 2001-02-13
Publication date: 2005-11-16
Anticipated expiration: 2021-02-13
Also published as: CN1404566A; CY1105497T1; CN1212487C; JP2003527554A; AU4061501A; PL357563A1; DK1261827T3; DE10007115A1; WO2001061246A8; EA200200854A1; EA004195B1; SK288020B6; ZA200206571B; HU228016B1; DE50108084D1; ES2253356T3; KR100770889B1; CZ305021B6; EP1261827A1; CA2400234C

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Reaktor und ein Verfahren zum Vergasen und/oder Schmelzen von Stoffen. Insbesondere betrifft die Erfindung die stoffliche und/oder energetische Verwertung von beliebigen Abfällen, z.B. mit vorwiegend organischen Bestandteilen aber auch von Sonderabfällen. Der erfindungsgemäße Reaktor und das Verfahren eignen sich aber auch zum Vergasen und Schmelzen von Einsatzstoffen beliebiger Zusammensetzung oder auch zur Energiegewinnung durch Einsatz von organischen Stoffen.

Seit geraumer Zeit werden Lösungen zur thermischen Entsorgung verschiedenartiger Abfälle und sonstiger Stoffe gesucht. Neben Verbrennungsverfahren sind verschiedene Vergasungsverfahren bekannt, die vor allem darauf abzielen, zu Ergebnissen mit einer geringeren Schadstoffbelastung der Umwelt zu gelangen und den Aufwand der Behandlung der Einsatzstoffe aber auch der im Prozeß entstehenden Gase zu reduzieren. Die bekannten Verfahren sind jedoch durch eine aufwendige und nur schwer zu beherrschende Technologie, sowie damit im Zusammenhang stehende hohe Entsorgungskosten für den zu behandelnden Einsatzstoff bzw. den Abfall gekennzeichnet.

In der DE 43 17 145 C1 ist ein auf dem Prinzip der Entgasung basierendes Verfahren zu Entsorgung unterschiedlich zusammengesetzter Abfallmaterialien beschrieben. Gemäß dem angegebenen Verfahren sollen entstehende staubhaltige Gase als Kreislaufgas vollständig abgezogen werden und nachfolgend in der Schmelz- und Überhitzungszone mit Sauerstoff verbrannt werden. Diese Kreislaufgasführung und die weiterhin beschriebene Absaugung des Überschußgases zwischen der Kreislaufgasabsaugungsöffnung und der Schmelz- und Überhitzungszone führt jedoch, wie Versuche gezeigt haben, nicht zu dem angestrebten Ziel, ein mit nur wenigen Schadstoffen belastetes Überschußgas zu erhalten. Wenn der ebenfalls in dieser Druckschrift angegebene Kreislaufgas-Kupolofen zur Durchführung des Verfahrens verwendet wird, ist u.a. die Schadstoffbelastung des Überschußgases so groß, daß die dadurch notwendige Gaswirtschaft zur Reinigung des Überschußgases derart aufwendig wird, daß eine wirtschaftliche Entsorgung entsprechender Abfallmaterialien nicht mehr möglich ist.

In der DE 196 40 497 C2 ist ein koksbeheizter Kreislaufgas-Kupolofen zur Verwertung von Abfallmaterialien beschrieben. Dieser Kreislaufgas-Kupolofen zeichnet sich dadurch aus, daß unterhalb des Begichtungstrichters ein zusätzlicher Gasabzug angeordnet ist. Die an dieser Stelle abgezogenen Pyrolysegase werden über eine Kreislaufgasführung im unteren Ofenabschnitt wieder zugeführt, um dort eine Verbrennung der Gase zu bewirken. Da die Abzugszone für die Überschußgase oberhalb der heißen Zone angeordnet ist, werden nicht nur Überschußgase sondern auch ein großer Anteil von Pyrolysegasen abgesaugt, wodurch in dem Gasgemisch u.a. schwierig zu entfernende Kohlenwasserstoffe enthalten sind. Damit wird die nachfolgende Gaswirtschaft äußerst aufwendig und die Umweltbelastung nimmt zu.

Die DE 198 16 864 A1 zeigt demgegenüber einen koksbeheizten Kreislaufgas-Kupolofen, bei welchem die Überschußgasabsaugung unterhalb der Schmelz- und Überhitzungszone angeordnet ist. Zwar kann damit die Qualität der Überschußgase erhöht werden, da die abgesaugten Gase beim Durchströmen der Überhitzungszone weitgehend reduziert werden, jedoch führt die räumliche Nähe der Überhitzungszone zu sehr heißen Überschußgasen, die nachfolgend aufwendig gekühlt werden müssen. Problematisch ist auch, daß es durch die gewählte Anordnung zu Ansinterungen von Schlacken und Stäuben in Folgebauteilen des nachgeschalteten Gasweges kommt. Andererseits sind die Temperaturen im Herdbereich unterhalb der Gasabsaugung nicht mehr ausreichend hoch, um die dort vorhandenen Metallschmelzen und Schlackeschmelzen unter verschiedenen Einsatzbedingungen flüssig zu halten. Der notwendige Abstich wird dadurch gestört oder vollständig unmöglich gemacht.

Den aus dem oben genannten Stand der Technik bekannten Lösungen liegt immer das Grundprinzip der Kreislaufgasführung für einen Teilstrom der gebildeten Gase zugrunde, wobei die Gase im oberen Bereich des Ofens abgesaugt und im unteren Bereich wieder zugeführt werden. Die Fachwelt ging bislang davon aus, daß diese Gasführung auch zur Erwärmung der Schüttsäule unter Nutzung des Gegenstromprinzips notwendig ist. Das Kreislaufgasprinzip bring jedoch u.a. die folgenden Nachteile mit sich: Die im Schachtofen aufsteigenden Gase kühlen sich in der Schüttsäule ab, so daß Kondensationserscheinungen von Pyrolyseprodukten in den Gasabsaugbereichen, in den Kreislaufgasleitungen und in den zur Wiederzuführung der Kreislaufgase benötigten Gasstrahlverdichtern führen, wodurch die Funktion des Kreislaufgasofens gestört wird. Bei der Kreislaufgasabsaugung gemäß dem Stand der Technik werden zwangsläufig auch Stäube und kleinere Abfallpartikel abgesaugt, die mit den kondensierten Pyrolyseprodukten innerhalb der gesamten Kreislaufgasführung zu schwer entfernbaren Ablagerungen führen. Weiterhin kann die Schüttsäule durch das aufsteigende Kreislaufgas nur relativ langsam erwärmt werden, so daß es insbesondere bei der Vergasung von Abfällen mit höheren Anteilen von Kunststoffen zu Anklebungen und Anhaftungen der Abfallteile an der Wandung des Schachtes kommt, die letztlich zu vollständigen Verstopfungen des Ofens führen können.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, einen verbesserten Reaktor und ein Verfahren zum Vergasen und Schmelzen von Einsatzstoffen bereitzustellen, welche die Nachteile des Standes der Technik vermeiden. Eine spezielle Aufgabe besteht darin, die einfache, preiswerte und umweltgerechte stoffliche und/oder energetische Verwertung von Abfällen zu ermöglichen. Insbesondere wird angestrebt, die Funktionssicherheit eines entsprechenden Reaktors zu erhöhen, indem die mit der Kreislaufgasführung einhergehenden Betriebsunsicherheiten weitgehend vermieden werden. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Schadstoffbelastung in dem abzusaugenden Überschußgas deutlich zu vermindern, damit der Aufwand in einer nachfolgenden Gasreinigung minimiert werden kann.

Diese und weitere Aufgaben werden durch den im Anspruch 1 angegebenen Reaktor gelöst. Erfindungsgemäß wird der im Stand der Technik seit längerer Zeit verfolgte Ansatz des Kreislaufgasverfahrens verlassen und statt dessen kommt als Reaktor ein Schachtofen zum Einsatz, der nach dem Gleichstromprinzip arbeitet. Durch vollständigen Verzicht auf die herkömmliche Kreislaufgasführung werden alle damit im Zusammenhang stehenden Probleme der Kondensation von Pyrolyseprodukten und der Entstehung unerwünschter Ablagerungen vollständig vermieden. Weiterhin erfolgt bereits im oberen Teil des Reaktors eine teilweise Konglomeration der Einsatzstoffe, aufgrund der schockartigen Erhitzung der Schüttsäule, so daß Anhaftungen an der Innenwand des Reaktors weitgehend ausgeschlossen sind. Die doppelte Eindüsung von Sauerstoff oder Brenngas (Gasgemischen) ermöglicht einerseits die Verbrennung der Pyrolysegase und gestattet andererseits im unteren Reaktorabschnitt die Aufrechterhaltung einer ausreichend hohen Temperatur, so daß die sich dort sammelnden Schmelzen flüssig gehalten werden. Zwischen den beiden Eindüsungsmitteln bildet sich ein Reduktionsabschnitt aus, durch welchen alle Gase vor der Absaugung strömen müssen und in dem sie folglich weitgehend reduziert werden.

Bei einer Ausführungsform, die sich insbesondere zur Vergasung von Abfällen eignet, fügt sich an den Zuführabschnitt ein Vortemperierungsabschnitt an, in welchem die Abfälle beispielsweise bei Temperaturen um 100°C vorgetrocknet werden. Bei abgewandelten Ausführungsformen kann in diesem Abschnitt unter Umständen auch eine Kühlung der Einsatzstoffe erfolgen, wenn dies für den Gesamtprozeß nützlich ist.

Eine vorteilhafte Ausführungsform des Reaktors zeichnet sich dadurch aus, daß die Gesamtlänge von Zuführabschnitt und Vortemperierungsabschnitt mehrfach größer als der Durchmesser des Zuführabschnitts ist. Durch diese Gestaltung wirkt die Schüttsäule im Zuführ- und Vortemperierungsabschnitt als ein nach oben abschließender Pfropfen, der die Ansaugung zu großer Anteile von Umgebungsluft in den Reaktor verhindert.

Bei einer abgewandelten Ausführungsform kann der Reaktor an seinem oberen Ende durch eine Schleuse, ein Doppelklappensystem oder eine ähnliche Einrichtung abgeschlossen werden. Damit wird der unkontrollierte Eintritt von Umgebungsluft und der Austritt von Gasen aus der Schüttung noch besser vermieden.

Zweckmäßigerweise ist der Reaktor im wesentlichen zylindrisch aufgebaut und der Gaszuführraum und der Gasabsaugraum sind ringförmig ausgestaltet, so daß die Gaszuführung und die Gasabsaugung jeweils am gesamten Umfang der Schüttsäule erfolgen. Diese Ausführungsform eignet sich speziell zur Verwertung von vorwiegend organischen Einsatzstoffen. Andere Ausführungsformen, die z.B. für andere Einsatzstoffe zweckmäßiger sind, können nicht-zylindrische Grundformen und anders positionierte und geformte Mittel zur Gasabsaugung und -zuführung besitzen.

Es ist besonders vorteilhaft, wenn auch der Pyrolyseabschnitt des Reaktors doppelwandig ausgebildet ist und im Wandungshohlraum ein Wärmeübertragungsmedium geführt ist. Einerseits kann dadurch die Wandung gekühlt werden, wodurch die Materialbeanspruchung verringert wird, andererseits kann je nach eingesetztem Einsatzstoff und dem sich daraus ergebenden Wärmebedarf der Schüttsäule bei Bedarf zusätzliche Wärme zugeführt oder von dieser Wärme abgeleitet werden.

Die o.g. Aufgaben der Erfindung werden auch durch das im Anspruch 12 angegebene Verfahren zum Vergasen und/oder Schmelzen von Einsatzstoffen gelöst, welches sich u.a. vorteilhaft zur stofflichen und/oder energetischen Verwertung von Abfällen und sonstigen Einsatzstoffen eignet.

Die erfindungswesentlichen Verfahrensschritte können vorteilhaft weitergebildet werden, indem eine Vortrocknung des Einsatzstoffs durch Erwärmung der Schüttsäule oberhalb der Ebene, in welcher die schockartige Erhitzung erfolgt, auf etwa 100°C vorgenommen wird. Dabei werden Wasseranteile des Einsatzstoffs weitgehend ausgedampft, wodurch auch die gewünschte selbsttätige Abwärtsbewegung der Einsatzmasse verbessert wird. Bei einer abgewandelten Verfahrensvariante erfolgt keine Vortrocknung der Einsatzstoffe oder auch eine Kühlung der Einsatzstoffe, wobei letzteres zweckdienlich sein kann, um bei heißen Ausgangsmaterialien ein Anhaften an der Wandung des Zuführabschnitts zu vermeiden.

Es ist weiterhin besonders vorteilhaft, wenn der Unterdruck zur Absaugung der Überschußgase regelbar ist, wobei die Absaugung so erfolgen soll, daß einerseits kein Gas nach oben aus dem Reaktor entweicht und andererseits nur minimale Mengen zusätzlicher Umgebungsluft durch die Schüttsäule angesaugt werden. Die Minimierung der Menge der im Reaktor vorhandenen Falschluft hat zum Ziel, den Anteil der Stickoxyde im Überschußgas zu reduzieren und auch die Gesamtgasmenge klein zu halten, um die nachfolgende Gaswirtschaft einfach gestalten zu können.

Weitere Vorteilen, Einzelheiten und Weiterbildungen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung, unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung.

Die einzige Figur zeigt eine vereinfachte Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Reaktors.

Nachfolgend wird anhand der Figur 1 eine bevorzugte Ausführungsform eines Reaktors beschrieben. Im Zusammenhang mit der Erläuterung der Einzelheiten des Reaktors werden auch die Verfahrensschritte angegeben, die bei der Behandlung von Abfällen mit organischen Bestandteilen als Einsatzstoffe in diesem Reaktor ablaufen. Wie aus den angefügten Patentansprüchen erkennbar ist, ist die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens jedoch nicht zwingend an den erläuterten Reaktor gebunden, sondern kann ggf. auch unter Einsatz veränderter Anlagen ausgeführt werden. Bei der Verwendung anderer Einsatzstoffe könne Abwandlungen des Reaktors und/oder des Verfahrens zweckdienlich sind (z.B. flexible Anordnung und Gestaltung der technischen Ausführung der Gaszu- und -abführung, der Erwärmung oder Kühlung des Reaktormantels o.ä.). Generell können auch verschiedene Einsatzstoffe kombiniert werden, beispielsweise durch Zusatz von Einsatzstoffen mit höherem Energiewert (z.B. organische Abfälle, belastetes Altholz o.dgl.) beim Vergasen/Schmelzen von nicht-organischen Einsatzstoffen.

Der in der Figur dargestellte Reaktor besitzt an seinem oberen Ende einen Zuführabschnitt 1 mit wenigstens einer Zuführöffnung 2, über welche der stofflich und/oder energetisch zu verwertende Einsatzstoff zugeführt wird. Vorzugsweise überwiegt bei diesem Einsatzstoff der Anteil der organischen Bestandteile, so daß sich der Reaktor und das beschriebene Verfahren vor allem zur Behandlung von üblichem Hausmüll und hausmüllähnlichen Gewerbeabfällen eignet. Sofern bei bestimmten Einsatzstoffzusammensetzungen die brennbaren Bestandteile nicht ausreichend hoch sind, um die Verbrennungs- und Vergasungsprozesse durchzuführen, können dem Einsatzstoff brennbare Zuschlagsstoffe bzw. Energieträger zugesetzt werden. Dabei ist es möglich, in herkömmlicher Weise eine bestimmte Menge Koks zuzusetzen oder den Gesamtbrennwert durch Zusatz von Holz zu erhöhen. Unter Umständen kann es auch nützlich sein, andere Zuschlagsstoffe hinzuzufügen, um beispielsweise den sich einstellenden pH-Wert zu beeinflussen. Derartige Maßnahmen sind dem Fachmann jedoch bekannt, so daß auf eine detaillierte Darstellung an dieser Stelle verzichtet wird.

Über eine geeignete Fördereinrichtung 3 wird der Einsatzstoff und ggf. die Zuschlagsstoffe über die Zuführöffnung 2 in den Reaktor eingebracht. Damit bildet sich eine Schüttsäule 4 aus. Mit nicht gesondert bezeichneten Füllstandsmeßgeräten wird die Höhe der Schüttsäule 4 überwacht. Diese Schütthöhe ist zwischen einem minimalen und einem maximalen Pegel zu halten. Der minimale Pegel wird so gewählt, daß die Schüttsäule 4 im oberen Abschnitt des Reaktors als Sperrschicht wirkt, die das Eindringen größerer Mengen von Umgebungsluft in den Reaktor verhindert.

An den Zuführabschnitt 1 schließt sich unten ein Vortemperierungsabschnitt 5 an, der im gezeigten Beispiel der Vortrocknung der Einsatzstoffe dient. Der Zuführabschnitt und der Vortemperierungsabschnitt sind vorteilhaft zylindrisch oder konisch mit leichter Querschnittszunahme nach unten gestaltet. Der Vortemperierungsabschnitt 5 besitzt eine doppelte Wandung, wobei ein Wandungshohlraum 6 ausgebildet ist, in welchem ein Wärmeübertragungsmedium geführt wird. Mit Hilfe des Wärmeübertragungsmediums kann der Schüttsäule im Bereich des doppelwandig ausgelegten Vortrocknungsabschnitts 5 Wärme zugeführt werden, so daß der Einsatzstoff vorgewärmt bzw. vorgetrocknet wird. Ggf. kann der Wandungshohlraum entfallen und die Wärmezufuhr beispielsweise durch Wärmeleitung unmittelbar von den heißeren Zonen des Reaktors erfolgen. Die Wärmezufuhr wird so dimensioniert, daß ein Anhaften bestimmter Einsatzstoffanteile an der Wandung weitgehend ausgeschlossen ist. Außerdem können durch die Vortrocknung Wasserbestandteile ausgetragen werden, so daß diese den weiteren Vergasungsprozeß nicht zusätzlich belasten. Im Vortemperierungsabschnitt 5 kann die Schüttsäule 4 etwa auf 100°C temperiert werden.

Der Vortemperierungsabschnitt kann ggf. gänzlich entfallen, wenn eine Vortrocknung aufgrund der Zusammensetzung des Einsatzstoffs nicht erforderlich ist, oder der Vortemperierungsabschnitt wird in besonderen Fällen zur Kühlung der Einsatzstoffe verwendet.

Unterhalb des Vortemperierungsabschnitt 5 schließt sich ein Pyrolyseabschnitt 8 an, wobei es beim Übergang zwischen Vortemperierungsabschnitt (bzw. dem Zuführabschnitt, wenn der Vortemperierungsabschnitt entfällt) und Pyrolyseabschnitt zu einer sprunghaften Querschnittserweiterung kommt. Vorzugsweise vergrößert sich der freie Schachtquerschnitt in diesem Übergangsbereich mindestens um das Doppelte, wodurch einerseits die Sinkgeschwindigkeit der Einsatzstoffe reduziert wird und andererseits ein Schüttkegel 9 ausgebildet wird. Der Schüttkegel 9 wird zentral von der Schüttsäule 4 im Vortrocknungsabschnitt gespeist. An den Randbereichen flacht der Schüttkegel ab, so daß dort ein freier Raum entsteht. In diesem oberen Randbereich des Pyrolyseabschnitts 8 befinden sich Gaszuführmittel 10, die im dargestellten Beispiel als ein ringförmiger Gaszuführraum 10 ausgestaltet ist, der etwa in der Ebene der Querschnittserweiterung in den Pyrolyseabschnitt 8 geöffnet ist. Der Zweck des Gaszuführraums 10 besteht darin, heiße Gase an den Schüttkegel 9 heranzuführen. Die Gaszuführmittel können auch als Düsen, Wandungsöffnungen oder andere Vorrichtungen gestaltet sein, die die Zufuhr heißer Gase an die Schüttsäule ermöglichen. Dazu mündet im gezeigten Beispiel zumindest eine Brennkammer 11, die zumindest mit einem Brenner 12 bestückt ist, in den Gaszuführraum 10. Der Brenner 12 erzeugt das benötigte heiße Gas, welches vorzugsweise tangential über die Brennkammern und den Gaszuführraum an den Schüttkegel 9 herangeführt wird. Bei abgewandelten Ausführungsformen können mehrere Brennkammern oder mehrere Brenner eingesetzt werden, wenn dies für eine möglichst gleichmäßige Erwärmung des Schüttkegels wünschenswert ist.

Die Verbrennung im Brenner 12 erfolgt zweckmäßig unter Sauerstoffmangel, so daß durch eine nahezu stöchiometrische Verbrennung ein inertes Verbrennungsgas mit Temperaturen von etwa 1000°C bereitgestellt wird. Zumindest im Anfahrbetrieb wird der Brenner Fremdbrennstoffe benötigen, die nicht unmittelbar aus dem Reaktor gewonnen werden. Beispielsweise kommen Erdgas, Öl, das von einem vorangegangenen Vergasungsverfahren erzeugte und zwischengespeicherte Überschußgas, Gasgemisch, Flüssigkeits-Gasgemisch, Staub-Gasgemisch oder andere unter energetischen Aspekten geeignete Medien zum Einsatz. Sobald der Reaktor seinen im weiteren beschriebenen Betriebszustand eingenommen hat, kann der Brenner 12 auch mit einem ggf. vorher gereinigten Überschußgas betrieben werden. Durch die Zufuhr des Verbrennungsgases, welches bei geeigneter Regelung weitgehend aus Kohlendioxid und Wasserdampf besteht, wird der im Schüttkegelbereich vorhandene Einsatzstoff schockartig erhitzt. Die sehr schnelle Erwärmung des Materials auf Temperaturen zwischen 800°C und 1000°C bewirkt ein sehr schnelles Trocknen dieses Materials, wodurch ein Verkleben und Anhaften an der Wandung vermieden wird. Vielmehr kommt es zumindest teilweise zu einer Konglomeration der Einsatzstoffe. Außerdem wird bereits in diesem oberen Abschnitt des Reaktors das Austreiben von Pyrolyseprodukten in Gang gesetzt. Da das zugeführte Gas weitgehend inert ist, werden diese Pyrolyseprodukte nur in geringem Maße einer Verbrennung zugeführt, soweit Luft durch die oberhalb des Schüttkegels aufgetürmte Schüttsäule 4 eingesaugt werden kann bzw. vom Einsatzmaterial mitgeführt wird. Durch die schnelle und starke Erhitzung der Einsatzstoffe werden außerdem feine Stäube und kleinere Partikel schnell vergast oder verbrannt, so daß die bisher im Stand der Technik entstehenden Probleme bei der Staubbehandlung vermieden werden. Vielmehr können den Einsatzstoffen in bestimmen Relationen jetzt Stäube und Feinanteile gezielt zugesetzt werden.

Das Einsatzmaterial sinkt dann im Pyrolyseabschnitt 8 weiter nach unten wobei die Pyrolyse fortgesetzt wird, u.a. auch bei den im Zentrum geführten Materialien, die durch Wärmeübertragung ebenfalls erwärmt werden. Die Wandung des Pyrolyseabschnitts ist vorzugsweise wärmeisoliert und/oder doppelwandig ausgebildet, so daß bei Bedarf in dem ausgebildeten Wandungshohlraum ebenfalls ein Wärmeübertragungsmedium geführt werden kann. Die Wärmeisolation bzw. die zusätzliche Wärmezufuhr mit Hilfe des Wärmeübertragungsmediums werden so dimensioniert, daß die Einsatzstoffe im unteren Bereich des Pyrolyseabschnitts 8 eine Temperatur von vorzugsweise über 500°C aufweisen. Die an diese Stelle gewünschte Temperatur kann in Abhängigkeit von den speziellen Einsatzmaterialien gezielt geregelt werden.

Unterhalb des Pyrolyseabschnitts 8 schließt sich ein Schmelz- und Überhitzungsabschnitt 14 an. Dieser weist eine Querschnittseinengung auf, aufgrund derer sich die Sinkgeschwindigkeit des Einsatzstoffmaterials verändert. Im Beispiel der Behandlung vorwiegend organischer Abfälle erfolgt eine Querschnittseinengung um mindestens 10 %, die beispielsweise durch konische Einzüge des entsprechenden Schachtteiles in einem Winkel von etwa 60° zur Horizontalen erzeugt wird. Außerdem befinden sich im Schmelz- und Überhitzungsabschnitt 14 obere Eindüsungsmittel 15, die im dargestellten Beispiel durch mehrere am Umfang verteilte Sauerstofflanzen 16 gebildet sind. Um die Sauerstofflanzen 16 vor einer Überhitzung zu schützen, werden diese beispielsweise wassergekühlt. Bei anderen Ausführungen kommen Düsen, Brenner oder dergleichen als obere Eindüsungsmittel zum Einsatz, über welche gesteuert verschiedene Brenngase oder Gaszusammensetzungen zugeführt werden können, mit dem Ziel, die Temperatur in der Schmelz- und Überhitzungszone auf einen gewünschten Wert einzustellen. Sofern die Zufuhr von Sauerstoff dafür nicht ausreichend ist (wenn beispielsweise kurzfristig keine Einsatzstoffe mit ausreichend hohem Energiewert an dieser Position zur Verfügung stehen), können auch Fremdbrenngase oder aus dem Reaktor gewonnene Überschußgase über die Eindüsungsmittel zugeführt werden. Im speziellen Beispiel erfolgt mit Hilfe der oberen Eindüsungsmitell 15 die gezielte und dosierte Zugabe von Sauerstoff unmittelbar unterhalb der Ebene der Querschnittseinengung. Dadurch bildet sich im Bereich des Schmelz- und Überhitzungsabschnitts 14 eine heiße Zone 17 aus, in welcher vorzugsweise Temperaturen von 1500°C bis 2000°C herrschen, die aber auf das jeweilige Einsatzmaterial abzustimmen sind.

Die über den Gaszuführraum 10 zugeführten (inerten) Verbrennungsgase und die im Pyrolyseabschnitt 8 ausgebildeten Pyrolysegase werden durch diese heiße Zone 17 hindurchgesaugt. Die Sauerstoffzuführung in der heißen Zone wird so gesteuert, daß eine Verbrennung unter Sauerstoffmangel erfolgt, die schließlich zu einer weiteren Temperaturerhöhung und zur weitgehenden Verkokung der Reststoffe des Einsatzmaterials führen. Die Temperatur in der heißen Zone 17 wird so eingestellt, daß schlackebildende mineralische Bestandteile und metallische Bestandteile in dieser Zone aufgeschmolzen werden, wobei ein bestimmter Anteil von im Einsatzmaterial enthaltenen Schadstoffen (z.B. Schwermetalle) in diesen Schmelzen gelöst wird. Die Metallschmelze und die Schlackenschmelze tropfen dann nach unten. Die möglichst weitgehend verkokten Reststoffe sinken ebenfalls weiter abwärts.

Unterhalb des Schmelz- und Überhitzungsabschnitts 14 ist dann ein Reduktionsabschnitt 20 ausgebildet, in welchem die verkokten Reststoffe mit ausreichender Verweilzeit weiter abwärts sinken. Der Reduktionsabschnitt 20 umfaßt einen Gasabsaugraum 21, über welchen Überschußgase abgesaugt werden. Alle abgesaugten Gase müssen somit sowohl die heiße Zone 17 als auch eine unter dieser durch die verkokten Reststoffe ausgebildete Reduktionszone 22 durchströmen. In der Reduktionszone 22 werden die Gase mit Hilfe des dort vorhandenen Kohlenstoffs reduziert. Insbesondere kommt es zur Umwandlung von Kohlendioxid in Kohlenmonoxid, wobei vor allem der in der Schüttung noch enthaltene Kohlenstoff aufgebraucht und somit weiter vergast wird. Beim Durchlaufen der Reduktionszone 22 werden die Gase außerdem abgekühlt, so daß sie mit einer technisch beherrschbaren Temperatur, vorzugsweise etwa 800°C bis 1000°C, abgesaugt werden können. Die abgesaugten Überschußgase werden nachfolgenden (nicht gezeigten) Kühl- und/oder Reinigungsstufen und einer geeigneten Fördereinrichtung (Verdichter oder Gebläse) zugeführt. Bei der Vergasung von Abfall mit vorwiegend organischen Bestandteilen stehen danach beispielsweise etwa 80% bis 90% der Überschußgase als Brenngas für eine stoffliche und/oder energetische Nutzung zur Verfügung. Dabei kann ein Teilstrom von etwa 10% bis 20% als Eigengas dem o.g. Brenner 12 und/oder den Eindüsungsmitteln zugeführt werden, wobei die Kühlung/Reinigung für diesen Teilstrom auf ein Mindestmaß beschränkt werden kann. Der Gasabsaugraum 21 ist wiederum vorteilhaft (aber nicht zwingend) ringförmig ausgebildet, wobei eine angeschlossene Fördereinrichtung der Absaugung der Gase dient.

Unterhalb des Gasabsaugraumes 21 schließt sich ein feuerfest ausgekleideter Herd 25 an. Im Herd 25 werden die Metallschmelzen und die Schlackeschmelzen gesammelt. Damit diese Schmelzen flüssig bleiben, sind unmittelbar oberhalb der Schmelzen und unterhalb des Gasabsaugraumes 21 untere Eindüsungsmittel 26 vorgesehen, die im dargestellten Beispiel wiederum mehrere Sauerstofflanzen 16 (ggf. wassergekühlt) aufweisen. Die unteren Eindüsungsmittel können alternativ gestaltet und betrieben sein, wie dies oben für die oberen Eindüsungsmittel 15 erläutert wurde. Über die Eindüsung einer geeigneten Menge von Sauerstoff, Gas, Brenngas o.ö. wird eine Temperatur für die Schmelzen eingestellt, die ausreichend hoch ist, um die Schmelzen flüssig zu halten und nach entsprechender Sammlung über einen Abstich 27 aus dem Reaktor ausgeleiten zu können. Beispielsweise sind Temperaturen von etwa 1500°C zweckmäßig. Die Aufteilung der Gesamtmenge des zugeführten Sauerstoffs/Brenngases auf die Brennkammer 11, die oberen Eindüsungsmittel 15 und die unteren Eindüsungsmittel 26 ist in Abhängigkeit vom verwendeten Einsatzmaterial und von den übrigen Prozeßparametern zu optimieren, mit dem Ziel der weitgehenden Verwertung des Einsatzmaterials und der Minimierung des Schadstoffanteils in den Reststoffen.

Für den Fachmann wird verständlich sein, daß beispielsweise aus Gründen der Kostenreduzierung anstelle von Sauerstoff auch ein Sauerstoff-Luft-Gemisch bzw. ein Sauerstoff-Brenngas-Gemisch zugeführt werden kann. Ebenso ist offensichtlich, daß die beispielhaft angegebenen Temperaturwerte in Abhängigkeit von den zu verarbeitenden Einsatzmaterialien und der gewünschten Prozeßgeschwindigkeit anzupassen sind. Es ist auch verständlich, daß die Einsatzmaterialien unter Umständen einer mechanischen Zerkleinerung zu unterziehen sind, bevor sie in den Reaktor eingebracht werden, um ein Verstopfen zu vermeiden. In Abhängigkeit von den Einsatzstoffen und von den gewünschten Endprodukten können bestimmte Zuschlagsstoffe zur Stabilisierung des Heizwertes und zur Erhöhung der Ausbeute an Überschußgas sowie zur Verbesserung der Schlackebildung, der Basizität und des Schlackeflusses erforderlich werden.

Sofern im Reaktor auch Flüssigkeiten umgesetzt werden sollen, können diese vorteilhaft über eine Flüssigkeitseindüsung 30 zugeführt werden, die in den Gaszuführraum 10 mündet bzw. mit anderen Gaszuführmitteln kombiniert ist. Über die Flüssigkeitseindüsung 30 können Wasser, Wasserdampf oder andere zur Entsorgung bestimmte Flüssigkeiten eingebracht werden, wobei neben der gewünschten Entsorgung auch eine Regelung der Temperatur der inerten Verbrennungsgase, des Pyrolyseprozesses und/oder der Zusammensetzung und der Temperatur der Überschußgase möglich wird.

Weiterhin ist es möglich, bei Bedarf gezielt zu entsorgende Stäube über eine Staubzuführung 31 in den Prozeß einzubringen. Die Staubzuführung 31 ist vorzugsweise ein mittig im Zuführabschnitt 1 und im Vortemperierungsabschnitt 5 geführtes Dosierrohr, welches in der Nähe des Schüttkegels 9 endet. Die Stäube werden daher unmittelbar in die Nähe der schockartigen Erhitzung der Einsatzstoffe befördert, so daß sie beim Austreten aus dem Dosierrohr sofort einer hohen Temperatureinwirkung ausgesetzt sind, die ein Verbrennen oder Vergasen bewirkt, ohne daß es zu Verpuffungen oder dergleichen kommt.

Obwohl sich die oben spezielle erläuterte Ausführungsform insbesondere zur Behandlung (Vergasen und Schmelzen) von Abfällen mit organischen Bestandteilen eignet, wird es für den Fachmann offensichtlich sein, daß bei der Verwendung anderer Einsatzstoffe Abwandlungen des Reaktors erforderlich oder zweckdienlich sind. Generell können auch Sonderabfälle oder Einsatzstoffe mit höheren Metallanteilen behandelt werden, wobei teilweise das Vergasungs- und teilweise das Schmelzprinzip überwiegen wird. Es können auch verschiedene Einsatzstoffe kombiniert werden. So ist es beispielsweise möglich, zum Schmelzen von nicht-organischen Einsatzstoffen gezielt Einsatzstoffe mit höherem Energiewert (z.B. organische Abfälle, belastetes Altholz o.dgl.) zuzusetzen.

Claims

Reaktor zum Vergasen und/oder Schmelzen von Einsatzstoffen, umfassend:

einen Zuführabschnitt (1) mit einer Zuführöffnung (2), über welche die Einsatzstoffe von oben in den Reaktor eingebracht werden;

einen Pyrolyseabschnitt (8), der sich unter Schaffung einer Querschnittserweiterung unten an den vorangehenden Abschnitt (1, 5) anschließt, so daß sich dort ein Schüttkegel (9) des Einsatzstoffs ausbilden kann;

Gaszuführmittel (10), die etwa in der Ebene der Querschnittserweiterung in den Pyrolyseabschnitt (8) münden und über welche heiße Gase an den Schüttkegel (9) zugeführt werden;

einen Schmelz- und Überhitzungsabschnitt (14), der sich unter Schaffung einer Querschnittseinengung unten an den Pyrolyseabschnitt (8) anschließt;

obere Eindüsungsmittel (15), über die unmittelbar unterhalb der Ebene der Querschnittseinengung ein energiereiches Medium in den Schmelz- und Überhitzungsabschnitt (14) eingebracht wird;

einen Reduktionsabschnitt (20), der sich unten an den Schmelz- und Überhitzungsabschnitt (14) anschließt und Gasabsaugmittel (21) umfaßt, über welche Überschußgase abgesaugt werden;

einen Herd (25) mit einem Abstich (27) unterhalb des Reduktionsabschnitts (20), zur Sammlung und Ableitung von Metallschmelzen und Schlackeschmelzen;

untere Eindüsungsmittel (26), über die unmittelbar oberhalb der Schmelzen und unterhalb der Gasabsaugmittel (21) ein energiereiches Medium zugeführt wird, um ein Erstarren der Schmelzen zu verhindern.
Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Zuführabschnitt (1) und dem Pyrolyseabschnitt (8) ein Vortemperierungsabschnitt (5) angeordnet ist.
Reaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Pyrolyseabschnitt (8) und der Vortemperierungsabschnitt (5) zumindest abschnittsweise zur Schaffung eines Wandungshohlraums (6) doppelwandig ausgebildet sind, wobei im Wandungshohlraum (6) ein Wärmeübertragungsmedium geführt ist.
Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaszuführmittel als Gaszuführraum (10) ausgebildet sind, in die mindestens eine Brennkammer (11) mündet, die mit mindestens einem Brenner (12) bestückt ist, der über die Brennkammer und den Gasraum etwa 1000°C heiße Gase an den Schüttkegel (9) bereitstellt, wobei die Gaszuführmittel (10) und die Gasabsaugmittel (21) ringförmig am Umfang des Reaktors ausgebildet sind.
Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Zuführabschnitt (1), ggf. der Vortemperierungsabschnitt (5), der Pyrolyseabschnitt (8) und der Reduktionsabschnitt (20) zylindrisch oder nach unten leicht konisch aufgeweitet ausgebildet sind, daß die Gesamtlänge von Zuführabschnitt (1) und Vortemperierungsabschnitt (5) mindestens dreimal so groß wie der Durchmesser des Zuführabschnitts am oberen Ende ist, und daß der Querschnitt des Pyrolyseabschnitts (8) mindestens doppelt so groß wie der Querschnitt am unteren Ende des Vortrocknungsabschnitts ist.
Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die oberen und/oder die unteren Eindüsungsmittel (15, 26) mehrere ringförmig am Umfang des Reaktors angeordnete Sauerstofflanzen (16) oder Düsen umfassen, über welche Sauerstoff bzw. ein Brenngasgemisch zugeführt werden.
Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaszuführmittel (10) mit einer Flüssigkeitseinspeisung (30) verbunden sind, über welche flüssige oder dampfförmige Stoffe zuführbar sind.
Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß weiterhin eine Staubzuführung (31) vorgesehen ist, über welche Stäube unmittelbar in die Ebene der Querschnittserweiterung zwischen Zuführabschnitt (5) und Pyrolyseabschnitt (8) zuführbar sind.
Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Zuführabschnitt (1) nach oben weitgehend gasdicht abgeschlossen ist, wobei die Einsatzstoffzuführung über eine Schleuseneinrichtung erfolgt.
Verfahren zum Vergasen und/oder Schmelzen von Einsatzstoffen, die folgenden Schritte umfassend:

Ausbildung einer weitgehend von der Umgebung abgeschirmten Schüttsäule (4) in einem schachtförmigen Reaktor;

schockartige Erhitzung der Schüttsäule (4) durch Zuführung von heißen Gasen im oberen Bereich, um in den Einsatzstoffen eine Pyrolyse auszulösen;

Erzeugung einer tiefer gelegenen heißen Zone (17) mit Temperaturen oberhalb von 1000°C durch Zuführung energiereicher Medien;

Verbrennen der Pyrolyseprodukte, Schmelzen von ggf. enthaltenen metallischen und mineralischen Bestandteilen und weitegehendes Verkoken der Reststoffe der Einsatzstoffe in der heißen Zone (17);

Absaugen aller Gase nach unten durch die Schüttsäule (4), durch die heiße Zone (17) und durch eine tiefer liegende Reduktionszone (22);

Ausleiten reduzierter Überschußgase aus dem Reaktor im Bereich der Reduktionszone (22);

Sammeln der ggf. vorhandenen Metall- und/oder Schlackeschmelzen im untersten Abschnitt des Reaktors;

Einleiten von energiereichen Medien unmittelbar oberhalb der gesammelten Schmelzen, um diese flüssig zu halten;

Abstechen der Schmelzen bei Bedarf.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei als energiereiche Medien Sauerstoff, Brenngase, Anteile des abgesaugten Überschußgases, Flüssigbrennstoffe oder staubförmige Brennstoffe zugeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, weiterhin die folgenden Schritte umfassend:

Füllstandsüberwachung des Reaktors, so daß die Schüttsäule stets eine Höhe zwischen einem Minimalwert und einem Maximalwert aufweist;

Einstellung des Minimalwerts derart, daß die Schüttsäule oberhalb des Punktes der schockartigen Erhitzung durch relativ dicht gepackten Einsatzstoff von der Umwelt abgeschirmt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, weiterhin die folgenden Schritte umfassend:

Vortrocknung der Einsatzstoffe durch Erwärmung der Schüttsäule oberhalb des Punktes der schockartigen Erhitzung auf etwa 100°C;

Regelung des Unterdrucks zur Absaugung der Gase, so daß nahezu keine Gase nach oben aus dem Reaktor entweichen und nur minimale Mengen zusätzlicher Umgebungsluft von oben durch die Schüttsäule angesaugt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, weiterhin die folgenden Schritte umfassend:

Erzeugung der heißen Gase zur schockartigen Erhitzung der Schüttsäule durch Verbrennen von Fremdbrennstoffen in der Startphase des Verfahrens;

Erzeugung der heißen Gase zur schockartigen Erhitzung der Schüttsäule durch Verbrennen der zumindest teilweise gereinigten reduzierten Überschußgase, die aus dem Reaktor ausgeleitet werden, ggf. in Kombination mit Fremdbrennstoffen;

Ausführung der Verbrennung unter Sauerstoffmangel, so daß ein inertes Verbrennungsgas entsteht, welches weit-gehend aus Kohlendioxid und Wasserdampf besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, weiterhin die folgenden Schritte umfassend:

Zuführung der ausgeleiteten Überschußgase zu einer nachgeschalteten Gaswirtschaft zur Kühlung und/oder Reinigung;

Zuführung zu verwertender Stäube in unmittelbarer Nähe der schockartigen Erhitzung der Schüttsäule.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, wobei ein Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 9 verwendet wird.