EP1323809B1

EP1323809B1 - Gleichstrom-Schacht-Reaktor

Info

Publication number: EP1323809B1
Application number: EP02027458A
Authority: EP
Inventors: Jürgen Möser; Manfred Schulz; Thomas Flick
Original assignee: Smile Beteiligungs GmbH
Current assignee: Smile Beteiligungs GmbH
Priority date: 2001-12-14
Filing date: 2002-12-10
Publication date: 2009-04-01
Anticipated expiration: 2022-12-10
Also published as: SI1323809T1; EP1323809A2; DE50213409D1; ATE427347T1; DE20120189U1; EP1323809A3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gleichstrom-Schacht-Reaktor zum Schmelzen und Vergasen von Einsatzstoffen unterschiedlicher Art und Konsistenz, wie schadstofffreie und/oder schadstoffbelastete Hölzer, Hausund Sperrmüll, Ersatzbrennstoffe, pelletierte Stäube bzw. Tiermehl, Kunststoffe, Industrie- und Gewerbeabfallstoffe.
In Schacht-Reaktoren kann ein Synthesegas, welches zur Erzeugung von elektrischer Energie sowie Wärme geeignet ist und/oder als Basis für Syntheseprozesse Verwendung findet, erzeugt werden. Als festes Produkt entsteht eine nichtauslaugbare Schlacke und eine stofflich weiterverarbeitbare Metallphase oder eine nichteluierbare flüssige Phase, welche für eine weitergehende Verarbeitung zur Verfügung steht.
DE 43 17 145 C1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Entgasung von Abfallmaterialen auf Basis eines koksbeheizten Gegenstrom-Schachtofens. Hierbei wird das entstehende staubhaltige Gas vollständig abgezogen und in der darunter befindlichen Schmelz- und Überhitzungszone mit Sauerstoff bei hohen Temperaturen verbrannt. Die Gegenstromführung des Gases durch die sich nach unten bewegende Schüttung und die Absaugung zwischen der Kreislaufgasabsaugung und der Kreislaufgaszuführung ergeben eine Vielzahl von praktischen Problemen. Folge sind Kurzschlussströmungen im Schacht und ungenügende Wärmeübertragung in den oberen Schachtbereich, wodurch ein schadstoffbelastetes Gas mit Teer- und Staubbestandteilen entsteht. Hierdurch wird eine aufwendige Gasaufbereitung und -reinigung notwendig. Ferner besteht die Gefahr, dass durch Teer- und Staubablagerungen der kontinuierliche Betrieb gestört wird. Eine weitere permanente Gefahr für einen stabilen Betrieb ist die Führung von Pyrolyse- und Entgasungsgas mit Teerund Staubanteilen in Leitungen. Stellenweise oder vollständige Versetzung der Leitungen mit Teer- Staubablagerungen haben eine ungleichmäßige Kreislaufgasführung und damit eine ungleichmäßige Prozessführung im Schachtofen zur Folge.
In der DE 196 40 497 C2 wird ein koksbeheizter Kreislaufgaskupolofen zur stofflichen und/oder energetischen Verwertung von Abfallmaterialien beschrieben. Er besteht aus einem senkrechten Ofenschacht mit unterhalb der Begichtung liegenden großvolumigen Kreislaufgasabsaugöffnungen, die durch Kanäle und Düsen mit der Schmelz- und Überhitzungszone verbunden sind, oberhalb welcher eine großvolumige Überschussgasabsaugebene das entstehende Gas aus dem Prozess führt. Hierbei ist der Ofenschachtteil zwischen Kreislaufgas- und Überschussgasabsaugöffnung querschnittsverjüngt. Die Wärmeübertragung erfolgt wie auch in DE 43 17 145 C1 durch die im Gegenstromprinzip zum Einsatzmaterial nach oben steigenden Prozessgase. Auch die mehrfache Gegenstromführung des Gases durch die sich nach unten bewegende Schüttung ermöglicht trotz einiger Modifizierungen durch Querschnittsverengung im Schacht und Querschnittserweiterung im Gasabgang nicht die Verarbeitung eines breiten Spektrums an Einsatzmaterial.
Weiterführend ist in DE 198 16 864 A1 ein Kreislaufgaskupolofen beschrieben, bei welchem eine Überschussgasabsaugung unterhalb der Schmelz- und Überhitzungszone angeordnet ist. Hierdurch ergibt sich eine Gegenstromvergasung und Wärmeübertragung im oberen Ofenschachtbereich, wo das Gas mittels großvolumiger Öffnungen abgesaugt wird und durch Kanäle/ Düsen in die Schmelz- und Überhitzungszone geleitet wird. In der anschließenden Gleichstromvergasung wird das Gas bei hohen Temperaturen reduziert und längerkettige Kohlenwasserstoffe gespalten. Durch diese gewählte Anordnung wird der negative Einfluss von Kurzschlussströmungen verringert. Die räumliche Nähe der endothermen Prozesse zum Herdbereich und die großvolumige Überschussgasabsaugung entzieht der Schmelze notwendige Wärme, um unter allen Betriebsbedingungen den notwendigen flüssigen Austrag von Schmelze sicher zu stellen.
In DE 100 07 115 A1 ist ein Reaktor zum Vergasen und/ oder Schmelzen von Einsatzstoffen mit einem Zuführ-, Pyrolyse-, Schmelz- und Überhitzungsabschnitt beschrieben. Der Pyrolyseabschnitt weist eine Querschnittserweiterung als Gaszuführraum auf, in den mindestens eine Brennkammer mit mindestens einem Brenner mündet, durch welche heiße Verbrennungsgase einem sich ausbildenden Schüttkegel zugeführt werden. Des weiteren werden energiereiche Medien mittels oberen und unteren Eindüsungsmitteln im Bereich der Schmelz- und Überhitzungszone sowie oberhalb der Schmelze mittels Sauerstofflanzen und/ oder Düsen eingebracht. Nachteilig ist bei dieser Vorrichtung die durch den Schüttkegel vergrößerte
Reaktoroberfläche im Bereich der Querschnittserweiterung der Pyrolyse, da Wärmeverluste auftreten. Ferner rollen bei dem Schüttkegel die größeren Stücke der Einsatzstoffe an die Reaktorwand, wodurch eine nachteilige Entmischung auftritt. Die Folge ist eine stark einseitige Abschmelzung der Ofenausmauerung, die zu einer kürzeren Standzeit des Reaktors führt. Durch die Entmischung bilden sich in der Schüttung bevorzugte Strömungskanäle für die eintretenden Gase aus. Dies hat zur Folge, dass sich verschiedenartige inhomogene Reaktionszonen ausbilden, die zu schwankenden Gasqualitäten führen.
Aus US 4,813,179 ist ein Gleichstrom-Schacht-Reaktor zum Schmelzen und Vergasen von Einsatzmaterial bekannt, dessen Schachtkörper ein Schleusenbereich mit Schleusen vorgelagert ist. Der Schleusenbereich endet bei einer Förderschnecke, die Einsatzmaterial in den Schachtkörper einbringt. Das eingebrachte Einsatzmaterial wird anschließend in vertikaler Richtung durch eine Zuführöffnung des Schachtkörpers mit Hilfe einer weiteren Förderschnecke zu einem rotierenden Verteilteller hin gefördert, der das Einsatzmaterial über die gesamte Querschnittsfläche des Schachtkörpers verstreut. Im Bereich der weiteren Förderschnecke wird zur Trocknung des Einsatzmaterials über eine Gaszuführeinrichtung vorgewärmtes Reaktionsgas zugeführt.
Generell kann davon ausgegangen werden, dass bei Einsatzstoffen mit hohen Zündpunkten bei schlechter Wärmeleitung und bei Stoffen mit hoher Feuchte die zugeführte Wärme im Pyrolyseabschnitt nicht zu einer ausreichenden Erwärmung und Pyrolyse bzw. Entgasung der Stoffe führt. Die Prozesse der Ent- und Vergasung verschieben sich in den Bereich des Schmelz- und Überhitzungsabschnittes und verringern so die Reaktionszeit zur Zerstörung aller sich bildenden Teere und Öle in Form längerkettiger Kohlenwasserstoffe.
Sämtliche vorstehende beschriebene Schacht-Reaktoren sind nur für einen geringen Bereich an Einsatzstoffen einsetzbar. Ferner muss zum Vergasen der Einsatzstoffe eine erhebliche Menge an Energie zugeführt werden. Dies erfolgt durch unterschiedliche Düsensysteme, die in den vertikalen Schachtkörpern angeordnet sind, sowie über zusammen mit dem Schüttgut in den Schachtkörper eingebrachtes Brennmaterial, wie Koks oder dergleichen. Ferner besteht bei bekannten Schacht-Reaktoren unabhängig davon, ob sie im Gleichstrom- oder Gegenstromprinzip arbeiten, das Problem, dass das entnommene Gas stark partikelbelastet ist und somit vor einer Weiterverarbeitung beispielsweise gefiltert werden muss.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Gleichstrom-Schacht-Reaktor zu schaffen, mit dem auch beim Einsatz unterschiedlicher Einsatzstoffe Nutzgase, insbesondere brennbare Nutzgase mit einer geringen Partikelbelastung, erzeugt werden können, deren Energieinhalt für den Gleichstrom-Schacht-Reaktor genutzt werden kann.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1.
Der erfindungsgemäße Gleichstrom-Schacht-Reaktor zum Schmelzen und Vergasen von Einsatzmaterial, weist einen vertikalen Schachtkörper auf. Innerhalb des Schachtkörpers wird das Einsatzmaterial getrocknet, erwärmt und vergast. Der Schachtkörper lässt sich somit üblicherweise in die Bereiche Trockenzone, Entgasungszone und Vergasungszone unterteilen. An den Schachtkörper schließt sich ein Aufnahmekörper an, der zur Aufnahme von geschmolzenem Einsatzmaterial dient. Innerhalb dieses Körpers ist die Schmelzzone des Reaktors ausgebildet. Der Schachtkörper und/oder der Aufnahmekörper sind mit einer Gas-Abführeinrichtung zum Abführen der innerhalb des Reaktors erzeugten Nutzgase verbunden. Insbesondere ist die Abführeinrichtung im Bereich zwischen dem Schachtkörper und dem Aufnahmekörper angeordnet und als Rohr ausgebildet. Ferner weist der vertikal ausgerichtete Schachtkörper eine Zuführeinrichtung auf, durch die das Einsatzmaterial dem Schacht-Reaktor zugeführt wird.
Erfindungsgemäß ist mit dem Schachtkörper eine Gas-Zuführeinrichtung zum Zuführen von Gas in den Schachtkörper verbunden. Das zugeführte Gas, bei dem es sich vorzugsweise um Luft oder mit Sauerstoff angereicherte Luft handelt, dient zum Trocknen des Einsatzmaterials. Um eine gute und effektive Trocknung des Einsatzmaterials zu erzielen, ist das zugeführte Gas erfindungsgemäß vorgewärmt. Zum Vorwärmen des Gases ist erfindungsgemäß die Gas-Zuführeinrichtung mit der Gas-Abführeinrichtung verbunden. Das aus dem Reaktor abgeführte heiße Gas wird erfindungsgemäß somit zum Vorwärmen des dem Schachtkörper zugeführten Gases genutzt. Der Zuführöffnung des Reaktors ist eine Schleusenanordnung nachgeordnet, die das Einbringen des Einsatzmaterials steuert. Im Bereich der Schleusenanordnung ist zumindest ein Teil der Gaszuführeinrichtung mit der Schleusenkammer verbunden. Die erfindungsgemäße Nutzung des abgeführten Gases als Energieträger führt dazu, dass zum Vorwärmen des Gases keine zusätzliche Energie erforderlich ist und das Einsatzmaterial bereits in der Schleusenanordnung eine erste Trocknung erfährt. Die Schleusenanordnung wird dadurch zusätzlich zum Trocknen des Einsatzmaterials genutzt. Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass dem abgeführten Gas Wärme entzogen wird. Hierdurch ist die Weiterverarbeitung bzw. Nutzung dieses Gases vereinfacht.
Aufgrund des Vorwärmens des Einsatzmaterials, was erfindungsgemäß bereits unmittelbar nach dem Zuführen des Einsatzmaterials in der Schleusenanordnung erfolgt, kann eine größere Produktpalette an Einsatzmaterial in dem Schachtreaktor verarbeitet werden, da das Einsatzmaterial während seines Aufenthalts im Schachtreaktor stärker erwärmt wird und somit auch bei schlechter verarbeitbaren Materialien eine Ent- und Vergasung erzielt werden kann. Insbesondere ist hierdurch auch erreicht, dass innerhalb des Reaktors eine bessere Ent- und Vergasung stattfindet, so dass das Nutzgas weniger Partikel aufweist. Insbesondere ist es aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Gleichstrom-Schacht-Reaktors möglich, Nutzgase zu erzeugen, die einen erheblich geringeren Ölund Teeranteil sowie einen erheblich geringeren Schadstoffgehalt aufweisen.
Das Einbringen von Einsatzmaterial in den Schachtkörper erfolgt über die Schleusenanordnung. Mit Hilfe der Schleusenanordnung kann sichergestellt werden, dass beispielsweise nur eine begrenzte Menge an Umgebungsluft in den Schachtreaktor über die Zuführöffnung gelangt. Hierdurch kann der Prozess innerhalb des Schachtreaktors besser gesteuert werden. Die Schleusenanordnung weist vorzugsweise mindestens eine Schleusenkammer auf. Es wird somit ein erstes Schleusentor geöffnet, um das Einsatzmaterial in die Schleusenkammer einzubringen. Sodann wird dieses erste Schleusentor geschlossen, so dass die Schleusenkammer verschlossen ist. In diesem Zustand kann ggf. enthaltene Luft aus der Schleusenkammer abgesaugt und/oder durch anderes Gas ersetzt werden. Anschließend wird das zweite Schleusentor, die in Richtung des Innenraums des Schachtreaktors führt, geöffnet und das Einsatzmaterial gelangt aus der Schleusenkammer in den Reaktor.
In vorteilhafter Weise ist die Schleusenanordnung so gestaltet, dass das Einbringen von Einsatzmaterial in den Gleichstrom-Schacht-Reaktor nahezu schüttkegelfrei bzw. schüttkegelarm erfolgt. Dadurch wird die Gefahr verringert, dass größere Stücke der Einsatzstoffe an die Reaktorwand rollen und eine Entmischung des Einsatzmaterials stattfindet. Die nachteiligen Folgen der Entmischung, wie beispielsweise Abschmelzung der Ofenausmauerung, Entstehung von Strömungskanälen für die eintretenden Gase und schwankende Gasqualitäten durch verschiedenartige Reaktionszonen, werden dadurch stark reduziert. Ein schüttkegelarmes Einbringen von Material in Schachtreaktoren lässt sich beispielsweise dadurch erreichen, dass der Reaktorschacht, welcher der Schleusenanordnung nachfolgt, eine ähnliche Querschnittsgeometrie aufweist. Ferner sollte die Fallhöhe des zugeführten Gutes möglichst niedrig sein. Insbesondere nicht höher als die dreifache Höhe des Einsatzmaterials in der Schleusenanordnung. Zusätzlich sollte sich das zweite Schleusentor möglichst schnell öffnen, damit die Unterseite des fallenden Einsatzmaterials möglichst waagerecht bleibt.
Ferner sollte das Einsatzmaterial in der Schleusenanordnung möglichst nicht selber bereits einen Schüttkegel enthalten. Dies lässt sich beispielsweise dadurch erreichen, dass die Schleusenkammer in der Schleusenanordnung vollständig mit Einsatzmaterial gefüllt wird und mit dem Schließen des ersten Schleusentores das Einsatzmaterial, das nicht in die Schleusenkammer passt, vom einzubringenden Einsatzmaterial abgeschnitten wird. Dazu ist in vorteilhafter Weise das erste Schleusentor als Schieber mit Schneidkante ausgebildet. Dadurch entspricht das einzubringende Einsatzmaterial nahezu der Geometrie der Schleusenkammer und weist insbesondere nahezu keinen Schüttkegel auf.
Damit das zweite Schleusentor möglichst schnell geöffnet werden kann, ist es in vorteilhafter Weise als Klappe oder Schieber ausgeführt.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung erläutert.

Figur 1: zeigt eine schematische Seitenansicht eines Gleichstrom-Schacht-Reaktors.
Figur 2: zeigt eine schematische Seitenansicht einer bevorzugten Ausgestaltung einer Schleusenanordnung.

Der Gleichstrom-Schacht-Reaktor weist einen Schachtkörper 10 auf. Der Schachtkörper 10 kann im dargestellten Ausführungsbeispiel in eine Schleusenanordnung 12, eine sich an die Schleusenanordnung 12 anschließende Trocknungszone 14, eine sich an die Trocknungszone 14 anschließende Entgasungszone 16 sowie eine sich hieran anschließende Vergasungszone 18 unterteilt werden. An die Vergasungszone 18 des Schachtkörpers 10 schließt sich ein Aufnahmekörper 20 an, der zur Aufnahme von geschmolzenem Einsatzmaterial 22 dient. Im Grenzbereich zwischen der Vergasungszone 18 und dem Aufnahmekörper 20 ist der Querschnitt des Aufnahmekörpers erweitert, so dass ein ringförmig ausgebildeter Gassammelraum 24 ausgebildet ist, der den unteren Teil der Vergasungszone 18 umgibt. Der Gassammelraum 24 ist mit einer im dargestellten Ausführungsbeispiel als Rohr ausgebildeten Gas-Abführeinrichtung 26 verbunden.
Das Einsatzmaterial wird durch eine Zuführöffnung 28 in den Schachtkörper 10 über die Schleusenanordnung 12 eingeführt. Das Zuführen des Einsatzmaterials erfolgt über die Schleusenanordnung 12 um das Einbringen großer Mengen an Umgebungsluft, durch die der Schmelz- und Vergasungsprozess unkontrolliert beeinflusst werden kann, zu verhindern. Hierzu weist die Schleusenanordnung 12 zwei Schleuseneinrichtungen bzw. Schleusentore 30,32 auf, zwischen denen die Schleusenkammer 34 ausgebildet ist, wobei die Schleusenkammer 34 bereits ein Teil des Schachtkörpers 10 ist.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist im Bereich der Trockenzone 14 des Schachtkörpers 10 eine Gas-Zuführeinrichtung 36 vorgesehen. Die Gas-Zuführeinrichtung 36 weist eine den Schachtkörper 10 umgebende Ringleitung 38 auf, die mit mehreren gleichmäßig an Umfang verteilten Düsen 40 verbunden ist. Über die Gas-Zuführeinrichtung 36 wird dem Einsatzmaterial im Bereich der Trockenzone 14 vorzugsweise heiße Luft, die ggf. mit Sauerstoff angereichert sein kann, zum Trocknen des Einsatzmaterials zugeführt.
In der sich an die Trockenzone 14 anschließenden Entgasungszone 16 ist eine weitere Gas-Zuführeinrichtung 42 angeordnet, die ebenfalls eine den Schachtkörper 10 umgebende Ringleitung 44 aufweist. Die Ringleitung 44 ist mit mehreren am Umfang vorzugsweise gleichmäßig verteilten Düse 46 verbunden. Über die Gas-Zuführeinrichtung 42 können energiereiche Gase, Sauerstoff, Luft oder andere zur Steuerung des Schmelz- und Vergasungsprozesses geeignete Gase dem Einsatzmaterial zugeführt werden.
Weitere Düsen 48 sind in der Vergasungszone 18 vorgesehen. Über die Düsen 48 kann wiederum energiereiches Gas oder andere den Schmelz- und Vergasungsprozess steuernde Gase oder Stoffe zugeführt werden. Ebenso können anstatt der Düsen 48 auch Brenner vorgesehen sein, die in der Vergasungszone 18 unmittelbar Wärme dem Einsatzmaterial zuführen. Der Endbereich des zur Längsachse 50 rotationssymmetrischen Schachtkörpers 10 ist sich leicht verjüngend konisch ausgebildet, so dass das Einsatzmaterial im Bereich der Vergasungszone 18 etwas zurückgehalten wird.
In einer Seitenwand 52 des Aufnahmekörpers 20 sind ferner mehrere am Umfang verteilte Düsen 54 angeordnet. Die Düsen 54 dienen zum Einbringen energiereicher Gase oder entsprechender Stoffe. Durch die Düsen 54 ist sichergestellt, dass die Schmelze 22 flüssig bleibt. Ebenso können anstelle der Düsen 54 auch Brenner vorgesehen sein.
Die Gas-Zuführeinrichtung 36 ist mit der Gas-Abführeinrichtung 26 verbunden. Hierzu führt das Rohr der Gas-Abführeinrichtung 26 durch das die heißen in dem Reaktor entstandenen Gase abgeführt werden, zu einem Wärmetauscher 56. Die abgeführten Gase bzw. Nutzgase strömen durch den Wärmetauscher 56 und werden sodann von einem Rohr 58 vorzugsweise zur Weiterverarbeitung abgeführt. Ferner ist mit dem Wärmetauscher 56 eine Rohrleitung 60 verbunden. Durch die Rohrleitung 60 wird Luft oder ein anderes Gas in den Wärmetauscher 56 geleitet, nimmt in dem Wärmetauscher 56 Wärme von dem Nutzgas auf und wird durch ein Rohr 62 wieder aus dem Wärmetauscher abgeleitet. Das Rohr 62 ist sodann über eine Heizeinrichtung 64 und ein Rohr 66 mit der Ringleitung 38 der Gas-Zuführeinrichtung 36 verbunden. Das Erwärmen der durch die Gas-Zuführeinrichtung 36 im Bereich der Trockenzone 14 dem Einsatzmaterial zugeführte Gas wird somit im Betrieb vorzugsweise ausschließlich durch die Wärme der Nutzgase mit Hilfe des Wärmetauschers 56 vorgewärmt. Mit Hilfe der Heizeinrichtung 64, bei der es sich beispielsweise um eine elektrische Heizung oder einen Brenner handeln kann, kann das über die Gas-Zuführeinrichtung zuzuführende Gas zusätzlich erwärmt werden. Insbesondere während des Start-Zyklus' des Reaktors, in dem noch keine heißen Nutzgase durch die Gas-Abführeinrichtung 26 abgeführt werden oder die Temperatur dieser Nutgase noch nicht hoch genug ist, kann die Heizeinrichtung 64 zum Erwärmen des Gases genutzt werden.
Erfindungsgemäß wird im Bereich der Schleusenanordnung 12 ein Teil 35 der Gas-Zuführeinrichtung 36 mit dem Schachtkörper 10 verbunden. Durch diese Verbindung wird das Einsatzgut bereits in der Schleusenanordnung 12 einer ersten Trocknung unterzogen.
Vorzugsweise ist eine Seitenwand 68 der Schleusenanordnung 12 doppelwandig ausgebildet. Hierdurch kann eine Erwärmung und somit eine Trocknung des Einsatzmaterials in der Schleusenkammer 34 erzielt werden indem ein heißes Medium durch die doppelwandige Seitenwand 68 geleitet wird. Vorzugsweise handelt es sich hierbei um Luft oder ein anderes Gas, das ebenfalls durch das Nutzgas vorzugsweise mit Hilfe des Wärmetauschers 56 vorgewärmt wird.
Der ideale Materialeintrag setzt vorzugsweise eine homogene Mischung voraus, insbesondere bei Zudosierung von Zusätzen wie Koks und Kalk. Der Eintrag erfolgt erfindungsgemäß zentral auf der Achse des Reaktors. Der Reaktor ist im laufenden Betrieb möglichst voll zu halten. Eine Füllstandsüberwachung ist demzufolge vorzugsweise direkt unter dem Schleusentor 32 angebracht. Die Befüllung erfolgt in einer hohen Taktrate. Durch diese Maßnahmen wird gleichzeitig der Falschlufteintrag verringert und die Druckhaltung im Gesamtsystem verbessert.
Erfindungsgemäß sind die Bereiche Schleusenanordnung 12, Trocknungszone 14 und Entgasungszone 16 bis in die Vergasungszone 18 vorzugsweise zylindrisch oder leicht konisch sich nach unten erweiternd ausgebildet. Der Übergang zwischen den Zonen erfolgt ohne stufenförmige oder sprunghafte Querschnittserweiterung, d.h. der Übergang ist gleichen Querschnitts und ohne Ausbildung von schüttschichtfreien Hohlräumen, Stufen oder Kanten.
Die Trocknungszone 14 kann insbesondere bei größeren Bauarten ebenfalls doppelwandig ausgeführt sein. Dies ermöglicht die indirekte Erwärmung der Gutsäule im Innern bzw. die Sicherstellung einer gleichmäßigen Temperatur an der Wandung und eine Verringerung von Kondensationserscheinungen an der Innenseite. Als Wärmeträgermedium wird vorzugsweise ebenfalls heiße Luft eingesetzt. Der Einsatz des am Ende des Prozesses aufstehenden Rauchgases ist ebenfalls möglich.
Bei der Erwärmung des Ausgangsgutes findet in der Trocknungszone 14 die Verdampfung des Wassers statt. Die Temperatur im Gut steigt dabei nur wenig über 100°C an. Mit zunehmender Temperatur werden im weiteren Verlauf adsorbierte Gase wie Stickstoff und Kohlendioxid freigesetzt, welche nicht durch Spaltreaktionen entstanden sind. Spätestens hier kann von der Entgasung gesprochen werden. Oberhalb 250 bis 300 °C setzt dann die Entwicklung von Gasen und Dämpfen ein, bei denen es sich um abdestillierte niedrigmolekulare Verbindungen und erste Spaltprodukte handelt. Ein weiteres Ansteigen der Temperatur bewirkt den Ablauf von Reaktionen, die zur Bildung von Methan und Wasserstoff führen.
Die Entgasungszone 16 kann in Fortführung der Trocknungszone 14 ebenfalls doppelwandig gestaltet sein.
Im unteren Drittel der Trocknungs- und Entgasungszone 14,16 ergibt sich ein Bereich, in welchem die Reaktorinnentemperatur größer als die Heißlufttemperatur ist. Hier kann die doppelwandige Ausführung durch eine silikatische Ausmauerung ersetzt werden. Eine Ausführung der gesamten Trocknungs- und Entgasungszone 14,16 mit einer Stampfmasse, auch bei einer doppelwandigen Gestaltung, ist vorteilhaft. Geringerem Verschleiß der Stahlbauhülle stehen geringerer Wärmeübergang und niedrigere Temperaturwechselbeständigkeit gegenüber.
Bei der weiteren Erwärmung der Schüttsäule ab etwa 700°C erfolgt neben der Spaltung des Brennstoffes unter dem Einfluss der Wärme die heterogene Reaktion zwischen dem Brennstoff und dem noch nicht reagierten Sauerstoff der Luft.
Die Vergasungszone 18 ist die Hauptreaktionszone innerhalb des Schachtreaktors. Hier erfolgt bei Temperaturen von 1.200 bis 1.400 °C die stoffliche und energetische Umsetzung der Feststoffe. Aus dem festen Brennstoff entstehen Gase und feste Produkte von Koks bis Asche. Für die vollständige und gleichmäßige Reaktion ist entscheidend, dass eine homogene Schüttung durch das bereits entstandene Entgasungsgas und das hier einzubringende Vergasungsmittel gleichmäßig durchströmt wird. Die Vergasungszone 18 muss aus diesen Gründen eine ausreichende Höhe besitzen. Dies wird insofern dadurch erreicht, dass die Vergasungszone 18 als ein gerader zylindrischer Bereich mit Übergang in eine konische Verkleinerung des Querschnittes oder sofort als zunehmende Verjüngung ausgebildet ist. Da sich durch die stofflichen Umsetzungen und damit zusammenhängende zerstörende Kräfte das Materialkorn verkleinert, vergrößern sich die Hohlräume innerhalb der Schüttsäule. Durch die Verkleinerung des Schachtquerschnittes in diesem Bereich kann die Sinkgeschwindigkeit der Materialsäule vergleichmäßigt werden, Strömungskanäle werden zerstört und die Ausbildung von größeren Hohlräumen in der Schüttung wird vermieden.
In Fortführung der darüber befindlichen Entgasungszone 16 ist der Bereich der Vergasung ebenfalls mit einer silikatischen Masse ausgekleidet.
Der untere zylindrische oder sich verjüngende Bereich des Vergasungsbereiches 18 ragt in die Schmelzzone 20 hinein. Auf diesen Teil liegt die darüber befindliche Schüttsäule zumindest teilweise auf, gleichzeitig herrschen dort hohe Temperaturen. Für die Sicherung der mechanischen Festigkeit und des Schutzes vor zu hohen Temperaturen erfolgt eine Kühlung mittels indirekter Wasserkühlung in der Schachtwand 70.
Das Gas durchströmte im Gleichstrom mit dem Einsatzmaterial die Zone der Hochtemperaturvergasung 18. Die aus den abgelaufenen Entgasungs- und Thermolysereaktionen entstandenen längerkettigen Kohlenwasserstoffe sind hier thermisch gespalten worden und waren gleichzeitig an den ablaufenden Vergasungsprozesse beteiligt. Es entsteht ein brennbares Gas mittleren Heizwertes mit den Hauptkomponenten Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Wasserstoff und Wasserdampf ohne Bestandteile an kondensierbaren Kohlenwasserstoffen. Viele der dabei abgelaufenen chemischen Reaktionen sind endotherm. Die Temperatur des Gases wie der Schüttung verringert sich somit.
Unterhalb des wassergekühlten Bereiches des Vergasungsbereiches 18 erfährt das Gas eine Umlenkung um etwa 180° und gelangt in den schüttschichtfreien Raum 24. Durch vorstehend beschriebene endotherme Vorgänge besitzt das Gas eine Temperatur von ca. 1.000 °C. Nach einer gewissen Gasberuhigung und -vergleichmäßigung wird das Gas oberhalb aus dem Reaktor abgesaugt.
Der Gassammelraum 24 ist bereits Bestandteil der Schmelzzone 20, welche oben wesentlich weiter als die hineinragende Vergasungszone 18 ist. Die zylindrische Schmelzzone 20 verkleinert sich konisch nach unten und schließt mit der Bodenplatte ab, oberhalb welcher sich die aufgeschmolzene Phase sammelt.
Die Schmelzzone 20 ist in ihrer Gesamtheit mit einer mehrschichtigen Stampfmasse versehen oder mit einer Ausmauerung ausgestattet. Grund hierfür sind die notwendigen hohen Temperaturen. Nur im Bereich des Gassammelraumes ist unter Umständen eine Ausmauerung nicht notwendig.
Der vollständig entgaste und verkokte Feststoff, ist stellenweise bereits gesintert bzw. geschmolzen und sinkt aus der Vergasungszone 18 weiter in die Schmelzzone 20.
In die Schmelzzone 20 integriert ist eine Ebene mit mehreren Sauerstoffdüsen oder -Injektoren und/oder oxidierend betriebenen Brennern 54, welche ebenso symmetrisch auf der Achse verteilt sind.
Durch die Zuführung von Gas mit einem hohen Sauerstoffanteil kommt es zu starken exothermen Reaktionen mit dem Gas und dem Feststoff aus der Vergasungszone 18. Es ergeben sich Temperaturen, welche deutlich über dem Schmelzpunkt des Materials liegen, üblicherweise ca. 1400 °C bis 1600 °C. Im Bereich der Sauerstoffdüsen ergeben sich sogar heiße Temperaturzonen von 1800 bis 2000 °C. Unter diesen Bedingungen und durch die Zugabe von Schlackebildnern und/ oder Materialien, welche den Schmelzpunkt absenken, werden alle anorganischen Schadstoffen sicher aufgeschmolzen.
Das aufgeschmolzene Material sammelt sich als Schmelze am Boden des Reaktors. Die Entleerung dieser flüssigen Schmelze erfolgt wie in der Gießerei üblich über ein Abstichloch und eine Rinne 72. Eine Bauart mit Vorherd oder Siphon ist möglich.
Bei ausreichend großer Bauart und entsprechender Verweilzeit der Schmelze wird sich die Schmelze in eine schwere metallhaltige Phase und eine darauf schwimmende Schlacke trennen. Hier besteht die Möglichkeit, über verschieden hohe Entleerungen eine verwertbare metallische Phase und eine Schlacke gewinnen zu können. Im Produkt Schlacke sind keine organischen Stoffe enthalten und die anorganischen Bestandteile sind in einer silikatischen Matrix stabil eingebaut. Die Nutzung als Material für den Hafen-, Deponie- und Straßenbau sind bekannt, ebenso möglich ist die Herstellung spezieller Gussformen und Produkten, wie sie in der Glasindustrie üblich sind.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Schleusenanordnung 12 besteht darin, dass das zweite Schleusentor 32 als schnellöffnender Schieber ausgestaltet ist (Fig. 2). Dazu ist das Schleusentor 32 insbesondere mehrstückig ausgeführt. Beim Öffnen des Schleusentors 32 fällt das in der Schleusenkammer 34 befindliche Einsatzmaterial gleichmäßig in die Trocknungszone 14 des Schachtkörpers 10. Zuvor wurde das Einsatzmaterial mit dem mit der Schleusenkammer 34 verbundenen Teil 35 der Gas-Zuführeinrichtung 36 vorgetrocknet. Für den Fall, dass der Schachtkörper 10 mit soviel Einsatzmaterial gefüllt ist, dass ein Teil des Einsatzmaterials in die Schleusenkammer 34 hineinragt, ist das als Schieber ausgestaltete zweite Schleusentor 32 in vorteilhafter Weise mit einer Schneidkante versehen. Dadurch kann beim Schließen des zweiten Schleusentores 32 der in die Schleusenkammer 34 ragende Teil des Einsatzmaterials abgeschnitten werden, wodurch die Schleusenkammer 34 wieder geschlossen werden kann.
Damit sich in der Schleusenkammer 34 nahezu kein Schüttkegel ausbildet, wird die Schleusenkammer 34 vollständig gefüllt und der Teil des Einsatzmaterials, der nicht hereinpasst, abgeschnitten. Dazu ist das erste Schleusentor 30 als Schieber mit einer Schneidkante ausgeführt, der den oberen Teil des Einsatzmaterials von der Schleusenkammer 34 abtrennt. Das erste Schleusentor 30 kann in dieser Ausführungsform ebenfalls mehrstückig ausgeführt werden.
Zum Einbringen von Einsatzmaterial in den Schachtkörper 10 ist das zweite Schleusentor 32 zunächst geschlossen und das erste Schleusentor 30 geöffnet. Dadurch gelangt Einsatzmaterial in die Schleusenkammer 34. Nach dem Schließen des ersten Schleusentors 30 wird das zweite Schleusentor 32 geöffnet, wodurch das Einsatzmaterial in den Schachtkörper 10 fällt. Gleichzeitig kann durch die Zuführöffnung 28 bereits weiteres Einsatzmaterial eingefüllt werden, das auf dem ersten Schleusentor 30 bereitgestellt wird. Danach beginnt der Befüllungszyklus von Neuem.

Claims

Gleichstrom-Schacht-Reaktor zum Schmelzen und Vergasen von Einsatzmaterial, mit
einem vertikalen Schachtkörper (10) zum Trocknen, Erwärmen und Vergasen des Einsatzmaterials, wobei der Schachtkörper (10) eine Zuführöffnung (28) zum Zuführen des Einsatzmaterials aufweist,

einem sich an den Schachtkörper (10) anschließenden Aufnahmekörper (20) zur Aufnahme von geschmolzenem Einsatzmaterial (22),

einer mit dem Schachtkörper (10) und/oder dem Aufnahmekörper (20) verbundenen Gas-Abführeinrichtung (26) zum Abführen entstandener Gase,

einer mit dem Schachtkörper (10) verbundenen Gaszuführeinrichtung (36) zum Zuführen von Gas in den Schachtkörper (10) zum Trocknen des Einsatzmaterials, wobei die Gas-Zuführeinrichtung (36) zur Gaserwärmung mit der Gas-Abführeinrichtung (26) verbunden ist und

einer mindestens eine Schleusenkammer (34) aufweisenden Schleusenanordnung (12),
dadurch gekennzeichnet, dass
die Schleusenanordnung (12) der Zuführöffnung (28) nachgeordnet ist und
zumindest ein Teil (35) der Gas-Zuführeinrichtung (36) und/ oder zumindest ein Teil der Gas-Abführeinrichtung (26) mit der Schleusenkammer (34) verbunden ist.
Gleichstrom-Schacht-Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gas-Zuführeinrichtung (36) und die Gas-Abführeinrichtung (26) über einen Wärmetauscher (56) miteinander verbunden sind.
Gleichstrom-Schacht-Reaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gas-Zuführeinrichtung (36) mit einer Heizeinrichtung (64) verbunden ist.
Gleichstrom-Schacht-Reaktor nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schleusenanordnung (12) im Wesentlichen achssymmetrisch zum Schachtkörper (10) angeordnet ist.
Gleichstrom-Schacht-Reaktor nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Seitenwand (68) des Schachtkörpers (10) insbesondere im Bereich der Schleusenanordnung (12) zum Erwärmen des Einsatzmaterials doppelwandig ist.
Gleichstrom-Schacht-Reaktor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die doppelwandige Seitenwand (68) mit der Gas-Zuführeinrichtung (36) verbunden ist.
Gleichstrom-Schacht-Reaktor nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche des Schachtkörpers (10) im Bereich der Trockenzone (14) ähnlich zur Querschnittsfläche der Schleusenanordnung (12) ist.
Gleichstrom-Schacht-Reaktor nach einem der Ansprüche 1-7, gekennzeichnet durch ein erstes Schleusentor (30), das insbesondere als mit einer Schneidkante versehener Schieber ausgestaltet ist, und/oder ein schnell öffnendes zweites Schleusentor (32), das insbesondere als mit einer Schneidkante versehener Schieber ausgestaltet ist.
Gleichstrom-Schacht-Reaktor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Schleusentor (30) und/ oder das zweite Schleusentor (32) mehrstückig ausgestaltet ist.
Gleichstrom-Schacht-Reaktor nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, dass die Fallhöhe des über die Schleusenanordnung (12) eingebrachten Einsatzmaterials nicht höher als die dreifache Höhe der Schleusenkammer (34) ist.