EP1338847B1

EP1338847B1 - Gleichstrom-Schacht-Reaktor

Info

Publication number: EP1338847B1
Application number: EP03001006A
Authority: EP
Inventors: Jürgen Möser; Manfred Schulz; Thomas Flick
Original assignee: Smile Beteiligungs GmbH
Current assignee: Smile Beteiligungs GmbH
Priority date: 2002-01-23
Filing date: 2003-01-17
Publication date: 2006-03-29
Anticipated expiration: 2023-01-17
Also published as: ATE321978T1; DE20200935U1; ES2261800T3; DE50302772D1; SI1338847T1; EP1338847A1

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, Haus-und 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 Teer-und 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 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 Zuführzone, einer Ent- und Vergasungszone sowie einer Schmelz- und Überhitzungszone beschrieben. Die Ent- und Vergasungszone 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 vergrößerte Reaktoroberfläche im Bereich der Querschnittserweiterung der Pyrolyse, da Wärmeverluste auftreten. Die im Gleichstrom in die Schüttung eintretenden heißen Gase bilden zudem bevorzugte Strömungskanäle aus, was eine inhomogene Reaktion über den Reaktorquerschnitt zur Folge hat.
Generell kann davon ausgegangen werden, dass bei Einsatzstoffen mit hohen Zündpunkten bei schlechter Wärmeleitung und bei Stoffen mit hoher Feuchte die zugeführte Wärme in der Ent- und Vergasungszone nicht zu einer ausreichenden Erwärmung und Pyrolyse bzw. Entgasung der Stoffe führt. Die Prozesse der Ent- und Vergasung verschieben sich in den Bereich der Schmelz- und Überhitzungszone und verringern so die Reaktionszeit zur Zerstörung aller sich bildenden Teere und Öle in Form längerkettiger Kohlenwasserstoffe. Um dies zu vermeiden müsste soviel Wärme zugeführt werden, dass sich dadurch teilweise so heiße Zonen im Schüttgut ergeben, welche die Reaktorwand schädigen können und somit die Betriebszeit eines Schacht-Reaktors erheblich reduzieren.
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 insbesondere über zusammen mit dem Schüttgut bzw. Einsatzmaterial 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, bei deren Erzeugung die Gefahr einer Schädigung des Gleichstrom-Schacht-Reaktors verringert wird.
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 vertikal angeordnete Schachtkörper weist somit in Transportrichtung nacheinander eine Trockenzone zum Trocknen und Erwärmen des Einsatzmaterials, eine sich hieran anschließende Entgasungszone zum Entgasen des Einsatzmaterials und eine Vergasungszone zum Vergasen des Einsatzmaterials auf. 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. In der Entgasungszone sind in Transportrichtung des Einsatzmaterials, d.h. bei einem vertikalen Schachtkörper in vertikaler Richtung nacheinander in der Entgasungszone mehrere Gas-Zuführeinheiten mit dem Schachtkörper verbunden. Durch die Gas-Zuführeinheiten, bei denen es sich üblicherweise um Düsen oder dgl. handelt, wird in der Entgasungszone Gas zugeführt, durch das die Entgasung des Einsatzmaterials unterstützt bzw. beschleunigt wird.
Der untere zylindrische oder sich verjüngende Bereich des Vergasungsbereiches ragt ggf. in die Schmelzzone 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 erfindungsgemäß eine Kühlung mittels indirekter Wasserkühlung in der Reaktor-Schachtwand. Da bei sehr hohen Temperaturen und der Größe des zu kühlenden Bereichs eine doppelwandige Ausgestaltung der Reaktor-Schachtwand aufgrund von auftretenden Überhitzungen und dadurch hervorgerufenen Zerstörungen nachteilig ist, ist dieser zylindrische oder sich verjüngende Bereich erfindungsgemäß als Rohrschlange ausgebildet. Eine spiralförmige Rohrschlange, die von einem Kühlmedium durchströmt wird, ist zur Realisierung der Kühlung in diesem Bereich besonders geeignet. Insbesondere ist eine gezielte Kühlung möglich. Die Gefahr der Dampfbildung innerhalb der Rohrschlange ist aufgrund der Zirkulation der Flüssigkeit sehr gering. Die Rohrschlange ist vorzugsweise in mehreren Bereichen mit separaten Zu- und Abflüssen verbunden, so dass die sich zu stark erwärmende Kühlflüssigkeit unmittelbar aus der Rohrschlange abgeführt werden kann.
Hierdurch ist ein Verdunsten der Kühlflüssigkeit unter Dampfbildung und damit verbundenen Verringerung der Kühlungswirkung vermieden. Zwischen den einzelnen Ringen bzw. Spiralteilen der Rohrschlange können zusätzlich Düsen oder Brenner vorgesehen sein, so dass die Prozessführung auch in diesem Bereich sehr präzise gesteuert werden kann. Damit insbesondere die Temperatur in diesem Bereich genau geregelt werden kann, erfolgt die Regelung vorzugsweise separat und somit unabhängig von der Regelung der übrigen Düsen und Brenner.
Aufgrund der Anordnung mehrerer Gas-Zuführeinheiten in Transportrichtung nacheinander kann die Entgasungszone besser genutzt werden, so dass auch bei unterschiedlichen Einsatzstoffen eine Entgasung dieser Stoffe möglich ist. Da durch das Zuführen der Gase in der Entgasungszone insbesondere Energie und damit Wärme in die Entgasungszone eingebracht wird, kann in der Entgasungszone über den Querschnitt ein gleichmäßigeres Erwärmen des Einsatzmaterials sichergestellt werden. Da erfindungsgemäß mehrere Gas-Zuführeinheiten in Transportrichtung hintereinander angeordnet sind, kann ein vorzugsweise kontinuierliches Erwärmen des Einsatzmaterials in Transportrichtung sichergestellt werden. Hierdurch ist es möglich, dass auch schwer zu entgasende Einsatzstoffe in der Entgasungszone entgast werden. Da die Entgasung somit überwiegend in der Entgasungszone des erfindungsgemäßen Gleichstrom-Schacht-Reaktors erfolgt, ist ein Entgasen von Einsatzmaterial in der Vergasungs- oder der Schmelzzone verringert bzw. vermieden. Hierdurch kann der Wirkungsgrad des Schacht-Reaktors erheblich erhöht werden. Durch den erfindungsgemäßen Schacht-Reaktor kann in der Entgasungszone ein hoher Grad an Entgasung realisiert werden, so dass brennbare Nutzgase erzeugt werden können, die nur eine sehr geringe Partikelbelastung aufweisen.
Um eine möglichst gleichmäßige Erwärmung des Einsatzmaterials in der Entgasungszone zu ermöglichen, sind die Gas-Zuführeinheiten vorzugsweise im Wesentlichen gleichmäßig verteilt angeordnet. Die Gas-Zuführeinheiten weisen somit zueinander einen im Wesentlichen gleichen Abstand auf. Vorzugsweise sind hierbei die einzelnen Gas-Zuführeinheiten oder mehrere jeweils zu einer Gruppe oder Zuführeinheit zusammengefasste Zuführeinrichtungen mit einer Steuereinrichtung verbunden. Mit Hilfe der Steuereinrichtung ist es möglich, die einzelnen Gas-Zuführeinheiten und/oder die Zuführeinheiten getrennt zu steuern oder zu regeln. Dies kann beispielsweise durch eine Regelung der von den einzelnen Gas-Zuführeinheiten abgegebenen Gasmenge, des Sauerstoffgehaltes des zugeführten Gases und/oder der Temperatur des zugeführten Gases erfolgen. Ferner kann auch das Gasgemisch geändert werden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung erläutert.
Die Figur zeigt eine schematische Seitenansicht eines Gleichstrom-Schacht-Reaktors.
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 oberen Bereich des Aufnahmekörpers 20 ist die Schmelzzone 23 ausgebildet. 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 um das Einbringen großer Mengen an Umgebungsluft, durch die der Schmelz- und Vergasungsprozess unkontrolliert beeinflusst werden kann, zu verhindern. Hierzu weist die Schleusenanordnung 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.
Das Einsatzmaterial gelangt über die Schleusenanordnung 12 sodann in die Trockenzone 14. In der Trockenzone 14 und den anschließenden Zonen 16,18 ist der Schachtkörper 10 während des Betriebs nahezu vollständig mit Einsatzmaterial gefüllt. Auch in der Trockenzone 14 bildet sich kein oder allenfalls ein geringer Schüttkegel nahe des Schleusentors 32 aus. Der Schachtkörper 10 ist somit zumindest im Bereich der Entgasungszone 16 zylindrisch oder sich in Transportrichtung sprungfrei erweiternd ausgebildet. Die Schachtinnenwand des Schachtkörpers 10 ist somit zumindest in der Entgasungszone 16 glatt und weist keine Stufen oder dgl. auf.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist im Bereich der Trockenzone des Schachtkörpers 10 eine Gas-Zuführeinheit 36 vorgesehen. Die Gas-Zuführeinheit 36 weist eine den Schachtkörper 10 umgebende Ringleitung 38 auf, die mit mehreren gleichmäßig an Umfang verteilten Düsen 40 verbunden ist. Über die Gas-Zuführeinheit 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 Entgasungzone 16 sind mehrere Gas-Zuführeinrichtungen 46, bei denen es sich insbesondere um Düsen handelt, vorgesehen. In der Entgasungszone 16 sind die Gas-Zuführeinrichtungen 46 gleichmäßig verteilt angeordnet. Insbesondere sind in Transportrichtung des Einsatzmaterials, d.h. in der Fig. von oben nach unten, mehrere Gas-Zuführeinrichtungen bzw. Düsen 46 nacheinander angeordnet. Vorzugsweise handelt es sich um mindestens drei nacheinander angeordnete Düsen 46. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind mehrere Düsen 46 zu einer Zuführeinheit 42 verbunden. Hierzu ist eine Ringleitung 44 vorgesehen, für die die Düsen 46 gemeinsam mit Gas versorgt werden können. Die Ringleitung 44 ist somit mit mehreren am Umfang vorzugsweise gleichmäßig verteilten Düsen 46 verbunden. Insbesondere weist jede Ringleitung 44 mindestens drei Düsen auf. Die Ringleitungen 44, die jeweils in einer horizontalen Ebene angeordnet sind, bilden zusammen mit den Düsen bzw. Gas-Zuführeinrichtungen 46 einzelne Zuführeinheiten 42. Innerhalb der Entgasungszone 16 sind mehrere im dargestellten Ausführungsbeispiel vier Zuführeinheiten 42 angeordnet. Es ist erfindungsgemäß besonders bevorzugt, mindestens zwei Zuführeinheiten vorzusehen. Die einzelnen Zuführeinheiten 42 sind zueinander versetzt bzw. verdreht angeordnet, so dass in Transportrichtung des Einsatzmaterials nacheinander angeordnete Düsen 46 nicht über, bzw. hintereinander, sondern versetzt, bzw. nebeneinander angeordnet, sind. Vorzugsweise sind die einzelnen Zuführeinheiten gegenüber der oberhalb angeordneten Zuführeinheit um jeweils den selben Winkel verdreht angeordnet. Die Größe des Drehwinkels ist hierbei vorzugsweise von der Anzahl der je Zuführeinheit 42 vorgesehenen Düsen 46 abhängig, so dass eine im Wesentlichen gleichmäßige Verteilung der Düsen 46 in der Entgasungszone 16 erfolgt. Über die Gas-Zuführeinrichtungen 46 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.
Vorzugsweise ist eine Seitenwand 56 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. Insbesondere ist es auch möglich, die Gas-Zuführeinheit 36 anstatt im Bereich der Trockenzone 14 im Bereich der Schleusenanordnung 12 vorzusehen.
Die Schleusenanordnung 12 besitzt die Aufgabe der kontinuierlichen und homogenen Zufuhr von Material und den gasdichten Abschluss gegenüber der Umgebung.
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. Das Volumen der Schleusenkammer 34 wird möglichst vollständig ausgenutzt und fällt in den Reaktorschacht möglichst gleichen Durchmessers. 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.
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 Umsetzung 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 Schacht-Reaktors. 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.
Das Gas durchströmt im Gleichstrom mit dem Einsatzmaterial die Zone der Hochtemperaturvergasung 18. Die aus den abgelaufenen Entgasungs- und Thermolyseaktionen 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.
Im unteren zylindrischen oder sich verjüngenden Bereich des Vergasungsbereichs 18, der ggf. in die Schmelzzone 23 hineinragt, ist die erfindungsgemäße Rohrschlange 60 angeordnet. Sie ist vorzugsweise mit in der Figur nicht dargestellten separaten Zu- und Abläufen versehen. Ferner können zwischen den einzelnen Ringen bzw. Spiralteilen der Rohrschlange 60 zusätzliche Düsen 48 oder Brenner 54 vorgesehen werden. 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 23, welche oben wesentlich weiter als die hineinragende Vergasungszone 18 ist, und umgibt die Vergasungszone 18 zumindest teilweise. Die zylindrische Schmelzzone 23 verkleinert sich konisch nach unten und schließt mit der Bodenplatte ab, oberhalb welcher sich die aufgeschmolzene Phase sammelt.
Die Schmelzzone 23 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 23.
In die Schmelzzone 23 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 Schadstoffe 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.

Claims

Gleichstrom-Schacht-Reaktor zum Schmelzen und Vergasen von Einsatzmaterial, mit
einem vertikalen Schachtkörper (10) mit einer Trockenzone (14) zum Trocknen und Erwärmen des Einsatzmaterials, einer sich an die Trockenzone (14) anschließenden Entgasungszone (16) zum Entgasen des Einsatzmaterials und einer Vergasungszone (18) zum Vergasen des Einsatzmaterials, wobei das Einsatzmaterial von der Trockenzone (14) durch die Entgasungszone (16) in die Vergasungszone (18) transportiert wird,
einem sich an den Schachtkörper (10) anschließenden Aufnahmekörper (20) zur Aufnahme von geschmolzenem Einsatzmaterial (22), und
einer mit dem Schachtkörper (10) und/oder dem Aufnahmekörper (20) verbundenen Gas-Abführeinrichtung (26) zum Abführen entstandener Gase,
wobei in Transportrichtung des Einsatzmaterials in der Entgasungszone (16) nacheinander mehreren mit dem Schachtkörper (10) verbundene Gas-Zuführeinheiten (42) zum Zuführen von Gas in die Entgasungszone (16) vorgesehen sind,
dadurch gekennzeichnet,
dass im Bereich des Übergangs zwischen der Vergasungszone (18) und der Schmelzzone (23) zur Temperaturführung eine Rohrschlange (60) in der Reaktor-Schachtwand vorgesehen ist.
Gleichstrom-Schacht-Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrschlange (60) spiralförmig ist.
Gleichstrom-Schacht-Reaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Rohrschlange (60) ein sich in Transportrichtung des Einsatzmaterials verjüngender Bereich, insbesondere konisch verjüngender Bereich, ausgebildet ist.
Gleichstrom-Schacht-Reaktor nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrschlange (60) in mehreren Bereichen mit separaten Zu- und Abflüssen verbunden ist.
Gleichstrom-Schacht-Reaktor nach einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Gas-Zuführeinrichtungen (46) im Wesentlichen gleichmäßig verteilt angeordnet sind.
Gleichstrom-Schacht-Reaktor nach einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, dass in Transportrichtung mindestens drei Gas-Zuführeinrichtungen (46) nacheinander vorgesehen sind.
Gleichstrom-Schacht-Reaktor nach einem der Ansprüche 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Gas-Zuführeinrichtungen (46) in einer horizontalen Ebene angeordnet sind.
Gleichstrom-Schacht-Reaktor nach einem der Ansprüche 1 - 7, dadurch gekennzeichnet, dass die in einer Ebene angeordneten Gas-Zuführeinrichtungen (46) mit einer Ringleitung (44) zu einer Zuführeinheit (42) verbunden sind.
Gleichstrom-Schacht-Reaktor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Gas-Zuführeinrichtungen (46) von in Transportrichtung nacheinander angeordneten Zuführeinheiten (42) versetzt zueinander angeordnet sind.
Gleichstrom-Schacht-Reaktor nach einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den einzelnen Ringen bzw. Spiralteilen der Rohrschlange (60) zusätzlich Düsen (48) oder Brenner (54) vorgesehen sind, die insbesondere separat regelbar sind.
Gleichstrom-Schacht-Reaktor nach einem der Ansprüche 1 - 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Gas-Zuführeinrichtungen (46) und/oder die Zuführeinheiten (42) mit einer Steuereinrichtung verbunden sind.
Gleichstrom-Schacht-Reaktor nach einem der Ansprüche 1 - 11, dadurch gekennzeichnet, dass in der Trockenzone (14) und/oder Vergasungszone (18) zusätzliche Gas-Zuführeinrichtungen (46,48) vorgesehen sind.
Gleichstrom-Schacht-Reaktor nach einem der Ansprüche 1 - 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Schachtkörper (10) zumindest im Bereich der Entgasungszone (16) zylindrisch oder sich in Transportrichtung sprungfrei erweiternd ausgebildet ist.