EP1377649B1

EP1377649B1 - Anlage und verfahren zur energiegewinnung durch pyrolyse

Info

Publication number: EP1377649B1
Application number: EP02708128A
Authority: EP
Inventors: John E. E. Sharpe; Jack R. Metz; Reinhard W. Serchinger
Original assignee: Gautschi Ulrich
Current assignee: Gautschi Ulrich
Priority date: 2001-04-12
Filing date: 2002-04-11
Publication date: 2006-06-21
Anticipated expiration: 2022-04-11
Also published as: WO2002083815A1; ATE331011T1; DE50207297D1; EP1377649A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Anlage und ein Verfahren zur Energieerzeugung, wie sie in den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 12 beschrieben sind.
Es ist bereits seit langem bekannt, dass sich mit pyrolytischen Prozessen Abfälle oder Reststoffe energetisch nutzen lassen. Als Reststoffe kommen beispielsweise kommunale und industrielle Abfälle, Recycling-Sortierabfälle, Abfall- und Restholz, Klärschlamm, Tiermehl etc. in Frage. Die pyrolytischen Prozesse basieren hierbei auf einer unter hohen Temperaturen und im wesentlichen unter Ausschluss von Sauerstoff durchgeführten Entgasung der als Brennstoffe vorgesehenen kohlenstoffhaltigen Reststoffe. Die in den hierbei entstehenden Gase enthaltene Energie lässt sich beispielsweise durch Verbrennung, d.h. Oxidation, der Gase in thermische Energie umwandeln. Thermische Energie lässt sich vergleichsweise einfach nutzen, um beispielsweise Wärme, Kälte oder Strom zu erzeugen.
So sind schon verschiedene Anlagenkonzepte vorgeschlagen worden, um mittels einer pyrolytischen Verwertung von Reststoffen nutzbare Energie zu gewinnen. Eines der ersten'Anlagenkonzept ist unter dem Namen "Thermoselect" bekannt geworden. Dieses sieht vor, die Reststoffe in einem Temperaturbereich von 450°C bis 550°C zu entgasen. Die aus diesem Prozess verbleibenden ganz oder teilweise verkohlten Reststoffe gelangen danach in einen Vergaserteil der Anlage, in welchem sie unter Zufuhr von Erdgas und Sauerstoff bei 1200°C bis 2000°C vergast werden. Die entstehenden Synthesegase werden danach in einem Nassverfahren gekühlt und nach verschiedenen Reinigungsstufen zur Energiegewinnung und mit einem Teilstrom zur Beheizung der Pyrolysezone verwendet. Nachteilig an der Anlage ist deren hohe Komplexität. Insbesondere aufgrund des hohen technischen Aufwands, der für das mit dieser Anlage durchführbare Verfahren erforderlich ist, scheinen nur grosse Anlagen ab ca. 100'000 Tonnen Reststoffe pro Jahr rentabel zu sein.
Ein weiteres, unter dem Namen Carbo-V-Verfahren, bekannt gewordenes Verfahren sieht vor, vorwiegend holzhaltige Reststoffe in einem ersten Reaktor durch partielle Oxidation in ihre flüchtigen und festen Bestandteile zu zerlegen. Die festen Bestandteile, vorwiegend kohlehaltiger Koks, werden aufgemahlen. In einer zweiten Stufe wird das entstandene, sehr teerhaltige Gas im oberen Teil einer Brennkammer nachoxidiert, während im unteren Teil der Brennkammer der Koksstaub in Vergasungrohgas umgewandelt wird. Dieses Gas wird zusammen mit dem Synthesegas der ersten Stufe mehrmals gekühlt und gereinigt. Das gereinigte Gas ist dann zur Erzeugung von Nutzenergie vorgesehen. An diesem Verfahren kann die aufwendige Nassreinigung als Nachteil gesehen werden. Auch die für dieses Verfahren erforderliche Anlage muss für einen wirtschaftlichen Betrieb relativ gross und komplex sein. Zudem ist dieses Verfahren im wesentlichen nur zur energetischen Verwertung von Holz vorgesehen.
Ein weiteres Konzept ist in der EP 0 874 881 B1 gezeigt. Hier sollen ausschliesslich Festbrennstoffe benutzt werden. Die Festbrennstoffe werden nach einer Pyrolyse in einer Pyrolysezone der Anlage, unter Zufuhr von katalysatorisch wirkenden Stoffen, einer Vergasung unterzogen. Die sowohl durch die Pyrolyse als auch durch die Vergasung gewonnenen Gase werden anschliessend verbrannt, wobei ein Teil der aus der Verbrennung gewonnenen Energie zunächst dafür genutzt wird, um die Pyrolysezone mit Strahlungswärme zu beheizen. Die Verbrennungsgase werden dann in einen in Strömungsrichtung der Gase hinter der Pyrolysezone liegenden anderen Teil der Anlage geleitet, um dort den in den Gasen verbliebenen Energieinhalt zu nutzen.
An dieser Anlage kann als nachteilig empfunden werden, dass ein grosser Aufwand für die Isolation jener Anlagenteile erforderlich ist, in denen die Verbrennungsgase bei hohen Temperaturen geführt werden. Ausserdem hat sich gezeigt, dass dieses Anlagenkonzept nur dann zu wirtschaftlichen Ergebnissen führt, wenn damit vergleichsweise grosse Anlagen realisiert werden, beispielsweise in der Grössenordnung von grösser 10MW thermischer Leistung.
In der DE-A-2651302 wird eine Anlage entsprechend dem Oberbegriff von Anspruch 1 offenbart, bei der die Gase zuerst einer Aussenfläche des Pyrolyserohres zugeführt werden, um dann über ein Leitungsmittel weit entfernt vom Pyrolyserohr zu einem Wärmetauscher zu gelangen. Erst der Wärmetauscher führt eine Umwandlung in eine Nutzenergieform, nämlich Wasserdampf, durch.
In der WO-A-97/15641 wird ebenfalls eine Anlage offenbart, bei der die heissen Verbrennungsgase, die durch Entgasung und Pyrolyse erzeugt werden, in konventioneller Weise für eine Dampferzeugung genutzt werden können.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemässe Anlage und ein Verfahren zu schaffen, die auch bei kleiner Anlagengrösse eine gute Energiebilanz ermöglichen.
Diese Aufgabe wird bei einer Anlage der eingangs genannten Art erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass das verbrennende Gas und/oder das resultierende Rauchgas mittels eines Abschnittes des Leitungsmittels, und in Bezug auf ihre Strömungsrichtung, gleichzeitig mit der Vorbeiführung an der Pyrolysezone im wesentlichen auch zumindest an einem Abschnitt eines Wärmetauschers vorbeigeführt werden, wobei der Wärmetauscher in einem ersten Bereich thermische Energie der Gase aufnimmt und diese in einem zweiten Bereich an ein Medium der Wärmenutzungseinrichtung abgibt. Die Aufgabe wird ausserdem durch ein Verfahren gelöst, wie es in Anspruch 12 beschrieben ist.
Bei erfindungsgemässen Anlagen ist somit vorgesehen, dass ein Abschnitt eines bei der Verbrennung entstehenden Stromes von heissen Verbrennungs- bzw. Rauchgasen nicht - wie im Stand der Technik - ausschliesslich nacheinander unterschiedlichen Verwertungszwecken zugeführt wird, sondern vorzugsweise bereits während der Verbrennung und unmittelbar danach im wesentlichen gleichzeitig sowohl zur Erwärmung der Pyrolysezone als auch zur Abgabe von thermischer Energie an einen Wärmetauscher genutzt wird.
Im wesentlichen unabhängig davon, wie dies konkret konstruktiv realisiert ist, kann hierdurch zumindest ein erheblicher Teil der bisher erforderlichen Isolation entfallen. Im Gegenteil, erfindungsgemäss ist gerade vorgesehen, dass in dem Abschnitt der Leitungsmittel, in denen ein Wärmeübergang zur Pyrolysezone stattfindet, zusätzlich ein weiterer Wärmetransfer stattfinden soll, nämlich ein Wärmetransfer am Wärmetauscher. Anders als im Stand der Technik sollte dieser Teil der Leitungsmittel mit Vorteil eine besonders gute Wärmeleitfähigkeit aufweisen.
Es ist hierbei bevorzugt, dass durch eine Abstimmung des Wärmeübergangs am Wärmetauscher auf den Wärmeübergang zur Pyrolysezone vordefinierte physikalische Verhältnisse geschaffen werden. Hierdurch soll die in der Pyrolysezone herrschende Temperatur auf einen für die Pyrolyse günstigen Wert innerhalb eines bestimmten Temperaturbereichs sicher gehalten werden können. Dieser Temperaturbereich kann beispielsweise von 850°C bis 950°C betragen. Durch Kenntnis der Temperaturen der Rauchgase bzw. der verbrennenden Gase, deren Menge und der geometrischen Gestaltung der Leitungsmittel, der Pyrolyszone und des Wärmetauschers, können durch eine geeignete Materialwahl solche Verhältnisse eingestellt werden. Hierdurch steht für den Wärmetauschvorgang die in den Rauchgasen enthaltene Energiemenge zur Verfügung, die jene Energiemenge übersteigt, die zur Erhitzung der Pyrolysezone benötigt wird.
Es hat sich gezeigt, dass die Temperatur der Verbrennungsgase bei der Verbrennung bzw. unmittelbar danach in einem Bereich von ca. 1000°C bis 1200°C, vorzugsweise von 1050°C bis 1150°C und besonders bevorzugt ca. 1100°C, liegt, um einerseits gute Ergebnisse beim Pyrolysevorgang und andererseits eine ausreichende Energiemenge für die Erzeugung von Nutzenergie zur Verfügung zu haben. Dieser Temperaturbereich hat sich zudem als besonders vorteilhaft erwiesen, da bei diesen Temperaturen zum einen sicher keine Rekombination der Verbrennungs- bzw. Rauchgase zu Dioxinen und Furanen stattfindet. Zum anderen sind die Temperaturen hoch genug, um die Rauchgase über eine längere Strecke in den Leitungsmitteln zu führen, bevor sie auf Temperaturen abkühlen, bei denen solche Rekombinationen in massgeblichen Mengen zu befürchten wären.
Durch die sofortige Nutzung der durch die Verbrennung frei werdenden thermischen Energie, sowohl für die Pyrolyse als auch für die Aufheizung eines Wärmetausch-Mediums der Wärmenutzungseinrichtung, treten bei erfindungsgemässen Anlagen besonders geringe Verlustenergien auf. Dies erhöht die Energiebilanz einer solchen Anlage in entscheidendem Masse und ermöglicht auch die Betreibung von bezüglich der Baugrösse und der gewonnenen Energiemenge kleinen Anlagen. Dieser Vorteil kann aber auch dazu genutzt werden, um bei gleicher Anlagengrösse wie bei einer herkömmlichen Anlage eine grössere nutzbare Energiemenge zu erzeugen.
Um auf konstruktiv einfache und günstige Weise mit einem Abschnitt eines Volumenstroms an Rauchgasen gleichzeitig sowohl die Pyrolysezone als auch den Wärmetauscher zu erwärmen, kann in einer bevorzugten Ausführungsform zwischen einer ersten Begrenzungsfläche und einer der ersten Begrenzungsfläche gegenüberliegenden zweiten Begrenzungsfläche eines Abschnittes des Leitungsmittels ein Strömungsraum für die Gase ausgebildet sein. Hierbei sollte an die erste Begrenzungsfläche die Pyrolysezone angrenzen und die zweite Begrenzungsfläche Bestandteil des Wärmetauschers sein.
Es hat sich als besonders günstig erwiesen, wenn die Pyrolysezone zumindest ein im wesentlichen längliches Rohr aufweist, das von einem ringförmigen Leitungsmittel umgeben ist, dessen Längserstreckung im wesentlichen parallel zur Längserstreckung des Pyrolyserohres verlaufen kann. Hierbei kann eine (äussere) Wand des Pyrolyserohres auch als innere Wand des Leitungsmittels fungieren, wodurch ein besonders guter Wärmetransfer in die Pyrolysezone möglich wird. Eine äussere Wand des Leitungsmittels kann hingegen als Wärmetauscher ausgebildet sein, wodurch ebenfalls ein besonders guter Wärmeübergang zum Wärmetausch-Medium mit sehr geringen Wärmeverlusten möglich wird. Dies ermöglicht auch, mit einem besonders geringen konstruktiven Aufwand eine erfindungsgemässe Anlage zu realisieren.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind das Pyrolyserohr und das Leitungsmittel in Bezug auf ihren Querschnitt jeweils kreisförmig ausgebildet, wobei das Leitungsmittel das Pyrolyserohr konzentrisch umgeben kann. In anderen Ausführungsformen können auch mehrere Pyrolyserohre in einem im Querschnitt ringförmigen Leitungsmittel angeordnet sein, wobei die Querschnittsformen des Leitungsmittels und der Pyrolyserohre im Hinblick auf gute Wärmeübergänge optimiert sein können. Grundsätzlich können die Querschnittsformen der Rohre nahezu beliebig gewählt sein.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform gibt der Wärmetauscher die Energie an einen Wasserkessel bzw. Boiler ab, in dem Wasserdampf erzeugt wird, der wiederum zur Erzeugung von einer nutzbaren Energieform, wie beispielsweise Wärme, Kälte oder Strom, verwendet werden kann. In Bezug auf einen guten Wärmeübergang und zur Vermeidung von Isolationsmaterial für die Leitungsmittel kann es hierbei von Vorteil sein, wenn die Leitungsmittel und damit auch der Wärmetauscher über zumindest einen Abschnitt der Leitungsmittel vollständig innerhalb des Wasserkessels angeordnet sind. Dies kann zur Konsequenz haben, dass sich auch die Pyrolysezone, zumindest über einen Abschnitt entlang eines Förderweges des Brennstoffes durch die Pyrolysezone, vollständig innerhalb des Wärmetauschers und damit auch des Wärmetausch-Mediums befindet.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann die erfindungsgemässe Anlage mit einem Regelkreis versehen sein, bei dem ein oder mehrere Parameter des aus dem Kessel austretenden Wasserdampfes gemessen werden. Diese Messergebnisse können dazu benutzt werden, die Zuführmenge an Reststoffen bzw. Brennstoff in das Pyrolyserohr zu regeln, damit die Werte der Dampfparameter als im wesentlichen konstant einstellbar sind.
Um mit besonders geringem konstruktiven und fertigungstechnischen Aufwand unterschiedliche Anlagen nach dem erfindungsgemässen Prinzip, beispielsweise hinsichtlich der Grösse der Anlagen, herstellen zu können, sollten diese modular aufgebaut sein. Das bedeutet, dass die Anlagen mit vordefinierten Schnittstellen versehen sein können, an denen Anlagenkomponenten durch vorzugsweise lösbare Verbindungen miteinander verbindbar sind. Hierdurch ist es auch möglich, bestehende Anlagen schnell und mit wenig Aufwand an geänderte Bedingungen anzupassen.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Figuren.
Die Erfindung wird anhand eines in den Figuren schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1: ein grundsätzlicher Aufbau einer möglichen erfindungsgemässen Anlage;
Fig. 2: eine Querschnitts-Darstellung eines Ringbrenners der erfindungsgemässen Anlage;
Fig. 3: eine Längsschnitt-Darstellung einer weiteren möglichen Ausführungsform eines Ringbrenners.
Fig. 4: einen Querschnitt entlang der Linie X von Fig. 1 durch ein Pyrolyserohr und einen Teil eines Wärmetauschers.

In Fig. 1 ist eine erfindungsgemässe Anlage zur Umwandlung von Reststoffen in Energie gezeigt. Die Anlage weist eine Eingabestelle 1 auf, in der Reststoffe 2 in ein Zwischensilo 3 der Anlage gegeben werden können. Das Zwischensilo 3 dient zur Zwischenlagerung von Reststoffen 2, bevor diese der nachfolgend näher beschriebenen Verwertung zugeführt werden.
An ein unteres trichterförmiges Ende des Zwischensilos schliesst sich ein in einer Fallleitung angeordnetes Förderrad 4 an. Das Förderrad 4 und/oder die im Silo 3 gelagerten Reststoffe 2 schliessen an dieser Seite der Anlage letztgenannte im wesentlichen luftdicht ab. Die Fallleitung mündet im Bereich eines Endes eines horizontal ausgerichteten Rohres 5 in letztgenanntes. In dem Rohr 5 ist eine rotatorisch angetriebene Förderschnecke 6 angeordnet, die die Reststoffe 2 in den Bereich des anderen Endes des Rohres 5 fördert. Hier ist in dem Rohr 5 eine Öffnung vorhanden, durch die die Reststoffe über eine weitere Fallleitung 7 in einen Bereich eines vorderen Endes einer als Pyrolyserohr 8 ausgebildeten Pyrolysezone gelangen. Auch im Pyrolyserohr 8 ist eine rotatorisch antreibbare Förderschnecke 9 angeordnet, mit der die Reststoffe 2 von einer Eintrittsöffnung 8a bis zu einer am anderen Ende des Pyrolyserohres vorgesehenen unteren Austrittsöffnung 8b gefördert werden. Das Pyrolyserohr 8 ist gegen einen Lufteintritt abgedichtet. Durch den vorzugsweise im wesentlichen anaeroben Pyrolysevorgang entstehen im Inneren des Pyrolyserohres Temperaturen von ca. 850° bis ca. 950°C, vorzugsweise ca. 900°C.
Das letztgenannte Ende des Pyrolyserohres mündet in einen siloähnlichen Behälter 10, in dem unterhalb des Pyrolyserohres 8 eine Vergasungskammer 11 und oberhalb davon eine Gasmischkammer 12 ausgebildet ist. Ebenso wie das Pyrolyserohr 8 gehört auch die Vergasungskammer 11 zu einem Reaktionsteil der Anlage. Die Reststoffe 2, welche das Pyrolyserohr 8 und eine im wesentlichen anaerobe Pyrolyse durchlaufen haben, fallen somit aufgrund der Schwerkraft durch die Austrittsöffnung 8b des Pyrolyserohres 8 nach unten in die mit einem unteren trichterförmigen Ende versehene Vergasungskammer 11. Das trichterförmige Ende mündet schliesslich in ein weiteres Rohr 14 mit Förderschnecke 15, durch welche die Endprodukte des Vergasungsprozesses, im wesentlichen Asche oder Schlacke, in vorbestimmter Menge und Zeit aus der Anlage entnommen werden können. Durch jeweils einen Pfeil 16, 17, 18 sind drei mögliche Einleitungen angedeutet, mit denen alternativ oder kumulativ Wasserdampf (mit einer Temperatur von ca. 300°C), rezikliertes Abgas (mit einer Temperatur von ca. 200°C) und/oder ein auf ca. 200°C vorgeheiztes Sauerstoff/Stickstoff-Gemisch in die Vergasungskammer eingeführt werden kann. Hierdurch ist eine Vergasung der bereits pyrolysierten Rest- bzw. Brennstoffe mit Temperaturen von ca. 750°C bis 850°C möglich, wodurch beispielsweise die Gase Wasserstoff (H₂) und Kohlenmonoxid (CO) freigesetzt werden können.
Die Vergasungskammer 11 ist mit der Austrittsöffnung 8b des Pyrolyserohres 8 und beidseitig hiervon angeordneten Umleitungskanälen um das Pyrolyserohr mit der Gasmischkammer 12 verbunden. Die im Pyrolyserohr entstehenden Gase, beispielsweise Methan und Kohlenmonoxid, können somit durch die Austrittsöffnung 8b nach oben ebenfalls in die Gasmischkammer 12 entweichen.
Über eine an der Gasmischkammer 12 angeschlossene Zuleitung 20 ist die Gasmischkammer mit einer einen Ringbrenner aufweisenden Brenneinrichtung 21 verbunden. Die Brenneinrichtung 21 ist hierbei über den vollen Umfang des Pyrolyserohres 8 um letztgenanntes herum angeordnet. Der in Fig. 2 in einem ersten Ausführungsbeispiel in einer Querschnitts-Darstellung detaillierter gezeigte, seitlich unmittelbar neben der Gasmischkammer angeordnete Ringbrenner weist gleichmässig am Umfang des Leitungsmittels verteilt mehrere Brenner 22, beispielsweise acht Brenner - zumindest jedoch einen Brenner, auf. In nicht näher dargestellter Weise ist jeder der Brenner 22 zur Gasversorgung mit der Zuleitung 20 verbunden. Die Brenner 22 können dabei so ausgerichtet sein, dass das von ihnen jeweils ausströmende und zunächst in einer Flamme 24 verbrennende Gas eine vorbestimmte Strömungsrichtungskomponente 25 bzw. eine Flammenrichtung aufweist, die tangential zum Pyrolyserohr 8 verläuft, so dass das Pyrolyserohr möglichst gleichmässig erwärmt wird. In Fig. 2 ist gezeigt, dass damit eine Ausrichtung der Flamme 24 jedes Brenners 22 auf die Flamme 24 des am Umfang nachfolgenden Brenners 22 ermöglicht wird. Hierdurch kann sicher und auch auf konstruktiv einfache Weise erreicht werden, dass sich die einzelnen Brenner 22 des Ringbrenners gegenseitig zünden.
Der von den Brennern 22 erzeugte Strom an noch verbrennenden Gasen und durch die Verbrennung bereits entstandenen Rauchgasen kann vorzugsweise auch eine Strömungsrichtungskomponente aufweisen, die parallel zur Längserstreckung 8c des Pyrolyserohres 8 - und zwar entgegengesetzt zur Durchlaufrichtung der Brennstoffe 2 im Pyrolyserohr - verläuft. In der Längsschnittdarstellung von Fig. 3 ist eine solche Ausführungsform einer Brenneinrichtung 21 dargestellt, bei der die Flammenrichtung 25 der einzelnen Brenner 22 schräg gestellt und auf die Längsachse 8c des Pyrolyserohres gerichtet sind. Wie insbesondere in dieser Darstellung zu erkennen ist, ist ein nachfolgend noch näher beschriebenes Leitungsmittel 26 an seinem Ende 26a im Bereich der Brenneinrichtung 21 geschlossen.
In den Fig. 2 und 3 sind Extrempositionen der einzelnen Brenner 22 gezeigt. So sind die Brenner 22 in Fig. 2 vollständig tangential zum Pyrolyserohr 8 ausgerichtet, wobei die Ausrichtung der Flammen 24 keine Komponente parallel zur Längsachse 8c des Pyrolyserohres aufweist. In Fig. 3 hat hingegen die Richtung der Flammen 24 keine tangentiale Komponente. Hierdurch liegt die Flammenrichtung 25 in jeweils einer Schnittebene durch die Längsachse 8c des Pyrolyserohrs. In anderen, nicht gezeigten Ausführungsformen, können die einzelnen Brenner der Brenneinrichtung auch jede beliebige Position zwischen den in den beiden Figuren gezeigten Extrempositionen einnehmen, die beispielsweise durch Schwenkung der in Fig. 2 gezeigten Brenner um einen Winkel kleiner 90° erreicht werden kann.
Wie Fig. 1 entnommen werden kann, ist im Umfangsbereich des Ringbrenners ein Start-/Stützbrenner 27 vorgesehen, mit dem der Ringbrenner einerseits gezündet werden kann. Hierzu kann die vom Start-/Stützbrenner 27 erzeugte (nicht dargestellte) Flamme auf zumindest einen der Brenner 22 des Ringbrenners gerichtet sein. Andererseits kann der Start-/Stützbrenner 27 auch genutzt werden, wenn vom Ringbrenner zu geringe Energiemengen geliefert werden. Der Start-/Stützbrenner 27 kann von einer externen Brennstoffversorgung gespeist werden.
Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 und 2 kann der Ringbrenner an einem Ende des Leitungsmittels 26 in dieses integriert sein. Das Leitungsmittel 26 kann zunächst als im Querschnitt ringförmiges, im wesentlichen geradlinig verlaufendes Rohr 28 ausgebildet sein. Das ringförmige Rohr 28 ist hierbei konzentrisch um das Pyrolyserohr 8 angeordnet. Hierdurch umgibt das konzentrische Rohr 28 über seine gesamte Länge das Pyrolyserohr 8, wobei die Längsachsen der beiden Rohre identisch sind. Um einen guten Wärmeübergang vom ringförmigen Rohr zum Pyrolyserohr zu ermöglichen, weisen diese eine gemeinsame Rohrwand 29 aus einem Material mit guter Wärmeleitfähigkeit auf. Hierfür kommen vor allem metallische Werkstoffe, wie beispielsweise legierter Stahl und Stahlguss, in Frage.
Das ringförmige Rohr 28 geht an einem der Brenneinrichtung 21 gegenüberliegenden Ende in einen ersten Krümmungsbereich 30 mit einem Umlenkungswinkel von 180° über. Im Krümmungsbereich 30 fächert sich das eine Volumen des Leitungsmittels in mehrere einzelne geradlinig und parallel sowohl zueinander als auch zum ringförmigen Rohr 28 verlaufende Rohre auf. Aus Vereinfachungsgründen ist in Fig. 1 diese Mehrzahl an Rohren als nur ein einziges Rohr 31 dargestellt. Durch die Auffächerung kann insgesamt die Fläche vergrössert werden, an der ein Wärmeübergang stattfinden kann. An einem dem ersten Krümmungsbereich 30 gegenüberliegenden Ende der Rohre 31 befindet sich ein zweiter Krümmungsbereich 32. Auch hier wird das Leitungsmittel um 180° umgelenkt und in eine nochmals vergrösserte Anzahl von einzelnen parallel zueinander verlaufenden Rohren 33 (ebenfalls als ein einziges Rohr dargestellt) aufgeteilt. An diese schliesst sich in Strömungsrichtung dann ein dritter Krümmungsbereich 34 an, indem wiederum die Anzahl der einzelnen Rohre erhöht wird. Vom dritten Krümmungsbereich 34 verläuft das Leitungsmittel zu einem sogenannten Quenching-Mittel 36, das zur Schockabkühlung der Rauchgase vorgesehen ist.
Wie aus Fig. 1 hervorgeht, befindet sich der zuvor beschriebene meanderförmige Abschnitt (Bezugszeichen 28 bis 34) des Leitungsmittels 26 in etwa von der Brenneinrichtung 21 aus bis zum dritten Krümmungsbereich 34 in einem mit Wasser gefüllten geschlossenen Kessel 37. Dieser Abschnitt des Leitungsmittels und der Kessel 37 bilden somit einen sogenannten Dreizugkessel, der zur Wärmerückgewinnung dient. An einem oberen Ende des Kessels 37 ist an diesen eine Wasserdampfleitung 38 angeschlossen. Durch diese wird der aufgrund der Erwärmung des Wassers entstehende Wasserdampf zu einer Einrichtung 39 geführt, in welcher der Energieinhalt des Wasserdampfes für die Erzeugung von Nutzenergie, beispielsweise Strom, Wärme oder Kälte, eingesetzt wird. Der genannte Abschnitt (28 bis 34) des Leitungsmittels 26, insbesondere der in Fig. 4 näher dargestellte (äussere) Mantel des ringförmigen Rohres 28, dient somit als Wärmetauscher 28a, mit dem ein Teil des Energieinhaltes der im Rohr 28 geführten verbrannten Gase an das Wasser des Dreizugkessels abgegeben wird. Hierbei nimmt der Wärmetauscher 28a an einer Innenfläche 40 des Rohres 28 von den heissen Gasen thermische Energie auf und gibt sie an einer Aussenfläche 41 des Rohres 28 an das Wasser ab. Der jeweils gleiche Abschnitt des Volumenstroms der Gase gibt gleichzeitig hierzu an einer Aussenfläche 42 der Rohrwand 29 einen anderen Teil seiner thermischen Energie an das Pyrolyserohr 8 ab. Dieser Teil der thermischen Energie kann über eine Innenfläche 43 der Rohrwand 29 durch Strahlungswärme oder durch Wärmetransfer zur Erhitzung des Inhalts des Pyrolyserohres genutzt werden.
Mit der in Fig. 1 mit 36 bezeichneten Quenching-Einrichtung wird das Rauchgas innerhalb sehr kurzer Zeit, beispielsweise innerhalb von 0,2 sec. von ca. 450°C auf ca. 200°C, abgekühlt. Hierzu kann beispielsweise Wasser in eine Kammer eingespritzt werden, durch die auch die Rauchgase durchgeführt werden. Durch das Quenching-Verfahren werden Rekombinationen der Rauchgase zu Dioxinen oder Furanen vermieden bzw, diese höchstens in einem unbedenklichen Masse zugelassen. In einem weiteren Abschnitt 44 der Leitungsmittel 26 gelangen die so gekühlten Rauchgase zu einer an sich bekannten Rauchgasreinigungs-Einrichtung 45. Diese weist Filter auf, mit denen Partikel aus dem Rauchgasstrom entfernt werden. Das Filtrat, im wesentlichen Filterstaub, wird in einem Behälter 46 für einen nachfolgenden Abtransport gesammelt.
Das somit gereinigte Rauchgas verlässt nun die Rauchgasreinigungs-Einrichtung 45 und gelangt über einen weiteren Abschnitt 48 des Leitungsmittels zu einem als Saugzug-Ventilator 49 ausgebildeten Unterdruck-Mittel. Der Saugzug-Ventilator 49 fördert zum einen den Strom des gereinigten Rauchgases zu einer als Schornstein 50 vorgesehene Rauchgasauslassstelle. Der Saugzug-Ventilator 49 erzeugt zum anderen an seiner Einbaustelle im Leitungsmittel 26 einen Unterdruck, der in Bezug auf eine der Strömungsrichtung entgegengesetzte Richtung bis zum Zwischensilo 3 wirken kann. Der Unterdruck bewirkt einen im wesentlichen konstanten Volumenstrom der Rauchgase durch die gegen Lufteintritt abgeschlossenen Leitungsmittel 26. Es kann auch vorgesehen sein, dass der für die Verbrennung erforderliche Sauerstoff im Bereich der Brenneinrichtung 21 alleine aufgrund des auch in der Brenneinrichtung wirkenden Unterdrucks oder zumindest mit dessen Unterstützung angesaugt wird. Ebenso kann der Unterdruck zur Förderung des Gases aus der Gasmischkammer 12 zur Brenneinrichtung 21 genutzt werden.
Die Anlage kann zudem mit einer zeichnerisch nicht dargestellten Regelungseinrichtung versehen sein, mit der Parameter des aus dem Kessel 37 austretenden Wasserdampfes als im wesentlichen konstant eingestellt werden. Hierzu können im Bereich des Dampfaustritts Parameter des Dampfes, wie Druck, Menge und Temperatur, gemessen werden, weshalb an ein oder mehreren Stellen in der Dampfleitung 38 Temperatur-, Mengen- und Druckfühler vorhanden sein können.
Anhand der Messwerte kann dann auf die Menge der eingetragenen Stoffe in das Pyrolyserohr 8 Einfluss genommen werden. So kann beispielsweise bei fallenden oder bereits zu geringen Werten der Dampfparameter der Eintrag an Reststoffen in vorbestimmter Weise erhöht werden. Ebenso kann vorgesehen sein, dass zusätzlich auch der Start-/Stützbrenner eingeschaltet wird.
Durch diese Regelung kann in Abhängigkeit der bei einer erfindungsgemässen Anlage konkret vorhandenen Bedingungen, beispielsweise der Wärmeübergänge und den Mengen an zu pyrolysierendem Material, erreicht werden, dass die Verbrennungstemperatur der Gase näherungsweise von 1050°C bis 1150°C beträgt. Vorzugsweise wird die Temperatur innerhalb dieses Bereichs möglichst konstant gehalten, beispielsweise bei ca. 1100°C. Hierdurch wird ermöglicht, auch im Pyrolyserohr in einem Bereich von 850°C bis 950°C möglichst konstante Temperaturbedingungen zu schaffen, um die pro Zeiteinheit an der Dampfauslassstelle zur Verfügung stehende nutzbare Energiemenge als möglichst konstant einzustellen.

Claims

Anlage zur Energiegewinnung, bei der eine pyrolytische Verwertung von kohlenstoffhaltigen Brennstoffen stattfindet, umfassend
einen zur Verwertung des Brennstoffes vorgesehenen Reaktionsteil (8) der mit zumindest einer Pyrolysezone versehen ist, in der durch Pyrolyse ein Gas gewinnbar ist,
zumindest eine Brenneinrichtung (21) mit dem das in der Pyrolyse gewonnene Gas unter Zuführung von Sauerstoff verbrennbar ist, wodurch Rauchgas entsteht,
Zuführmittel (20) zur Zuführung des Gases von der Pyrolysezone in die zumindest eine Brenneinrichtung,
Leitungsmittel (26), in denen das verbrennende Gas und das daraus resultierende Rauchgas von der Brenneinrichtung zu einer Gasauslassstelle führbar sind, wobei mit dem Leitungsmittel das verbrennende Gas und/oder das resultierende Rauchgas an der Pyrolysezone vorbeiführbar ist, um die mit der Verbrennung gewonnene thermische Energie zur Erwärmung der Pyrolysezone zu nutzen,
eine Wärmenutzungseinrichtung (39) mit der zumindest ein Teil der durch die Verbrennung frei werdenden thermischen Energie unter Benutzung eines Wärmetauschers (28a) in eine von der Anlage abzugebenden Nutzenergieform umwandelbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Wärmenutzungseinrichtung so eingerichtet ist, dass das verbrennende Gas und/oder das resultierende Rauchgas mittels eines Abschnittes des Leitungsmittels (26), in Bezug auf die Strömungsrichtung, gleichzeitig mit der Vorbeiführung an der Pyrolysezone (8) im wesentlichen auch zumindest an einem Abschnitt eines Wärmetauschers 28a) vorbeigeführt wird, wobei der Wärmetauscher (28a) in einem ersten Bereich (40) thermische Energie der Gase aufnimmt und diese in einem zweiten Bereich (41) an ein Medium der Wärmenutzungseinrichtung abgibt.
Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einer ersten Begrenzungsfläche und einer der ersten Begrenzungsfläche gegenüberliegenden zweiten Begrenzungsfläche eines Abschnittes des Leitungsmittels (26) ein Strömungsraum für die Gase ausgebildet wird, wobei an die erste Begrenzungsfläche die Pyrolysezone (8) angrenzt und die zweite Begrenzungsfläche Bestandteil des Wärmetauschers (28a) ist.
Anlage nach einem oder beiden der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Abschnitt des Leitungsmittels (26) als ringförmiges Rohr (28) ausgebildet ist, der die Pyrolysezone (8) umgibt und eine äussere Wand (29) des ringförmigen Rohres (28) Bestandteil des Wärmetauschers (28a) ist.
Anlage nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abschnitt des Leitungsmittels (26) so angeordnet ist, dass zumindest eine Komponente der Strömungsrichtung des Gases parallel zur Längserstreckung der Pyrolysezone (8) verläuft.
Anlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Komponente der Strömungsrichtung im wesentlichen entgegengesetzt zu einer Durchlaufrichtung des Brennstoffes in der Pyrolysezone ausgerichtet ist.
Anlage nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine im Bereich eines Endes der Pyrolysezone angeordnete Vergasungszone, in der durch Zufuhr von Sauerstoff und/oder sauerstoffhaltigen Stoffen eine Vergasung von bereits pyrolysierten Brennstoffen stattfindet.
Anlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Zuführmittel der Brenneinrichtung das Gas von der Pyrolysezone gemeinsam mit dem in der Vergasungszone gewonnenen Gas zugeführt wird.
Anlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in Bezug auf die Strömungsrichtung der Rauchgase zwischen dem Wärmetauscher und der Gasauslassstelle ein Unterdruckmittel, zur Erzeugung eines Unterdrucks im Leitungsmittel, angeordnet ist.
Anlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Unterdruckmittel als Saugzug-Ventilator ausgebildet ist.
Anlage nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher als Mehrzugkessel, insbesondere als Zwei- oder Dreizugkessel, ausgebildet ist.
Anlage nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen modularen Aufbau, bei dem Funktionsmodule der Anlage durch lösbare Verbindungen an der Anlage befestigbar und durch Lösen der Verbindungen aus der Anlage entnehmbar sind.
Verfahren zur Energiegewinnung, bei der eine pyrolytische Verwertung von kohlenstoffhaltigen Brennstoffen stattfindet, umfassend
einen Eintrag von Brennstoffen in zumindest eine Pyrolysezone (8), in der eine Pyrolyse durchführbar ist,
eine Verbrennung des durch die Pyrolyse gewonnenen Gases unter Zuführung von Sauerstoff, wodurch Rauchgas entsteht,
eine Weiterleitung des resultierenden Rauchgases von der Brenneinrichtung (21) in Richtung zu einer Gasauslassstelle, wobei mittels eines Leitungsmittels das verbrennende Gas und/oder das resultierende Rauchgas an der Pyrolysezone (8) vorbeiführbar ist, um die mit der Brenneinrichtung gewonnene thermische Energie zur Erwärmung der Pyrolysezone (8) zu nutzen, und die Gase an einer Wärmenutzungseinrichtung (28) vorbeiführbar ist, mit der zumindest ein Teil der durch die Verbrennung frei werdenden thermischen Energie unter Ausnutzung eines Wärmetauschvorganges in eine abzugebende Nutzenergieform umwandelbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Strom des verbrennenden Gases und/oder des resultierenden Rauchgases in Strömungsrichtung in einem Abschnitt des Leitungsmittels im wesentlichen gleichzeitig an der Pyrolysezone (8) und an zumindest einem Abschnitt eines Wärmetauschers vorbeigeführt wird, wobei der Wärmetauscher (28a) in einem ersten Bereich thermische Energie der Gase aufnimmt und diese in einem zweiten Bereich an ein Medium der Wärmenutzungseinrichtung (28) abgibt.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Rauchgase im ersten Abschnitt des Leitungsmittels sowohl an der Pyrolysezone als auch am Wärmetauscher vorbeigeführt werden und in einem zweiten Abschnitt ausschliesslich am Wärmetauscher entlangströmen.
Verfahren nach einem oder beiden der vorhergehenden Ansprüche 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium Wasser ist und durch den Wärmetauschvorgang Wasserdampf erzeugt wird.
Verfahren einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Leitungsmittel ein Unterdruck erzeugt wird, der zur Erzeugung einer Strömung der Rauchgase genutzt wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterdruck zur Förderung der zur Verbrennung vorgesehenen Gase zu einer Stelle in der Anlage genutzt wird, an der die Verbrennung durchgeführt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffe nach Durchlaufen der Pyrolysezone in eine Vergasungskammer eingetragen werden und dort unter Zufuhr von Sauerstoff oder sauerstoffhaltigen Stoffen eine Gasgewinnung durch Vergasung durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch einen Regelungsschritt, bei dem ein vom Wärmetauschvorgang abhängiger Parameter gemessen und aufgrund dieser Messung der Eintrag von Brennstoffen in die Anlage variiert wird.