EP2456844A2 - Verfahren zum betrieb einer einkoppeleinheit - Google Patents

Verfahren zum betrieb einer einkoppeleinheit

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Publication number
EP2456844A2
EP2456844A2 EP10702486A EP10702486A EP2456844A2 EP 2456844 A2 EP2456844 A2 EP 2456844A2 EP 10702486 A EP10702486 A EP 10702486A EP 10702486 A EP10702486 A EP 10702486A EP 2456844 A2 EP2456844 A2 EP 2456844A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
reactor
coupling unit
gas
pyrolysis
microwave reactor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP10702486A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jörg KEMPER
Frank Lohmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Me Muensterland Energy GmbH
Original Assignee
Me Muensterland Energy GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Me Muensterland Energy GmbH filed Critical Me Muensterland Energy GmbH
Publication of EP2456844A2 publication Critical patent/EP2456844A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10J—PRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J3/00—Production of combustible gases containing carbon monoxide from solid carbonaceous fuels
    • C10J3/02—Fixed-bed gasification of lump fuel
    • C10J3/06—Continuous processes
    • C10J3/18—Continuous processes using electricity
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B6/00—Heating by electric, magnetic or electromagnetic fields
    • H05B6/64—Heating using microwaves
    • H05B6/80—Apparatus for specific applications
    • H05B6/806—Apparatus for specific applications for laboratory use
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10J—PRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J2200/00—Details of gasification apparatus
    • C10J2200/09—Mechanical details of gasifiers not otherwise provided for, e.g. sealing means
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E50/00—Technologies for the production of fuel of non-fossil origin
    • Y02E50/10—Biofuels, e.g. bio-diesel

Definitions

  • the present invention relates to a method for operating a coupling unit of a microwave reactor for the pyrolysis of carbonaceous material, wherein the coupling unit has at least one microwave-transparent disk-shaped element which separates the interior of the outer space of the microwave reactor in the installed state of the coupling unit and in a Holder is inserted, which is formed such that it forms a recess on the side facing the interior of the microwave reactor side together with the disc-shaped element, and the coupling unit has a gas supply, which opens in the interior of the microwave reactor.
  • Waste incineration generates heat, e.g. for heating buildings or water.
  • heat e.g. for heating buildings or water.
  • fuel gas is generated, which can be used in engines for power generation.
  • the gasification generally takes place in several steps: drying / heating for preparation, pyrolysis and gasification, namely the reaction of the pyrolysis products by oxidation and reduction.
  • the resulting gas contains i.a. Hydrogen, carbon monoxide and methane, which can serve as fuel.
  • the composition of the resulting gas depends on the reaction gas used and the temperature at which the gasification takes place. At higher temperatures, the concentration of hydrogen and carbon monoxide increases and decreases the concentration of methane.
  • An object of the present invention is to provide a method in which also during the pyrolysis microwaves coupled as undisturbed in the microwave reactor.
  • a method for operating a coupling unit of a microwave reactor for the pyrolysis of carbonaceous material wherein the coupling unit has at least one microwave-transparent disc-shaped element which separates the interior of the outer space of the microwave reactor in the installed state of the coupling unit and in a holder is inserted, which is formed such that it forms a recess on the side facing the interior of the microwave reactor side together with the disc-shaped element, and the coupling unit has a gas supply, which opens in the interior of the microwave reactor, wherein gas is introduced into the recess, so that the depression acts as a small reactor in which pyrolysis products from the microwave reactor are converted into harmless substances which do not deposit on the disk or elements.
  • disk-shaped elements by which radiation is coupled into a system such as, i.a. Viewing windows, by flushing only the disc-shaped element or the entire interior of the system with inert gas from disturbing deposits on the disc-shaped element, are present here with the aid of the gas supplied, the substances that could lead to deposits in the region of the disc-shaped element to volatile substances implemented to effectively prevent deposition on the disk-shaped element.
  • water vapor is introduced as the gas. This has u.a. the advantage that over the water vapor an oxidizing agent for the
  • Steam reforming is provided, with the help of which the proportion of hydrogen can be increased at a subsequent to the pyrolysis gasification.
  • the pyrolysis products and at least part of the water vapor can already mix well in the pyrolysis reactor, which also increases the efficiency of the gasification possibly following the pyrolysis.
  • FIG. 2 is a perspective view of the embodiment of FIG.
  • Coupling unit of Figure 1 of the mounted in the installed state a waveguide side
  • FIG. 3 is a perspective view of the embodiment of the coupling unit of Figure 1 of the in the installed state the
  • Figure 4 is a plan view of the upper part of the embodiment of
  • Figure 5 is a plan view of the lower part of the embodiment of
  • FIGS. 1 to 5 show an exemplary embodiment of a coupling-in unit for a microwave reactor for the pyrolysis of carbonaceous material, which can be operated by the method proposed here. On the basis of these figures, the proposed method can be explained in more detail.
  • Figures 1 to 5 show a coupling unit for a microwave reactor having at least one disc-shaped element made of a material which is transparent to microwaves, wherein the disc-shaped element in the installed state of the Einkoppelica separates the interior of a microwave reactor from the outside of the microwave reactor, wherein the coupling unit comprises a gas supply, which is arranged such that it opens on the in the installed state the reactor interior facing side of the disc-shaped element.
  • the possibility of introducing gas into the coupling unit on the reactor side in front of the one or more disc-shaped elements through which the microwaves to be injected allow the formation of a kind of protective cushion from the gas in front of the disk-shaped element (s) through which pyrolysis products can advance Reactor-side surface of the disk-shaped element or is suppressed. In this way, the deposition of pyrolysis products on the at least one disk-shaped element and a consequent impairment of the microwave launch power is effectively reduced.
  • the gas cushion can also serve as thermal insulation of the at least one disc-shaped element or also for cooling the coupling unit.
  • the disk-shaped element is inserted into a holder which has as gas supply at least one gas inlet and at least one gas outlet which opens on the side of the disk-shaped element facing the reactor interior in the installed state.
  • the gas inlet and the gas outlet are connected via a curved channel extending in the holder in order to be able to make the best possible use of the cooling effect of the gas by contacting as much material of the holder with the gas as possible.
  • the channel has a closed course around the disk-shaped element and branches at least two sub-channels of him as
  • the holder is designed such that, together with the disc-shaped element, it forms a depression on the side of the disc-shaped element facing the reactor interior in the installed state.
  • this depression can act as a small reactor in which pyrolysis products from the microwave reactor can be converted into harmless substances which do not deposit on the disk-shaped element (s).
  • pyrolysis products from the microwave reactor can be converted into harmless substances which do not deposit on the disk-shaped element (s).
  • more than one disc-shaped element may optionally be provided one recess per disc-shaped element or even a plurality of disc-shaped elements per well.
  • the at least one gas outlet opens into the depression in order to provide optimal protection for the at least one disc-shaped one
  • the pressure ratios of the gas supply are adjusted so that the recess is substantially completely filled with the gas to prevent disturbing deposits on the disc-shaped element.
  • the reactor function of the well can be improved by introducing the gas directly into the well.
  • the holder is made in two parts.
  • the structures for the gas supply are introduced into the one half of the holder and they are covered by the second half of the holder, the manufacturing cost of the coupling unit can be kept low.
  • the at least one disk-shaped element is made of quartz glass. Quartz glass is not only transparent to microwaves, especially in the wavelength range that is particularly suitable for the pyrolysis of carbonaceous material. It is also very heat resistant and has a low thermal expansion coefficient, so that the coupling unit can be well sealed in the area around the disc-shaped element at the temperatures occurring during pyrolysis.
  • FIG. 1 shows, in section, a coupling-in unit 23 which, on one side, has a coupling unit
  • Fixing screw 14 is connected to a waveguide 1 for microwaves 15 and is connected on its other side via a flange 4 with a microwave reactor 24.
  • the coupling unit has a quartz glass pane 12, which is inserted in a holder.
  • the holder is in turn constructed in two parts and has an upper part 2 and a lower part 3.
  • the waveguide 1 is connected to a microwave generator, not shown, in which the microwaves 15 are generated, which are coupled into the microwave reactor 24 to perform there with their help, the pyrolysis of carbonaceous material.
  • the pyrolysis effect can be enhanced by thermal radiation of a heater located on the microwave reactor 24.
  • the microwave pyrolysis in the reactor 24 could also be carried out at atmospheric or slight overpressure.
  • the waveguide interior 17 and the reactor interior are separated by a quartz glass pane 12.
  • Quartz glass has the advantage of being transparent to microwaves, as required for pyrolysis, and of withstanding the high temperatures in the reactor interior 16 during pyrolysis.
  • O-rings 5, 6 are used, the between quartz glass pane 12 and upper part 2 or between the lower part 3 and the reactor flange 4 are arranged.
  • a gas inlet 8 is provided through which water vapor is introduced in the example 8 shown here.
  • the steam is fed to an annular channel 13 which extends around the quartz glass pane 12 and branch off from the steam channels 10, which open in the region 19 in front of the reactor interior 16 facing side of the quartz glass pane 12.
  • the quartz glass plate 12 together with the upper part 2 and the lower part 3 form a recess 19, into which the water vapor 11 exits.
  • the water vapor or possibly another gas admitted takes on a variety of beneficial functions. On the one hand it serves to cool the coupling unit 23 and thus also of the waveguide 1 and the flange 4. On the other hand it serves the thermal insulation of the quartz glass window 12 with respect to the temperatures prevailing in the reactor interior 16 during the pyrolysis.
  • microwaves couple into the water vapor, which contributes to a uniform heating of the reactor interior.
  • the microwaves not only enter into the water vapor when entering the interior of the reactor.
  • it may happen that microwaves are reflected towards the waveguide. Before they enter the waveguide and possibly damage the microwave generator, they will - depending on the intensity and depending on
  • the steam serves as an oxidizing agent for a steam reforming of the pyrolysis products or already formed gasification products.
  • An important function of the water vapor or possibly another gas introduced is to protect the quartz glass pane 12 against contamination by substances in the reactor interior 16. Pollution, for example, by deposits of pyrolysis products that may arise during the pyrolysis of carbonaceous material, would hinder the coupling of the microwaves 15 and so to power losses and disturbances of the pyrolysis and possibly on it lead connected gasification plant. Excessive contamination of the quartz glass pane 12 by deposits could even lead to the deposits absorbing so much microwave power that local temperatures are reached which can lead to bursting of the quartz glass pane 12.
  • a particular advantage of the use of steam is that by coupling the microwaves in the water vapor, this heats up and expands in the direction of the reactor interior 16. This leads in addition to the fact that rising pyrolysis products or other dirt by the increase in volume of
  • a depression 19, into which the steam 1 1 is introduced via the steam channels 10, leads to a reduction in the solid angle over which pyrolysis products or other harmful substances can penetrate as far as the quartz glass pane 12. This further reduces the likelihood of disruptive deposition of these pyrolysis products on the side facing the microwave reactor in the installed state. With the supply of water vapor, this depression can additionally act as a small steam reforming reactor.
  • the coupling unit 23 is shown in perspective from the side facing the waveguide in the installed state.
  • the quartz glass pane 12 is inserted into the upper part 2, which rests on the lower part 3.
  • the upper part 2 is laterally two steam inlets eighth
  • FIG. 4 The corresponding view of the coupling unit 23 from the side, which faces the reactor in the installed state, is shown in FIG.
  • the superimposed upper and lower parts 2, 3 are fastened together by means of two opposing screws 18, which engage in the bores 22 (FIG. 4).
  • bores 21 are provided, via which the coupling-in unit 23 can be fastened to the reactor.
  • the Sealing against the reactor takes place via the inserted in the lower part 3 O-ring 6.
  • the steam channels 10, which open into the recess 19, which is formed by the upper and lower parts 2, 3 and the quartz glass pane 12 are in the example shown here arranged substantially equidistantly to form a homogeneous as possible gas or water vapor protective pad, that the surface of the quartz glass plate 12 as well and completely shielded from polluting substances in the reactor interior.
  • the mouths of the steam channels are round. This has the advantage that there is less localization of microwaves than slit-shaped orifices.
  • FIGS. 4 and 5 shows the upper part 2 (FIG. 4) and the lower part 3 (FIG. 5) respectively from the side with the steam ducts 10.
  • the steam channels 10 are formed in the example shown here in both upper part 2 and lower part 3 as upper and lower sections, which are to be arranged congruently one above the other.
  • the steam channels 10 could also be formed only in the lower part 3 or upper part 2, such as the annular channel 13, which in turn can be formed in other variants only in the lower part 3 or both in the lower part 3 and in the upper part 2.
  • six steam channels 10 are provided, which branch off from the annular channel 13 (see FIG. 4).
  • the annular channel 13 is connected via the connecting channels 9 with the steam inlets 8 in connection.
  • this embodiment with a plurality of steam inlets 8, an annular channel 13 and a plurality of steam ducts 10 achieves the most homogeneous possible distribution of steam or gas in the depression 19.
  • the uniform distribution of channels 10, 13 over the surface of the upper and lower parts 2, 3 helps to cool them efficiently with the steam.
  • quartz glass panes may be provided, each having its own recess and vapor channels or common pits and common steam channels.
  • the number of steam channels and steam inlets is arbitrary. It can be one, two, three, four, five, six, seven, eight, nine, ten or more.
  • the number of ring channels is arbitrary as well as their course, which - as in the steam channels and the steam inlets - are determined by the geometry of the respective coupling unit and, among other things, the requirement for the gas protection cushion and the cooling function.
  • more than one coupling unit may be provided on a microwave reactor for the pyrolysis of carbonaceous material.
  • the depression in the region of the coupling window can also be formed as desired in shape and type.
  • the shape of the coupling-in window can be adapted as desired to the geometry of the coupling-in unit and of the waveguides and reactors to be connected thereto.
  • the material for the coupling windows can be used in addition to quartz glass and all other materials that are transparent to microwaves.
  • the upper and lower part of the coupling unit are preferably made of metal, for example made of stainless steel or aluminum.
  • metal for example made of stainless steel or aluminum.
  • water vapor as a protective gas for the coupling window is used to protect against corrosion preferably anodized aluminum or coated with abrasion-resistant ceramic crystals of aluminum.

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Abstract

Zum besseren Einkoppeln von Mikrowellen in einen Mikrowellenreaktor (24) für die Pyrolyse von kohlenstoffhaltigem Material wird ein Verfahren zum Betrieb einer Einkoppeleinheit (23) vorgeschlagen, wobei die Einkoppeleinheit (23) mindestens ein für Mikrowellen transparentes scheibenförmiges Element (12) aufweist, das im eingebauten Zustand der Einkoppeleinheit (23) den Innenraum (16) vom Außenraum (17) des Mikrowellenreaktors (24) trennt und das in eine Halterung (2, 3) eingefügt ist, die derart ausgebildet ist, dass sie zusammen mit dem scheibenförmigen (12) Element eine Vertiefung (19) auf der dem Innenraum (16) des Mikrowellenreaktors (24) zugewandten Seite bildet, und die Einkoppeleinheit (23) eine Gaszufuhr (8, 9, 10, 13) aufweist, die im Innenraum (16) des Mikrowellenreaktors (24) mündet, wobei in die Vertiefung (19) Gas eingelassen wird, so dass die Vertiefung (19) als kleiner Reaktor wirkt, in dem Pyrolyseprodukte aus dem Mikrowellenreaktor (24) in unschädliche Substanzen umgesetzt werden, die sich nicht auf dem oder den scheibenförmigen Elementen (12) ablagern.

Description

Verfahren zum Betrieb einer Einkoppeleinheit
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb einer Einkoppeleinheit eines Mikrowellenreaktors für die Pyrolyse von kohlenstoffhaltigem Material, wobei die Einkoppeleinheit mindestens ein für Mikrowellen transparentes scheibenförmiges Element aufweist, das im eingebauten Zustand der Einkoppeleinheit den Innenraum vom Außenraum des Mikrowellenreaktors trennt und das in eine Halterung eingefügt ist, die derart ausgebildet ist, dass sie zusammen mit dem scheibenförmigen Element eine Vertiefung auf der dem Innenraum des Mikrowellenreaktors zugewandten Seite bildet, und die Einkoppeleinheit eine Gaszufuhr aufweist, die im Innenraum des Mikrowellenreaktors mündet.
Vor dem Hintergrund sinkender Ressourcen an fossilen Brennstoffen bekommt die dezentrale Energieversorgung auf der Basis von Abfall oder Biomasse aus nachwachsenden Rohstoffen immer mehr Bedeutung. Bei der Biomassen- oder
Abfallverbrennung wird Wärme erzeugt, die z.B. zum Heizen von Gebäuden oder von Wasser verwendet werden kann. Bei der Vergasung wird neben Wärme auch Brenngas erzeugt, das in Motoren zur Stromerzeugung genutzt werden kann.
Die Vergasung läuft allgemein in mehreren Schritten ab: dem Trocknen/Erhitzen zur Vorbereitung, der Pyrolyse und der Vergasung, nämlich der Umsetzung der Pyrolyseprodukte durch Oxidation und Reduktion. Das entstehende Gas enthält u.a. Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Methan, die als Brennstoff dienen können. Die Zusammensetzung des entstehenden Gases hängt von dem verwendeten Reaktionsgas und der Temperatur ab, bei der die Vergasung abläuft. Zu höheren Temperaturen hin nimmt die Konzentration an Wasserstoff und Kohlenmonoxid zu und nimmt die Konzentration an Methan ab.
Aus der WO 2007/093428 A1 ist bekannt, zum Vergasen von kohlenstoffhaltigem Material zu Kohlenmonoxid und Wasserstoff enthaltendem Gas das Trocknen und/oder das Erhitzen und die Pyrolyse des kohlenstoffhaltigen Materials mit Hilfe von Mikrowelleneinstrahlung und Wärmebestrahlung durchzuführen und danach die Pyrolyseprodukte zu vergasen. Dazu wird das kohlenstoffhaltige Material in einer Mikrowellenstation mit Heizeinheit bestrahlt, und dann zur Vergasung mit Hilfe einer Wasserdampf-Plasmaquelle in einen Reaktor weitergeleitet. Beim Einkoppeln von Mikrowellen zu Pyrolysezwecken in die Mikrowellenstation ist es aus Sicherheitsgründen notwendig, den Innenraum der Mikrowellenstation von dessen Außenraum, wo u.a. Mikrowellengeneratoren und Hohlleiter angeordnet sein können, zu trennen. Daher wird das Einkoppeln der Mikrowellen durch ein scheibenförmiges Element aus einem für Mikrowellen transparenten Material hindurch vorgenommen. Es hat sich herausgestellt, dass sich während der Pyrolyse auf dem scheibenförmigen Element Pyrolyseprodukte ablagern, die das Einkoppeln der Mikrowellen beeinträchtigen können.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, bei der auch während des Pyrolysevorgangs Mikrowellen möglichst unbeeinträchtigt in den Mikrowellenreaktor einzukoppeln.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb einer Einkoppeleinheit eines Mikrowellenreaktors für die Pyrolyse von kohlenstoffhaltigem Material, wobei die Einkoppeleinheit mindestens ein für Mikrowellen transparentes scheibenförmiges Element aufweist, das im eingebauten Zustand der Einkoppeleinheit den Innenraum vom Außenraum des Mikrowellenreaktors trennt und das in eine Halterung eingefügt ist, die derart ausgebildet ist, dass sie zusammen mit dem scheibenförmigen Element eine Vertiefung auf der dem Innenraum des Mikrowellenreaktors zugewandten Seite bildet, und die Einkoppeleinheit eine Gaszufuhr aufweist, die im Innenraum des Mikrowellenreaktors mündet, wobei in die Vertiefung Gas eingelassen wird, so dass die Vertiefung als kleiner Reaktor wirkt, in dem Pyrolyseprodukte aus dem Mikrowellenreaktor in unschädliche Substanzen umgesetzt werden, die sich nicht auf dem oder den scheibenförmigen Elementen ablagern.
Im Gegensatz zum weit verbreiteten Ansatz, scheibenförmige Elemente, durch die Strahlung in ein System eingekoppelt wird, wie etwa u.a. Sichtfenster, durch das Spülen nur des scheibenförmigen Elements oder des gesamten Inneren des Systems mit Inertgas von störenden Ablagerungen auf dem scheibenförmigen Element freizuhalten, werden vorliegend mit Hilfe des zugeführten Gases die Substanzen, die zu Ablagerungen führen könnten, im Bereich des scheibenförmigen Elements zu flüchtigen Substanzen umgesetzt, um eine Ablagerung auf dem scheibenförmigen Element wirkungsvoll zu verhindern.
In besonders bevorzugten Ausführungsformen wird als Gas Wasserdampf eingelassen. Dies hat u.a. den Vorteil, dass über den Wasserdampf ein Oxidationsmittel für die
Dampfreformierung zur Verfügung gestellt wird, mit dessen Hilfe der Anteil an Wasserstoff bei einer sich an die Pyrolyse anschließenden Vergasung erhöht werden kann. Die Pyrolyseprodukte und zumindest ein Teil des Wasserdampfes können sich im Pyrolysereaktor bereits gut vermischen, wodurch auch der Wirkungsgrad der sich an die Pyrolyse ggf. anschließenden Vergasung erhöht wird.
Vorteilhafterweise wir das Gas über zwei oder mehr Teilkanäle der Gaszufuhr eingelassen, um in der Vertiefung ein möglichst dickes und homogenes Gaspolster zu erhalten.
Die vorliegende Erfindung soll unter Bezugnahme auf ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Dazu zeigen
Figur 1 einen Schnitt durch eine Ausführungsform der Einkoppeleinheit im eingebauten Zustand;
Figur 2 eine perspektivische Ansicht der Ausführungsform der
Einkoppeleinheit aus Figur 1 von der im eingebauten Zustand einem Hohlleiter zugewandten Seite;
Figur 3 eine perspektivische Ansicht der Ausführungsform der Einkoppeleinheit aus Figur 1 von der im eingebauten Zustand dem
Mikrowellenreaktor zugewandten Seite;
Figur 4 eine Draufsicht des Oberteils der Ausführungsform der
Einkoppeleinheit aus Figur 1 ; und
Figur 5 eine Draufsicht des Unterteils der Ausführungsform der
Einkoppeleinheit aus Figur 1.
In den Figuren 1 bis 5 wird eine beispielhafte Ausführungsform einer Einkoppeleinheit für einen Mikrowellenreaktor für die Pyrolyse von kohlenstoffhaltigem Material dargestellt, die mit dem hier vorgeschlagenen Verfahren betrieben werden kann. Anhand dieser Figuren lässt sich auch das vorgeschlagene Verfahren näher erläutern.
Die Figuren 1 bis 5 zeigen eine Einkoppeleinheit für einen Mikrowellenreaktor, die mindestens ein scheibenförmiges Element aus einem Material aufweist, das für Mikrowellen transparent ist, wobei das scheibenförmige Element im eingebauten Zustand der Einkoppeleinheit den Innenraum eines Mikrowellenreaktors vom Außenraum des Mikrowellenreaktors abtrennt, wobei die Einkoppeleinheit eine Gaszufuhr aufweist, die derart angeordnet ist, dass sie auf der im eingebauten Zustand dem Reaktorinnenraum zugewandten Seite des scheibenförmigen Elements mündet.
Die Möglichkeit, an der Einkoppeleinheit reaktorseitig Gas vor dem oder mehreren scheibenförmigen Elementen, durch das oder die die einzukoppelnden Mikrowellen durchtreten, einzulassen, erlaubt das Bilden einer Art Schutzpolster aus dem Gas vor dem oder den scheibenförmigen Elementen, durch das ein Vordringen von Pyrolyseprodukten bis zur reaktorseitigen Oberfläche des oder der scheibenförmigen Element unterdrückt wird. Auf diese Weise wird das Ablagern von Pyrolyseprodukten auf dem mindestens einen scheibenförmigen Element und eine daraus resultierende Beeinträchtigung der Einkoppelleistung der Mikrowellen wirkungsvoll verringert. Ferner kann das Gaspolster auch als thermische Isolierung des mindestens einen scheibenförmigen Elements oder auch zur Kühlung der Einkoppeleinheit dienen.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das scheibenförmige Element in eine Halterung eingefügt, die als Gaszufuhr mindestens einen Gaseinlass und mindestens einen Gasauslass aufweist, der auf der im eingebauten Zustand dem Reaktorinnenraum zugewandten Seite des scheibenförmigen Elements mündet. Dies erlaubt nicht nur eine kompakte Bauweise der Einkoppeleinheit, sondern erlaubt auch eine besonders effiziente Kühlung der Halterung und damit der Einkoppeleinheit.
Vorteilhafterweise sind der Gaseinlass und der Gasauslass über einen in der Halterung verlaufenden, gekrümmten Kanal verbunden, um die kühlende Wirkung des Gases möglichst gut ausnutzen zu können, indem möglichst viel Material der Halterung mit dem Gas in Kontakt kommt.
Besonders bevorzugt weist der Kanal einen in sich geschlossenen Verlauf um das scheibenförmige Element auf und zweigen mindestens zwei Teilkanäle vom ihm als
Gasauslass ab. Auf diese Weise kann bei sehr kompakter Bauweise erreicht werden, dass gleichermaßen eine gute Kühlung des Einkoppelelements, insbesondere im Bereich des scheibenförmigen Elements, und über die zwei oder mehr Teilkanäle ein besonders dichtes Gasschutzpolster vor dem mindestens einen scheibenförmigen Element gewährleistet werden. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Halterung derart ausgebildet, dass sie zusammen mit dem scheibenförmigen Element eine Vertiefung auf der im eingebauten Zustand dem Reaktorinnenraum zugewandten Seite des scheibenförmigen Elements bildet. Durch die Verringerung des Raumwinkels, über den Pyrolyseprodukte bis zum mindestens einen scheibenförmigen Element vordringen können, wird die Wahrscheinlichkeit einer störenden Ablagerung dieser Pyrolyseprodukte auf der im eingebauten Zustand dem Mikrowellenreaktor zugewandten Seite weiter verringert. Bei Zufuhr von geeignetem Gas kann diese Vertiefung als kleiner Reaktor wirken, in dem Pyrolyseprodukte aus dem Mikrowellenreaktor in unschädliche Substanzen umgesetzt werden können, die sich nicht auf dem oder den scheibenförmigen Element ablagern. Bei Vorhandensein von mehr als einem scheibenförmigen Element können wahlweise eine Vertiefung pro scheibenförmigem Element oder auch mehrere scheibenförmige Elemente pro Vertiefung vorgesehen sein.
Besonders bevorzugt mündet bei dieser Ausführungsform der mindestens eine Gasauslass in der Vertiefung, um einen optimalen Schutz des mindestens einen scheibenförmigen
Elements durch das in die Vertiefung eingelassene Gas zu gewährleisten. Vorteilhafterweise werden die Druckverhältnisse der Gaszufuhr so eingestellt, dass die Vertiefung im wesentlichen ganz mit dem Gas gefüllt ist, um störende Ablagerungen auf dem scheibenförmigen Element zu verhindern. Auch die Reaktorfunktion der Vertiefung kann durch das Einlassen des Gases unmittelbar in die Vertiefung verbessert werden.
Vorzugsweise ist die Halterung zweiteilig ausgeführt. Indem etwa die Strukturen für die Gaszufuhr in die eine Hälfte der Halterung eingebracht werden und sie durch die zweite Hälfte der Halterung abgedeckt werden, können die Herstellungskosten für die Einkoppeleinheit gering gehalten werden.
Vorteilhafterweise ist das mindestens eine scheibenförmige Element aus Quarzglas. Quarzglas ist nicht nur transparent für Mikrowellen, insbesondere im Wellenlängenbereich, der für die Pyrolyse von kohlenstoffhaltigen Material besonders geeignet ist. Es ist auch sehr hitzebeständig und weist einen geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, so dass die Einkoppeleinheit sich im Bereich um das scheibenförmige Element bei den bei einer Pyrolyse auftretenden Temperaturen gut abdichten lässt.
Bei einem Mikrowellenreaktor für die Pyrolyse von kohlenstoffhaltigem Material mit einer zuvor beschriebenen Einkoppeleinheit bilden sich gerade bei der Pyrolyse von kohlenstoffhaltigem Material diverse Pyrolyseprodukte wie Teer oder Ruß, die durch das mittels der Einkoppeleinheit vor dem scheibenförmigen Element gebildete Gasschutzpolster wirksam von einer Ablagerung auf dem scheibenförmigen Element abgehalten werden können.
Beim Einkoppeln von Mikrowellen in einen Reaktor zur Pyrolyse von kohlenstoffhaltigem Material durch ein scheibenförmiges Element aus einem für Mikrowellen transparentes Material wird auf der dem Reaktor zugewandten Seite des scheibenförmigen Elements Gas eingelassen.
Die Figur 1 zeigt im Schnitt eine Einkoppeleinheit 23, die auf einer Seite über eine
Befestigungsschraube 14 mit einem Hohlleiter 1 für Mikrowellen 15 verbunden ist und auf ihrer anderen Seite über einen Flansch 4 mit einem Mikrowellenreaktor 24 verbunden ist. Die Einkoppeleinheit weist eine Quarzglasscheibe 12 auf, die in einer Halterung eingefügt ist. Die Halterung ist ihrerseits zweiteilig aufgebaut und weist ein Oberteil 2 und ein Unterteil 3 auf.
Der Hohlleiter 1 ist mit einem nicht dargestellten Mikrowellengenerator verbunden, in dem die Mikrowellen 15 generiert werden, die in den Mikrowellenreaktor 24 eingekoppelt werden, um dort mit deren Hilfe die Pyrolyse von kohlenstoffhaltigem Material durchzuführen. Die Pyrolysewirkung kann durch Wärmestrahlung einer am Mikrowellenreaktor 24 befindlichen Heizeinrichtung verstärkt werden.
Aus Sicherheitsgründen herrscht im Reaktorinnenraum 16 ein leichter Unterdruck gegenüber der umgebenden Atmosphäre außerhalb des Reaktors 24 und innerhalb des Hohlleiters 1. Aus rein technologischer Sicht könnte die Mikrowellenpyrolyse im Reaktor 24 auch bei Atmosphären- oder leichtem Überdruck durchgeführt werden. Um den Druck und übrige Parameter wie etwa Temperatur im Reaktorinnenraum 16 einstellen zu können und eine Verschmutzung des Hohlleiters 1 wie auch einen Eintrag von unerwünschten Substanzen in den Reaktorinnenraum 16 zu verhindern, sind der Hohlleiterinnenraum 17 und der Reaktorinnenraum durch eine Quarzglasscheibe 12 voneinander getrennt.
Quarzglas hat den Vorteil, für Mikrowellen, wie sie für die Pyrolyse benötigt werden, transparent zu sein und außerdem den hohen Temperaturen im Reaktorinnenraum 16 während der Pyrolyse standzuhalten. Um eine hinreichende Abdichtung auch bei Temperaturen von ca. 200-2500C zu erreichen, werden O-Ringe 5, 6 verwendet, die zwischen Quarzglasscheibe 12 und Oberteil 2 bzw. zwischen Unterteil 3 und Reaktorflansch 4 angeordnet sind.
Im Oberteil 2 ist ein Gaseinlass 8 vorgesehen, durch den im hier dargestellten Beispiel 8 Wasserdampf eingeführt wird. Über einen Verbindungskanal 9 wird der Wasserdampf einem Ringkanal 13 zugeführt, der um die Quarzglasscheibe 12 herum verläuft und von dem Dampfkanäle 10 abzweigen, die im Bereich 19 vor der dem Reaktorinnenraum 16 zugewandten Seite der Quarzglasscheibe 12 münden. Dabei bilden die Quarzglasscheibe 12 zusammen mit dem Oberteil 2 und dem Unterteil 3 eine Vertiefung 19, in die der Wasserdampf 11 austritt.
Der Wasserdampf oder unter Umständen ein anderes eingelassenes Gas übernimmt eine Vielzahl von vorteilhaften Funktionen. Zum einen dient er zur Kühlung der Einkoppeleinheit 23 und damit auch des Hohlleiters 1 und des Flansches 4. Zum anderen dient er der thermischen Isolierung des Quarzglasfensters 12 gegenüber den im Reaktorinnenraum 16 während der Pyrolyse herrschenden Temperaturen.
Besondere Vorteile der Verwendung von Wasserdampf bestehen darin, dass die Mikrowellen in den Wasserdampf einkoppeln, was zu einer gleichmäßigen Erwärmung des Reaktorinnenraums beiträgt. Dabei koppeln die Mikrowellen nicht nur beim Eintritt in den Reaktorinnenraum in den Wasserdampf ein. Insbesondere bei nicht sehr gefülltem Reaktorinnenraum oder bei ungünstiger Position von metallischen Komponenten innerhalb des Reaktorinnenraums, kann es vorkommen, dass Mikrowellen in Richtung Hohlleiter reflektiert werden. Bevor sie in den Hohlleiter eintreten und eventuell den Mikrowellengenerator schädigen, werden sie - je nach Intensität und je nach
Wasserdampfkonzentration - im Wasserdampf zum großen Teil oder sogar ganz absorbiert, so dass eine Schädigung der Komponenten zur Mikrowellengeneration vermieden werden kann. Außerdem dient der Wasserdampf als Oxidationsmittel für eine Dampfreformierung der Pyrolyseprodukte bzw. bereits entstandener Vergasungsprodukte.
Eine wichtige Funktion des Wasserdampfes oder unter Umständen eines anderen eingelassenen Gases besteht darin, die Quarzglasscheibe 12 gegen Verschmutzung durch Substanzen im Reaktorinnenraum 16 zu schützen. Eine Verschmutzung, z.B. durch Ablagerungen von Pyrolyseprodukten, die bei der Pyrolyse von kohlenstoffhaltigem Material entstehen können, würde die Einkoppelung der Mikrowellen 15 behindern und so zu Leistungsverlusten und Störungen der Pyrolyseanlage und einer ggf. daran angeschlossenen Vergasungsanlage führen. Bei zu starker Verschmutzung der Quarzglasscheibe 12 durch Ablagerungen könnte es sogar so weit kommen, dass die Ablagerungen so viel Mikrowellenleistung absorbieren, dass lokal Temperaturen erreicht werden, die zu einem Bersten der Quarzglasscheibe 12 führen können.
Durch das Einleiten von Wasserdampf 11 oder eines anderen Gases in den Bereich vor der dem Reaktor zugewandten Seite der Quarzglasscheibe 12 bildet sich vor der Quarzglasscheibe 12 eine Art Schutzpolster aus Wasserdampf bzw. anderem Gas, das verhindert, dass die Pyrolyseprodukte oder andere schädliche Substanzen bis zur Oberfläche der Quarzglasscheibe 12 vordringen und sich dort ablagern.
Ein besonderer Vorteil der Verwendung von Wasserdampf liegt darin, dass durch das Einkoppeln der Mikrowellen in den Wasserdampf dieser sich erhitzt und sich in Richtung Reaktorinnenraum 16 ausdehnt. Dies führt zusätzlich dazu, dass aufsteigende Pyrolyseprodukte oder anderer Schmutz durch die Volumenvergrößerung des
Wasserdampfes entstehende Strömung zurück in den Reaktor 24 transportiert wird und sich nicht auf der Quarzglasscheibe 12 ablagern kann.
Das Vorsehen einer Vertiefung 19, in die der Wasserdampf 1 1 über die Dampfkanäle 10 eingelassen wird, führt zu einer Verringerung des Raumwinkels, über den Pyrolyseprodukte oder andere schädliche Substanzen bis zur Quarzglasscheibe 12 vordringen können. Dadurch wird die Wahrscheinlichkeit einer störenden Ablagerung dieser Pyrolyseprodukte auf der im eingebauten Zustand dem Mikrowellenreaktor zugewandten Seite weiter verringert. Bei der Zufuhr von Wasserdampf kann diese Vertiefung zusätzlich als kleiner Dampfreformierungsreaktor wirken.
In Figur 2 ist die Einkoppeleinheit 23 perspektivisch von der Seite gezeigt, die im eingebauten Zustand dem Hohlleiter zugewandt ist. Auf dieser Seite ist die Quarzglasscheibe 12 in das Oberteil 2, das auf dem Unterteil 3 aufliegt, eingefügt. Im Oberteil 2 befindet sich seitlich auch zwei Dampfeinlässe 8.
Die entsprechende Ansicht der Einkoppeleinheit 23 von der Seite, die im eingebauten Zustand dem Reaktor zugewandt ist, ist in Figur 3 dargestellt. Die übereinanderliegenden Ober- und Unterteile 2, 3 sind mittels zweier gegenüberliegenden Schrauben 18, die in die Bohrungen 22 (Figur 4) eingreifen, miteinander befestigt. Ferner sind Bohrungen 21 vorgesehen, über die die Einkoppeleinheit 23 am Reaktor befestigt werden kann. Die Abdichtung gegen den Reaktor geschieht dabei über den im Unterteil 3 eingefügten O-Ring 6. Die Dampfkanäle 10, die in der Vertiefung 19 münden, die von den Ober- und Unterteilen 2, 3 und der Quarzglasscheibe 12 gebildet wird, sind im hier dargestellten Beispiel im wesentlichen äquidistant angeordnet, um ein möglichst homogenes Gas- bzw. Wasserdampf-Schutzpolster zu bilden, dass die Oberfläche der Quarzglasscheibe 12 möglichst gut und vollständig von verschmutzenden Substanzen im Reaktorinneren abgeschirmt wird. Im hier dargestellten Beispiel sind die Mündungen der Dampfkanäle rund ausgebildet. Dies hat den Vorteil, dass sich dort weniger als bei schlitzförmigen Mündungen eine lokale Konzentration von Mikrowellen bildet.
Der Verlauf der Dampfkanäle 10 ist deutlicher in den Figuren 4 und 5 dargestellt, die das Oberteil 2 (Figur 4) und das Unterteil 3 (Figur 5) jeweils von der Seite mit den Dampfkanälen 10 zeigt. Die Dampfkanäle 10 sind im hier dargestellten Beispiel in sowohl Oberteil 2 und Unterteil 3 als obere und untere Abschnitte ausgebildet, die kongruent übereinander anzuordnen sind. In anderen Varianten könnten die Dampfkanäle 10 auch nur im Unterteil 3 oder Oberteil 2 ausgebildet sein, wie beispielsweise der Ringkanal 13, der seinerseits in weiteren Varianten nur im Unterteil 3 oder sowohl im Unterteil 3 als auch im Oberteil 2 ausgebildet sein kann. Im hier dargestellten Beispiel sind sechs Dampfkanäle 10 vorgesehen, die von dem Ringkanal 13 abzweigen (siehe Figur 4). Der Ringkanal 13 steht über die Verbindungskanäle 9 mit den Dampfeinlässen 8 in Verbindung. Zum einen wird über diese Ausgestaltung mit mehreren Dampfeinlässen 8, einem Ringkanal 13 und mehreren Dampfkanälen 10 eine möglichst homogene Dampf- bzw. Gasverteilung in der Vertiefung 19 erreicht. Außerdem trägt die gleichmäßige Verteilung von Kanälen 10, 13 über die Fläche des Ober- bzw. Unterteils 2, 3 dazu bei, diese effizient mit dem Dampf zu kühlen.
Es sei darauf hingewiesen, dass das hier dargestellte Ausführungsbeispiel in vielfacher Hinsicht abgewandelt werden kann. So können auch zwei, drei oder mehr Quarzglasscheiben vorgesehen sein, die jede ihre eigene Vertiefung und ihre eigenen Dampfkanäle oder gemeinsame Vertiefungen und gemeinsame Dampfkanäle aufweisen. Allgemein ist die Anzahl der Dampfkanäle und der Dampfeinlässe beliebig. Es können ein, zwei, drei, vier, fünf, sechs, sieben, acht, neun, zehn oder beliebig mehr sein. Ebenso ist die Anzahl der Ringkanäle beliebig wie auch deren Verlauf, die - wie bei den Dampfkanälen und den Dampfeinlässen - von der Geometrie der jeweiligen Einkoppeleinheit und u.a. den Anforderung an das Gasschutzpolster und die Kühlfunktion bestimmt werden. Im übrigen können auch mehr als eine Einkoppeleinheit an einem Mikrowellenreaktor für die Pyrolyse von kohlenstoffhaltigem Material vorgesehen sein. Auch die Vertiefung im Bereich des Einkoppelfensters wie der Quarzglasscheibe kann in Form und Art beliebig ausbildet werden. Insbesondere bei einer mehrteiligen Ausführung der Halterung des Einkoppelfensters brauchen nicht alle Halterungsteile zur Vertiefung beizutragen. Ebenso kann die Form der Einkoppelfenster beliebig an die Geometrie der Einkoppeleinheit und der daran anzuschließenden Hohlleiter und Reaktoren angepasst werden.
Bei dem Material für die Einkoppelfenster können außer Quarzglas auch alle anderen Materialien verwendet werden, die für Mikrowellen transparent sind. Das Ober- und Unterteil der Einkoppeleinheit sind vorzugsweise aus Metall, beispielsweise aus Edelstahl oder Aluminium. Im Falle von Aluminium und der Verwendung von Wasserdampf als Schutzgas für das Einkoppelfenster wird zum Schutz vor Korrosion bevorzugt eloxiertes Aluminium oder mit abriebfesten Keramikkristallen beschichtetes Aluminium eingesetzt.
Bezugszeichen
1 Hohlleiter
2 Oberteil
3 Unterteil
4 Flansch
5 O-Ring zur Abdichtung der Quarzglasscheibe
6 O-Ring zur Abdichtung des Reaktorflansches
7 O-Ring zur Abdichtung des Ringkanals
8 Dampfeinlass
9 Verbindungskanal zum Ringkanal
10 Dampfkanal
11 austretender Wasserdampf
12 Quarzglasscheibe
13 Ringkanal
14 Befestigungsschraube für Hohlleiter
15 Mikrowelle
16 Reaktorinnenraum
17 Hohlleiterinnenraum
18 Befestigungsschraube für Ober- und Unterteil
19 Vertiefung
20 Bohrung
21 Bohrung
22 Bohrung
23 Einkoppeleinheit
24 Mikrowellenreaktor

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betrieb einer Einkoppeleinheit (23) eines Mikrowellenreaktors (24) für die Pyrolyse von kohlenstoffhaltigem Material, wobei die Einkoppeleinheit (23) mindestens ein für Mikrowellen transparentes scheibenförmiges Element (12) aufweist, das im eingebauten Zustand der Einkoppeleinheit (23) den Innenraum (16) vom Außenraum (17) des Mikrowellenreaktors (24) trennt und das in eine Halterung (2, 3) eingefügt ist, die derart ausgebildet ist, dass sie zusammen mit dem scheibenförmigen (12) Element eine Vertiefung (19) auf der dem Innenraum (16) des Mikrowellenreaktors (24) zugewandten Seite bildet, und die Einkoppeleinheit (23) eine Gaszufuhr (8, 9, 10, 13) aufweist, die im Innenraum (16) des Mikrowellenreaktors (24) mündet, dadurch gekennzeichnet, dass in die Vertiefung (19) Gas eingelassen wird, so dass die Vertiefung (19) als kleiner Reaktor wirkt, in dem Pyrolyseprodukte aus dem Mikrowellenreaktor (24) in unschädliche Substanzen umgesetzt werden, die sich nicht auf dem oder den scheibenförmigen Elementen (12) ablagern.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als Gas Wasserdampf (1 1 ) eingelassen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas über zwei oder mehr Teilkanäle (10) der Gaszufuhr (8, 9, 10, 13) eingelassen wird.
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