WO1997032945A1 - Gleichstrom-festbettvergasungsreaktor und dessen verwendung - Google Patents

Gleichstrom-festbettvergasungsreaktor und dessen verwendung Download PDF

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WO1997032945A1
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gasification reactor
fuel
gasification
air
drying
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Walter Kuntschar
Werner Marzluf
Rudolf PÖRSCH
Arno Siegenthaler
Rainer Wennemar
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Sevar Entsorgungsanlagen Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a direct current fixed bed gasification reactor for the gasification of organic, ash-rich and slag-forming solids, in particular residual or waste materials such as sewage sludge, wood or liquid manure, with a solids storage chamber for holding the solids, which is limited at the bottom by a grate , and with a product gas line for removal of the degassed product gas, the solid storage chamber having an oxidation zone with an air and / or oxygen supply. Furthermore, the invention is directed towards advantageous uses of the gasification reactor, in particular for the disposal of sewage sludge.
  • the sewage sludge resulting from wastewater treatment in municipal or industrial wastewater treatment plants is an organic solid in dried form with a high calorific value of approximately 10,000-14,000 kJ / kg.
  • the sewage sludge solidifies and forms so-called pellets.
  • pellets can be burned or burned up in a gasification reactor and emit low-energy lean gas (product gas) which can be burned in a diesel engine.
  • a generator connected to the diesel engine is used to generate electricity used.
  • the waste heat generated by the engine can be used to dry the sewage sludge.
  • sewage sludge incineration is only useful from an economic point of view if the sewage treatment plant has a size of more than 0.5 million or 1 million connected residents. In the case of smaller plants, the investment and operating expenses result in an unacceptable cost / benefit ratio.
  • the gasification reactors known hitherto can only be operated in batches, since the slags which form in them cannot be effectively and uniformly discharged from the combustion chamber through the vibrating grates or other discharge mechanisms. This means that the reactor can be loaded with a batch of pellets and then operated until all the pellets have been burned out. The gasification process must then be ended and the slag removed from the combustion chamber.
  • the gasification system from IMBERT Energytechnik which is designed as a suction gas system and has a solid fuel tank, which has a solid storage chamber, which tapers downwards and which is bounded at the bottom by a grate, is described here as an example .
  • An air pipe leading laterally into the solids storage chamber enables air to be fed into the oxidation zone of the solids storage chamber.
  • This solid storage chamber is arranged within a cylindrical reactor container which has a suction opening in its upper region for sucking off the product gas.
  • the IMBERT gasification system works as a suction gas system, that is to say, an extraction device is attached to the suction opening integrated in the upper area of the reactor. pressure created that sucks the product gas out of the solids storage tank.
  • the product gas is sucked through the grate from the solids storage chamber and passed past the outer wall of the solids storage chamber into the upper region of the reactor before it leaves the reactor.
  • Such gasification reactors or wood gas plants are normally used for the gasification of wood or wood-like materials.
  • the sewage sludge pellets are burned up substoichiometrically. This happens at a temperature between 850 ° C and 1100 ° C or even up to 1400 ° C.
  • the sewage sludge pellets slag strongly and several adjacent pellets melt to form a large lump of slag.
  • This slagging makes it necessary to empty and clean the gasification reactor at relatively short intervals, so that the gasification process has to be interrupted. Any interruption has the consequence, however, that the gasification process has to be restarted, that is to say the pellets have to be brought to operating temperature by means of externally supplied energy. As a result, such a gasification reactor has a very unfavorable efficiency.
  • unfavorable operating conditions with regard to gas quality occur during the heating phase due to the mass initially smoldering at lower temperatures.
  • the gas contains more tars and oils, which are deposited in the subsequent pipelines can or incompletely burned in the subsequent engine and can be deposited.
  • the present invention is based on the task of creating a gasification reactor of the type mentioned at the outset, to which less external energy needs to be supplied and which thus has a higher degree of efficiency. Furthermore, a favorable combustion or gasification should be achieved. According to a further aspect of the invention, it should be possible to create a method and a device with which sewage sludge incineration or Sewage sludge ashing or gasification in systems with connected loads of less than 0.5 million inhabitants, for example of 50,000 inhabitants or more.
  • the grate in a direct current fixed bed gasification reactor of the type mentioned at the outset the grate has a slag separation device and a discharge mechanism by means of which the separated slag can be conveyed out of the gasification reactor , are connected downstream and that the air and / or oxygen supply has a circumferential ring channel which is connected to the oxidation zone via a number of openings.
  • the present invention is based on the knowledge that a continuously operating gasification reactor does not have to be constantly re-ignited and consequently achieves a higher degree of efficiency with less use of external energy.
  • a gasification reactor designed according to this technical teaching has the advantage that the gasification can be operated continuously.
  • the slag separation device takes action and separates the slag from the remaining fuels (for example sewage sludge pellets).
  • This separated slag is then brought out of the gasification reactor by the discharge mechanism without the gasification of the solids located in the solids storage chamber being interrupted.
  • the creation of a continuously operating gasification reactor eliminates the need to start the gasification reactor in the prior art after emptying, so that significantly less external energy has to be supplied to the gasification reactor. This significantly increases the efficiency of the gasification reactor.
  • the quasi-continuous discharge of the slag enables an uninterrupted process in which unfavorable operating conditions are avoided.
  • annular channel is arranged around the oxidation zone and is connected to the oxidation zone via a number of openings.
  • the air introduced into the ring channel or the oxygen introduced into the ring channel is distributed approximately uniformly in the ring channel and reaches the oxidation zone through the openings. This ensures a good and uniform supply of air and / or oxygen to the oxidation zone in the co-current process and continuous and economical gasification of the solids, in particular sewage sludge pellets.
  • the slag separating device is designed as a horizontally oriented separating slide which is arranged approximately 5 to 50 cm above the grate.
  • This separating slide is preferably driven electrically and separates the slag layer formed from the remaining solids.
  • the separating slide holds the glowing solids in the solids storage chamber, while the separated slag layer is discharged.
  • the discharge is preferably carried out by folding away an emptying flap attached below the solids storage chamber.
  • the grate can be swiveled together with the emptying flap so that the separated slag can fall out of the solid storage chamber.
  • a product gas line is arranged below the grate and a bell is arranged over the free end thereof. This bell forces the product gas to change the direction of flow. This has the effect that dust or dirt particles in the product gas stream are separated out by the inertia, because these particles continue their downward movement while the gas is directed under the bell. The dust or dirt particles which settle out are also thrown out when the flap is opened, so that no impurities can accumulate in the gas extraction area.
  • the bell is together with the free end of the product gas line and the Emptying flap is pivotally arranged so that it does not prevent the separated slag layer from being ejected.
  • a plurality of oxidation zones arranged one above the other are formed in the solid storage chamber.
  • Each of the oxidation zones is preferably connected to the air and / or oxygen supply via corresponding openings.
  • the oxidation zone is followed by a reduction zone. No oxygen is added to the glowing solids in this reduction zone, so that the CO and methane desired in the product gas is formed here.
  • the gasification process can be influenced and controlled via the oxygen fed into the oxidation zone, either in the form of pure oxygen or in the form of ambient air. It is therefore advantageous to equip each oxidation zone with an independent air and / or oxygen supply.
  • each oxidation zone is additionally provided with an independent ring channel. see to ensure precise control and supply of the respective oxidation zone with oxygen.
  • an ignition device can be attached in the region of the oxidation zone, by means of which the solids can be heated to ignition or annealing temperature. Particularly when starting the gasification reactor, it is necessary to preheat and ignite the still cold solid pellets.
  • This ignition device can be an electric hot gas generator, an oil burner or a gas burner. After the solids have been ignited and sufficient embers have formed in the oxidation zone, no further ignition energy is supplied. From now on, the gasification process is controlled via the oxygen supply.
  • the ignition takes place through the same openings in the oxidation zone through which the air or oxygen reaches the oxidation zone.
  • the temperature in one or more of the oxidation zones drops so much that proper outgassing is no longer achieved even by increasing the oxygen supply.
  • the temperature in the oxidation zone can be raised by switching on the ignition device. It is advantageous here to provide a separate ignition device for each oxidation zone, so that optimal control of the gasification process in the individual oxidation zones is ensured.
  • a device can be located at an air inlet opening of the gasification reactor.
  • bladder or a suction device attached to the product gas line.
  • Different oxidation zones are preferably supplied with air and / or oxygen by different fans working independently of one another.
  • the cross section of the oxidation zone is smaller than that of the adjacent zones. This has the advantage that the slags which form a stronger area in this area cannot hang up on the wall of the solid storage chamber and thus hinder discharge.
  • the gasification reactor according to the invention thus works continuously, because the gasification is not interrupted during the discharge of the slag. This leads to a high degree of efficiency, since the start-up phase which is omitted means that significantly less external energy has to be supplied.
  • the product gas resulting from the gasification of dried sewage sludge essentially consists of CO, CH 4 , H 2 and small amounts of C 2 gases.
  • Sewage sludges from municipal and industrial wastewater treatment are unavoidable residues that should be recycled or thermally.
  • the material recycling is limited on the one hand by legal framework conditions and on the other hand by the current market situation.
  • the material recycling of the sewage sludge cannot guarantee adequate disposal security in the medium term, since the decrease in the sludge due to acceptance problems and changes in the pollutant load cannot be calculated with sufficient certainty in advance.
  • the extraordinarily difficult requirements for an ecologically and economically expedient utilization of biological, organic fuels, in particular of residual and waste materials such as sewage sludge, wood or manure can thereby be solved that the fuels are gasified as a solid in a gasification reactor according to the invention without, as was previously thought necessary, the corresponding plant must have a size which prevents its widespread use and widespread use.
  • the method and the device according to the invention are not limited to small plant sizes, but can also advantageously be used in large plants.
  • the invention achieves goals for which the professional community has long sought.
  • the following measures are preferably used individually or in combination with one another.
  • a particularly advantageous feature of the method according to the invention is that the fuel, in particular sewage sludge, is dried in a gasification reactor to a dry matter content of 80 to 99%, preferably between 85 and 95%, before being gasified.
  • Advantageous results are achieved by an advantageous coordination of the drying and gasification process.
  • the fuel in particular the sewage sludge, be formed into sections with a defined geometric three-dimensional shape, preferably into sections of essentially the same shape.
  • the diameter of the particles or sections is advantageously in a grain size range of 5 to 30 mm.
  • the solid portion of the fuel is shaped and a structured material, for example a granulate, is produced which has several advantageous features. On the one hand, it has a large surface that supports water removal, which is advantageous, for example, for subsequent drying by supplying heat. On the other hand, the migration path for the moisture contained in the solid content to the surface of the structured material is shortened, which is also necessary for further drying. is partaking.
  • the fuel in particular sewage sludge
  • the molding which makes it possible to stack it into a bed or a pile, which is sufficiently stable in the gasification reactor.
  • the production of the largest possible surface or porosity in the interior of the material for the supply of oxygen and an optimal gasification process can also be achieved in this way.
  • the fuel is shaped into sections by means of a shaping device, in which the ratio of the square root from the Enveloping surface to the Ku ⁇ bikroot from the volume is set to a value greater than 1.0, preferably between 2.0 and 3.5.
  • the fuel can be shaped into a sausage, spaghetti or pasta-shaped good by means of a shaping device in a cylindrical shape.
  • the diameter is advantageously between 6 and 15 mm and the length between 5 and 50 mm.
  • the method according to the invention is not limited to a special shaping of the structured sections, but instead all other shapings can also be used in which the solids content is structured in the required manner. Suitable forms and possibilities for producing a large surface / volume ratio are described in the publication by R. Schilp, "On the technology of paste granulation", reprint Chemistry Engineer Technology, issue 5/1977, page 374.
  • Such sections in particular sausage-like, have been found to be particularly useful for the application according to the invention
  • Shape found to be advantageous, the diameter of which is greater than 5 mm, preferably greater than 8 mm and particularly preferably greater than 10 mm.
  • the shrinkage of the sections caused by a drying process which is advantageously carried out after the shaping of the sections leads to a reduction in their size, and the sections again reduce their diameter greatly in the gasification reactor, so that the dimensions indicated are advantageous for the formation to counteract a dense mass during slagging.
  • the optimal diameter is approx. 10 to 15 mm.
  • the diameter of the sections, in particular of sausage-shaped sections be less than 50 mm, preferably less than 35 mm and particularly preferably less than 20 mm.
  • the fuel is preferably formed into sections in a pasty consistency, since the energy expenditure for forming the sections and the requirements for the mechanical stability of the device used for forming are low, and the sections formed are still sufficiently stable for their further processing have processing.
  • the fuel in particular sewage sludge, be dewatered by means of a dewatering device to a dry substance content of between 15 and 45%, preferably between 20 and 35%, before being formed into sections.
  • the dry matter content of the original sewage sludge is approximately between 3 and 6%, and a conventional mechanical device advantageously serves as the dewatering device.
  • the pre-dewatering can be carried out, for example, in a centrifuge, belt press, chamber filter press or the like.
  • the fuel in particular sewage sludge
  • a shaping device which comprises a screw conveyor, a conveyor belt, a trough chain conveyor or a bucket elevator, a receiving device for a certain amount of the screw conveyor tated fuel, a die with perforation holes and a pressing member, by means of which the preferably pasty fuel is pressed through the perforation holes to form sausage-shaped sections.
  • the fuel in particular fuel shaped into sections by means of a shaping device, is dried by means of a water removal device.
  • a water removal device can in principle be implemented by means of all known water removal processes, in particular drying processes, the end product of which has the required structure for the gasification according to the invention in the gasification reactor, with which a stable bed can therefore be formed and that due to its looseness and porosity provides enough oxygen.
  • a drum dryer or an extruder can also be used.
  • a water extraction device which is a dryer with a drying device in which the fuel is dried with hot drying air.
  • a belt dryer with a belt conveyor device for conveying the fuel applied thereon through the drying device is particularly preferred, the belt conveyor device having perforation openings and a dry gas flow flowing through the perforation openings and the fuel layer.
  • the belt conveyor device be surrounded by a drying oven forming the drying device, which has several chambers in the longitudinal direction of the belt conveyor device, in which drying air alternately flows back and forth through the perforation openings in countercurrent the belt conveyor and the fuel layer is passed.
  • the temperature of the drying air can therefore vary between the individual drying chambers.
  • the temperature in the first chambers may be greater than 150 ° C and should not be greater than 150 ° C in the last chambers.
  • the residence time in the dryer ie the drying time, is approximately 15 to 60 minutes.
  • the sections shrink by about 5 to 20%. In special applications, it can be done from a procedural or economic point of view. be particulate if the fuel is dried in such a way that the structured sections have a hard, dry crust on the outer surface which surrounds a softer core zone with a higher moisture content.
  • suitable belt dryers are described in documents EP 0225351 B1, DE 4013761 C2 and DE 4446739 AI, to which reference is made in this respect.
  • the fuels are gasified in the gasification reactor as granules with an open-pore, porous structure.
  • the granules can be produced by means of a drying device, in particular a belt dryer, which has the advantage of a homogeneous grain size and a special structure of the granules or dry material formed and, in particular, is advantageously fed with portions formed by means of a shaping device.
  • the combination of a shaping device and a belt dryer for producing the granules for the gasification reactor is therefore preferred.
  • Another advantageous feature is that the fuels are gasified as granules, in particular with an open-pore, porous structure, which are heaped into a stable, air-permeable pile in the gasification reactor.
  • the gasification process is advantageously favored by the porous structure of the granules or by the possibility of filling up an air-permeable pile.
  • the thermal energy can penetrate very well into the bulk body and into the granular gasification product.
  • the resulting product gas can escape from the gasification product and from the bed with little resistance.
  • the specific weight of the granules is relatively small, so that the mechanical load on the pile and consequently the mechanical compression in the gasification reactor are low.
  • the compression or stratification of the pile is then so low that the gasification process can advantageously be carried out.
  • the fuels be metered into the smoldering zone of the gasification reactor while maintaining an air-permeable bed.
  • Another advantageous feature can be that the fuels are mechanically segmented in a feed device of the gasification reactor.
  • the fuel in the feed hopper of the gasification reactor can be adapted to the mechanical devices in the gasification reactor and a gas-tight separation of the feed and smoldering space can be ensured.
  • the shaping and drying of the fuels is coordinated according to the invention, a uniform, homogeneous and intensive outgassing of the open-pore structured bed and the open-pore structured fuel, that is to say gasification and degassing of the material down to the core areas, can be achieved.
  • an ashing with a loose slag or ash structure is generated in the oxidation zone of the gasification reactor.
  • a structurally uncomplicated slag separation device or a simple discharge mechanism can also be provided in order to remove the slag continuously or discontinuously from the gasification reactor. without having to shut it down.
  • the product gas obtained in this way can be used to generate energy.
  • the disposal of a ton of sewage sludge costs about DM 500, - according to the current state of the art.
  • a positive energy balance can be achieved with the method according to the invention without the high disposal costs having to be expended.
  • the end product formed during ashing can be granular, fingernail-sized grains which do not smell and contain no or bound pollutants. This end product can be used, for example, as a filling material in road construction.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a gasification reactor according to the invention
  • FIG. 3 shows a schematic diagram of a plant according to the invention for ashing sewage sludge, 4 shows a belt dryer for FIG. 3,
  • FIG. 5 shows a combined heat and power plant with a gasification reactor
  • FIG. 6 details of FIG. 5 and FIG. 7 a control diagram.
  • sewage sludge is preferably used, which is obtained as a waste product in most sewage treatment plants. However, this very high-energy sewage sludge must be dried before it can be filled into the gasification reactor.
  • the waste heat from the gasification reactor and / or the diesel engine, which is operated with the product gas obtained from the sewage sludge, is preferably used to dry the sewage sludge.
  • the dried sewage sludge is in the form of small, about 1 to 5 cm large lumps, so-called pellets, or as granules.
  • the solids storage chamber 4 is subdivided in layers into several zones, a storage and drying zone 8 being arranged at the very top, followed by a smoldering zone 10.
  • An oxidation zone 12 adjoins the smoldering zone 10, the latter seamlessly merging into a reduction zone 14.
  • a slag zone 16 is then also located in the lower region of the solids storage chamber 4. arranges, which is bounded at the bottom by a grate 18.
  • An essentially convex bell 24 is arranged between a free end of the product gas line 22 and the grate 18, the opening of which is oriented toward the free end of the product gas line 22.
  • the reactor housing 2 is provided with an emptying flap 26 which is pivotally arranged. Together with the emptying flap 26, the free end of the product gas line 22, the bell 24 and the grate 18 can be swiveled, so that the solids storage chamber 4 is open at the bottom in a fully swiveled-out state, as shown in FIG. 2 is shown.
  • an electrically driven separating slide 28 is provided, which can be moved into the solid storage chamber 4.
  • the gasification reactor 1 shown in FIGS. 1 and 2 is operated continuously after a start-up phase.
  • the slag that has accumulated over time is separated from the other glowing solid pellets by the separating slide 28.
  • the separated slag falls out of the gasification reactor 1, as shown in FIG. 2.
  • Such separation and emptying of the slag takes place at certain intervals, approximately every 10 to 15 minutes.
  • the gasification process is not interrupted by slag, but continues.
  • the still empty solid storage chamber 4 is filled with dried sewage sludge by opening a feed lock 30.
  • the feed lock 30 is closed, so that the otherwise gas-tight gasification reactor 1 can be operated in overpressure or underpressure operation (approx. 20 mbar).
  • the solids storage chamber 4 is constricted in the area of the oxidation zone 12, so that an annular channel 32 is formed between the solids storage chamber 4 and the reactor housing 2.
  • an ignition device not shown, for example a gas burner, is introduced, with which the sewage sludge pellets located in the solids storage chamber 4 are heated and ignited.
  • air and / or pure oxygen is blown into the ring channel 32 by means of a blower 36 via an air inlet opening 34 provided on the reactor housing 2.
  • openings 38 are provided in the solids storage chamber 4, through which the air or oxygen can penetrate evenly into the oxidation zone 12 in order to support the combustion taking place in the pellets.
  • the ignition device is switched off and removed. Below is the one in the pellets reaction and outgassing taking place controlled by a more or less strong air and / or oxygen supply.
  • the pellets When they burn up, the pellets shrink and form a coherent lump of slag.
  • This lump of slag is separated from the other pellets forming the glow by the separating slide 28, which can be pushed parallel to the grate 18 into the solid storage chamber 4.
  • the separating slide 28 By pivoting away the grate 18, the emptying flap 26, the bell 24 and the product gas line 22, the solids storage chamber 4 opens, so that the lump of slag can fall out downwards.
  • the grate 18, the emptying flap 26, the bell 24 and the product gas line 22 are pivoted back again in order to close the reactor housing again in a gas-tight manner.
  • the separating slide 28 is then pulled out again, so that the glowing pellets located in the solids storage chamber 4 slide down onto the grate 18.
  • the free space created in the storage and drying zone 8 of the solids storage chamber 4 is filled with fresh pellets by opening the loading lock 30.
  • the embers in the oxidation zone now heat the fresh pellets that have slipped in until they are also ignited. Normally, the embers located in the oxidation zone are heated by an air and / or oxygen supply, but in exceptional cases the pellets that have slipped down can also be preheated and ignited by reinserting the ignition device.
  • the solids storage chamber is made much larger and has a plurality of ring channels and Oxidation zones. This makes the pellet combustion even more intensive, which leads to a higher outgassing and a better yield.
  • the new slag In normal operation of the gasification reactor 1, the new slag must be removed approximately every 10 to 15 minutes.
  • the emptying flap is only open for about 10 to 20 seconds, so that the gasification process therefore does not have to be interrupted.
  • FIG. 3 shows a basic flow diagram for an installation according to the invention for the gasification of sewage sludge 40.
  • the wet sewage sludge 40 with a dry matter content of between approx. 3 to 6% is dewatered in a drainage device 41 to a dry matter content of approx. 25%.
  • the dewatered sewage sludge 50 is then structured in a shaping device 42 into sausage-shaped sections 43 with a diameter of approximately 12 mm and a length of approximately 30 to 100 mm.
  • the shaping device 42 comprises, for example, a die with perforation holes through which the sewage sludge 50 is pressed by means of a pressing member.
  • a shaping device 42 is described in documents EP 0225351 B1 and DE 4446739 AI.
  • the formation of sausage-shaped strand parts in the shaping device 42 increases the surface of the structured sewage sludge sections 43 for the heat supply required for drying and improves the removal of moisture from the material. This achieves a high specific drying performance.
  • a particularly advantageous embodiment of a shaping device 42 is described in document EP 0225351 B1 in FIG. 1.
  • the structured sections 43 are transported on a conveyor belt by a belt dryer 44.
  • the conveyor belt has a slot perforation, which supports the ventilation of the sections 43.
  • the structured sections are stored on the conveyor belt in such a way that they are moved as little as possible and thus the friction between them is minimized. This avoids the formation of dust.
  • the drying zone of the belt dryer 44 is divided into individual drying chambers in which hot drying gases flow through the material to be dried.
  • the drying chambers are divided into a product room, in which drying air flows through the conveyor belt with the sewage sludge on it, and a recirculation room, in which the thermal energy of the drying air is supplied.
  • a fan located in the air circulation room ensures the circulation of the air circulation or the generation of the air circulation flow.
  • a heat exchanger is additionally arranged there, which ensures the increase in the drying air temperature necessary for drying.
  • the individual drying chambers are sealed off from one another in such a way that mutual influencing of the circulating air flows is avoided.
  • the transport air required for transporting the vapors is supplied or discharged through openings in the side of the drying chambers. This is guided as an axial displacement air within the dryer in counterflow to the direction of transport of the sewage sludge. In connection with the circulating air, this results in a cross-countercurrent. This cross-counterflow causes the wet sewage sludge to come into contact with drying air that is already laden with moisture. This prevents the pores of the Seal granules and the drying is thereby hindered.
  • the drying of the sewage sludge is further intensified by the shrinking process of the granules and the inhomogeneities contained in the sewage sludge, which leads to a fir-tree-shaped fanning out of the surface of the sewage sludge pieces. Further details of the belt dryer 44 are explained in connection with FIG. 4.
  • the dried sections are removed from the conveyor belt and conveyed further by means of a conveyor device.
  • the dry matter content is approximately 95%.
  • the dried parts or the granules 45 are of such looseness and porosity that they can be stacked and gasified to form a stable bed in the gasification reactor 1.
  • a combustible product gas 23 is generated by high-temperature gasification at temperatures of approximately 850 ° C. to 1000 ° C. from dried sewage sludge by substoichiometric combustion (gasification).
  • the product gas 23 can be used as fuel for operating an internal combustion engine 46, which can generate electrical energy 47 and / or thermal energy 48.
  • the fuel supplied to the gasification reactor 1 travels through it from top to bottom in a relatively stable bed with increasing temperatures until the glowing zone is reached. At about 150 ° C volatile substances begin to outgas from the material. With rising temperatures, pyrolysis gases are formed, which split up in the glowing zone at temperatures around 1000 ° C partially burned. In the subsequent reduction zone, the gaseous constituents react with one another and with the carbon which has not yet been gasified. This creates the actual product gas 23, the combustible main components of which are carbon monoxide, methane and hydrogen.
  • the product gas 23 (fuel gas) is preferably withdrawn from the gasification reactor 1 via a filter for dedusting.
  • the slags formed at high temperatures are discharged in layers from the gasification reactor 1 by a special discharge mechanism.
  • the residue on ignition of the slag can be less than 1 percent by weight.
  • Product gas 23 of the gasification reactor 1 can advantageously be used to dry the fuel for the gasification reactor 1 in the belt dryer 44, where it is burned for heating purposes.
  • the thermal energy 48 of the internal combustion engine 46 or its waste heat 49 from the engine, the engine cooling water or exhaust gas can advantageously be supplied to the belt dryer 44 for drying.
  • the internal combustion engine 46 is advantageously a gas-diesel engine, ie a two-fuel burner for gas and diesel operation; this has advantages for constant power or electricity generation.
  • the product gas 23 can be sucked in via a gas cooler, compressed and ignited in a proportion of, for example, 10 to 20% by injecting diesel or heating oil.
  • the application of the ignition jet technology enables the reliable ignition and good, even combustion of the product gas 23.
  • fluctuations in the calorific value of the product gas are compensated for.
  • the internal combustion engine 46 is advantageously located with a flange-mounted synchronous generator and the heat exchangers for engine cooling water and exhaust gas in a compact, quickly removable sound and heat insulation hood.
  • the radiant heat can be dissipated via a pressure fan.
  • the heat from the engine, cooling water and exhaust gas is transferred to a heating circuit and used to dry the sewage sludge.
  • the exhaust gas from the internal combustion engine can also be cleaned catalytically.
  • Coupled electricity and heat are generated from the energy carrier sewage sludge, which is available free of charge and can otherwise only be disposed of with considerable economic expenditure.
  • the carbon dioxide pollution of the environment is reduced because the sewage sludge is supplied later.
  • the generated electrical energy 47 can be used to cover the basic electrical load of a wastewater treatment plant, as well as the complete coverage of the drying and gasification plant's own requirements.
  • the sewage sludge can be dried out before gasification to a large extent or even exclusively with its own energy content, so that little or no additional energy is required.
  • the sewage sludge 40 is reduced to its ash residue and the ashes can be used, for example, in road construction or in the building materials industry.
  • the entire process of thermal utilization of the sewage sludge 40 has a positive energy balance.
  • An exemplary plant in which 50 to 100 kg / h of dry sewage sludge gasifies in a gasification reactor 1 is required, about 150 kW of thermal and 10 kW of electrical energy for dewatering and drying the sewage sludge 40.
  • the waste product of this process is a filtrate or condensate.
  • the gasification reactor 1 generates about 80 kW of thermal power from the sewage sludge and, in addition to the ash residue, product gas 23 which can generate 46 60 kW of electrical and 120 kW of thermal power in the internal combustion engine.
  • the shaping device 42 and the water removal device are designed to produce granules 45 which can be gasified in the gasification reactor 1 under favorable conditions.
  • the structuring increases the surface of the sections 43 and enables a high specific drying performance.
  • FIG. 4 explains such a belt dryer 44 in more detail.
  • the pre-dewatered sewage sludge 50 is fed to the shaping device 42.
  • the shaped sections 43 are placed on the conveyor 51, which is a belt conveyor.
  • the sausage-shaped, lumpy or also differently shaped parts 43 are arranged in a layer-like, ventilated drying pile 53.
  • the conveyor device 51 or the endless belt 53 is air-permeable and is moved through the belt dryer 44 at the feed speed 54.
  • the ventilated drying pile 52 is moved out of the sections 43 to be dried through the dryer.
  • a dry gas stream 55 will passed alternately through the air-permeable endless belt 53 and the drying pile 52 or in the reverse direction, the dry gas flow 55 being directed in countercurrent to the feed speed 54 of approximately 0.2 to 0.4 m / min.
  • the drying zone is divided into individual drying chambers. Hot drying gases 55 flow through the drying pile 52 in each drying chamber. An advantageous fir tree-shaped fanning out of the surface results from a shrinking process of the sections 43 and the irregularities contained in the sewage sludge.
  • the heating and ventilation can be carried out in a variety of ways.
  • direct or indirect heating the air flow in the circulating air circuit can be guided to minimize the exhaust air pollution. After drying, only a small proportion of air is released into the environment as exhaust air via a bio-washer or a bio-filter.
  • Indirect heating is particularly useful when external energy, e.g. is available in the form of steam or thermal oil.
  • FIGS. 5 to 7 illustrate advantageous options for integrating a device according to the invention.
  • the block-type thermal power station 56 comprises an internal combustion engine 46 in a sound insulation hood 57, which generates electrical energy 47 via a connected generator 58.
  • the electrical energy 47 can either be fed into the network or used to drive electric motors directly.
  • the internal combustion engine 46 is a gas or gas-diesel engine which can be supplied with ignition oil 59 in the latter case.
  • the interior of the sound insulation hood 57 is cooled by means of cooling air 66.
  • the internal combustion engine 46 can be operated by means of product gas 23 from a gasification reactor 1 or alternatively by means of natural gas.
  • the gasification reactor 1 is fed with a suitable fuel, in particular with sewage sludge dried into granules 45. It has a gasification air supply 60 and, in addition to the product gas 23, also produces ash or slag 61.
  • the waste heat from the internal combustion engine 46 can be used in various ways.
  • the exhaust gas 62 is fed to an exhaust gas heat exchanger 63, in which exhaust gas heat is extracted, and then discharged via an exhaust gas fireplace 64 or an exhaust.
  • thermal energy 48 is obtained, which can be used, for example, for heating purposes or by means of which the dry gas stream 55 of a water extraction device, in particular a belt dryer 44, can be heated.
  • the thermal energy 48 can be water or air bound.
  • the return flow of this circuit can be preheated via a cooling water heat exchanger 65 by means of the engine cooling water 78 of the internal combustion engine 46.
  • FIG. 6 illustrates the integration of a belt dryer 44 into the operation of a combined heat and power plant 56.
  • Dewatered sewage sludge 50 is removed by means of a shaping device 42, which comprises a distributor 67, a metering device 68, a distributor 69 and die clamps 70. formed into structured sections 43, which are introduced into the belt dryer 44 and dried therein.
  • the belt dryer 44 has a plurality of drying chambers, through which a dry gas stream 55 flows from top to bottom in the example shown.
  • the dried granules 45 are gasified in a gasification reactor 1, slag 61 and product gas 23 being produced.
  • the internal combustion engine 46 of the combined heat and power plant 56 is fed by means of the product gas 23.
  • the dry gas stream 55 of the belt dryer 44 is circulated as circulating air 71, a small part being discharged as exhaust air 72. If necessary, the dry gas stream 55 can be heated by means of a burner 73 which is fed with a fossil energy carrier 74, for example oil, gas or fermentation gas, and with combustion air 75.
  • a fossil energy carrier 74 for example oil, gas or fermentation gas
  • combustion air 75 One or more of the heat exchangers described below can be present for heat recovery.
  • a first heat exchanger 76, 77 is used to heat the dry gas stream 55 by means of thermal energy recovered from the dry gas stream 55.
  • a second heat exchanger 65 is used to heat the dry gas flow 55 by means of thermal energy recovered from the engine cooling water 78 of the internal combustion engine 46.
  • Thermal energy can be recovered from the exhaust gas 62 by means of a third heat exchanger 63.
  • Another heat exchanger 79 can be used for heat exchange between the exhaust gas 62 and the Cooling water 78 may be provided.
  • the circulating air 71 or the exhaust air 72 can be cooled by means of cooling water 80.
  • FIG. 7 illustrates a control diagram of a combined heat and power plant 56.
  • 81 denotes the sludge task of the belt dryer 44.
  • the dried sewage sludge is fed to the gasification reactor 1 by means of the dry material transfer 82.
  • the cogeneration unit 56 or its gas engine 46 can be fed by means of the product gas 23.
  • the waste heat 84 from the gas engine 46 is also fed to the belt dryer 44 or the combined heat and power plant 56.
  • the gas engine 46 or the combined heat and power plant 56 can be fed with a fossil energy source 74 (natural gas) or product gas 23.
  • the waste heat 85 from the belt dryer 44 is also fed to the combined heat and power plant 56 or used in the internal heat recovery of the belt dryer 44.
  • Thermal energy can be supplied to the belt dryer 44 or the combined heat and power plant 56 by means of a solar system 86. Furthermore, a heat pump 87 is provided, by means of which thermal energy obtained from the environment can be supplied to the combined heat and power plant 56 or the belt dryer 44. Excess heat energy can be used to produce hot water or for a heating system.
  • a control device 88 is provided for controlling the system and for optimizing the operation from an ecological and / or economic point of view.
  • the control device 88 preferably works automatically, advantageously comprising an operating data memory for storing operating parameters.
  • Operating parameters in this sense are, for example, the price of natural gas, the price of electricity or parameters of the heat pump.
  • a state quantity detection for detecting the Operating state of the system, for example the amount of waste heat generated, the amount of product gas 23 or gas consumption or the operating state of the heat pump 87 is provided.
  • the control device 88 also comprises a control system for controlling the combined heat and power plant and the components connected to it, which can include one or more of the ones shown.
  • a learning memory is provided, in which experience values collected during the operation of the system are stored, and a decision unit for predicting future operation by comparing the current operating state with the experience values and for Control the facility based on the outcome of this comparison.
  • the data can be stored in the learning memory according to the time of day and / or day of the week.
  • Gasification reactor Reactor housing Solid storage chamber Fuel supply Storage and drying zone Smoldering zone Oxidation zone Reduction zone Slag zone Rust Product gas collecting room Product gas line Product gas bell Emptying flap Separating valve Feeding lock Ring channel Air inlet opening Blower openings Sewage sludge dewatering device Forming device Parts Burning machine Energy machine Granulator Waste heat Vorent camesserter sludge conveyor Trocknungshaufwerk endless belt advance speed stream of dry gas cogeneration sound enclosure generator ignition oil gasification air supply slag exhaust gas heat exchanger exhaust stack cooling water heat exchanger cooling air distributor dispenser manifold Matrizenklammern convection air burners fossil fuels, the combustion air first heat exchanger the first heat exchanger engine cooling water further heat exchanger cooling water slurry feedgetÜbergabe 84 waste heat to 46

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Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Vergasungsreaktor (1) zur Vergasung organischer, aschereicher und zur Schlackenbildung neigender Feststoffe mit einer Feststoffvorratskammer (4) zur Aufnahme der Feststoffe, die nach unten hin durch einen Rost (18) begrenzt ist, und mit einer Produktgasleitung (22) zum Abtransport des ausgegasten Produktgases, wobei die Feststoffvorratskammer (4) eine eine Luft- und/oder Sauerstoffzufuhr aufweisende Oxidationszone (12) aufweist. Zur Schaffung eines kontinuierlich arbeitenden Vergasungsreaktors (1) wird vorgeschlagen, im Vergasungsreaktor (1) eine Schlackentrennvorrichtung und einen Austragungsmecha nismus vorzusehen, mittels dem die abgetrennte Schlacke aus dem Vergasungsreaktor herausgebracht werden kann, sowie einen umlaufenden Ringkanal (32) zur Sauerstoffzufuhr vorzusehen. Ferner richtet sich die Erfindung auf vorteilhafte Anwendungen des Vergasungsreaktors (1).

Description

Gleichstrom-Festbettvergasungsreaktor und dessen Verwendung
Die Erfindung betrifft einen Gleichstrom-Festbettverga- sungsreaktor zur Vergasung organischer, aschereicher und zur Schlackenbildung neigender Feststoffe, insbesondere von Rest- oder Abfallstoffen wie Klärschlamm, Holz oder Gülle, mit einer FeststoffVorratskammer zur Aufnahme der Feststoffe, die nach unten hin durch einen Rost begrenzt ist, und mit einer Produktgasleitung zum Abtransport des ausgegasten Produktgases, wobei die FeststoffVorratskam¬ mer eine eine Luft- und/oder Sauerstoffzufuhr aufweisende Oxidationszone aufweist. Ferner richtet sich die Erfin¬ dung auf vorteilhafte Verwendungen des Vergasungsreak¬ tors, insbesondere zur Entsorgung von Klärschlamm.
Der bei der Abwasserreinigung in kommunalen oder indu¬ striellen Kläranlagen anfallende Klärschlamm ist in ge¬ trockneter Form ein organischer Feststoff mit einem hohen Brennwert von ca. 10.000-14.000 kJ/kg. Beim Trocknen des Klärschlammes verfestigt sich dieser und bildet soge¬ nannte Pellets. Diese Pellets können in einem Vergasungs¬ reaktor verbrannt bzw. verglüht werden und geben dabei energiereiches Schwachgas (Produktgas) ab, welches in ei¬ nem Dieselmotor verbrannt werden kann. Ein an den Diesel¬ motor angeschlossener Generator wird zur Stromerzeugung genutzt. Die erzeugte Abwärme des Motors kann zur Trock¬ nung des Klärschlammes verwendet werden.
Nach dem Stand der Technik ist die Klärschlammverbrennung unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten erst dann zweckmä¬ ßig, wenn die Kläranlage eine Größe von mehr 0,5 Millio¬ nen oder 1 Million angeschlossener Einwohner aufweist. Bei kleineren Anlagen ergibt der Investitions- und Be¬ triebsaufwand ein nicht akzeptiertes Kosten-/Nutzenver¬ hältnis.
Die bisher bekannten Vergasungsreaktoren können nur char¬ genweise betrieben werden, da bei ihnen die sich bilden¬ den Schlacken durch die Rüttelroste oder andere Austra¬ gungsmechanismen nicht wirksam und gleichmäßig aus dem Brennraum ausgetragen werden können. Das heißt, daß der Reaktor mit einer Charge Pellets beladen und dann so lan¬ ge betrieben werden kann, bis sämtliche Pellets ausge¬ glüht sind. Danach muß der Vergasungsvorgang beendet und die Schlacke aus dem Brennraum entfernt werden.
Beispielhaft sei an dieser Stelle die Vergasungsanlage der Firma IMBERT Energietechnik beschrieben, die als Sauggasanlage ausgeführt ist und einen Festkraftstoffbe¬ hälter aufweist, der eine FeststoffVorratskammer auf¬ weist, die sich nach unten hin verjüngt und die nach un¬ ten hin durch einen Rost begrenzt ist. Ein seitlich in die Feststoffvorratskammer führendes Luftrohr ermöglicht die Luftzufuhr in die Oxidationszone der Feststoffvor¬ ratskammer. Diese FeststoffVorratskammer ist innerhalb eines zylindrischen Reaktorbehälters angeordnet, der in seinem oberen Bereich eine Absaugöffnung zum Absaugen des Produktgases aufweist. Die IMBERT Vergasungsanlage arbei¬ tet als Sauggasanlage, das heißt, an die im oberen Be¬ reich des Reaktors integrierte Absaugöffnung wird ein Un- terdruck angelegt, der das Produktgas aus dem Feststoff- vorratsbehälter absaugt. Hierbei wird das Produktgas durch den Rost aus der Feststoffvorratskammer gesaugt und an der Außenwand der Feststoffvorratskammer vorbei in den oberen Bereich des Reaktors geleitet, bevor es den Reak¬ tor verläßt.
Derartige Vergasungsreaktoren, respektive Holzgasanlagen, werden normalerweise zur Vergasung von Holz oder holzähn¬ lichen Materialien eingesetzt. Darüber hinaus ist es in derartigen Anlagen auch möglich, andere Materialien, ins¬ besondere zu Pellets geformten, getrockneten Klärschlamm zu vergasen.
Zur Vergasung des Klärschlammes werden die Klärschlamm¬ pellets unterstöchiometrisch verglüht. Dies geschieht bei einer Temperatur zwischen 850 °C und 1100 °C oder sogar von bis zu 1400 °C. Hierbei verschlacken die Klärschlamm¬ pellets stark und mehrere, benachbarte Pellets verschmel¬ zen zu einem großen Schlackeklumpen. Diese Verschlackung macht es erforderlich, den Vergasungsreaktor in relativ kurzen Abständen zu entleeren und zu reinigen, so daß der Vergasungsprozeß unterbrochen werden muß. Jede Unterbre¬ chung hat jedoch zur Folge, daß der Vergasungsprozeß neu gestartet werden muß, das heißt, die Pellets müssen mit¬ tels extern zugeführter Energie auf Betriebstemperatur gebracht werden. Folglich hat ein derartiger Vergasungs- reaktor einen sehr ungünstigen Wirkungsgrad.
Darüber hinaus treten in der Anheizphase ungünstige Be¬ triebszustände hinsichtlich der Gasqualität durch die zunächst bei niedrigeren Temperaturen schwelende Masse auf. Im Gas befinden sich vermehrt Teere und Öle, die sich in den nachfolgenden Rohrleitungen niederschlagen können oder im nachfolgenden Motor unvollständig ver¬ brannt werden und sich ablagern können.
Aus dem Dokument DE-PS 425 634 ist ein Schachtgaserzeuger bekannt, der nach dem Gegenstromprinzip arbeitet. Dieser Schachtgaserzeuger weist im Bereich der abgebauten Schlacke ein Abstichmesser auf, mit dem jeweils ein Teil der Schlacke abgetrennt und anschließend mittels eines Schiebers (Ausdrückstempels) aus dem Schachtgaserzeuger in eine Lore oder dergleichen befördert wird.
Dieser Schachtgaserzeuger arbeitet nach dem Gegenstrom¬ prinzip. Die in dem Dokument DE-PS 425634 bekannte Vor¬ richtung ist in Gleichstromvergasern jedoch nicht ein¬ setzbar, da bei der Gleichstromvergasung die Schüttung auf einem Rost aufliegt, durch den das Gas hindurchge¬ führt wird. Der beschriebene Ausdrückstempel verhindert nicht, daß sich in den RostZwischenräumen Schlackereste ansammeln. Der Prozeß wird dadurch behindert und kann vollständig zum Erliegen kommen. Der verstopfte Rost kann - wie bereits oben beschrieben - nur durch Beenden des Vergasungsvorgangs von den Schlackerückständen befreit werden, so daß diese bekannte Vorrichtung die oben be¬ schriebenen Nachteile hinsichtlich einer wirtschaftlichen Nutzung ebenfalls aufweist.
Davon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Auf¬ gabe zugrunde, einen Vergasungsreaktor der eingangs ge¬ nannten Art zu schaffen, dem weniger externe Energie zu¬ geführt werden braucht und der somit einen höheren Wir¬ kungsgrad hat. Ferner soll eine günstige Verbrennung bzw. Vergasung erzielt werden. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung soll es möglich sein, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit denen mit wirtschaftlich vertretbarem Aufwand eine Klärschlammverbrennung bzw. Klärschlammveraschung oder -Vergasung bei Anlagen mit An¬ schlußwerten von weniger als 0,5 Millionen Einwohnern, beispielsweise von 50.000 Einwohnern oder mehr, zu reali¬ sieren.
Zur Lösung dieser Aufgabe gemäß dem ersten Aspekt der Er¬ findung wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß bei einem Gleichstrom-Festbettvergasungsreaktor der eingangs ge¬ nannten Art dem Rost eine Schlackentrennvorrichtung und ein Austragungsmechanismus, mittels dessen die abge¬ trennte Schlacke aus dem Vergasungsreaktor herausförder- bar ist, nachgeschaltet sind und daß die Luft- und/oder Sauerstoffzufuhr einen umlaufenden Ringkanal aufweist, der über eine Anzahl von Öffnungen mit der Oxidationszone verbunden ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß ein kontinuierlich arbeitender Vergasungsreaktor nicht ständig neu gezündet werden braucht und folglich bei einem geringeren Einsatz von Fremdenergie einen höhe¬ ren Wirkungsgrad erzielt.
Ein nach dieser technischen Lehre ausgeführter Verga¬ sungsreaktor hat den Vorteil, daß die Vergasung konti¬ nuierlich betrieben werden kann. In dem Fall, daß sich auf dem Rost eine Schlackenschicht gebildet hat, tritt die Schlackentrennvorrichtung in Aktion und trennt die Schlacke von den restlichen Brennstoffen (beispielsweise Klärschlammpellets) ab. Diese abgetrennte Schlacke wird dann vom Austragungsmechanismus aus dem Vergasungsreaktor herausgebracht, ohne daß die Vergasung der in der Fest- stoffvorratskammer befindlichen Feststoffe unterbrochen wird. Durch die Schaffung eines kontinuierlich arbeitenden Ver¬ gasungsreaktors enfällt das im Stand der Technik notwen¬ dige Anfahren des Vergasungsreaktors nach einer Entlee¬ rung, so daß dem Vergasungsreaktor deutlich weniger Fremdenergie zugeführt werden muß. Hierdurch erhöht sich der Wirkungsgrad des Vergasungsreaktors deutlich.
Des weiteren wird durch die quasi-kontinuierliche Austra¬ gung der Schlacke ein unterbrechungsfreier Prozeß ermög¬ licht, bei dem ungünstige Betriebszustände vermieden wer¬ den.
Eine weitere, vorteilhafte Besonderheit besteht darin, daß um die Oxidationszone herum ein Ringkanal angeordnet ist, der über eine Anzahl von Öffnungen mit der Oxida¬ tionszone verbunden ist. Die in den Ringkanal eingebrach¬ te Luft bzw. der in den Ringkanal eingebrachte Sauerstoff verteilt sich annähernd gleichmäßig im Ringkanal und ge¬ langt durch die Öffnungen in die Oxidationszone. Hier¬ durch wird eine gute und gleichmäßige Luft- und/oder Sau¬ erstoffzufuhr der Oxidationszone im Gleichstromverfahren sowie eine kontinuierliche und wirtschaftliche Vergasung der Feststoffe, insbesondere von Klärschlammpellets ge¬ währleistet.
In einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Vergasungsreaktors ist die Schlackentrennvorrichtung als horizontal ausgerichteter Trennschieber ausgebildet, der etwa 5 bis 50 cm oberhalb des Rostes angeordnet ist. Die¬ ser Trennschieber wird vorzugsweise elektrisch angetrie¬ ben und trennt die ausgebildete Schlackenschicht von den restlichen Feststoffen ab. Gleichzeitig hält der Trenn¬ schieber die glühenden Feststoffe in der Feststoffvor¬ ratskammer, während die abgetrennte Schlackenschicht aus¬ getragen wird. Die Austragung erfolgt vorzugsweise durch das Wegklappen einer unterhalb der Feststoffvorratskammer angebrachten Entleerungsklappe. Zusammen mit der Entleerungsklappe ist das Rost verschwenkbar, damit die abgetrennte Schlacke aus der FeststoffVorratskammer herausfallen kann.
Die Verschlackung der Feststoffe, insbesondere von Klär¬ schlammpellets, geschieht langsam und annähernd gleich¬ mäßig. Beim Verschlacken verklumpen die Feststoffe bzw. Pellets zu einer annähernd geschlossenen Masse, so daß es nur schwer möglich ist, das ausgegaste Produktgas durch die Schlackenschicht hindurchzusaugen. Deshalb werden an der Oberseite des Trennschiebers nach oben ragende Stege oder Stifte angebracht, die kleine Kanäle oder Unterbre¬ chungen in die oberhalb des Trennschiebers befindliche Schlacke einarbeiten, so daß nach Entfernen des Trenn¬ schiebers eine bessere Durchlüftung der Schlackenschicht gewährleistet ist.
In einer weiteren, bevorzugten Weiterbildung ist unter¬ halb des Rostes eine Produktgasleitung angeordnet, über deren freies Ende eine Glocke angeordnet ist. Durch diese Glocke wird das Produktgas gezwungen, die Strömungsrich¬ tung zu ändern. Dies bewirkt, daß sich in dem Produktgas¬ strom befindende Staub- oder Schmutzpartikel durch die Massenträgheit ausgesondert werden, denn diese Partikel setzen ihre Abwärtsbewegung fort, während das Gas unter die Glocke gelenkt wird. Die sich absetzenden Staub- oder Schmutzpartikel werden beim Öffnen der Klappe mit ausge¬ worfen, so daß sich im Gasabzugsbereich keine Verunreini¬ gungen ansammeln können.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist die Glocke zusam¬ men mit dem freien Ende der Produktgasleitung und der Entleerungsklappe verschwenkbar angeordnet, damit diese den Auswurf der abgetrennten Schlackenschicht nicht be¬ hindern.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsge¬ mäßen Vergasungsreaktors sind in der Feststoffvorratskam¬ mer mehrere, übereinander angeordnete Oxidationszonen ausgebildet. Vorzugsweise ist dabei jede der Oxidations¬ zonen über entsprechende Öffnungen mit der Luft- und/oder Sauerstoffzufuhr verbunden. Dies hat den Vorteil, daß die Feststoffe an mehreren Stellen gleichzeitig verglühen, so daß in der Feststoffvorratskammer eine gleichmäßigere Temperatur vorherrscht. Dies hat zur Folge, daß die ein¬ zelnen Klärschlammpellets sehr viel länger glühen und da¬ mit eine vollständigere Verbrennung erfolgt. Diese voll¬ ständigere Verbrennung hat zur Folge, daß mehr Produktgas ausgegast werden kann, wodurch die Produktausbeute bzw. der Wirkungsgrad des Reaktors weiter erhöht wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Oxidationszone eine Reduktionszone nachgeschaltet. In dieser Reduktionszone wird den glühenden Feststoffen kein Sauerstoff zugeführt, so daß sich hier das im Produktgas gewünschte CO und Methan bildet.
Über den in die Oxidationszone zugeführten Sauerstoff, entweder in Form von reinem Sauerstoff oder in Form von Umgebungsluft, kann der Vergasungsprozeß beeinflußt und gesteuert werden. Deshalb ist es vorteilhaft, jede Oxida¬ tionszone mit einer unabhängigen Luft- und/oder Sauer¬ stoffzufuhr auszustatten.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist jede Oxidations¬ zone darüber hinaus mit einem unabhängigen Ringkanal ver- sehen, um eine präzise Ansteuerung und Versorgung der je¬ weiligen Oxidationszone mit Sauerstoff zu gewährleisten.
In noch einer weiteren, besonders bevorzugten Ausfüh¬ rungsform ist im Bereich der Oxidationszone eine Zündvor¬ richtung anbringbar, mittels der die Feststoffe auf Zünd¬ bzw. Glühtemperatur erhitzbar sind. Besonders zum Anfah¬ ren des Vergasungsreaktors ist es erforderlich, die noch kalten Feststoffpellets vorzuwärmen und zu zünden. Diese Zündvorrichtung kann ein elektrischer Heißgaserzeuger, ein Ölbrenner oder ein Gasbrenner sein. Nachdem die Fest¬ stoffe einmal angezündet sind und sich in der Oxidations¬ zone eine ausreichende Glut ausgebildet hat, wird keine weitere Zündenergie mehr zugeführt. Von nun an wird der Vergasungsprozeß über die Sauerstoffzufuhr gesteuert.
In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Zündung durch dieselben Öffnungen in der Oxidationszone, durch die die Luft bzw. der Sauerstoff in die Oxidationszone gelangt.
Während des Vergasungsprozesses kann es vorkommen, daß die Temperatur in einer oder mehreren der Oxidationszonen so stark absinkt, daß selbst über die Erhöhung der Sauer¬ stoffzufuhr keine ordnungsgemäße Ausgasung mehr erreicht wird. In diesem Falle kann die Temperatur in der Oxida¬ tionszone durch Einschalten der Zündvorrichtung angehoben werden. Hierbei ist es vorteilhaft, für jede Oxidations¬ zone eine eigene Zündvorrichtung vorzusehen, damit eine optimale Steuerung des Vergasungsprozesses in den einzel¬ nen Oxidationszonen gewährleistet ist.
Zur besseren Steuerung der Luft- und/oder Sauerstoffzu¬ fuhr erfolgt diese zwangsangetrieben. Hierzu kann an ei¬ ner Lufteintrittsöffnung des Vergasungsreaktors ein Ge- blase oder an der Produktgasleitung eine Saugvorrichtung angebracht sein.
Bevorzugterweise werden verschiedene Oxidationszonen durch verschiedene, unabhängig voneinander arbeitende Ge¬ bläse mit Luft und/oder Sauerstoff versorgt.
In einer anderen, bevorzugten Ausführungsform ist der Querschnitt der Oxidationszone kleiner als derjenige der benachbarten Zonen. Dies hat den Vorteil, daß sich die in diesem Bereich verstärkt bildenden Schlacken nicht an der Wand der Feststoffvorratskammer aufhängen können und so¬ mit eine Austragung behindern.
Damit die Feststoffpellets ordnungsgemäß nach unten sin¬ ken, verbreitern sich die Oxidationszonen zu den benach¬ barten Zonen hin konisch.
Der erfindungsgemäße Vergasungsreaktor arbeitet also kon¬ tinuierlich, denn während der Austragung der Schlacke wird die Vergasung nicht unterbrochen. Dies führt zu ei¬ nem hohen Wirkungsgrad, da durch die entfallende Anfahr¬ phase deutlich weniger Fremdenergie zugeführt werden muß. Das bei der Vergasung von getrocknetem Klärschlamm ent¬ stehende Produktgas setzt sich im wesentlichen aus CO, CH4, H2 sowie geringen Mengen an C2 Gasen zusammen.
Die energetische Nutzung von Biomasse, insbesondere die Verwertung von organischen Rest- oder Abfallstoffen, ge¬ winnt zunehmend an Bedeutung, da durch den Einsatz von nachwachsenden Rohstoffen fossile Energieträger einge¬ spart und C02-Emissionen effektiv reduziert werden kön¬ nen. Darüber hinaus sollen viele nicht mehr stofflich verwertbare Rest- und Abfallstoffe aufgewertet und als hochwertige Brennstoffe genutzt werden. Ein anderes An- liegen ist es, die zu entsorgenden Reststoffe auf ein Mi¬ nimum zu reduzieren.
Klärschlämme der kommunalen und industriellen Abwas¬ serreinigung sind nicht vermeidbare Reststoffe, die stofflich oder thermisch verwertet werden sollten. Der stofflichen Verwertung sind einerseits durch gesetzliche Rahmenbedingungen und andererseits durch die aktuelle Marktsituation Grenzen gesetzt. Die stoffliche Verwertung der Klärschlämme kann mittelfristig keine ausreichende Entsorgungsicherheit gewährleisten, da die Abnahme der Schlämme durch Akzeptanzprobleme und Veränderungen in der Schadstoffbelastung nicht mit hinreichender Sicherheit im voraus kalkulierbar ist.
Es werden daher erhebliche Anstrengungen unternommen, ge¬ eignete Verfahren und Vorrichtungen zu entwickeln, welche es mit einem unter ökologischen und ökonomischen Ge¬ sichtspunkten vernünftigen Aufwand ermöglichen sollen, Klärschlamm einer thermischen Verwertung zuzuführen, durch die dessen Energiegehalt genutzt und eine Reduzie¬ rung des Reststoffes auf seinen Ascherückstand erzielt wird.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde überraschen¬ derweise festgestellt, daß die außerordentlich schwieri¬ gen Anforderungen an eine ökologisch und ökonomisch zweckmäßige Verwertung biologischer, organischer Brenn¬ stoffe, insbesondere von Rest- und Abfallstoffen wie Klärschlamm, Holz oder Gülle dadurch gelöst werden kön¬ nen, daß die Brennstoffe als Feststoff in einem erfin¬ dungsgemäßen Vergasungsreaktor vergast werden, ohne daß, wie bisher für erforderlich gehalten wurde, die entspre¬ chende Anlage eine Größe aufweisen muß, die ihrer weiten Verbreitung und flächendeckenden Anwendung entgegensteht. Selbstverständlich sind das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung nicht auf kleine An¬ lagegrößen begrenzt, sondern auch vorteilhafterweise in Großanlagen einsetzbar. Mit der Erfindung werden Ziele erreicht, um die die Fachwelt sich schon lange bemüht hat. Um dabei besonders gute Ergebnisse hinsichtlich der Ökonomie oder Ökologie zu erhalten sowie hinsichtlich der konstruktiven Erfordernisse zu gewährleisten, werden be¬ vorzugt die nachfolgenden Maßnahmen einzeln oder in Kom¬ bination miteinander eingesetzt.
Ein besonders vorteilhaftes Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß der Brennstoff, insbeson¬ dere Klärschlamm, vor dem Vergasen in einem Vergasungsre¬ aktor auf eine Trockensubstanzgehalt von 80 bis 99 %, be¬ vorzugt zwischen 85 und 95 % getrocknet wird. Durch eine vorteilhafte Abstimmung des Trocknungs- und Vergasungs¬ prozesses werden vorteilhafte Resultate erzielt.
Nach einem anderen bevorzugten Merkmal wird vorgeschla¬ gen, daß der Brennstoff, insbesondere der Klärschlamm, in Teilstücke mit einer definierten geometrischen Raumform, vorzugsweise in im wesentlichen gleichartig geformte Teilstücke geformt wird. Der Durchmesser der Partikel bzw. Teilstücke liegt dabei vorteilhafterweise in einem Korngrößenbereich von 5 bis 30 mm. Dabei wird der Fest- stoffanteil des Brennstoffs geformt und ein strukturier¬ tes Material, beispielsweise ein Granulat erzeugt, das mehrere vorteilhafte Merkmale aufweist. Zum einen hat es eine den Wasserentzug unterstützende, große Oberfläche, was beispielsweise für eine anschließende Trocknung durch Wärmezufuhr vorteilhaft ist. Zum anderen ist der Migra¬ tionsweg für die in dem Feststoffanteil enthaltene Feuch¬ tigkeit an die Oberfläche des strukturierten Materials verkürzt, was ebenfalls für die weitere Trocknung vor- teilhaft ist. Ferner kann dem Brennstoff, insbesondere Klärschlamm, durch das Formen eine Struktur gegeben wer¬ den, die es ermöglicht, ihn zu einer Schüttung bzw. einem Haufwerk zu stapeln, die in dem Vergasungsreaktor hinrei¬ chend stabil ist. Auch die Erzeugung einer möglichst gro¬ ßen Oberfläche bzw. Porosität im Inneren des Materials für die Zufuhr von Sauerstoff und einen optimalen Vergasungsprozeß kann auf diese Weise erzielt werden.
Als besonders vorteilhaft hat sich im Rahmen der Erfin¬ dung herausgestellt, wenn zur Vergrößerung des Oberflä¬ chen/Volumen-Verhältnisses des Feststoffanteils des Brennstoffs der Brennstoff mittels einer Formgebungsein¬ richtung in Teilstücke geformt wird, bei denen das Ver¬ hältnis der Quadratwurzel aus der Hüllfläche zu der Ku¬ bikwurzel aus dem Volumen auf einen Wert größer als 1,0, bevorzugt zwischen 2,0 und 3,5 eingestellt wird.
Vorteilhafterweise kann der Brennstoff mittels einer Formgebungseinrichtung in eine zylinderartige Form zu ei¬ nem Würstchen-, Spaghetti- oder nudelfδrmigen Gut geformt werden. Der Durchmesser beträgt vorteilhafterweise zwi¬ schen 6 und 15 mm und die Länge zwischen 5 und 50 mm. Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht auf eine spezielle Formgebung der strukturierten Teilstücke beschränkt, son¬ dern es sind auch alle anderen Formgebungen einsetzbar, bei denen der Feststoffanteil in der erforderlichen Weise strukturiert wird. Geeignete Formen und Möglichkeiten zur Herstellung eines großen Oberflächen/Volumen-Verhältnis¬ ses sind in der Veröffentlichung von R. Schilp, "Zur Technologie der Pastengranulierung" , Sonderdruck Chemie- Ingenieur-Technik Heft 5/1977, Seite 374 beschrieben.
Für die erfindungsgemäße Anwendung haben sich besonders solche Teilstücke, insbesondere von würstchenartiger Form, als vorteilhaft herausgestellt, deren Durchmesser größer als 5 mm, bevorzugt größer als 8 mm und besonders bevorzugt größer als 10 mm ist. Das durch einen vorteil¬ hafterweise im Anschluß an das Formen der Teilstücke durchgeführten Trocknungsprozeß bedingte Schrumpfen der Teilstücke führt zu einer Verkleinerung ihrer Größe, und die Teilstücke verringern im Vergasungsreaktor nochmals stark ihren Durchmesser, so daß die angegebenen Abmessun¬ gen vorteilhaft sind, um der Bildung einer dichten Masse bei der Verschlackung entgegenzuwirken. Der optimale Durchmesser liegt ca. bei 10 bis 15 mm.
Je größer die geformten Teilstücke sind, desto mehr ist auch im Falle eines anschließenden Schrumpfens in einer Wasserentzugsvorrichtung oder in dem Vergasungsreaktor der Zugang von Sauerstoff in den Kernbereich der Teil¬ stücke erschwert. Nach einem anderen vorteilhaften Merk¬ mal wird daher vorgeschlagen, daß der Durchmesser der Teilstücke insbesondere von würstchenförmigen Teilstük- ken, kleiner als 50 mm, bevorzugt kleiner als 35 mm und besonders bevorzugt kleiner als 20 mm ist.
Der Brennstoff wird vorzugsweise in einer pastösen Konsi¬ stenz in Teilstücke geformt, da hierbei der Energieauf¬ wand zum Formen der Teilstücke und die Anforderungen an die mechanische Stabilität der zum Formen verwendeten Vorrichtung niedrig sind und die gebildeten Teilstücke noch eine hinreichende Stabilität für ihre Weiterverar¬ beitung aufweisen. Nach einem zusätzlichen vorteilhaften Merkmal wird daher vorgeschlagen, daß der Brennstoff, insbesondere Klärschlamm, vor dem Formen in Teilstücke mittels einer Entwässerungsvorrichtung auf einen Trocken¬ substanzgehalt zwischen 15 und 45 %, vorzugsweise zwi¬ schen 20 und 35 % entwässert wird. Der Trockensubstanzge¬ halt des originären Klärschlamms liegt ca. zwischen 3 und 6 %, und als Entwässerungsvorrichtung dient vorteilhaf¬ terweise eine konventionelle mechanische Vorrichtung. Das Vorentwässern kann beispielsweise in einer Zentrifuge, Siebbandpresse, Kammer-Filterpresse oder dergleichen durchgeführt werden.
Nach einem besonders bevorzugten Merkmal wird vorgeschla¬ gen, daß der Brennstoff, insbesondere Klärschlamm, mit¬ tels einer Formgebungseinrichtung geformt wird, die eine Förderschnecke, ein Förderband, einen Trogkettenförderer oder ein Becherwerk, eine Aufnahmeeinrichtung für eine bestimmte Menge des mittels der Förderschnecke transpor¬ tierten Brennstoffs, eine Matrize mit Perforationslöchern und eine Pressorgan, mittels dessen der vorzugsweise pastöse Brennstoff durch die Perforationslöcher unter Ausbildung würstchenförmiger Teilstücke durchgepresst wird, aufweist. Weitere vorteilhafte Merkmale geeigneter Formgebungseinrichtungen, die im erfindungsgemäßen Zusam¬ menhang vorteilhaft sind, sind in den Dokumenten EP 0225351 Bl, DE 4013761 C2 und DE 4446739 AI beschrieben, auf die insoweit Bezug genommen wird.
Wie bereits erläutert wurde, ist es im erfindungsgemäßen Zusammenhang vorteilhaft, wenn der Brennstoff, insbeson¬ dere mittels einer Formgebungseinrichtung in Teilstücke geformter Brennstoff, mittels einer Wasserentzugsvorrich¬ tung getrocknet wird. Eine solche Wasserentzugsvorrich¬ tung kann prinzipiell mittels allen bekannten Wasserent¬ zugsverfahren, insbesondere Trockungsverfahren realisiert sein, deren Endprodukt die erforderliche Struktur für das erfindungsgemäße Vergasen in dem Vergasungsreaktor auf¬ weist, mit dem also eine stabile Schüttung ausbildbar ist und das durch seine Lockerheit und Porosität für genügend Sauerstoffzufuhr sorgt. Prinzipiell kommt hierfür auch ein Trommeltrockner oder ein Extruder in Betracht. Besonders bevorzugt ist im Rahmen der Erfindung eine Was¬ serentzugsvorrichtung, die ein Trockner mit einer Trock¬ nungseinrichtung ist, in der der Brennstoff mit heißer Trocknungsluft getrocknet wird. Besonders bevorzugt ist ein Bandtrockner mit einer Bandfördereinrichtung zum För¬ dern des darauf aufgebrachten Brennstoffs durch die Trocknungseinrichtung, wobei die Bandfördereinrichtung Perforationsδffnungen aufweist und ein Trockengasström die Perforationsöffnungen und die Brennstoffschicht durchströmt.
Nach einem weiteren vorteilhaften Merkmal wird vorge¬ schlagen, daß die Bandfördereinrichtung von einem die Trocknungseinrichtung bildenden Trocknungsofen umgeben ist, der in Längsrichtung der Bandfδrdereinrichtung meh¬ rere Kammern aufweist, in denen Trocknungsluft im Gegen¬ strom abwechselnd hin- und hergehend durch die Perforati- onsδffnungen der Bandfδrdereinrichtung und die Brenn¬ stoffschicht geleitet wird.
Hinsichtlich der Trocknungstemperaturen sind keine beson¬ dere Anforderungen zu stellen. Insbesondere ist es nicht erforderlich, eine besonders schonende Trocknung anzu¬ streben. Die Temperatur der Trocknungsluft kann daher zwischen den einzelnen Trocknungskammern variieren. Zum Beispiel kann die Temperatur in den ersten Kammern größer als 150° C sein und sollte in den letzten Kammern nicht größer als 150° C sein.
Die Verweilzeit in dem Trockner, d.h. die Trocknungs- dauer, beträgt in praktischen Fällen ca. 15 bis 60 min. Die Teilstücke schrumpfen dabei um ca. 5 bis 20%. In besonderen Anwendungsfällen kann es unter verfahrens¬ technischen oder wirtschaftlichen Gesichtspunkten vor- teilhaft sein, wenn der Brennstoff derart getrocknet wird, daß die strukturierten Teilstücke an der Außenflä¬ che eine harte, trockene Kruste aufweisen, die eine wei¬ chere Kernzone mit einem höheren Feuchtegehalt umgibt.
Weitere vorteilhafte Merkmale geeigneter Bandtrockner sind in den Dokumenten EP 0225351 Bl, DE 4013761 C2 und DE 4446739 AI beschrieben, auf die insoweit Bezug genom¬ men wird. Um besonders vorteilhafte Ergebnisse beim Ver¬ gasen der Brennstoffe, insbesondere von Klärschlamm, in dem Vergasungsreaktor zu erzielen, ist es vorteilhaft, wenn die Brennstoffe als Granulat mit einer offenporigen, porösen Struktur in dem Vergasungsreaktor vergast werden. Das Granulat kann mittels einer Trocknungseinrichtung, insbesondere einem Bandtrockner, der den Vorteil einer homogenen Korngröße sowie einer besonderen Struktur des gebildeten Granulates bzw. Trockengutes aufweist und ins¬ besondere vorteilhafterweise mit mittels einer Formge¬ bungseinrichtung geformten Teilstücken gespeist wird, er¬ zeugt werden. Die Kombination einer Formgebungseinrich¬ tung und eines Bandtrockners zum Erzeugen des Granulates für den Vergasungsreaktor ist daher bevorzugt. Ein weite¬ res vorteilhaftes Merkmal besteht darin, daß die Brenn¬ stoffe als Granulat, insbesondere mit einer offenporigen, porösen Struktur, vergast werden, die zu einem stabilen, luftdurchlässigen Haufwerk in dem Vergasungsreaktor auf¬ geschüttet werden.
Durch die poröse Struktur des Granulates bzw. durch die Möglichkeit, ein luftdurchlässiges Haufwerk aufzuschüt¬ ten, wird der Vergasungsprozeß vorteilhaft begünstigt. Die Wärmeenergie kann sehr gut in den Schüttkörper und in das granulatförmige Vergasungsprodukt eindringen. Das entstehende Produktgas kann widerstandsarm aus dem Ver¬ gasungsprodukt und aus der Schüttung austreten. Es sind Schütthöhen bis zu 4 m, bevorzugt zwischen 1,0 und 2,5 m erzielbar, wobei das Haufwerk und das Granulat gleichmä¬ ßig, homogen und mit geringem Strömungswiderstand durch¬ strömbar sind. Das spezifische Gewicht des Granulates ist relativ klein, so daß die mechanische Belastung des Hauf¬ werks und demzufolge die mechanische Verdichtung in dem Vergasungsreaktor gering sind. Die Verdichtung bzw. die Schichtung des Haufwerks ist dann so gering, daß der Ver¬ gasungsprozeß vorteilhaft durchführbar ist.
Nach einem anderen vorteilhaften Merkmal wird vorgeschla¬ gen, daß die Brennstoffe unter Aufrechterhaltung einer luftdurchlässigen Schüttung dosiert in die Schwelzone des Vergasungsreaktors eingefüllt werden. Ein anderes vor¬ teilhaftes Merkmal kann darin bestehen, daß die Brenn¬ stoffe in einer Aufgabevorrichtung des Vergasungsreaktors mechanisch segmentiert werden. Dabei kann der Brennstoff im Aufgabetrichter des Vergasungsreaktors an die mechani¬ schen Einrichtungen im Vergasungsreaktor angepaßt und eine gasdichte Abtrennung von Aufgabe- und Schwelraum ge¬ währleistet werden.
Bei einer erfindungsgemäß ausgestalteten Abstimmung von Formung und Trocknung der Brennstoffe kann eine gleichmä¬ ßige, homogene und intensive Ausgasung der offenporig strukturierten Schüttung und des offenporig strukturier¬ ten Brennstoffs, das heißt eine Vergasung und Entgasung des Materials bis in die Kernbereiche erzielt werden. Aufgrund des offenporigen Schüttkörpers wird dabei in der Oxidationszone des Vergasungsreaktors eine Veraschung mit lockerer Schlacken- oder Aschestruktur erzeugt. Dadurch kann auch eine konstruktiv unaufwendige Schlackentrenn¬ vorrichtung bzw. ein einfacher Austragungsmechnismus vor¬ gesehen werden, um die Schlacke kontinuierlich oder dis¬ kontinuierlich aus dem Vergasungsreaktor zu entnehmen, ohne daß er dabei außer Betrieb gesetzt werden muß. Das dabei gewonnene Produktgas kann zur Energieerzeugung ver¬ wendet werden.
Damit ist die Möglichkeit eröffnet, Rest- oder Abfall- Stoffe einer ökologisch und ökonomisch sinnvollen Verwer¬ tung zuzuführen. Die Entsorgung einer Tonne Klärschlamm verursacht nach dem derzeitigen Stand der Technik Kosten in Höhe von ca. DM 500,--. Mit dem erfindungsgemäßen Ver¬ fahren kann dagegen eine positive Energiebilanz erzielt werden, ohne daß die hohen Entsorgungskosten aufgewendet werden müssen. Das beim Veraschen entstehende Endprodukt können granulatartige, fingernagelgroße Körner sein, die nicht riechen und keine oder gebundene Schadstoffe ent¬ halten. Dieses Endprodukt kann beispielsweise als Füllma¬ terial im Straßenbau eingesetzt werden.
Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Vergasungsreaktors und seiner Anwendungen ergeben sich aus der Beschreibung und aus den beigefügten Zeichnungen. Ebenso können die vorstehend genannten und die weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln oder in beliebigen Kombi¬ nationen miteinander verwendet werden. Die erwähnten Aus¬ führungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charak¬ ter. Die Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungs¬ gemäßen Vergasungsreaktors,
Fig. 2 den Vergasungsreaktor gemäß Figur 1 mit geöff¬ neter Entleerungklappe,
Fig. 3 ein Prinzipbild einer erfindungsgemäßen Anlage zum Veraschen von Klärschlamm, Fig. 4 einen Bandtrockner zu Fig. 3,
Fig. 5 ein Blockheizkraftwerk mit einem Vergasungsre¬ aktor, Fig. 6 Einzelheiten zu Fig. 5 und Fig. 7 ein Steuerungsschema.
Die einzelnen Figuren der Zeichnungen zeigen den erfin¬ dungsgemäßen Vergasungsreaktor stark schematisiert, damit sein Aufbau besser gezeigt werden kann. Auch die vorteil¬ haften Verwendungsbeispiele des Vergasungsreaktors bzw. der Bandtrockner sind schematisch dargestellt.
Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Vergasungsreaktors 1 mit einer in einem Reaktorgehäuse 2 eingelassenen Feststoffvorratskammer 4, die über eine Brennstoffzufuhr 6 mit energiereichen, verbrennbaren Feststoffen befüllbar ist. Zur Vergasung wird vorzugs¬ weise Klärschlamm verwendet, der bei den meisten Kläran¬ lagen als Abfallprodukt anfällt. Dieser sehr energierei¬ che Klärschlamm muß jedoch getrocknet werden, bevor er in den Vergasungsreaktor eingefüllt werden kann. Zur Trock¬ nung des Klärschlammes wird vorzugsweise die Abwärme des Vergasungsreaktors und/oder des Dieselmotors verwendet, welcher mit dem aus dem Klärschlamm gewonnenen Produktgas betrieben wird. Der getrocknete Klärschlamm liegt in Form von kleinen, etwa 1 bis 5 cm großen Klumpen, sogenannten Pellets, bzw. als Granulat vor.
Die Feststoffvorratskammer 4 ist schichtartig in mehrere Zonen unterteilt, wobei ganz oben eine Vorrats- und Trocknungszone 8, gefolgt von einer Schwelzone 10 ange¬ ordnet ist. An die Schwelzone 10 schließt sich eine Oxi¬ dationszone 12 an, wobei letztere nahtlos in eine Reduk¬ tionszone 14 übergeht. Im unteren Bereich der Feststoff- Vorratskammer 4 ist dann noch eine Schlackenzone 16 ange- ordnet, die nach unten hin von einem Rost 18 begrenzt ist.
Unterhalb des Rostes 18 ist ein Produktgassammeiraum 20 vorgesehen, in den eine Produktgasleitung 22 hineinragt. Zwischen einem freien Ende der Produktgasleitung 22 und dem Rost 18 ist eine im wesentlichen konvex ausgebildete Glocke 24 angeordnet, deren Öffnung zum freien Ende der Produktgasleitung 22 hin ausgerichtet ist.
Unterhalb der FeststoffVorratskammer 4 ist das Reaktorge¬ häuse 2 mit einer Entleerungsklappe 26 versehen, die ver¬ schwenkbar angeordnet ist. Zusammen mit der Entleerungs¬ klappe 26 lassen sich das freie Ende der Produktgaslei¬ tung 22, die Glocke 24 und der Rost 18 verschwenken, so daß die Feststoffvorratskammer 4 in vollkommen ausge¬ schwenktem Zustand nach unten hin offen ist, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist.
Zwischen der Reduktionszone 14 und der Schlackenzone 16 ist ein elektrisch angetriebener Trennschieber 28 vorge¬ sehen, der in die FeststoffVorratskammer 4 einfahrbar ist.
Der in den Figuren 1 und 2 dargestellte Vergasungsreaktor 1 wird nach einer Anfahrphase kontinuierlich betrieben. Die sich mit der Zeit angesammelte Schlacke wird durch den Trennschieber 28 von den übrigen, glühenden Feststoffpellets abgetrennt. Durch Öffnen der Entlee¬ rungsklappe 26 fällt die abgetrennte Schlacke aus dem Vergasungsreaktor 1 heraus, wie dies in Fig. 2 darge¬ stellt ist. Eine derartige Abtrennung und Entleerung der Schlacke erfolgt in gewissen Abständen, ca. alle 10 bis 15 Minuten. Während der Abtrennung und Austragung der Schlacke wird der Vergasungsprozeß jedoch nicht unterbro¬ chen, sondern fortgeführt.
Im folgenden wird die Funktionsweise eines erfindungsge¬ mäßen Vergasungsreaktors 1 beschrieben:
Die noch leere Feststoffvorratskammer 4 wird durch Öffnen einer Beschickungsschleuse 30 mit getrocknetem Klär¬ schlamm befüllt. Nachdem die Feststoffvorratskammer 4 ihren Sollfüllstand erreicht hat, wird die Beschickungs¬ schleuse 30 geschlossen, so daß der auch ansonsten gas¬ dichte Vergasungsreaktor 1 im Über- bzw. Unterdruckbe¬ trieb (ca. 20 mbar) gefahren werden kann. Die Feststoffvorratskammer 4 ist im Bereich der Oxidations¬ zone 12 eingeschnürt ausgeführt, so daß sich zwischen der Feststoffvorratskammer 4 und dem Reaktorgehäuse 2 ein Ringkanal 32 ausbildet. In diesem Ringkanal 32 wird eine nicht dargestellte Zündvorrichtung, beispielsweise ein Gasbrenner, eingeführt, mit dem die in der FeststoffVor¬ ratskammer 4 befindlichen Klärschlammpellets aufgeheizt und gezündet werden. Parallel dazu wird über eine am Re¬ aktorgehäuse 2 angebrachte Lufteintrittsöffnung 34 Luft und/oder reiner Sauerstoff mittels eines Gebläses 36 in den Ringkanal 32 eingeblasen.
Im Bereich der Oxidationszone 12 sind in der Feststoff¬ vorratskammer 4 Öffnungen 38 vorgesehen, durch die die Luft bzw. der Sauerstoff gleichmäßig in die Oxidations¬ zone 12 eindringen kann, um die in den Pellets stattfin¬ dende Verbrennung zu unterstützen.
Nachdem die Pellets gezündet haben und sich in der Fest- stoffvorratskammer 4 eine Betriebstemperatur von ca. 1400 °C eingestellt hat, wird die Zündvorrichtung ausgeschal¬ tet und entfernt. Nachfolgend wird die in den Pellets stattfindende Reaktion und Ausgasung durch eine mehr oder weniger starke Luft- und/oder Sauerstoffzufuhr gesteuert.
Beim Verglühen verkleinern sich die Pellets und bilden einen zusammenhängenden Schlackeklumpen. Dieser Schlacke- klumpen wird durch den Trennschieber 28, der sich paral¬ lel zum Rost 18 in die FeststoffVorratskammer 4 einschie¬ ben läßt, von den übrigen, die Glut bildenden Pellets ab¬ getrennt. Durch Wegschwenken des Rostes 18, der Entlee¬ rungsklappe 26, der Glocke 24 und die Produktgasleitung 22 öffnet sich die FeststoffVorratskammer 4, so daß der Schlackeklumpen nach unten herausfallen kann. Nachdem der Schlackeklumpen entfernt ist, wird der Rost 18, die Ent¬ leerungsklappe 26, die Glocke 24 und die Produktgaslei¬ tung 22 wieder zurückgeschwenkt, um das Reaktorgehäuse wieder gasdicht zur verschließen. Anschließend wird der Trennschieber 28 wieder herausgezogen, so daß die in der Feststoffvorratskammer 4 befindlichen, glühenden Pellets nach unten auf den Rost 18 durchrutschen. Der in der Vor¬ rats- und Trocknungszone 8 der Feststoffvorratskammer 4 erzeugte Freiraum wird durch Öffnen der Beschickungs- schleuse 30 mit frischen Pellets aufgefüllt.
Die in der Oxidationszone befindliche Glut erwärmt nun¬ mehr die nachgerutschten, frischen Pellets, bis auch diese gezündet sind. Normalerweise wird die in der Oxida¬ tionszone befindliche Glut durch eine Luft- und/oder Sauerstoffzufuhr angeheizt, in Ausnahmefällen jedoch kön¬ nen die nachgerutschten Pellets auch durch ein erneutes Einsetzen der Zündvorrichtung vorgewärmt und gezündet werden.
In einer anderen, nicht dargestellten Ausführungsform ist die Feststoffvorratskammer sehr viel größer ausgeführt und weist mehrere, übereinanderliegende Ringkanäle und Oxidationszonen auf. Hierdurch wird die Verbrennung der Pellets noch intensiver, was zu einer höheren Ausgasung und einer besseren Ausbeute führt.
Im normalen Betrieb des Vergasungsreaktors 1 muß die neu angefallene Schlacke etwa alle 10 bis 15 Minuten abge¬ führt werden. Hierbei ist die Entleerungsklappe nur etwa 10 bis 20 Sekunden lang geöffnet, so daß der Vergasungs- prozeß deshalb nicht unterbrochen werden braucht.
In Fig. 3 ist ein PrinzipablaufSchema zu einer erfin¬ dungsgemäßen Anlage zum Vergasen von Klärschlamm 40 dar¬ gestellt. Der nasse Klärschlamm 40 mit einem Trockensub¬ stanzgehalt zwischen ca. 3 bis 6 % wird in einer Entwäs¬ serungsvorrichtung 41 auf einen Trockensubstanzgehalt von ca. 25 % entwässert. Der entwässerte Klärschlamm 50 wird dann in einer Formgebungseinrichtung 42 in würstchenför- mige Teilstücke 43 mit ca. 12 mm Durchmesser und einer Länge von ca. 30 bis 100 mm strukturiert.
Die Formgebungseinrichtung 42 umfaßt beispielsweise eine Matrize mit Perforationslöchern, durch die der Klärschlamm 50 mittels eines Pressorgans hindurchgepreßt wird. Eine derartige Formgebungseinrichtung 42 ist in den Dokumenten EP 0225351 Bl und DE 4446739 AI beschrieben. Durch die Bildung würstchenförmiger Strangteile in der Formgebungseinrichtung 42 wird die Oberfläche der struk¬ turierten Klärschlammteilstücke 43 für die zur Trocknung erforderliche Wärmezufuhr vergrößert und der Feuchteent¬ zug aus dem Material verbessert . Hiermit wird eine hohe spezifische Trocknungsleistung erzielt. Eine besonders vorteilhafte Ausbildung einer Formgebungseinrichtung 42 ist in dem Dokument EP 0225351 Bl in Fig. 1 beschrieben. Die strukturierten Teilstücke 43 werden auf einem Trans¬ portband durch einen Bandtrockner 44 transportiert. Das Transportband weist eine Schlitzlochung auf, welche die Belüftung der Teilstücke 43 unterstützt. Die strukturier¬ ten Teilstücke sind auf den Transportband derart gela¬ gert, daß sie möglichst wenig bewegt werden und damit die Reibung untereinander minimiert ist. Dadurch wird die Staubbildung vermieden.
Die Trocknungszone des Bandtrockners 44 ist in einzelne Trocknungskammern unterteilt, in denen das zu trocknende Gut mit heißen Trocknungsgasen durchströmt wird. Die Trocknungskammern sind unterteilt in einen Produktraum, in dem das Transportband mit dem darauf befindlichen Klärschlamm von Trocknungsluft durchströmt wird, und einen Umlufträum, in dem die Wärmeenergie der Trocknungs- luft zugeführt wird. Ein sich im Umlufträum befindender Ventilator sorgt für die Zirkulation der Umluft bzw. die Erzeugung des Umluftstromes. Bei indirekter Beheizung ist dort zusätzlich ein Wärmetauscher angeordnet, der für die zur Trocknung notwendige Erhöhung der Trocknungslufttem¬ peratur sorgt.
Die einzelnen Trocknungskammern sind untereinander so ab¬ gedichtet, daß eine gegenseitige Beeiflussung der Umluft- ströme vermieden wird. Durch seitliche Öffnungen in den Trocknungskammern wird die zum Transport der Brüden not¬ wendige Transportluft zu- bzw. abgeführt. Diese wird als axiale Verschiebeluft innerhalb des Trockners im Gegen¬ strom zur Tansportrichtung des Klärschlammes geführt. In Verbindung mit der Umluft resultiert daraus ein Kreuzge¬ genstrom. Durch diesen Kreuzgegenstrom trifft der nasse Klärschlamm auf schon mit Feuchte beladene Trocknungs- luft. Hierdurch wird verhindert, daß sich die Poren der Granulate verschließen und dadurch die Trocknung behin¬ dert wird.
Die Trocknung des Klärschlammes wird noch durch den Schrumpfungsprozeß der Granulate und die im Klärschlamm enthaltenen Inhomogenitäten, die zu einer tannenbaumför- migen Auffächerung der Oberfläche der Klärschlammstücke führt, intensiviert. Weitere Einzelheiten des Bandtrock¬ ners 44 sind in Verbindung mit Fig. 4 erläutert.
Im Auslaufteil des Bandtrockners 44 werden die getrockne¬ ten Teilstücke vom Transportband abgenommen und mittels einer Fördervorrichtung weitergefördert. Der Trockensub¬ stanzgehalt liegt bei ca. 95 %. Die getrockneten Teil¬ stücke bzw. das Granulat 45 haben eine solche Lockerheit und Porosität, das sie zu einer stabilen Schüttung in dem Vergasungsreaktor 1 aufgeschichtet und vergast werden können.
In dem Vergasungsreaktor 1 wird durch Hochtemperaturver¬ gasung bei Temperaturen von ca. 850 °C bis 1000 °C aus getrocknetem Klärschlamm durch unterstöchiometrische Ver¬ brennung (Vergasung) ein brennbares Produktgas 23 er¬ zeugt. Das Produktgas 23 kann als Brennkraftstoff zum Be¬ treiben einer Brennkraftmaschine 46 verwendet werden, die elektrische Energie 47 und/oder thermische Energie 48 er¬ zeugen kann.
Der dem Vergasungsreaktor 1 zugeführte Brennstoff durch¬ wandert diesen von oben nach unten in einer relativ sta¬ bilen Schüttung bei steigenden Temperaturen bis zum Er¬ reichen der Glutzone. Bei etwa 150 °C beginnen leicht¬ flüchtige Substanzen aus dem Material auszugasen. Mit steigenden Temperaturen bilden sich Pyrolysegase, die in der Glutzone bei Temperaturen um 1000 °C aufgespalten und teilweise verbrannt werden. In der nachfolgenden Redukti¬ onszone reagieren die gasförmigen Bestandteile unterein¬ ander sowie mit dem noch nicht vergasten Kohlenstoff. Da¬ bei entsteht das eigentliche Produktgas 23, dessen brenn¬ bare Hauptbestandteile Kohlenmonoxid, Methan und Wasser¬ stoff sind.
Aufgrund der hohen Temperaturen entsteht ein weitgehend öl- und teerfreies Produktgas 23. Sein Heizwert beträgt ca. 4000 kJ/m3. Das Produktgas 23 (Brenngas) wird vor¬ zugsweise über einen Filter zur Entstaubung aus dem Ver¬ gasungsreaktor 1 abgezogen. Die bei hohen Temperaturen entstehenden Schlacken werden durch einen speziellen Aus¬ tragungsmechanismus schichtenweise aus dem Vergasungs¬ reaktor 1 ausgetragen. Der Glührückstand der Schlacke kann kleiner als 1 Gewichtsprozent sein.
Vorteilhafterweise kann Produktgas 23 des Vergasungsreak¬ tors 1 zum Trocknen des Brennstoffs für den Vergasungsre¬ aktor 1 in dem Bandtrockner 44, wo es zu Heizzwecken ver¬ brannt wird, verwendet werden. Auch die thermische Ener¬ gie 48 der Brennkraftmaschine 46 oder deren Abwärme 49 des Motors, des Motorkühlwassers oder Abgases kann vor¬ teilhafterweise zum Trocknen dem Bandtrockner 44 zuge¬ führt werden.
Die Brennkraftmaschine 46 ist vorteilhafterweise ein Gas- Diesel-Motor, d.h. ein Zweistoffbrenner für Gas- und Dieselbetrieb; dies hat Vorteile für eine konstante Kraft- oder Stromerzeugung. Das Produktgas 23 kann über einen Gaskühler angesaugt, verdichtet und durch Ein¬ spritzen von Diesel oder Heizöl in einem Anteil von bei¬ spielsweise 10 bis 20 % gezündet werden. Die Anwendung der Zündstrahltechnik ermöglicht dabei die sichere Zün¬ dung und gute gleichmäßige Verbrennung des Produktgases 23. Darüber hinaus werden Schwankungen beim Heizwert des Produktgases ausgeglichen. Die Brennkraftmaschine 46 be¬ findet sich vorteilhafterweise mit einem angeflanschten Synchrongenerator sowie den Wärmetauschern für Motorkühl- wasser und Abgas in einer kompakten, schnell demontier¬ baren Schall- und Wärmedämmhaube. Die Strahlungswärme kann über einen Drucklüfter abführt werden. Die Motor-, Kühlwasser- und Abgaswärme wird auf einen Heizkreislauf übertragen und zum Trocknen des Klärschlammes eingesetzt. Das Abgas des Verbrennungsmotors kann zusätzlich kataly- tisch gereinigt werden.
Mit der beispielhaft dargestellten Anlage sind verschie¬ dene ökologische und ökonomische Vorteile bei der Klär¬ schlammvergasung erzielbar. Aus dem kostenlos zur Ver¬ fügung stehenden, ansonsten nur mit erheblichen wirt¬ schaftlichen Aufwendungen entsorgbaren Energieträger Klärschlamm wird gekoppelt Strom und Wärme erzeugt. Dabei wird die Kohlendioxidbelastung der Umwelt reduziert, da der Klärschlamm nachgeliefert wird. Die erzeugte elektri¬ sche Energie 47 kann zur Deckung der elektrischen Grund¬ last einer Kläranlage verwendet werden, sowie der voll¬ ständigen Deckung des Eigenbedarfs der Trocknungs- und Vergasungsanlage. Das Austrocknen des Klärschlammes vor der Vergasung kann weitgehend oder sogar ausschließlich mit seinem eigenen Energiegehalt erfolgen, so daß nur wenig oder gar keine zusätzliche Energie erforderlich ist. Der Klärschlamm 40 wird auf seinen Ascherückstand reduziert und die Aschen können beispielsweise im Stra¬ ßenbau oder in der Baustoffindustrie verwendet werden.
Das gesamte Verfahren der thermischen Verwertung des Klärschlamms 40 weist eine positive Energiebilanz auf. Eine beispielhafte Anlage, in der 50 bis 100 kg/h trocke¬ ner Klärschlamm in einem Vergasungsreaktor 1 vergast wird, benötigt ca. 150 kW thermische und 10 kW elektri¬ sche Energie zum Entwässern und Trocknen des Klärschlamms 40. Abfallprodukt dieses Vorganges ist ein Filtrat oder Kondensat. Der Vergasungsreaktor 1 erzeugt aus dem Klärschlamm ca. 80 kW thermische Leistung und außer dem Ascherückstand Produktgas 23, das in der Brennkraftma¬ schine 46 60 kW elektrische und 120 kW thermische Lei¬ stung erzeugen kann.
Besonders vorteilhafte Ergebnisse werden erzielt, wenn die Formgebungseinrichtung 42 und die Wasserentzugsvor¬ richtung, das heißt der Bandtrockner 44, zur Erzeugung eines im Vergasungsreaktor 1 unter günstigen Bedingungen vergasbaren Granulats 45 ausgebildet sind. Dabei haben sich insbesondere die in den Dokumenten EP 0225351 Bl und DE 4013761 C2 beschriebene Formgebungseinrichtungen 42 und Bandtrockner 44, insbesondere bei geeigneter Größe der strukturierten Teilstücke 43, als vorteilhaft her¬ ausgestellt. Durch das Strukturieren wird die Oberfläche der Teilstücke 43 vergrößert und eine hohe spezifische Trocknungsleistung ermöglicht.
Die Figur 4 erläutert einen solchen Bandtrockner 44 nä¬ her. Der vorentwässerte Klärschlamm 50 wird der Formge¬ bungseinrichtung 42 zugeführt. Die geformten Teilstücke 43 werden auf die Fördereinrichtung 51 gegeben, bei der es sich um eine Bandfördereinrichtung handelt. Die würst- chenförmigen, brockigen oder auch anders geformten Teil¬ stücke 43 werden in einem schichtfδrmigen durchlüftbaren Trocknungshaufwerk 53 angeordnet. Die Fördereinrichtung 51 bzw. das Endlosband 53 ist luftdurchlässig ausgebildet und wird mit der Vorschubgeschwindigkeit 54 durch den Bandtrockner 44 bewegt. Hierbei wird das durchlüftbare Trocknungshaufwerk 52 aus den zu trocknenden Teilstücken 43 durch den Trockner bewegt. Ein Trockengasstrom 55 wird dabei abwechselnd durch das luftdurchlässige Endlosband 53 und das Trocknungshaufwerk 52 bzw. in umgekehrter Richtung durchgeleitet, wobei der Trockengasstrom 55 im Gegenstrom zu der Vorschubgeschwindigkeit 54 von ca. 0,2 bis 0,4 m/min gelenkt wird.
Die Trocknungszone ist in einzelne Trocknungskammern auf¬ geteilt. In jeder Trocknungskammer wird das Trocknungs¬ haufwerk 52 mit heißen Trockengasen 55 durchströmt. Durch einen Schrumpfungsprozeß der Teilstücke 43 und die im Klärschlamm enthaltenen Ungleichartigkeiten entsteht eine vorteilhafte tannenbaumförmige Auffächerung der Oberflä¬ che.
Die Beheizung und Lüftung kann in vielfältiger Weise aus¬ geführt werden. Bei einer direkten oder indirekten Behei¬ zung kann zur Minimierung der Abluftbelastung der Luft- strom im Umluftkreislauf geführt werden. Nur ein geringer Luftanteil wird nach dem Trocknen als Abluft über einen Biowäscher oder einen Biofilter in die Umgebung abgegeben. Eine indirekte Beheizung bietet sich vor allem dann an, wenn Fremdenergie, z.B. in Form von Dampf oder Thermalöl zur Verfügung steht.
Weitere Einzelheiten sind in den genannten Literaturstel¬ len beschrieben. Mit einem solchen Bandtrockner 44 kann zur intensiven Wasserverdampfung die Oberfläche des Klärschlammes vergrößert werden, zur Erzielung niedriger Wartungskosten eine unaufwendige Konstruktion mit lang¬ samlaufenden Teilen realisiert werden, eine geringe Ab- luftmenge erzeugt, und durch eine interne Wärmerückgewin¬ nung ein geringer Energiebedarf erzielt werden.
Die Figuren 5 bis 7 veranschaulichen vorteilhafte Mög¬ lichkeiten zur Einbindung eines erfindungsgemäßen Ver- gasungsreaktors 1 in ein Modul eines Blockheizkraftwerks 56 zur Erzeugung von Wärme und Strom. Das Blockheizkraft¬ werk 56 umfaßt eine Brennkraftmaschine 46 in einer Schalldämmhaube 57, die über einen angeschlossenen Gene¬ rator 58 elektrische Energie 47 erzeugt. Die elektrische Energie 47 kann entweder in das Netz eingespeist oder zum direkten Antreiben elektrischer Motoren verwendet werden. Die Brennkraftmaschine 46 ist eine Gas- oder Gas-Diesel- Maschine, die im letztgenannten Fall mit Zündöl 59 ver¬ sorgbar ist. Das Innere der Schalldämmhaube 57 wird mit¬ tels Kühlluft 66 gekühlt.
Die Brennkraftmaschine 46 kann mittels Produktgas 23 ei¬ nes Vergasungsreaktors 1 oder alternativ mittels Erdgas betrieben werden. Der Vergasungsreaktor 1 wird mit einem geeignetem Brennstoff, insbesondere mit zu Granulat 45 getrocknetem Klärschlamm gespeist. Er weist eine Ver¬ gasungsluftzufuhr 60 auf und erzeugt neben dem Produktgas 23 noch Asche oder Schlacke 61.
Die Abwärme der Brennkraftmaschine 46 kann auf verschie¬ dene Weise genutzt werden. Das Abgas 62 wird einem Abgas- Wärmetauscher 63 zugeführt, in dem Abgaswärme entzogen wird, und anschließend über einen Abgaskamin 64 oder einen Auspuff abgelassen. Mittels des Abgaswärmetauschers 63 wird thermische Energie 48 gewonnen, die beispiels¬ weise zu Heizzwecken verwendet werden kann oder mittels der der Trockengasstrom 55 einer Wasserentzugsvorrich¬ tung, insbesondere eines Bandtrockners 44 erwärmbar ist. Die thermische Energie 48 kann wasser- oder luftgebunden vorliegen. Der Rücklauf dieses Kreislaufes kann über einen Kühlwasserwärmetauscher 65 mittels des Motorkühl- wassers 78 der Brennkraftmaschine 46 vorgewärmt werden. Die Figur 6 veranschaulicht die Einbindung eines Band¬ trockners 44 in den Betrieb eines Blockheizkraftwerks 56. Entwässerter Klärschlamm 50 wird mittels einer Formge¬ bungseinrichtung 42, die einen Distributor 67, einen Do¬ sierer 68, einen Verteiler 69 und Matrizenklammern 70 um¬ faßt, in strukturierte Teilstücke 43 geformt, die in den Bandtrockner 44 eingebracht und darin getrocknet werden. Der Bandtrockner 44 weist mehrere Trocknungskammern auf, die in dem dargestellten Beispielsfall jeweils gleichsin¬ nig von oben nach unten von einem Trockengasstrom 55 durchströmt werden. Das getrocknete Granulat 45 wird in einem Vergasungsreaktor 1 vergast, wobei Schlacke 61 und Produktgas 23 entstehen. Mittels des Produktgases 23 wird die Brennkraftmaschine 46 des Blockheizkraftwerks 56 ge¬ speist.
Der Trockengasstrom 55 des Bandtrockners 44 wird als Um¬ luft 71 im Kreis geführt, wobei ein geringer Teil als Ab¬ luft 72 abgegeben wird. Der Trockengasstrom 55 kann er¬ forderlichenfalls mittels eines Brenners 73, der mit ei¬ nem fossilen Energieträger 74, beispielsweise Öl, Gas oder Faulgas, und mit Verbrennungsluft 75 gespeist wird, erhitzt werden. Zur Wärmerückgewinnung können eine oder mehrere der nachfolgend beschreibenen Wärmetauscher vor¬ handen sein.
Ein erster Wärmetauscher 76, 77 dient zum Erwärmen des Trockengasstromes 55 mittels aus dem Trockengasstrom 55 rückgewonnener thermischer Energie. Ein zweiter Wärmetau¬ scher 65 dient zum Erwärmen des Trockengasstromes 55 mit¬ tels aus dem Motorkühlwasser 78 der Brennkraftmaschine 46 rückgewonnener thermischer Energie. Mittels eines dritten Wärmetauschers 63 kann thermische Energie aus dem Abgas 62 zurückgewonnen werden. Ein weiterer Wärmetauscher 79 kann zum Wärmeaustausch zwischen dem Abgas 62 und dem Kühlwasser 78 vorgesehen sein. Die Umluft 71 oder die Ab¬ luft 72 können mittels Kühlwasser 80 gekühlt werden.
Die Figur 7 veranschaulicht ein Steuerungsschema eines Blockheizkraftwerks 56. Mit 81 ist die Schlammaufgabe des Bandtrockners 44 bezeichnet. Der getrocknete Klärschlamm wird mittels der Trockengutübergabe 82 dem Vergasungsre¬ aktor 1 zugeführt. Mittels des Produktgases 23 kann das Blockheizkraftwerk 56 bzw. dessen Gasmotor 46 gespeist werden. Die Abwärme 84 des Gasmotors 46 wird ebenfalls dem Bandtrockner 44 oder dem Blockheizkraftwerk 56 zugeführt. Der Gasmotor 46 oder das Blockheizkraftwerk 56 können mit einem fossilen Energieträger 74 (Erdgas) oder Produktgas 23 gespeist werden. Die Abwärme 85 des Bandtrockners 44 wird ebenfalls dem Blockheizkraftwerk 56 zugeführt oder in der internen Wärmerückgewinnung des Bandtrockners 44 genutzt.
Mittels einer Solaranlage 86 kann dem Bandtrockner 44 oder dem Blockheizkraftwerk 56 Wärmeenergie zugeführt werden. Ferner ist eine Wärmepumpe 87 vorgesehen, mittels der aus der Umgebung gewonnene Wärmeenergie dem Block¬ heizkraftwerk 56 oder dem Bandtrockner 44 zugeführt wer¬ den kann. Überschüssige Wärmeenergie kann zur Warmwasser¬ erzeugung oder für eine Heizungsanlage verwendet werden.
Zur Steuerung der Anlage und zur Optimierung des Betrie¬ bes unter ökologischen und/oder ökonomischen Gesichts¬ punkten ist eine Steuereinrichtung 88 vorgesehen. Die Steuereinrichtung 88 arbeitet vorzugsweise automatisch, wobei sie vorteilhafterweise einen Betriebsdatenspeicher zum Speichern von Betriebsparametern umfaßt. Betriebspa¬ rameter im diesen Sinne sind beispielsweise der Erdgas- preis, der Strompreis oder Kenngrößen der Wärmepumpe. Ferner ist eine Zustandsgrδßenerfassung zum Erfassen des Betriebszustandes der Anlage, beispielsweise der Menge der erzeugten Abwärme, der Menge des Produktgases 23 oder des Gasverbrauchs oder des Betriebszustandes der Wärme¬ pumpe 87 vorgesehen.
Die Steuereinrichtung 88 umfaßt auch ein Steuerungssystem zum Steuern des Blockheizkraftwerkes und der daran ange¬ schlossenen Komponenten, die eine oder mehrere der darge¬ stellten umfassen können. Nach einem vorteilhaften Merk¬ mal ist vorgeschlagen, daß ein Lernspeicher vorgesehen ist, in dem bei dem Betrieb der Anlage gesammelte Erfah¬ rungswerte gespeichert sind, sowie eine Entscheidungsein¬ heit zum Prognostizieren des künftigen Betriebes durch einen Vergleich des aktuellen Betriebszustandes mit den Erfahrungswerten und zum Steuern der Anlage auf Basis des Ergebnisses dieses Vergleichs. Vorteilhafterweise können dabei die Daten in dem Lernspeicher nach Tageszeit und/oder Wochentag geordnet gespeichert sein.
Bezugszeichenliste
Vergasungsreaktor Reaktorgehäuse Feststoffvorratskammer Brennstoffzufuhr Vorrats- und Trocknungszone Schwelzone Oxidationszone Reduktionszone Schlackenzone Rost Produktgassammelräum Produktgasleitung Produktgas Glocke Entleerungsklappe Trennschieber Beschickungsschleuse Ringkanal Lufteintrittsδffnung Gebläse Öffnungen Klärschlamm Entwässerungsvorrichtung Formgebungseinrichtung Teilstücke Bandtrockner Granulat Brennkraftmaschine Elektrische Energie Thermische Energie Abwärme Vorentwässerter Klärschlamm Fördereinrichtung Trocknungshaufwerk Endlosband Vorschubgeschwindigkeit Trockengasstrom Blockheizkraftwerk Schalldämmhaube Generator Zündöl Vergasungsluftzufuhr Schlacke Abgas Abgaswärmetauscher Abgaskamin Kühlwasserwärmetauscher Kühlluft Distributor Dosierer Verteiler Matrizenklammern Umluft Abluft Brenner Fossiler Energieträger Verbrennungsluft Erster Wärmetauscher Erster Wärmetauscher Motorkühlwasser Weiterer Wärmetauscher Kühlwasser Schlammaufgabe TrockengutÜbergabe 84 Abwärme zu 46
85 Abwärme zu 44
86 Solaranlage
87 Wärmepumpe
88 Steuereinrichtung

Claims

Patentansprüche
1. Gleichstrom-Festbettvergasungsreaktor (1) zur Verga¬ sung organischer, aschereicher und zur Schlackenbil¬ dung neigender Feststoffe mit einer Feststoffvorrats¬ kammer (4) zur Aufnahme der Feststoffe, die nach un¬ ten hin durch einen Rost (18) begrenzt ist, und mit einer Produktgasleitung (22) zum Abtransport des ausgegasten Produktgases, wobei die FeststoffVorrats¬ kammer (4) eine eine Luft- und/oder Sauerstoffzufuhr aufweisende Oxidationszone (12) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß dem Rost (18) eine Schlackentrennvorrichtung und ein Austragungsmechanismus, mittels dessen die abgetrenn¬ te Schlacke aus dem Vergasungsreaktor herausförderbar ist, nachgeschaltet sind und daß die Luft- und/oder Sauerstoffzufuhr einen umlaufenden Ringkanal (32) aufweist, der über eine Anzahl von Öffnungen (38) mit der Oxidationszone (12) verbunden ist.
2. Vergasungsreaktor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlackentrennvorrichtung als im wesentlichen parallel zum Rost (18) ausgerichteter Trennschieber (28) ausgebildet ist.
3. Vergasungsreaktor (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Trennschieber (28) etwa 5 cm bis 50 cm, vorzugsweise 20 cm oberhalb des Rostes
(18) angeordnet ist. 4. Vergasungsreaktor (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf der dem Rost (18) abgewandten Seite des Trennschiebers (28) nach obern ragende Stege oder Stifte angebracht sind.
5. Vergasungsreaktor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Austra¬ gungsmechanismus eine unterhalb der Schlackentrenn¬ vorrichtung angeordnete, schwenkbar gelagerte Entlee¬ rungsklappe (26) aufweist.
6. Vergasungsreaktor (1) nach Anspruch 5, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß der Rost (18) und die Entlee¬ rungsklappe (26) derart schwenkbar gelagert sind, daß im verschwenkten Zustand die gesamte Querschnittsflä¬ che des Vergasungsreaktors zum Auswurf der abgetrenn¬ ten Schlacke freigegeben ist.
7. Vergasungsreaktor (1) nach Anspruch 6, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß der Rost (18) mit der Entlee¬ rungsklappe (26) fest verbunden ist.
8. Vergasungsreaktor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb des Rostes (18) und oberhalb eines freien Endes der Pro¬ duktgasleitung (22) eine Glocke (24) vorgesehen ist.
9. Vergasungsreaktor (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Glocke (24) zusammen mit dem freien Ende der Produktgasleitung (22) und der Entleerungsklappe (26) verschwenkbar angeordnet ist.
10. Vergasungsreaktor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Feststoff- Vorratskammer (4) mehrere, übereinander angeordnete Oxidationszonen (12) aufweist.
11. Vergasungsreaktor (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Oxidationszone (12) eine Reduktionszone (14) nachgeschaltet ist.
12. Vergasungsreaktor (1) nach Anspruch 10 oder 11, da¬ durch gekennzeichnet, daß jede Oxidationszone (12) eine unabhängige Luft- und/oder Sauerstoffzufuhr auf¬ weist.
13. Vergasungsreaktor (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß jede Oxidationszone (12) einen unabhängigen Ringkanal (32) aufweist.
14. Vergasungsreaktor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich je¬ der Oxidationszone (12) eine Zündvorrichtung anbring¬ bar ist, mittels der die Feststoffe auf Zünd- bzw. Glühtemperatur erhitzbar sind.
15. Vergasungsreaktor (1) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündvorrichtung ein elektri¬ scher Heißgaserzeuger, ein Ölbrenner oder ein Gas¬ brenner ist.
16. Vergasungsreaktor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Luft- und/oder Sauerstoffzufuhr zwangsangetrieben erfolgt, wozu an einer Lufteintrittsöffnung (34) des Verga¬ sungsreaktors ein Gebläse (36) angebracht ist, oder wozu an der Produktgasleitung (22) eine Saugvorrich¬ tung angebracht ist. 17. Vergasungsreaktor (1) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere voneinander unabhängige Gebläse (36) zum Versorgen verschiedener Oxidations¬ zonen (12) mit Luft und/oder Sauerstoff vorgesehen sind.
18. Vergasungsreaktor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Quer¬ schnitt der Oxidationszone (12) kleiner ist als der¬ jenige benachbarter Zonen.
19. Vergasungsreaktor (1) nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Oxidationszone (12) zu den benachbarten Zonen hin konisch verbreitert.
20. Vergasungsreaktor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Produktgas mit im wesentlichen CO, CH4, H2 sowie geringen Mengen an C2 Gasen entsteht.
21. Verfahren zum Vergasen biologischer, organischer Brennstoffe, insbesondere von Rest- oder Abfallstof¬ fen wie Klärschlamm (40) , Holz, Gülle oder derglei¬ chen, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffe als Feststoff in einem Vergasungsreaktor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 20 vergast werden.
22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff vor dem Vergasen auf einen Trok- kensubstanzgehalt von 80 bis 99 %, bevorzugt zwischen 85 und 95 %, getrocknet wird.
23. Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß der Brennstoff in Teilstücke (43) mit einer definierten geometrischen Raumform, Vorzugs- weise in im wesentlichen gleichartig geformte Teil¬ stücke (43) geformt wird.
24. Verfahren nach einen der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff mittels einer Formgebungseinrichtung (42) in Teilstücke (43) ge¬ formt wird, bei denen das Verhältnis der Quadratwur¬ zel aus der Hüllfläche zu der Kubikwurzel aus dem Vo¬ lumen auf einen Wert größer als 1,0, bevorzugt zwi¬ schen 2,0 und 3,5 eingestellt wird.
25. Verfahren nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß der Brennstoff in Würstchen-, Spa¬ ghetti- oder nudeiförmige Teilstücke (43) geformt wird.
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Teilstücke
(43) größer als 5 mm, bevorzugt größer als 8 mm und besonders bevorzugt größer als 10 mm ist.
27. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Teilstücke
(43) kleiner als 50 mm, bevorzugt kleiner als 35 mm und besonders bevorzugt kleiner als 20 mm ist.
28. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff vor dem Formen in Teilstücke (43) mittels einer, vorzugsweise mechani¬ schen, Entwässerungsvorrichtung (41) auf einen Trockensubstanzgehalt zwischen 15 und 45 %, vorzugs¬ weise zwischen 20 und 35 % entwässert wird.
29. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff mittels einer Formgebungseinrichtung (41) geformt wird, die eine Förderschnecke, ein Förderband, einen Trogketten¬ förderer oder ein Becherwerk, eine Aufnahmeeinrich- tung für eine bestimmte Menge des mittels der Förder¬ schnecke transportierten Brennstoffs, eine Matrize mit Perforationslöchern und ein Pressorgan, mittels desen der vorzugsweise pastöse Brennstoff durch die Perforationslöcher unter Ausbildung würstchenförmiger Teilstücke (43) durchgepresst wird, aufweist.
30. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff, insbesondere mit¬ tels einer Formgebungseinrichtung (42) in Teilstücke (43) geformter Brennstoff, mittels einer Wasserent¬ zugsvorrichtung getrocknet wird.
31. Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß die Wasserentzugsvorrichtung ein Trockner mit ei¬ ner Trocknungseinrichtung ist, in der der Brennstoff mit heißer Trocknungsluft (55) getrocknet wird.
32. Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß der Trockner ein Bandtrockner (44) mit einer Bandfördereinrichtung (53) zum Fördern des darauf aufgebrachten Brennstoffs durch die Trocknungsein¬ richtung ist, wobei die Bandfördereinrichtung Perfo¬ rationsöffnungen aufweist und ein Trockengasstrom
(55) die Perforationsöffnungen und die Brennstoff- Schicht (52) durchströmt.
33. Verfahren nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß die Bandfördereinrichtung (53) von einem die Trocknungseinrichtung bildenden Trocknungsofen umge¬ ben ist, der in Längsrichtung der Bandfördereinrich¬ tung (53) mehrere Kammern aufweist, in denen Trock- nungsluft (55) im Gegenstrom abwechselnd hin- und hergehend durch die Perforationsδffnungen der Band¬ fördereinrichtung (53) und die Brennstoffschicht (52) geleitet wird.
34. Verfahren nach einem der Ansprüche 30 bis 33, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff derart getrocknet wird, daß die strukturierten Teilstücke (43) an der Außenfläche eine harte, trockene Kruste aufweisen, die eine weichere Kernzone mit einem höheren Feuchtegehalt umgibt.
35. Verfahren nach einem der Ansprüche 30 bis 34, dadurch gekennzeichnet, daß Produktgas (23) des Vergasungsre¬ aktors (1) zum Trocknen des Brennstoffs für den Vergasungsreaktor (1) in der Wasserentzugsvorrichtung verwendet wird.
36. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 35, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffe als Granulat (45) mit einer offenporigen, porösen Struktur vergast wer¬ den.
37. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 36, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffe als Granulat (45) vergast werden, die zu einem stabilen, luftdurchläs¬ sigen Haufwerk in dem Vergasungreaktor (1) aufge¬ schüttet werden.
38. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 37, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffe mit einer Schütt¬ höhe zwischen 0,5 und 4 m, bevorzugt zwischen 1,0 und 2,5 m in dem Vergasungsreaktor (1) aufgeschüttet wer¬ den. 39. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 38, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffe unter Aufrechter¬ haltung einer luftdurchlässigen Schüttung dosiert in die Schwelzone (10) des Vergasungsreaktors (1) einge¬ füllt werden.
40. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 39, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffe in einer Aufgabe¬ vorrichtung des Vergasungsreaktors (1) mechanisch segmentiert werden.
41. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 40, dadurch gekennzeichnet, daß Produktgas (23) des Vergasungsre¬ aktors (1) als Brennkraftstoff zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (46) verwendet wird.
42. Verfahren nach Anspruch 41, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkraftmaschine (46) zur motorischen Er¬ zeugung mechanischer Leistung, beispielsweise bei ei¬ ner Pumpe oder einem Gebläse, dient.
43. Verfahren nach Anspruch 41 oder 42, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß die Brennkraftmaschine (46) ein Gas-Diesel-Motor ist.
44. Verfahren nach einem der Ansprüche 41 bis 43, dadurch gekennzeichnet, daß Motor-, Kühlwasser- oder Abgas¬ wärme (49) der Brennkraftmaschine (46) zum Trocknen des Brennstoffs für den Vergasungsreaktor (1) in ei¬ ner Wasserentzugsvorrichtung verwendet wird.
45. Anlage zum Entsorgen von Klärschlamm (40), dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Vergasungsreaktor (1) nach einem der Ansprüche l bis 20 aufweist und gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 44 betreibbar ist.
46. Anlage zum Erzeugen von Brenngas, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß sie einen Vergasungsreaktor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 20 aufweist und gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 44 betreib¬ bar ist.
47. Blockheizkraftwerk (56) zur Erzeugung von elektri¬ scher Energie (47) und von thermischer Energie (48) durch das Verbrennen eines Brennkraftstoffs in einer Brennkraftmaschine (46) , dadurch gekennzeichnet, daß es einen Vergasungsreaktor (1) nach einem der Ansprü¬ che 1 bis 20 aufweist, dessen Produktgas (23) als Brennkraftstoff für die Brennkraftmaschine (46) dient.
48. Blockheizkraftwerk (56) nach Anspruch 47, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß der Vergasungsreaktor (1) gemäß ei¬ nem Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 44 be¬ treibbar ist.
49. Blockheizkraftwerk (56) nach Anspruch 48, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß es einen Wärmetauscher (76, 77) zum Erwärmen eines Trockengasstromes (55) einer Wasser¬ entzugsvorrichtung, insbesondere eines Bandtrockners (44) , mittels aus dem Trockengasstrom (55) rückgewon¬ nener thermischer Energie aufweist.
50. Blockheizkraftwerk (56) nach Anspruch 48 oder 49, da¬ durch gekennzeichnet, daß es einen Wärmetauscher (65) zum Erwärmen eines Trockengasstromes (55) einer Was¬ serentzugsvorrichtung, insbesondere eines Bandtrock¬ ners (44) , mittels aus dem Kühlwasser (78) der Brenn- kraftmaschine (46) rückgewonnener thermischer Energie aufweist.
51. Blockheizkraftwerk (56) nach einem der Ansprüche 48 bis 50, dadurch gekennzeichnet, daß es einen Wärme¬ tauscher (63) zum Erwärmen eines Trockengasstromes (55) in einer Wasserentzugsvorrichtung, insbesondere einem Bandtrockner (44) , mittels aus dem Abgas (62) der Brennkraftmaschine (46) rückgewonnener thermi¬ scher Energie aufweist.
52. Blockheizkraftwerk (56) nach einem der Ansprüche 47 bis 51, dadurch gekennzeichnet, daß es einen Brenner
(73) zum Erhitzen eines Trockengasstromes (55) einer Wasserentzugsvorrichtung, insbesondere eines Band¬ trockners (44) , mittels eines primären Energieträgers
(74) aufweist.
53. Blockheizkraftwerk (56) nach einem der Ansprüche 47 bis 52, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Solaran¬ lage (86) aufweist, mittels der Trocknungsluft (55) einer Wasserentzugsvorrichtung, insbesondere eines Bandtrockners (44) , oder der Heizkreis des Blockheiz¬ kraftwerkes (56) aufheizbar ist.
54. Blockheizkraftwerk (56) nach einem der Ansprüche 47 bis 53, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Steuer¬ einrichtung (88) aufweist, die einen Betriebsdaten¬ speicher zum Speichern von Betriebsparametern, eine Zustandsgrößenerfassung zum Erfassen des Betriebszu¬ standes, ein Steuerungssystem zum Steuern des Block¬ heizkraftwerkes (56) und der daran angeschlossenen Komponenten, einen Lernspeicher zum Speichern von bei den Betrieb gesammelten Erfahrungswerten und eine Entscheidungseinheit zum Prognostizieren des künfti- 48
gen Betriebs durch einen Vergleich der aktuellen Be- triebszustandsgrößen mit den Werten des Lernspeichers und zum Steuern des Blockheizkraftwerkes (56) und der daran angeschlossenen Komponenten mittels des Steue¬ rungssystems aufweist.
55. Blockheizkraftwerk (56) nach Anspruch 54, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß in dem Lernspeicher nach Tageszei¬ ten und/oder Wochentagen geordnete Erfahrungswerte gespeichert sind.
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