WO2007093428A1 - Verfahren und vorrichtung zum erzeugen von gas aus kohlenstoffhaltigem material - Google Patents

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carbonaceous material
gasification
pyrolysis
gas
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Jörg KEMPER
Frank Lohmann
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Native Power Solutions Gmbh & Co. Kg
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Definitions

  • the present invention relates to a method and apparatus for producing CO and H 2 -containing gas from carbonaceous material. Further, the invention relates to a device for generating electrical energy by pyrolysis and gasification of carbonaceous materials to CO and H 2 -containing gas with a gasification reactor, a powered by the CO and H 2 gas-containing engine and a motor-driven power generator.
  • the gasification generally takes place in several steps: drying / heating for preparation, pyrolysis and gasification, namely the reaction of the pyrolysis products by oxidation and reduction.
  • the resulting gas contains i.a. Hydrogen, carbon monoxide and methane, which can serve as fuel.
  • the composition of the resulting gas depends on the reaction gas used and the temperature at which the gasification takes place. At higher temperatures, the concentration of hydrogen and carbon monoxide increases and decreases the concentration of methane.
  • From DE 32 33 774 A1 discloses a method and a plant for gasification of carbonaceous material to a mainly consisting of CO and H 2 gas mixture are known in which the carbonaceous material is input in particulate form in a shaft furnace to a predetermined level.
  • the shaft furnace has plasma torches on the ground on.
  • CO 2 or H 2 O is supplied.
  • the carbonaceous material is subjected to a high temperature under oxidizing conditions.
  • the volatiles are then released and react with the oxidizer.
  • the non-volatile part is coked.
  • Oxidizer that has not reacted with the volatiles may react further down in the shaft furnace with the coke produced and additionally form CO and possibly H 2 O. Upwardly escaping CO 2 and H 2 O can react with the carbonaceous material falling down to CO and H 2 .
  • the gas leaving the shaft furnace has a maximum temperature of 1500 ° C. The temperature on the surface of the granular material in the shaft furnace can reach approximately 2000 ° C.
  • An object of the present invention is to provide a method and an apparatus in which the carbonaceous material is pretreated.
  • This object is achieved by a method for gasification of carbonaceous material to CO and H 2 -containing gas with upstream pyrolysis, wherein the pyrolysis of the carbonaceous material by means of microwave irradiation and by heating the carbonaceous material is carried out and that the gasification of the pyrolysis allotherm with Help a water vapor plasma is performed.
  • Oxidizing agent is available. Since the carbonaceous material is heated from the inside to the outside, combustion is suppressed, and instead the carbonaceous material is pyrolytically split into volatile carbon compounds and non-volatile carbon compounds with shorter carbon chains. Conventional heating means may be used to preheat the carbonaceous material from outside to inside or reheat it after or parallel to microwave irradiation. The heat input from the inside to the outside and from the outside to the inside reduces the time required for as complete pyrolysis as possible and overall improves the energy balance of the entire process. The pyrolysis products serve below as starting materials for the gasification, which is faster and more efficient due to the already at least partially carried out pyrolysis. A significant advantage of the method according to the invention is that it can be used particularly well in small-scale systems for decentralized energy supply. Because by the pre-treatment by means of microwaves, for example, even household waste or biomass in the form of garden waste without consuming previous
  • drying and heating as well as the pyrolysis are achieved largely or completely by the microwave irradiation.
  • a heating unit to support pyrolysis can be provided with only a small footprint.
  • the gasification can take place auto- or allothermic.
  • the gasification is carried out here by means of external heat input and indeed by a plasma. Because with the help of a plasma can easily reach temperatures at which it is ensured that residues of tar or harmful compounds are split and in particular CO and H 2 are converted.
  • a water vapor plasma is used: it consists of O, H, OH, O 2 , H 2 and H 2 O radicals which react very well with the pyrolysis products and, if appropriate, not yet pyrolyzed carbonaceous material.
  • the enthalpy density of water vapor plasma is very high.
  • a pore burner is used for heating during pyrolysis.
  • Pore burners are particularly well suited because they provide a very high power density and can also be operated with the synthesized gas produced according to the present process and still hot. This leads to an improved overall energy balance of the process.
  • the gasification immediately follows the pyrolysis. This allows the pyrolysis products to be further treated immediately by gasification before they cool so that they can be brought to the gasification process temperature in a minimum of time. This improves the Total energy balance of the process.
  • the use of a vapor plasma for gasification and the particularly efficient pyrolysis by the combination of microwave irradiation and thermal irradiation make it possible to dispense with complicated separation of the material flow into solid and volatile pyrolysis products.
  • the pyrolysis products and / or the carbonaceous material and / or gasification products will be at least partially exposed more than once to external heat input in the form of a water vapor plasma.
  • This increases the efficiency of the gasification process.
  • Material particles be it pyrolysis products or possibly unreacted starting materials of carbonaceous material, which were not completely gasified on the first passage through a zone with external heat input, do so in a renewed passage through such a zone. In addition, they promote the heat transfer to newly supplied material particles, which also increases the gasification efficiency.
  • particles may be passed via a blower or mechanically so as to be re-exposed to the external heat input.
  • a plasma source for generating the external heat input they are preferably sucked by utilizing a nozzle effect to the plasma. They thus come directly into the hot plasma flame, resulting in a large increase in volume of the gaseous fractions. This increase in volume results in an acceleration towards further pyrolysis products leaving the microwave irradiation and / or leaving carbonaceous material.
  • the particles coming from the plasma flame mix with the newly coming from the microwave irradiation shares, they heat quickly and accelerate the gasification process.
  • Microwave irradiation advantageously comminuted. This will change the surface of the gasifying material increases, which leads to a further acceleration of the gasification process. In addition, the overall energy balance is improved. Because unlike the crushing of the starting material before pyrolysis, which may require quite a lot of energy, the solid pyrolysis products, which are mostly coal, can be crushed with relatively little effort and energy.
  • the object is achieved by an apparatus for gasifying carbonaceous material to CO and H 2 containing gas having at least one microwave station and a heating unit to at least partially perform the pyrolysis of the carbonaceous material, and a first Having reactor with at least one steam plasma torch to perform the gasification.
  • the carbonaceous material is also dried and / or heated if necessary by the microwave and heat radiation and not only broken up the molecular structures.
  • the pyrolysis products are then converted particularly energy efficiently in the steam plasma in synthesis gas with a high hydrogen content. Because when using steam plasma torches, in addition to the heat energy, necessary oxidizing agent is also made available with the plasma.
  • the microwave station or the heating unit is arranged in the process flow direction immediately before the first reactor. This not only increases the energy balance of the device, but also allows a particularly compact construction of the device, so that it is well suited for decentralized energy supply.
  • the microwave station is preferably arranged in a second reactor.
  • the microwave station has a compression unit.
  • the compression unit of the microwave station or the heating unit upstream of, integrated into it or downstream of her.
  • the integration into the microwave station is particularly suitable when irradiated simultaneously with microwaves and / or heated and compacted by radiant heat.
  • the compression unit allows a more compact design of the microwave station, which can be thermally insulated with less effort.
  • the heating unit is designed as a pore burner.
  • thermal radiation acts from outside to inside on the material to be pyrolyzed, in addition to the effect of the microwave irradiation from the inside to the outside.
  • conventional burners such as gas burners
  • significantly higher temperatures can be achieved with pore burners, which leads to a much higher heat input.
  • a mixing unit is arranged in the first reactor. It serves to mix the content already present in the first reactor with the content added from the microwave station or the heating unit. As a result, the added content is brought faster to gasification temperature and the gasification process accelerated.
  • the mixing unit is designed as a rotatable sieve drum, which also sifts out the ash.
  • a comminution unit is arranged in the first reactor or at the outlet of the microwave station or the heating unit. It serves to comminute the solid pyrolysis products and / or the carbonaceous material after microwave irradiation. This increases their surface area and accelerates gasification.
  • the shredding unit is designed as a scraping unit that scrapes off the surface of the pyrolysis products and / or the carbonaceous material that emerge from the microwave station or heating unit. During the scraping operation, the scraping unit releases the gasification process temperature to the fresh scraping point of the scraped off material by direct contact. In this way the energy input into the material particles is accelerated.
  • the scraper creates a cracked surface, which further enlarges the gasification surface.
  • the crushing device is arranged on the screen drum, so that the scraped particles are immediately mixed by the movement of the screen drum with the already existing reactor contents.
  • the at least one steam plasma torch is connected to the first reactor such that its plasma flame does not or only partially reaches into the interior of the reactor, and leads an additional line from the first reactor to the plasma flame.
  • reactor contents are sucked to the plasma flame, by strong heating and consequent Volume enlargement of the gaseous portion is accelerated into the reactor inside.
  • a proportion of material is gasified in particular CO and H 2 and by the acceleration of the material in the reactor interior, the mixing is promoted in the reactor interior, thereby accelerating the gasification process. Since gas-particle mixture is constantly sucked out of the interior of the reactor through the additional line to the plasma flame in a type of nozzle effect, a continuous gasification process is maintained.
  • the advantage of this recirculation system is not only that the gasification process takes place much faster, thereby shortening the residence time of the material.
  • the reactor space can also be dimensioned significantly smaller, with the result that the insulation losses are greatly reduced and the
  • the flow of the material can also be maintained mechanically or with the aid of a fan or assist the nozzle effect.
  • the object is achieved by a device for generating electrical energy by pyrolysis and gasification of carbonaceous materials to CO and H 2 -containing gas with a gasification reactor, a powered by the CO and H 2 gas-containing engine and a motor-driven power generator, wherein the gasification reactor is preceded by at least one microwave station and a heating unit in which the carbonaceous material is at least partially pyrolyzed by means of microwave irradiation and heat radiation, and wherein the gasification reactor has a water vapor plasma burner as the heat source.
  • the heating device is designed as a pore burner.
  • the microwave station or the heating unit is arranged in the process flow direction immediately before the first reactor.
  • the engine is preceded by a hot gas burner and the engine is designed as a Stirling engine.
  • Stirling engines have the advantage of being relatively low vibration, so that the noise level is correspondingly low. This is contrary to the use, especially in smaller building or residential units.
  • the hot gas burner is designed as a pore burner.
  • This has the advantage that the allowed inlet temperature of the gas is still so high that disturbing impurities such as e.g. Tar is still in the volatile state.
  • the cost of cleaning the generated gas can be reduced to a minimum, which allows a particularly compact and energy-efficient design of the device for generating electrical energy.
  • Figure 1 is a perspective view of a first embodiment of a
  • Figure 2 is a horizontal section through the device of Figure 1;
  • Figure 4 is a vertical section perpendicular to the longitudinal direction through the device of Figure 1 in a simplified view
  • Figure 5 is a schematic detail view of a first embodiment of a
  • Figure 6 is a schematic detail view of a circulating air duct
  • FIG. 7 schematically shows the material flow of a gasification
  • Figures 8a, b is a schematic detail view of a second embodiment of a scraping unit from the side and in plan view; 9 shows a horizontal section through a device as in FIGS. 1 to 4 with the scraping unit from FIGS. 8a, b;
  • Figures 10a, b is a schematic representation of a particular embodiment of the scraping unit of Figures 8a, b;
  • Figures 11a, b, c views of a further embodiment of a device for power generation in perspective from the front and from the rear and from the side;
  • FIG. 12 shows a section through a further embodiment of a device for producing gas
  • Figure 13 is a perspective view of a third embodiment of a gas generating apparatus
  • FIG. 14 shows a horizontal section through a device as in FIG. 13;
  • Figure 15 is a vertical longitudinal section through the device of Figure 13 in a simplified view
  • FIG. 16 shows a vertical section through the device from FIG. 13 at the level of the pyrolysis pore furnace
  • FIG. 17 shows a horizontal section through a device as in FIG. 13 with the scraping unit from FIGS. 8a, 8b;
  • Figure 18 is a vertical section perpendicular to the longitudinal direction through the device of Figure 10 in a simplified view.
  • the starting material may be industrial or household waste or biomass based on renewable raw materials, such as garden waste, wood chips, preferably a grain size of about 6-20 mm, sawdust, pellets, peel, husks or straw. Even fossil fuels can be gasified in the gas generator.
  • the carbonaceous material is filled through the hopper 100. Using the waste heat of a gas cooler 10 in the form of a heat exchanger, possibly combined with a gas scrubber, the carbonaceous material 2 there already preheat to about 60 ° -80 ° C (see also reference 201, Figure 7).
  • the carbonaceous material 2 is conveyed further into a secondary reactor 6.
  • the carbonaceous material 2 is heated to about 400-500 ° C. This is done predominantly by microwaves generated in the microwave generator 31 and a heater 62 which utilizes the waste heat of the primary reactor 4 in which the gasification is taking place or externally energized, e.g. as an electric oven, or uses a combination of internal and external energy.
  • the heater 62 is connected to the reactor 6 and connected upstream of the microwave generator 31.
  • the carbonaceous material 2 is passed through a crimping part 61 surrounded by the heater 62.
  • the crimping part is conical, with its cross section tapering in the conveying direction. As a result, the carbonaceous material 2 is compressed airtight before the microwave zone 32.
  • the carbonaceous material 2 is heated from the outside inwards. Due to the microwave radiation in the microwave station 3, the carbonaceous material 2 is penetrated and heated from the inside to the outside. This combination of supplied radiant heat and microwave irradiation leads to the best possible heat input into the carbonaceous material 2.
  • the carbonaceous material 2 Due to the heat input, the carbonaceous material 2 is also dried. This is particularly advantageous in non-pretreated starting materials such as industrial or domestic waste or garden waste, but also generally in biomass from renewable resources.
  • the gas generator 1 is therefore insensitive to larger ones
  • Variations in the moisture content of the carbonaceous material 2 The moisture exits as water vapor from the carbonaceous material 2 and serves as an oxidizing agent in the gasification process.
  • the high heat input in particular into the interior of the carbonaceous material 2 by the microwave irradiation, triggers the pyrolysis of the carbonaceous material 2.
  • the pyrolysis among other things, the longer-chain molecules of the carbonaceous material 2 are split into shorter molecules. Volatile and non-volatile pyrolysis products form, which are used as starting materials for the subsequent gasification.
  • the carbonaceous material 2 is passed through a feed tube 33, so that the entire carbonaceous material 2 is guided through the microwave zone 32.
  • the molecular structures are virtually broken by the microwave irradiation, whereby the pyrolysis proceeds more efficiently.
  • the airtight compression in the pinch part 61 in front of the microwave zone 32 ensures that as far as possible no nitrogen from the ambient air enters, which would reduce the calorific value of the generated CO and H 2 containing gas.
  • the dimensioning of the microwave generator 31 depends in particular on the extent of the microwave zone 32, the density of the carbonaceous material 2 and the desired temperature.
  • the choice of frequency may be limited by government regulations. For example, In Germany, only the frequencies 24.25GHz, 5.8GHz, 2.45GHz and exceptionally 915MHz are approved for microwave heating.
  • a microwave generator it is also possible to use two, three or more, wherein either one coherent microwave zone or several separate microwave zones can form.
  • the feed tube 33 leads into the primary reactor 4, in which also a plasma torch 5 opens and in which the gasification takes place.
  • the feed tube 33 passes through a sieve drum 42 arranged in the primary reactor 4.
  • the sieve drum 42 is rotatably mounted about its longitudinal axis and is rotated via the drive 106.
  • the longitudinal axis of the screen drum 42 is parallel to the feed tube 33.
  • Screen drum pockets 43 are arranged on the circumferential wall of the screen drum 42 (see in particular FIG. 4).
  • the already completely pyrolyzed material is very brittle, so it can easily crumble.
  • the process of scraping leads to a cracked and therefore particularly large Surface available for the gasification process, allowing the gasification process to proceed much faster and more efficiently.
  • FIG. 12 shows a section through a further embodiment of a gas burner, perpendicular to the feed tube 33.
  • the microwave station is combined with a porous burner 63, which adjoins the microwave generator 31 and is adapted in its geometry in that it encloses the feed tube 33. Since pore burners are made of ceramic, their geometries are relatively freely selectable. The present arrangement with the pore burner 63 enclosing the feed tube 33 is i.a. advantageous because of the small footprint.
  • Pore burner 63 protrudes into the reactor 4 or optionally also completely arranged in the reactor 4, it contributes to a warm-up of the reactor 4, in particular in the initial phase of the gasification process.
  • the pore burner 63 may be fired with CO and H 2 -containing gas produced in the gas generator. Since pore burners allow very high gas temperatures, gas generated during the gasification process can be supplied to it without prior cooling, possibly after dust filtration. In the example shown in FIG. 12, the porous burner 63 achieves a heat input that is six times higher than that of a conventional gas burner. Overall, the use of a pore burner in combination with the microwave pyrolysis improves the overall energy balance of the gas burner with still small footprint and is therefore particularly suitable for gas generators that are sized for home use.
  • the hot gas stream 23 of the plasma burner 5 opens into the primary reactor 4. Therefore, the scraped off particles 25 are exposed directly to the hot gas stream 23.
  • the blades 71 of the scraping unit 7 constantly pass through the hot gas stream 23, so that they also have the process temperature of about 950 ° -1050 ° C and leave the direct contact with scraping this temperature to the supplied pyrolysis products 21 and possibly the carbonaceous material 2 , As a result, the particles 25 in the shortest possible time to process temperature and can be gasified.
  • the temperature of 950 0 C and more in the gasification zone ensures that even harmful carbon compounds and tar are completely gasified as possible and also the content of CO and H 2 in the gasification product is as high as possible.
  • Turbulences prevail in the hot gas stream, leading to a rapid mixing of the scraped off particles with the remaining reactor contents, ie with the reactants for lead the gasification.
  • the gasification takes place faster and more intensively, whereby the overall efficiency is increased.
  • Particles 25, which sink in the reactor interior and remove from the hot gas stream 23, are collected by the screen drum 42 in their compartments 43, transported back to the hot gas stream and poured there in the hot gas stream, so that they are better available again for gasification.
  • the entire reactor contents are constantly circulated, which further promotes gasification.
  • FIGS. 8a, b A further embodiment of a scraping unit is shown in detail in FIGS. 8a, b and as part of the gas generator in FIG. It is a rotating scraper 72, which is arranged at the outlet of the feed tube 33.
  • the scraping part 72 consists of a ceramic disk with windows 75 arranged on the front side.
  • the rotating scraping part 72 is driven via a shaft 73. Due to the rotational movement of the non-volatile pyrolysis 21 particles 25 are scraped off. These fly through the frontal windows 75 from the feed tube 75 into the hot gas stream 23 of the
  • Plasma torch 5 Since the volatile pyrolysis products as well as the water vapor already formed during drying also have to escape through the windows 75 from the feed tube 33, intensive gasification already takes place in the region of the windows 75, which act like small reactor chambers. As a result, the overall efficiency of the gas generator 1 is further increased.
  • FIGS. 10a, b A particular embodiment of a rotating scraping part is shown in FIGS. 10a, b.
  • the rotating scraping part 72 ' has radially arranged windows 74 in addition to the windows arranged on the front side. It rotates in the feed tube 33 and is driven as above via the shaft 73.
  • the drive 105 of the rotating scraping member 72 ' consists essentially of a drive bushing 81, which is rotatably mounted in a housing (not shown).
  • the rotational movement takes place in the present example, a sprocket 87.
  • a gear, a toothed belt, a V-belt or the like can be used.
  • the shaft 73 is guided radially in the drive bush 81, but can move axially.
  • a driving star 82 At the right end of the shaft 73 is positively and / or positively secured a driving star 82 and secured by screw 86.
  • the driving star 82 engages in circularly arranged grooves in the drive bushing 81.
  • the rotational movement of the drive bush 81 transmits to the shaft 73.
  • the driving star 82 can move within the grooves.
  • the axial movement is to the right by a rear Travel limit 83, which is bolted to the drive sleeve 81, limited.
  • a rear Travel limit 83 which is bolted to the drive sleeve 81, limited.
  • a spring 84 to the end of the grooves in the drive bushing 81 is possible.
  • FIG. 10a shows the normal operation of the rotating scraping part 72 '.
  • the follower 82 is located at the rear travel limit 83 and the radial windows 74 are covered by the walls of the delivery tube 33.
  • Nonvolatile pyrolysis products 21 can now escape from the feed tube 33 through the windows 74 and prevent their clogging.
  • the axial position of the driving star 82 can be defined and thus counteracted via a control of the input variables "speed of the scraper” and "speed of material supply” the risk of clogging.
  • the displacement measurement of the driving star 82 allows a determination of the state of wear of the rotating blade part 72.
  • Plasma torch 5 in the present example is a steam plasma torch.
  • the composition of the steam plasma promotes the gasification process very strongly, which consists of the radicals O, H, OH, O 2 , H 2 and H 2 O at a mean temperature in the range of 4000 0 C and peak values in the core of the plasma flame of approx. 12000 0 C.
  • the enthalpy density of water vapor is very high and the thermal efficiency of water vapor sources is 70% -90%.
  • water vapor is readily available. Water vapor plasma therefore not only has an accelerating effect on the gasification process, but is also advantageous for economic reasons.
  • a primary recirculating air channel 41 is provided on the reactor 4 (see in particular FIGS. 3, 6).
  • the primary recirculating air 41 connects the lower portion of the reactor 4 with the nozzle 52 of the steam plasma torch in the upper region of the reactor 4.
  • the energy density of the plasma flame 51 is above the primary
  • Umbuchkanal 41 a mixture of befindlichem in the reactor 4 gas 22, 23 and particles 25 from sucked in the lower reactor area.
  • the mixture of a temperature of about 750 0 C gets so a kind of nozzle effect directly into the 4000 0 C hot steam plasma flame 51, resulting in a large increase in volume of the gas. This increase in volume results in an acceleration of the gas mixture in the direction of reactor 4 with strong turbulence.
  • the inlet cross section into the reactor 4 is conically designed as a diffuser 52 in order to enhance this process.
  • secondary recirculating air channels 44 are additionally provided, which guide particles 25 from the upper interior of the reactor 4 into the diffuser 52. Again, the nozzle effect is exploited again.
  • this recirculation principle could also be achieved mechanically or with the aid of fans, or these measures could be combined with the nozzle effect. This will be decided by the person skilled in the art depending on the geometry of the device, the operating parameters of the plasma source 5 or other external heat input sources.
  • the mixture of gas and particles leaving the diffuser 52 strikes the scraping device 7 and the surface of the supplied pyrolysis products 21, possibly also of the carbonaceous material 2, and heats them to the process temperature. Subsequently, the mixture flows into the lateral upper region of the screening drum 42 and mixes with the material constantly conveyed up through the sieve drum. This not only maintains a continuous gasification process. This gasification process also speeds up the gasification process.
  • the primary reactor 4 can be dimensioned significantly smaller, with the result that the insulation losses are greatly reduced and the overall efficiency can be significantly increased.
  • the size of the gas generator can be reduced so much that in addition to systems in the power range of about 100 kW e ⁇ (net) and more small systems for the living area in the power range of about 2-4 kW e ⁇ (net) are possible (see below, Figures 11a-c).
  • the ash 24 produced during the gasification is screened off through the sieve drum 42 and falls into the lowermost region of the primary reactor 4 (see, inter alia, FIG. 4).
  • ash outlet 114 through which the ash 24 is discharged (reference numeral 203 in Figure 7).
  • the remaining gasification products 23 are withdrawn via the lower reactor region by means of a slight negative pressure by means of a blower 128 from the reactor interior to a filter unit 112.
  • these are ceramic filter candles 1 13, which may be integrated into the reactor housing.
  • the ceramic filter candles 1 13 serve as a dust filter and have the advantage that the gas produced without prior cooling, so at about 700 ° -800 ° C can be filtered.
  • the filter unit 112 and the reactor 4 share in the present example, an outer wall (see Figure 4).
  • the filter unit 112 and the reactor 4 divide the ash outlet 114, which simplifies the cleaning of the filter unit 112.
  • the generated hot gas for power generation could be fed directly to a hot gas engine or even to a pore burner.
  • the hot gas is passed via a line 122 to another station 120, which has the function of a gas-water heat exchanger and / or a scrubber. This allows the hot gas to cool to below 50 0 C and clean.
  • the heat can be used by the heated cooling water, which is fed via the input 116 and the output 118 is derived, is fed by means of a pump 126 in the building technology or forwarded to an external heat exchanger. The heat can also be used for preheating the carbonaceous material 2.
  • the cooled clean gas is withdrawn by means of the blower 128 via a negative pressure from the system and removed for further use in an external gas storage or a combined heat and power plant.
  • FIGS. 11 ac show another embodiment of a gas generator.
  • This gas generator is designed for a power of about 2-4 kW e ⁇ or 8-16 kW therm and is therefore suitable for use in the living area. Since the internal structure of this gas generator does not differ significantly from the already explained gas generator 1, an interior view is dispensed with and only deviating from it
  • FIGS. 11a-c show a house installation 10 for generating heat and electrical energy.
  • the house system 10 is a complete module, which consists essentially of a gas generator and an associated motor as a generator drive.
  • the house system generates via pyrolysis with the aid of the microwave generator 31 and a heating unit and gasification not visible here via subsequent external heat input, here by means of a water vapor plasma source CO and H 2 containing gas from carbonaceous materials.
  • This gas is used to drive a Stirling engine 131 that drives a generator 132, thereby generating power.
  • the waste heat is used to heat residential buildings and generate hot water.
  • the carbonaceous materials are supplied by means of, for example, blowers or screws and get into the here double-walled funnel 101.
  • the CO and H 2 containing gas with a temperature of about 400 0 C from the filter unit 112 of ceramic filter cartridges and is guided through the gas pipe 122 in the hot gas burner 143, here in the form of a pore burner.
  • the hot gas burner 143 There it is burned in the hot gas burner 143 with the supply of combustion air, which is sucked in by a blower 141 for reducing noise via an inlet nozzle 140.
  • the supply of combustion air is previously conducted through the here double-walled ash tray 204, which heats the air and cools the ash. This minimizes the risk of fire during ash disposal. From the ash tray 204, the combustion air is fed via the line 142 to the hot gas burner 143.
  • the heat energy generated in the hot gas burner 143 (about 1050 ° -1100 ° C) is used to drive the Stirling engine 131. This drives the generator 132, so that power is generated.
  • the dissipated energy resulting from the Stirling process is introduced via a cooling water outlet 135 in a water / water heat exchanger 134.
  • the cooled water (.DELTA.T about 40-50 0 C) is introduced via the cooling water inlet 136 back into the Stirling engine 131.
  • the hot exhaust gases (about 600-700 0 C) from the hot gas burner 143 are fed via a line 137 a gas / water heat exchanger 133.
  • the exhaust gases After flowing through the gas / water heat exchanger 133, the exhaust gases übe a line 138 in the hopper 101 and heat there introduced through the nozzle 99 carbonaceous materials. Via a pipe connection 139, the exhaust gases come with a temperature of around 50 0 C in the smoke outlet of the building.
  • the waste heat from the heat exchangers 133, 134 is fed via a cooling water inlet 116 and a cooling water outlet 118 in the building heating and hot water treatment.
  • the advantages of the house 10 can be seen in the fact that carbonaceous materials such as pellets, green waste, household waste, etc. can be used to power residential buildings. In addition to the required space heating and hot water treatment, electricity is generated, which is fed into the grid during rest periods and remunerated. This reduces the energy costs of individual households and contributes to
  • the third apparatus for producing gas shown in FIG. 13 differs from the first apparatus shown in FIG. 1, in particular with regard to the design of the pyrolysis station. While in the first device, the material to be pyrolyzed after compaction is first heated with the aid of the heater from outside to inside, before it is irradiated with microwaves to heat it from the inside out (see also Figures 2 and 3), is in the third device, the material to be pyrolyzed first irradiated with microwaves of the microwave generator 31 to reach the inside of the pyrolysis, and then by a heater, in this example, a pore furnace 63, out to bring the material also from the outside to the pyrolysis temperature ,
  • FIG. 16 shows a vertical section through the device from FIG. 13, specifically at the level of the pore burner 63.
  • the microwave station has three
  • Combined pore burners 63 which connect to the microwave generator 31 and are arranged around the feed tube 33 in the region of the lower circumference, so that the radiant heat 66 radiates onto the feed tube 33.
  • the pore burner 63 may be fired with syngas generated in the gas generator and containing CO 2 and H 2 , which is supplied via the synthesis gas ports 64.
  • the synthesis gas is combined with air or oxygen in the pore region of the pore burner 63 to generate heat energy burned.
  • the resulting exhaust gases exit through the discharge outlet 65 and can be used for preheating other components.
  • the pore area is generally formed of ceramic foam or other high temperature resistant structure. Particularly advantageous for pore burners is their very high power density of about 1000 kW / m 2 .
  • high temperatures of up to about 1400 0 C can be achieved. Further advantages are high heating rates and good controllability of the oven temperature. Since pore burners allow very high gas temperatures, gas generated during the gasification process can be supplied to them immediately without prior cooling, if necessary after dust filtration. In the example shown in FIG. 16, the porous burner 63 achieves a heat input that is six times higher than that of a conventional gas burner. Overall, the use of a pore burner in combination with the microwave pyrolysis improves the overall energy balance of the gas burner with still small footprint and is therefore particularly suitable for gas generators that are sized for home use.
  • the feed tube 33 for supplying the pyrolyzed material and the plasma torch 5 are arranged relative to one another such that the hot gas flow generated by the plasma flame 51 is not only laterally but frontally on the scraper unit 72 (see also Figures 8a, b) meets to heat the scraper unit 72 even better.
  • the scraper unit 72 transfers its temperature to the material to be shredded. Due to the frontal alignment of the hot gas flow 23 to the scraper unit 72, it is additionally achieved that the hot gas flow in the frontal windows 75 of the scraper unit 72 also directly heats the material to be shredded to the process temperature for the gasification.
  • the drum 45 is not designed as a screen drum, but only as a drum 45 with drum compartments 43 (see Figure 15), to still not gasified particles 25 bring back into the hot gas stream.
  • the few ash 24 can exit via the end faces of the drum 45 and be discharged via the ash outlet 1 14.
  • the non-perforated drum 45 has the additional advantage of more efficient thermal insulation of the interior of the gasification reactor 4.
  • the plasma flame 51 is arranged in the second device in a diffuser 52 provided with openings 53 (see FIG. 14).
  • the volatile and solid pyrolysis products come together with the radicals generated there, with which they react to CO and H 2 .
  • they are heated very rapidly in the plasma very rapidly, so that a sudden volume expansion takes place, leading to a local
  • Negative pressure leads. Through the openings 53, more pyrolysis products are sucked into the water vapor plasma flame 51 via this local underpressure, so that a continuous flow of hot gas is maintained.
  • the third apparatus for producing gas from FIGS. 13 to 16 can also be implemented with the scraping unit 72 'as in FIGS. 8a, b or else with blade 71 as in FIG. 4 or another scraping unit. It is also possible to provide the third device completely without comminution unit, as shown in FIGS. 17 and 18. Depending on the choice of the carbonaceous material, the solid pyrolysis products that are present here due to the particularly efficient pyrolysis can be so crumbly that additional comminution is unnecessary. In addition, by directly striking the pyrolysis products as they enter the reactor 4, the hot gas stream 23 is brought to a sufficiently high temperature for low-residue gasification in a minimum of time.

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Abstract

Zum Vergasen von kohlenstoffhaltigem Material (2) zu CO und H<SUB>2 </SUB>enthaltendem Gas (23) wird das Trocknen und/oder das Erhitzen und die Pyrolyse des kohlenstoffhaltigen Materials (2) mit Hilfe von Mikrowelleneinstrahlung (32) und Wärmebestrahlung durchgeführt und werden danach die Pyrolyseprodukte (21, 22, 25) und/oder das kohlenstoffhaltige Material (2) vergast. Dazu wird das kohlenstoffhaltige Material (2) in einer Mikrowellenstation (3) mit Heizeinheit bestrahlt, und dann zur Vergasung in einen Reaktor (4) weitergeleitet. Die Vergasung findet mit Hilfe eine Wasserdampf-Plasmaquelle (5) statt.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen von Gas aus kohlenstoffhaltigem Material
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren sowie auf eine Vorrichtung zum Erzeugen von CO und H2 enthaltendem Gas aus kohlenstoffhaltigem Material. Ferner bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie mittels Pyrolyse und Vergasung kohlenstoffhaltiger Materialien zu CO und H2 enthaltendem Gas mit einem Vergasungsreaktor, einem mit Hilfe des CO und H2 enthaltenden Gas angetriebenen Motor und einem vom Motor angetriebenen Stromgenerator.
Vor dem Hintergrund sinkender Ressourcen an fossilen Brennstoffen bekommt die dezentrale Energieversorgung auf der Basis von Abfall oder Biomasse aus nachwachsenden Rohstoffen immer mehr Bedeutung. Bei der Biomassen- oder Abfallverbrennung wird Wärme erzeugt, die z.B. zum Heizen von Gebäuden oder von Wasser verwendet werden kann. Bei der Vergasung wird neben Wärme auch Brenngas erzeugt, das in Motoren zur Stromerzeugung genutzt werden kann.
Die Vergasung läuft allgemein in mehreren Schritten ab: dem Trocknen/Erhitzen zur Vorbereitung, der Pyrolyse und der Vergasung, nämlich der Umsetzung der Pyrolyseprodukte durch Oxidation und Reduktion. Das entstehende Gas enthält u.a. Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Methan, die als Brennstoff dienen können. Die
Zusammensetzung des entstehenden Gases hängt von dem verwendeten Reaktionsgas und der Temperatur ab, bei der die Vergasung abläuft. Zu höheren Temperaturen hin nimmt die Konzentration an Wasserstoff und Kohlenmonoxid zu und nimmt die Konzentration an Methan ab.
Je höher die Temperatur ist, desto geringer ist die Wahrscheinlichkeit, dass das entstehende Gas noch giftige oder krebserregende Komponenten wie z.B. Dioxin oder Teer enthält. Denn bei Temperaturen von 9000C und höher werden sie in unschädliche, flüchtige Substanzen wie etwa Kohlendioxid und Wasserstoff aufgespalten. Eine Möglichkeit, hohe Temperaturen von 9000C und mehr bereitzustellen, bietet die Verwendung eines Plasmabrenners.
Aus der DE 32 33 774 A1 sind ein Verfahren und eine Anlage zur Vergasung kohlehaltigen Materials zu einer hauptsächlich aus CO und H2 bestehenden Gasmischung bekannt, bei denen das kohlehaltige Material in stückiger Form in einen Schachtofen bis zu einer vorgegebenen Füllhöhe eingegeben wird. Der Schachtofen weist am Boden Plasmabrenner auf. Außer Wärmeenergie durch die Plasmabrenner wird auch Oxidationsmittel in Form von O2, CO2 oder H2O zugeführt. Das kohlehaltige Material wird infolgedessen unter oxidierenden Bedingungen einer hohen Temperatur unterworfen. Daraufhin werden die flüchtigen Bestandteile frei und reagieren mit dem Oxidationsmittel. Der nichtflüchtige Teil wird hingegen verkokt. Oxidationsmittel, das mit den flüchtigen Bestandteilen nicht reagiert hat, kann weiter unten im Schachtofen mit dem erzeugten Koks reagieren und zusätzlich CO und möglicherweise H2O bilden. Nach oben entweichendes CO2 und H2O kann mit dem nach unten fallenden kohlenstoffhaltigen Material zu CO und H2 reagieren. Das den Schachtofen verlassende Gas hat eine Temperatur von maximal 15000C. An der Oberfläche des körnigen Materials im Schachtofen kann die Temperatur etwa 20000C erreichen.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, bei denen das kohlenstoffhaltige Material vorbehandelt wird.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Vergasen von kohlenstoffhaltigem Material zu CO und H2 enthaltendem Gas mit vorgeschalteter Pyrolyse, bei dem die Pyrolyse des kohlenstoffhaltigen Materials mit Hilfe von Mikrowellenbestrahlung und durch Heizen des kohlenstoffhaltigen Materials durchgeführt wird und dass die Vergasung der Pyrolyseprodukte allotherm mit Hilfe eines Wasserdampf-Plasmas durchgeführt wird.
Durch Einkoppeln von Energie über Mikrowellen in das kohlenstoffhaltige Material wird erreicht, dass das kohlenstoffhaltige Material mit wenig Aufwand vollständig durchdrungen und rasch von innen nach außen aufgeheizt wird. Bei Feuchtigkeit enthaltendem kohlenstoffartigen Material wird außerdem erreicht, dass es hinreichend getrocknet wird und die Feuchtigkeit in Wasserdampf umgewandelt wird, der dann beim Vergasen als
Oxidationsmittel zur Verfügung steht. Da das kohlenstoffhaltige Material von innen nach außen aufgeheizt wird, wird eine Verbrennung unterdrückt und stattdessen das kohlenstoffhaltige Material pyrolytisch in flüchtige Kohlenstoffverbindungen und nichtflüchtige Kohlenstoffverbindungen mit kürzeren Kohlenstoffketten aufgespalten. Durch konventionelle Heizmittel kann das kohlenstoffhaltige Material von außen nach innen vorgewärmt bzw. nach oder parallel zur Mikrowellenbestrahlung aufgewärmt werden. Durch den von innen nach außen und außen nach innen erfolgenden Wärmeeintrag wird die notwendige Zeit für eine möglichst vollständige Pyrolyse verringert und insgesamt die Energiebilanz des gesamten Prozesses verbessert. Die Pyrolyseprodukte dienen im Folgenden als Edukte für die Vergasung, die aufgrund der bereits zumindest zum Teil durchgeführten Pyrolyse schneller und effizienter abläuft. Ein bedeutender Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass es sich besonders gut auch in klein dimensionierten Anlagen für die dezentrale Energieversorgung anwenden lässt. Denn durch die Vorbehandlung mittels Mikrowellen kann z.B. sogar Hausmüll oder Biomasse in Form von Gartenabfällen ohne aufwendige vorherige
Aufbereitung verwendet werden. Das Trocknen und Erhitzen sowie die Pyrolyse werden nämlich zum großen Teil oder vollständig durch die Mikrowellenbestrahlung erreicht. Auch eine Heizeinheit zur Unterstützung der Pyrolyse kann mit nur geringem Platzbedarf vorgesehen werden.
Je nach Prozessparameter, insbesondere Temperatur und Reaktionspartner, kann die Vergasung auto- oder allotherm stattfinden. Um eine möglichst vollständige Vergasung sicherzustellen, wird hier die Vergasung mit Hilfe von externem Wärmeeintrag durchgeführt und zwar durch ein Plasma. Denn mit Hilfe eines Plasmas lassen sich problemlos Temperaturen erreichen, bei denen gewährleistet ist, dass auch Rückstände von Teer oder gesundheitsschädliche Verbindungen aufgespalten und in insbesondere CO und H2 umgewandelt werden. Erfindungsgemäß wird ein Wasserrdampf-Plasma verwendet: Es besteht aus O-, H-, OH-, O2-, H2- und H2O-Radikalen, die sehr gut mit den Pyrolyseprodukten und ggf. noch nicht pyrolysiertem kohlenstoffhaltigen Material reagieren. Außerdem ist die Enthalpiedichte von Wasserdampf-Plasma sehr hoch. Diese
Eigenschaften führen zu einer Beschleunigung des Vergasungsprozesses. Da außerdem der thermische Wirkungsgrad von Wasserdampf-Plasmaquellen bei 70-90% liegt, ist die Verwendung von Wasserdampf-Plasma wirtschaftlich im Betrieb. Vorteilhaft ist die Verwendung sowohl von reinem Wasserdampf-Plasma als auch Plasma aus Wasserdampf mit Additiven oder aus Gasgemischen mit Wasserdampf als Reaktionsbeschleuniger.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird zum Heizen während der Pyrolyse ein Porenbrenner eingesetzt. Porenbrenner sind besonderes gut geeignet, weil sie eine sehr hohe Leistungsdichte zur Verfügung stellen und außerdem mit dem gemäß dem vorliegenden Verfahren hergestellten und noch heißen Synthesegas betrieben werden können. Dies führt zu einer verbesserten Gesamtenergiebilanz des Verfahrens.
In einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform schließt sich die Vergasung unmittelbar an die Pyrolyse an. Dadurch können die Pyrolyseprodukte sofort durch Vergasung weiterbehandelt werden, bevor sie abkühlen, so dass sie in minimaler Zeit auf Prozesstemperatur für die Vergasung gebracht werden können. Dies verbessert die Gesamtenergiebilanz des Verfahrens. Es ist verglichen mit herkömmlichen Verfahren im Übrigen so, dass aufgrund der Verwendung eines Wasserdampf-Plasmas für die Vergasung und die besonders effiziente Pyrolyse durch die Kombination von Mikrowellenbestrahlung und thermischer Bestrahlung auf eine aufwendige Stoffstromtrennung in feste und flüchtige Pyrolyseprodukte verzichtet werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Pyrolyseprodukte und/oder das kohlenstoffhaltige Material und/oder Vergasungsprodukte zumindest teilweise mehr als einmal einem externen Wärmeeintrag in Form eines Wasserdampf-Plasmas ausgesetzt werden. Dadurch wird die Effizienz des Vergasungsprozesses erhöht. Materialpartikel, seien es Pyrolyseprodukte oder ggf. noch nicht umgesetzte Ausgangsprodukte aus kohlenstoffhaltigem Material, die beim ersten Durchgang durch eine Zone mit externem Wärmeeintrag noch nicht vollständig vergast wurden, werden dies bei einem erneuten Durchgang durch eine solche Zone. Außerdem fördern sie den Wärmeübertrag auf neu zugeführte Materialpartikel, wodurch ebenfalls die Vergasungseffizienz zunimmt. Die
Partikel können beispielsweise über ein Gebläse oder mechanisch derart geleitet werden, dass sie dem externen Wärmeeintrag erneut ausgesetzt werden. Bei der Verwendung einer Plasmaquelle zur Erzeugung des externen Wärmeeintrags werden sie vorzugsweise unter Ausnutzung eines Düseneffekts zum Plasma angesaugt. Sie kommen dadurch unmittelbar in die heiße Plasmaflamme, wodurch sich eine starke Volumenvergrößerung der gasförmigen Anteile ergibt. Diese Volumenvergrößerung hat eine Beschleunigung in Richtung weiterer, die Mikrowellenbestrahlung verlassende Pyrolyseprodukte und/oder verlassendem kohlenstoffhaltigen Material zur Folge. Die von der Plasmaflamme kommenden Anteile vermischen sich mit den neu von der Mikrowellenbestrahlung kommenden Anteilen, erhitzen sie schnell und beschleunigen den Vergasungsprozess.
Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, das kohlenstoffhaltige Material vor und/oder während und/oder nach der Mikrowelleneinstrahlung zu verdichten. Das Verdichten führt zu einem effizienteren Energieeintrag durch Mikrowellenbestrahlung bzw. Wärmestrahlung und wird bevorzugt vor der Mikrowellenbestrahlung und/oder ggf. der Wärmebestrahlung durchgeführt. Dadurch wird eine möglichst vollständige Pyrolyse des kohlenstoffhaltigen Materials durch die Mikrowelleneinstrahlung erreicht.
Insbesondere, aber nicht nur, wenn das kohlenstoffhaltige Material verdichtet wurde, werden die Pyrolyseprodukte und/oder das kohlenstoffhaltige Material nach der
Mikrowelleneinstrahlung vorteilhafterweise zerkleinert. Dadurch wird die Oberfläche des zu vergasenden Materials vergrößert, was zu einer weiteren Beschleunigung des Vergasungsprozesses führt. Außerdem wird die Gesamtenergiebilanz verbessert. Denn im Gegensatz zur Zerkleinerung des Ausgangsmaterials vor der Pyrolyse, für die unter Umständen recht viel Energie benötigt wird, lassen sich die festen Pyrolyseprodukte, bei denen es sich zum größten Teil um Kohle handelt, mit relativ wenig Aufwand und Energie zerkleinern.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung zum Vergasen von kohlenstoffhaltigem Material zu CO und H2 enthaltendem Gas gelöst, die mindestens eine Mikrowellenstation und eine Heizeinheit aufweist, um die Pyrolyse des kohlenstoffhaltigen Materials zumindest zum Teil durchzuführen, sowie einen ersten Reaktor mit mindestens einem Wasserdampf-Plasmabrenner aufweist, um die Vergasung durchzuführen. Als vorteilhafter Nebeneffekt wird in der Mikrowellenstation das kohlenstoffhaltige Material bei Bedarf durch die Mikrowellen- und Wärmebestrahlung auch getrocknet und/oder erhitzt und nicht nur die molekularen Strukturen aufgebrochen. Die Pyrolyseprodukte werden dann besonders energieeffizient in dem Wasserdampf-Plasma in Synthesegas mit hohem Wasserstoffanteil umgewandelt. Denn bei der Verwendung von Wasserdampf-Plasmabrennern wird mit dem Plasma neben der Wärmeenergie auch notwendiges Oxidationsmittel zur Verfügung gestellt.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Mikrowellenstation oder die Heizeinheit in Prozessstromrichtung unmittelbar vor dem ersten Reaktor angeordnet. Dies erhöht nicht nur die Energiebilanz der Vorrichtung, sondern erlaubt auch eine besonders kompakte Konstruktion der Vorrichtung, so dass sie sich auch für die dezentrale Energieversorgung gut eignet.
Zum Zweck einer optimierten Pyrolyse einerseits und einer optimierten Vergasung andererseits ist die Mikrowellenstation vorzugsweise in einem zweiten Reaktor angeordnet.
Vorteilhafterweise weist die Mikrowellenstation eine Verdichtungseinheit auf. Je nach Ausführungsform kann die Verdichtungseinheit der Mikrowellenstation bzw. der Heizeinheit vorgeschaltet, in sie integriert oder ihr nachgeschaltet sein. Die Integration in die Mikrowellenstation bietet sich insbesondere an, wenn gleichzeitig mit Mikrowellen bestrahlt und/oder durch Strahlungswärme erhitzt und verdichtet werden soll. Insbesondere die Verdichtungseinheit erlaubt eine kompaktere Bauweise der Mikrowellenstation, die sich mit weniger Aufwand wärmeisolieren lässt. Besonders bevorzugt ist die Heizeinheit als Porenbrenner ausgebildet. Zusätzlich zum Energieeintrag über Mikrowellenbestrahlung wird dadurch ein effizienter Wärmeeintrag durch Wärmestrahlung gewährleistet, der von außen nach innen auf das zu pyrolysierende Material wirkt, in Ergänzung der Wirkung der Mikrowellenbestrahlung von innen nach außen. Im Gegensatz zu konventionellen Brennern, wie etwa Gasbrennern, lassen sich mit Porenbrennern bedeutend höhere Temperaturen erreichen, was zu einem um ein Vielfaches höheren Wärmeeintrag führt.
Vorteilhafterweise ist im ersten Reaktor eine Mischeinheit angeordnet. Sie dient dazu, den bereits im ersten Reaktor vorhandenen Inhalt mit dem aus der Mikrowellenstation bzw. der Heizeinheit hinzukommende Inhalt zu vermischen. Dadurch wird der hinzukommende Inhalt schneller auf Vergasungstemperatur gebracht und der Vergasungsprozess beschleunigt. Vorzugsweise ist die Mischeinheit als drehbare Siebtrommel ausgebildet, die zusätzlich die Asche aussiebt.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist im ersten Reaktor oder am Ausgang der Mikrowellenstation bzw. der Heizeinheit eine Zerkleinerungseinheit angeordnet. Sie dient dazu, die festen Pyrolyseprodukte und/oder das kohlenstoffhaltige Material nach der Mikrowelleneinstrahlung zu zerkleinern. Dadurch wird deren Oberfläche vergrößert und die Vergasung beschleunigt. Vorzugsweise ist die Zerkleinerungseinheit als Schabeinheit ausgebildet, die die Oberfläche der Pyrolyseprodukte und/oder des kohlenstoffhaltigen Materials, das oder die aus der Mikrowellenstation bzw. Heizeinheit austreten, abschabt. Die Schabeinheit gibt während des Schabvorgangs durch unmittelbaren Kontakt die Vergasungsprozesstemperatur an die frische Schabstelle des abgeschabten Materials ab. Auf diese Weise wird der Energieeintrag in die Materialpartikel beschleunigt. Außerdem entsteht durch den Schabvorgang eine rissige Oberfläche, wodurch eine weitere Vergrößerung der Vergasungsoberfläche erfolgt. Besonders bevorzugt ist dabei die Zerkleinerungsvorrichtung an der Siebtrommel angeordnet, so dass die abgeschabten Partikel durch die Bewegung der Siebtrommel sofort mit dem bereits vorhandenen Reaktorinhalt vermischt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der mindestens eine Wasserdampf- Plasmabrenner derart an den ersten Reaktor angeschlossen ist, dass dessen Plasmaflamme nicht oder nur zum Teil bis in den Reaktorinnenraum reicht, und führt eine zusätzliche Leitung von dem ersten Reaktor zur Plasmaflamme. Dadurch wird Reaktorinhalt zur Plasmaflamme angesaugt, der durch starke Erhitzung und dadurch bedingter Volumenvergrößerung des gasförmigen Anteils in den Reaktor hinein beschleunigt wird. In der Plasmaflamme selbst wird ein Materialanteil zu insbesondere CO und H2 vergast und durch die Beschleunigung des Materials in den Reaktorinnenraum wird die Durchmischung im Reaktorinnenraum gefördert und dadurch der Vergasungsprozess beschleunigt. Da permanent in einer Art Düseneffekt Gas-Partikelgemisch aus dem Reaktorinnenraum durch die zusätzliche Leitung zur Plasmaflamme gesaugt wird, wird ein kontinuierlicher Vergasungsprozess aufrechterhalten. Der Vorteil dieses Umluftsystems liegt nicht nur darin, dass der Vergasungsprozess deutlich schneller abläuft und sich dadurch die Verweilzeit des Materials verkürzt. Der Reaktorraum kann auch deutlich kleiner dimensioniert werden, was zur Folge hat, dass die Isolationsverluste stark reduziert werden und der
Gesamtwirkungsgrad sich erhöht. Die Strömung des Materials kann auch mechanisch oder mit Hilfe eines Gebläses aufrechterhalten werden oder den Düseneffekt unterstützen.
Ferner wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie mittels Pyrolyse und Vergasung kohlenstoffhaltiger Materialien zu CO und H2 enthaltendem Gas gelöst mit einem Vergasungsreaktor, einem mit Hilfe des CO und H2 enthaltenden Gas angetriebenen Motor und einem vom Motor angetriebenen Stromgenerator, wobei dem Vergasungsreaktor mindestens eine Mikrowellenstation und eine Heizeinheit vorgeschaltet sind, in denen das kohlenstoffhaltige Material mittels Mikrowellenbestrahlung und Wärmebestrahlung zumindest teilweise pyrolysiert wird, und wobei der Vergasungsreaktor als Wärmequelle einen Wasserdampf-Plasmabrenner aufweist. Durch die Kopplung einer solchen Vorrichtung zum Vergasen von kohlenstoffhaltigem Material zu CO und H2 enthaltendem Gas mit einem Motor, der das erzeugte CO- und H2-haltige Gas zur Stromerzeugung nutzt, lassen sich ohne großen Aufbereitungsaufwand und energieeffizient kohlenstoffhaltige Materialien wie Hausmüll, Biomüll, Gartenabfälle, Pellets, u.a. oder auch Industriemüll nicht nur in Wärmeenergie und chemische Energie, die im CO- und H2-haltigen Gas gespeichert ist, umwandeln, sondern unmittelbar auch in elektrische Energie.
Vorteilhafterweise ist die Heizeinrichtung als Porenbrenner ausgebildet.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Mikrowellenstation oder die Heizeinheit in Prozessstromrichtung unmittelbar vor dem ersten Reaktor angeordnet.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist dem Motor ein Heißgasbrenner vorgeschaltet und ist der Motor als Stirlingmotor ausgebildet. Auf diese Weise lässt sich das erzeugte Gas ohne aufwendige Abkühlung, die bei üblichen Gasmotoren nötig wäre, unmittelbar weiterverwenden, wodurch der Gesamtwirkungsgrad der Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie erhöht wird. Außerdem haben Stirlingmotoren den Vorteil relativ vibrationsarm zu sein, so dass die Geräuschbelastung entsprechend niedrig ist. Dies kommt der Verwendung insbesondere in kleineren Gebäude- bzw. Wohneinheiten entgegen.
Vorzugsweise ist der Heißgasbrenner als Porenbrenner ausgebildet. Dies hat den Vorteil, dass die erlaubte Eingangstemperatur des Gases noch so hoch ist, dass störende Verunreinigungen wie z.B. Teer sich noch im flüchtigen Zustand befinden. Dadurch kann der Aufwand für die Reinigung des erzeugten Gases auf ein Minimum reduziert werden, was eine besonders kompakte und energieeffiziente Bauweise der Vorrichtung zu Erzeugung elektrischer Energie erlaubt.
Die vorliegende Erfindung soll unter Bezugnahme auf ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Dazu zeigen
Figur 1 eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform einer
Vorrichtung zur Gaserzeugung;
Figur 2 einen horizontalen Schnitt durch die Vorrichtung aus Figur 1 ;
Figur 3 einen vertikalen Schnitt in Längsrichtung durch die Vorrichtung aus
Figur 1 in vereinfachter Ansicht;
Figur 4 einen vertikalen Schnitt senkrecht zur Längsrichtung durch die Vorrichtung aus Figur 1 in vereinfachter Ansicht;
Figur 5 eine schematische Detailansicht einer ersten Ausführungsform einer
Schabeinheit;
Figur 6 eine schematische Detailansicht eines Umluftkanals;
Figur 7 schematisch den Materialfluss einer Vergasung;
Figuren 8a, b eine schematische Detailansicht einer zweiten Ausführungsform einer Schabeinheit von der Seite und in Draufsicht; Figur 9 einen horizontalen Schnitt durch eine Vorrichtung wie in Figuren 1 bis 4 mit der Schabeinheit aus Figuren 8a, b;
Figuren 10a,b eine schematische Darstellung einer besonderen Ausführungsform der Schabeinheit aus Figuren 8a, b;
Figuren 11a,b,c Ansichten einer weitern Ausführungsform einer Vorrichtung zur Stromerzeugung perspektivisch von vorne und von hinten sowie von der Seite;
Figur 12 einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform einer Vorrichtung zur Gaserzeugung;
Figur 13 eine perspektivische Ansicht einer dritten Ausführungsform einer Vorrichtung zur Gaserzeugung;
Figur 14 einen horizontalen Schnitt durch eine Vorrichtung wie in Figur 13;
Figur 15 einen vertikalen Schnitt in Längsrichtung durch die Vorrichtung aus Figur 13 in vereinfachter Ansicht;
Figur 16 einen vertikalen Schnitt durch die Vorrichtung aus Figur 13 auf Höhe des Porenofens für die Pyrolyse;
Figur 17 einen horizontalen Schnitt durch eine Vorrichtung wie in Figur 13 mit der Schabeinheit aus Figuren 8a, b; und
Figur 18 einen vertikalen Schnitt senkrecht zur Längsrichtung durch die Vorrichtung aus Figur 10 in vereinfachter Ansicht.
Die Figur 1 zeigt einen Gaserzeuger 1 auf einer Auflage 108, der für eine Leistung von etwa 100 kWeι (netto) ausgelegt ist. Das Ausgangsmaterial kann Industriemüll oder Hausmüll sein oder Biomasse auf der Basis von nachwachsenden Rohstoffen, wie etwa Gartenabfälle, Hackschnitzeln, vorzugsweise einer Körnung von etwa 6-20 mm, Sägemehl, Pellets, Schalen, Spelzen oder Stroh. Auch fossile Brennstoffe lassen sich in dem Gaserzeuger vergasen. Das kohlenstoffhaltige Material wird über den Trichter 100 eingefüllt. Unter Nutzung der Abwärme eines Gaskühlers 10 in Form eines Wärmetauschers, ggf. kombiniert mit einem Gaswäscher, lässt sich das kohlenstoffhaltige Material 2 dort bereits auf ca. 60°-80°C vorwärmen (siehe auch Bezugszeichen 201 , Figur 7).
Mit Hilfe einer Transportschnecke 102 (siehe auch Figuren 2, 3) mit Antrieb 104 wird das kohlenstoffhaltige Material 2 in einen sekundären Reaktor 6 weiterbefördert. Dort wird das kohlenstoffhaltige Material 2 auf ungefähr 400-500°C aufgewärmt. Dies geschieht überwiegend über Mikrowellen, die im Mikrowellengenerator 31 erzeugt werden, und eine Heizeinrichtung 62, die die Abwärme des primären Reaktors 4, in dem die Vergasung stattfindet nutzt, oder extern mit Energie versorgt wird, z.B. als elektrischer Ofen, oder eine Kombination von interner und externer Energie nutzt. Die Heizeinrichtung 62 ist an den Reaktor 6 angeschlossen und dem Mikrowellengenerator 31 vorgeschaltet.
Zusätzlich wird das kohlenstoffhaltige Material 2 durch ein von der Heizeinrichtung 62 umgebenes Quetschteil 61 geführt. Das Quetschteil ist konisch ausgebildet, wobei sich sein Querschnitt in Förderrichtung verjüngt. Dadurch wird das kohlenstoffhaltige Material 2 vor der Mikrowellenzone 32 luftdicht verdichtet.
Durch die Heizeinrichtung 62 wird das kohlenstoffhaltige Material 2 von außen nach innen aufgeheizt. Durch die Mikrowelleneinstrahlung in der Mikrowellenstation 3 wird das kohlenstoffhaltige Material 2 durchdrungen und von innen nach außen aufgeheizt. Diese Kombination aus zugeführter Strahlungswärme und Mikrowellenbestrahlung führt zum bestmöglichen Wärmeeintrag in das kohlenstoffhaltige Material 2.
Durch den Wärmeeintrag wird das kohlenstoffhaltige Material 2 auch getrocknet. Das ist insbesondere bei nicht weiter vorbehandelten Ausgangsmaterialien wie Industrie- oder Hausmüll oder Gartenabfällen, aber auch allgemein bei Biomasse aus nachwachsenden Rohstoffen vorteilhaft. Der Gaserzeuger 1 ist daher unempfindlich gegen auch größere
Schwankungen im Feuchtigkeitsgehalt des kohlenstoffhaltigen Materials 2. Die Feuchtigkeit tritt als Wasserdampf aus dem kohlenstoffhaltigen Material 2 aus und dient beim Vergasungsprozess als Oxidationsmittel.
Der hohe Wärmeeintrag, insbesondere ins Innere des kohlenstoffhaltigen Materials 2 durch die Mikrowellenbestrahlung, löst die Pyrolyse des kohlenstoffhaltigen Materials 2 aus. Bei der Pyrolyse werden u.a. die längerkettigen Moleküle des kohlenstoffhaltigen Materials 2 in kürzere Moleküle aufgespalten. Es bilden sich flüchtige und nichtflüchtige Pyrolyseprodukte, die als Edukte für die folgende Vergasung benutzt werden. Um den Energieeintrag durch Mikrowellenbestrahlung gezielter umzusetzen, wird das kohlenstoffhaltige Material 2 durch ein Zuführrohr 33 geführt, damit das gesamte kohlenstoffhaltige Material 2 durch die Mikrowellenzone 32 geführt wird. Insbesondere, wenn Pellets oder vergleichbares Biomaterial als Ausgangsmaterial 2 verwendet werden, werden die molekularen Strukturen durch die Mikrowellenbestrahlung geradezu aufgebrochen, wodurch die Pyrolyse effizienter abläuft. Durch die luftdichte Verdichtung im Quetschteil 61 vor der Mikrowellenzone 32 wird gewährleistet, dass möglichst kein Stickstoff aus der Umgebungsluft eintritt, der den Brennwert des erzeugten CO und H2 enthaltenden Gases herabsetzen würde.
Die Dimensionierung des Mikrowellengenerators 31 hängt insbesondere von der Ausdehnung der Mikrowellenzone 32, der Dichte des kohlenstoffhaltigen Materials 2 und der gewünschten Temperatur ab. Die Wahl der Frequenz kann durch staatliche Bestimmungen eingeschränkt sein. Z.B. sind in Deutschland nur die Frequenzen 24,25GHz, 5,8GHz, 2,45GHz und ausnahmsweise 915MHz für die Mikrowellenerwärmung zugelassen. Statt eines Mikrowellengenerators können auch zwei, drei oder mehr eingesetzt werden, wobei sich entweder eine zusammenhängende Mikrowellenzone oder mehrere separate Mikrowellenzonen bilden können.
Das Zuführrohr 33 führt in den primären Reaktor 4, in den auch ein Plasmabrenner 5 mündet und in dem die Vergasung stattfindet. Das Zuführrohr 33 führt durch eine im primären Reaktor 4 angeordnete Siebtrommel 42. Die Siebtrommel 42 ist um ihre Längsachse drehbar gelagert und wird über den Antrieb 106 gedreht. Die Längsachse der Siebtrommel 42 ist im vorliegenden Beispiel parallel zum Zuführrohr 33. An der Umfangswand der Siebtrommel 42 sind innen Siebtrommelfächer 43 angeordnet (siehe insbesondere Figur 4). Außerdem ist an der dem Plasmabrenner 5 zugewandten Seite der Siebtrommel 42 eine Schabeinheit 7, hier in Form von fünf Klingen 71 , angebracht, die mit der Siebtrommel 42 mitgeführt werden, dabei am Ausgang des Zuführrohrs 33 vorbeigeführt werden und die Oberfläche des austretenden Materials, d.h. der nichtflüchtigen Pyrolyseprodukte 21 und ggf. des noch nicht vollständig pyrolytisch umgesetzten Ausgangsmaterials 2, abschaben, wodurch kleine Partikel 25 entstehen (siehe auch Figur 5). Insbesondere das bereits vollständig pyrolysierte Material ist sehr brüchig, so dass es sich leicht zerbröckeln lässt. Zusätzlich zur Oberflächenvergrößerung durch Partikelbildung an sich führt der Vorgang des Schabens zu einer rissigen und damit besonders großen Oberfläche, die für den Vergasungsprozess zur Verfügung steht, wodurch der Vergasungsprozess viel schneller und effizienter ablaufen kann.
In Figur 12 ist ein Schnitt durch eine weitere Ausführungsform eines Gasbrenners dargestellt und zwar senkrecht zum Zuführrohr 33. In diesem Beispiel ist für eine intensivere Pyrolyse die Mikrowellenstation mit einem Porenbrenner 63 kombiniert, der sich an den Mikrowellengenerator 31 anschließt und in seiner Geometrie derart angepasst ist, dass er das Zuführrohr 33 umschließt. Da Porenbrenner aus Keramik sind, sind deren Geometrien relativ frei wählbar. Die vorliegende Anordnung mit dem das Zuführrohr 33 umschließenden Porenbrenner 63 ist u.a. wegen des geringen Platzbedarfs vorteilhaft. Indem der
Porenbrenner 63 in den Reaktor 4 hineinragt oder wahlweise auch vollständig im Reaktor 4 angeordnet ist, trägt er insbesondere in der Anfangsphase des Vergasungsvorganges zu einem Aufwärmen des Reaktors 4 bei. Der Porenbrenner 63 kann mit im Gaserzeuger erzeugtem CO- und H2-haltigem Gas befeuert werden. Da Porenbrenner sehr hohe Gastemperaturen erlauben, kann ihm während des Vergasungsvorganges erzeugtes Gas ohne vorherige Kühlung, ggf. nach einer Staubfilterung sofort zugeführt werden. In dem in Figur 12 gezeigten Beispiel erreicht der Porenbrenner 63 einen verglichen mit einem herkömmlichen Gasbrenner sechs mal so hohen Wärmeeintrag. Insgesamt verbessert der Einsatz eines Porenbrenners in Kombination mit der Mikrowellenpyrolyse die Gesamtenergiebilanz des Gasbrenners bei dennoch geringem Platzbedarf und eignet sich daher gerade auch für Gaserzeuger, die für den Hausgebrauch dimensioniert sind.
Gegenüber dem Ausgang des Zuführrohrs 33 mündet der Heißgasstrom 23 des Plasmabrenners 5 in den primären Reaktor 4. Daher werden die abgeschabten Partikel 25 unmittelbar dem Heißgasstrom 23 ausgesetzt. Außerdem durchlaufen die Klingen 71 der Schabeinheit 7 ständig den Heißgasstrom 23, so dass sie ebenfalls die Prozesstemperatur von etwas 950°-1050°C haben und durch den unmittelbaren Kontakt beim Abschaben diese Temperatur an die zugeführten Pyrolyseprodukte 21 und ggf. das kohlenstoffhaltige Material 2 abgeben. Dadurch sind die Partikel 25 in kürzester Zeit auf Prozesstemperatur und können vergast werden. Durch die Temperatur von 9500C und mehr in der Vergasungszone wird gewährleistet, dass auch gesundheitsschädliche Kohlenstoffverbindungen und Teer möglichst vollständig vergast werden und außerdem der Gehalt an CO und H2 am Vergasungsprodukt möglichst hoch ist.
Im Heißgasstrom herrschen Turbulenzen, die zu einer raschen Vermischung der abgeschabten Partikel mit dem restlichen Reaktorinhalt, d.h. mit den Reaktionspartnern für die Vergasung führen. Dadurch findet die Vergasung schneller und intensiver statt, wodurch der Gesamtwirkungsgrad erhöht wird. Partikel 25, die im Reaktorinnenraum absinken und sich vom Heißgasstrom 23 entfernen, werden von der Siebtrommel 42 in ihren Fächern 43 aufgefangen, zurück zum Heißgasstrom transportiert und dort in den Heißgasstrom geschüttet, so dass sie wieder besser für die Vergasung zur Verfügung stehen. Der gesamte Reaktorinhalt wird ständig umgewälzt, was die Vergasung weiter fördert.
Eine weitere Ausführungsform einer Schabeinheit ist in den Figuren 8a, b im Detail und in Figur 9 als Bestandteil des Gaserzeugers dargestellt. Es handelt sich um ein rotierendes Schabteil 72, die am Austritt des Zuführrohrs 33 angeordnet ist. Das Schabteil 72 besteht aus einer keramischen Scheibe mit stirnseitig angeordneten Fenstern 75. Im Gegensatz zur Schabeinheit 7 mit Klingen 71 , die über die Siebtrommel 42 angetrieben wird, wird das rotierende Schabteil 72 über eine Welle 73 angetrieben. Durch die Drehbewegung werden von den nichtflüchtigen Pyrolyseprodukten 21 Partikel 25 abgeschabt. Diese fliegen durch die stirnseitigen Fenster 75 aus dem Zuführrohr 75 in den Heißgasstrom 23 des
Plasmabrenners 5. Da die flüchtigen Pyrolyseprodukte sowie der auch schon bei der Trocknung entstandene Wasserdampf ebenfalls durch die Fenster 75 aus dem Zuführrohr 33 entweichen müssen, findet eine intensive Vergasung bereits im Bereich der Fenster 75 stattfinden, die wie kleine Reaktorkammern wirken. Dadurch wird der Gesamtwirkungsgrad des Gaserzeugers 1 weiter erhöht.
Eine besondere Ausführungsform eines rotierenden Schabteils ist in den Figuren 10a,b dargestellt. Das rotierende Schabteil 72' weist zusätzlich zu den stirnseitig angeordneten Fenstern radial angeordnete Fenster 74 auf. Es dreht sich im Zuführrohr 33 und wird wie zuvor über die Welle 73 angetrieben.
Der Antrieb 105 des rotierenden Schabteils 72' besteht im Wesentlichen aus einer Antriebsbuchse 81 , die in einem Gehäuse (nicht dargestellt) drehbar gelagert ist. Die Drehbewegung erfolgt im vorliegenden Beispiel über ein Kettenrad 87. Ebenso kann aber auch ein Zahnrad, ein Zahnriemen, ein Keilriemen oder Ähnliches verwendet werden. Die Welle 73 wird in der Antriebsbuchse 81 radial geführt, kann sich dabei aber axial bewegen. Am rechten Ende der Welle 73 ist kraft- und/oder formschlüssig ein Mitnahmestern 82 befestigt und über Verschraubung 86 gesichert. Der Mitnahmestern 82 greift in kreisförmig angeordnete Nuten in der Antriebsbuchse 81. Dadurch überträgt sich die Drehbewegung von der Antriebsbuchse 81 auf die Welle 73. Axial kann sich der Mitnahmestern 82 innerhalb der Nuten bewegen. Die Axialbewegung wird nach rechts durch eine hintere Wegbegrenzung 83, die mit der Antriebsbuchse 81 verschraubt ist, begrenzt. Nach links ist die Axialbewegung gegen die Kraft einer Feder 84 bis zum Ende der Nuten in der Antriebsbuchse 81 möglich.
In Figur 10a ist der Normalbetrieb des rotierenden Schabteils 72' dargestellt. Während es sich dreht, liegt der Mitnahmestern 82 an der hinteren Wegbegrenzung 83 und werden die radialen Fenster 74 vom den Wänden des Zuführrohrs 33 abgedeckt. In Figur 10b erhöht sich der axiale Druck auf das rotierende Schabteil 72' durch eine drohende Verstopfung des Zuführrohrs 33. Übersteigt die Axialkraft des rotierenden Schabteils 72' die Kraft der Feder 84, bewegt sich das rotierende Schabteil 72' in der Zeichnung nach links aus dem
Zuführrohr 33 und gibt damit die radial angeordneten Fenster 74 frei. Durch die Fenster 74 hindurch können nun nichtflüchtige Pyrolyseprodukte 21 aus dem Zuführrohr 33 austreten und dessen Verstopfen verhindern.
Durch einen Sensor 85 im Bereich der Antriebsbuchse 81 kann die axiale Position des Mitnahmestern 82 definiert werden und so über eine Steuerung der Eingangsgrößen „Drehzahl der Schabvorrichtung" und „Geschwindigkeit der Materialzufuhr" der Verstopfungsgefahr entgegengewirkt werden. Außerdem ermöglicht die Wegmessung des Mitnahmesterns 82 eine Bestimmung des Verschleißzustandes des rotierenden Schabteils 72.
Beim Plasmabrenner 5 handelt es sich im vorliegenden Beispiel um einen Wasserdampf- Plasmabrenner. Die Zusammensetzung des Wasserdampfplasmas fördert den Vergasungsprozess sehr stark, den es besteht aus den Radikalen O, H, OH, O2, H2 und H2O bei einer mittleren Temperatur im Bereich von 40000C und Spitzenwerten im Kern der Plasmaflamme von ca. 120000C. Die Enthalpiedichte von Wasserdampf ist sehr hoch und der thermische Wirkungsgrad von Wasserdampfquellen liegt bei 70%-90%. Außerdem ist Wasserdampf leicht verfügbar. Wasserdampfplasma wirkt daher nicht nur beschleunigend auf den Vergasungsprozess, sondern ist auch aus wirtschaftlichen Aspekten vorteilhaft.
Um die Verweilzeit der Partikel 25 im Reaktor 4 bis zur möglichst vollständigen Vergasung noch weiter zu reduzieren, ist am Reaktor 4 ein primärer Umluftkanal 41 vorgesehen (siehe insbesondere Figuren 3, 6). Der primäre Umluftkanal 41 verbindet den unteren Bereich des Reaktors 4 mit dem Stutzen 52 des Wasserdampf-Plasmabrenners im oberen Bereich des Reaktors 4. Durch die Energiedichte der Plasmaflamme 51 wird über den primären
Umluftkanal 41 ein Gemisch aus im Reaktor 4 befindlichem Gas 22, 23 und Partikeln 25 aus dem unteren Reaktorbereich angesaugt. Das Gemisch einer Temperatur von ca. 7500C gerät so über eine Art Düseneffekt unmittelbar in die 40000C heiße Wasserdampf- Plasmaflamme 51 , wodurch sich eine starke Volumenvergrößerung des Gases ergibt. Diese Volumenvergrößerung hat eine Beschleunigung des Gasgemischs in Richtung Reaktor 4 mit starken Turbulenzen zur Folge. Der Eintrittsquerschnitt in den Reaktor 4 ist konisch als Diffusor 52 ausgebildet, um diesen Vorgang noch zu verstärken. Außerdem sind zusätzlich sekundäre Umluftkanäle 44 vorgesehen, die Partikel 25 aus dem oberen Innenraum des Reaktors 4 in den Diffusor 52 leiten. Auch hier wird wieder der Düseneffekt ausgenutzt. Mit Hilfe der sekundären Umluftkanäle 44 wird zusätzlich zur Wirkung des primären Umluftkanals 41 eine bessere Durchmischung des Reaktorinhalts im oberen Reaktorraum erreicht. Außerdem läuft in der Plasmaflamme 51 und ihrer unmittelbaren Umgebung die Vergasung aufgrund der besonders hohen Temperaturen und der hohen Radikaldichte sehr intensiv ab.
Abgesehen von der Ausnutzung des Düseneffekts könnte dieses Umluftprinzip auch mechanisch oder mit Hilfe von Gebläse erreicht werden oder diese Maßnahmen mit dem Düseneffekt kombiniert werden. Dies wird der Fachmann in Abhängigkeit von der Geometrie der Vorrichtung, der Betriebsparameter der Plasmaquelle 5 oder anderer externer Wärmeeintragsquellen entscheiden.
Im Reaktor 4 trifft das aus dem Diffusor 52 austretende Gemisch aus Gas und Partikeln auf die Schabeinrichtung 7 und die Oberfläche der zugeführten Pyrolyseprodukte 21 , ggf. auch des kohlenstoffhaltigen Materials 2 und erwärmt diese auf die Prozesstemperatur. Anschließend strömt das Gemisch in den seitlichen oberen Bereich der Siebtrommel 42 und vermischt sich mit dem durch die Siebtrommel permanent hochgeförderten Material. Dadurch wird nicht nur ein kontinuierlicher Vergasungsprozess aufrechterhalten. Durch dieses Umluftsystem läuft der Vergasungsprozess auch schneller ab.
Alle diese Maßnahme führen zu einer sehr stark verkürzten Verweilzeit des zu vergasenden Materials. Dadurch kann insbesondere der primäre Reaktor 4 deutlich kleiner dimensioniert werden, was zur Folge hat, dass die Isolationsverluste stark reduziert werden und der Gesamtwirkungsgrad signifikant erhöht werden kann. Die Baugröße des Gaserzeugers lässt sich so stark verringern, dass neben Anlagen im Leistungsbereich von ca. 100 kWeι (netto) und mehr auch Kleinanlagen für den Wohnbereich im Leistungsbereich von ca. 2-4 kWeι (netto) möglich sind (siehe weiter unten, Figuren 11a-c). Die bei der Vergasung entstehende Asche 24 wird durch die Siebtrommel 42 abgesiebt und fällt in den untersten Bereich des primären Reaktors 4 (siehe u.a. Figur 4). Dort befindet sich ein Aschenauslass 114, durch den die Asche 24 ausgetragen wird (Bezugszeichen 203 in Figur 7). Die übrigen Vergasungsprodukte 23 werden über den unteren Reaktorbereich mittels eines leichten Unterdrucks mithilfe eines Gebläses 128 aus dem Reaktorinnenraum zu einer Filtereinheit 112 abgezogen. Vorteilhafterweise handelt es sich dabei um Keramikfilterkerzen 1 13, die in das Reaktorgehäuse integriert sein können. Die Keramikfilterkerzen 1 13 dienen als Staubfilter und haben den Vorteil, dass das erzeugte Gas ohne vorherige Kühlung, also bei noch etwa 700°-800°C gefiltert werden kann.
Die Filtereinheit 112 und der Reaktor 4 teilen sich im vorliegenden Beispiel eine Außenwand (siehe Figur 4). Dies hat den besonderen Vorteil, dass einerseits der Reaktor 4 auf dieser Seite besonders gut wärmeisoliert ist und andererseits die Filtereinheit 112 durch die Reaktorabwärme auf Betriebstemperatur vorgewärmt wird. Außerdem teilen sich die Filtereinheit 112 und der Reaktor 4 den Ascheauslass 114, was die Reinigung der Filtereinheit 112 vereinfacht.
Nach der Filterung könnte das erzeugte Heißgas zur Stromgewinnung unmittelbar einem Motor, der mit Heißgas betrieben werden kann, oder auch einem Porenbrenner zugeführt werden. Im vorliegenden Beispiel wird das Heißgas über eine Leitung 122 zu einer weiteren Station 120 geführt, die die Funktion eines Gas-Wasser- Wärmetauschers und/oder eines Wäschers hat. Dadurch lässt sich das Heißgas auf unter 500C kühlen und reinigen. Außerdem lässt sich die Wärme nutzen, indem das aufgewärmte Kühlwasser, das über den Eingang 116 zugeleitet und den Ausgang 118 abgeleitet wird, mit Hilfe einer Pumpe 126 in die Gebäudetechnik eingespeist wird oder an einen externen Wärmetauscher weitergeleitet wird. Die Wärme lässt sich auch für das Vorwärmen des kohlenstoffhaltigen Materials 2 nutzen. Das abgekühlte Reingas wird mit Hilfe des Gebläses 128 über einen Unterdruck aus dem System abgezogen und zur weiteren Nutzung in einen externen Gasspeicher oder ein Blockheizkraftwerk abgeführt.
In den Figuren 11 a-c ist eine weitere Ausführungsform eines Gaserzeugers dargestellt. Dieser Gaserzeuger ist für eine Leistung von ca. 2-4 kWeι bzw. 8-16 kWtherm ausgelegt und eignet sich daher für den Einsatz im Wohnbereich. Da der innere Aufbau dieses Gaserzeugers sich von dem bereits erläuterten Gaserzeuger 1 nicht wesentlich unterscheidet, wird auf eine Innenansicht verzichtet und nur auf die abweichenden
Komponenten eingegangen, mit denen der Gaserzeuger in diesem Beispiel verbunden ist. Zu sehen ist in den Figuren 11a-c eine Hausanlage 10 zur Erzeugung von Wärme- und elektrischer Energie. Bei der Hausanlage 10 handelt es sich um ein Komplettmodul, das im Wesentlichen aus einem Gaserzeuger und einem damit verbundenen Motor als Generatorantrieb besteht. Die Hausanlage erzeugt wie vorbeschrieben über Pyrolyse mit Hilfe des Mikrowellengenerators 31 und einer hier nicht sichtbaren Heizeinheit und Vergasung über anschließenden externen Wärmeeintrag, hier mittels einer Wasserdampf- Plasmaquelle CO und H2 enthaltendes Gas aus kohlenstoffhaltigen Materialien. Dieses Gas wird zum Antrieb eines Stirlingmotors 131 genutzt, der einen Generator 132 antreibt, wodurch Strom erzeugt wird. Die Abwärme wird zur Beheizung von Wohngebäuden und zur Erzeugung von Warmwasser genutzt.
Durch den Stutzen 99 werden die kohlenstoffhaltigen Materialien mit Hilfe von zum Beispiel Gebläsen oder Schnecken zugeführt und gelangen in den hier doppelwandigen Trichter 101. Nach einer Pyrolyse mit Mikrowellen- und Wärmebestrahlung und Wasserdampf- Plasmavergasung wie zuvor beschrieben tritt das CO und H2 enthaltende Gas mit einer Temperatur von über 4000C aus der Filtereinheit 112 aus Keramikfilterkerzen aus und wird durch das Gasrohr 122 in den Heißgasbrenner 143, hier in Form eines Porenbrenners geführt. Dort wird es mit der Verbrennungszuluft, die zur Geräuschreduzierung über eine Einlaufdüse 140 von einem Gebläse 141 angesaugt wird, in dem Heißgasbrenner 143 verbrannt. Die Verbrennungszuluft wird zuvor durch das hier doppelwandig ausgeführte Aschefach 204 geleitet, wodurch sich die Luft erwärmt und die Asche abkühlt. Dadurch wird das Brandrisiko bei der Ascheentsorgung minimiert. Vom Aschefach 204 wird die Verbrennungszuluft über die Leitung 142 zum Heißgasbrenner 143 geführt.
Die in dem Heißgasbrenner 143 erzeugte Wärmeenergie (ca. 1050°-1100°C) wird zum Antrieb des Stirlingmotors 131 genutzt. Dieser treibt den Generator 132 an, so dass Strom erzeugt wird. Die abzuführende Energie, die sich aus dem Stirlingprozess ergibt, wird über einen Kühlwasseraustritt 135 in einen Wasser/Wasser-Wärmetauscher 134 eingeleitet. Das herabgekühlte Wasser (ΔT ca. 40-500C) wird über den Kühlwassereintritt 136 wieder in den Stirlingmotor 131 eingeleitet. Die heißen Abgase (ca. 600-7000C) aus dem Heißgasbrenner 143 werden über eine Leitung 137 einem Gas/Wasser-Wärmetauscher 133 zugeführt. Nach Durchströmen des Gas/Wasser-Wärmetauschers 133 gelangen die Abgase übe eine Leitung 138 in den Trichter 101 und erwärmen dort die durch den Stutzen 99 eingebrachten kohlenstoffhaltigen Materialien. Über einen Rohranschluss 139 gelangen die Abgase mit einer Temperatur von um die 500C in den Rauchabzug des Gebäudes. Die Abwärme aus dem Wärmetauschern 133, 134 wird über einen Kühlwassereingang 116 und einen Kühlwasserausgang 118 in die Gebäudeheizung und die Warmwasseraufbereitung eingespeist.
Die Vorteile der Hausanlage 10 sind darin zu sehen, dass kohlenstoffhaltige Stoffe wie zum Beispiel Pellets, Grünabfälle, Hausmüll usw. zur Energieversorgung von Wohngebäuden genutzt werden können. Neben der benötigten Raumwärme und Warmwasseraufbereitung wird elektrischer Strom erzeugt, der in den Ruhezeiten in das Stromnetz eingespeist und vergütet wird. Dies verringert die Energiekosten der Einzelhaushalte und trägt zur
Dezentralisierung des Strommarktes bei. Durch die kompakte Baugröße des Gaserzeugers sind Geräte ab der Größe von Etagenheizungen bis hin zu Mehrfamilienhäusern realisierbar. Durch die Verbrennung des Gases mit Temperaturen über 5000C können keine Teere ausfallen, so dass die Gasreinigung sich auf den Staubfilter 1 12 mittels Keramikfilterkerzen beschränken lässt.
Die in Figur 13 dargestellte dritte Vorrichtung zur Gaserzeugung unterscheidet sich von der in Figur 1 dargestellten ersten Vorrichtung insbesondere in Hinblick auf die Auslegung der Pyrolysestation. Während bei der ersten Vorrichtung das zu pyrolysierende Material nach der Verdichtung zunächst mit Hilfe der Heizeinrichtung von außen nach innen aufgeheizt wird, bevor es mit Mikrowellen bestrahlt wird, um es auch von innen nach außen aufzuheizen (siehe auch Figuren 2 und 3), wird in der dritten Vorrichtung das zu pyrolysierende Material zunächst mit Mikrowellen des Mikrowellengenerators 31 bestrahlt, um im Inneren die Pyrolysetemperatur zu erreichen, und anschließend durch eine Heizeinrichtung, in diesem Beispiel ein Porenofen 63, geführt, um das Material auch von außen nach innen auf Pyrolysetemperatur zu bringen.
In Figur 16 ist ein senkrechter Schnitt durch die Vorrichtung aus Figur 13 dargestellt und zwar auf Höhe des Porenbrenners 63. Im Gegensatz zum in Figur 12 dargestellten Beispiel ist in diesem Beispiel für eine intensivere Pyrolyse die Mikrowellenstation mit drei
Porenbrennern 63 kombiniert, die sich an den Mikrowellengenerator 31 anschließen und um das Zuführrohr 33 im Bereich dessen unteren Umfangs angeordnet sind, so dass die Strahlungswärme 66 auf das Zuführrohr 33 strahlt. Der Porenbrenner 63 kann mit im Gaserzeuger erzeugtem CO- und H2-haltigem Synthesegas befeuert werden, das über die Synthesegasanschlüsse 64 zugeführt wird. Das Synthesegas wird zusammen mit Luft bzw. Sauerstoff im Porenbereich der Porenbrenner 63 unter Erzeugung von Wärmeenergie verbrannt. Die entstehenden Abgase treten durch den Abgsasaustritt 65 aus und können zum Vorwärmen anderer Komponenten genutzt werden. Der Porenbereich wird im Allgemeinen aus Keramikschaum oder einer anderen hochtemperaturbeständigen Struktur gebildet. Besonders vorteilhaft an Porenbrennern ist ihre sehr hohe Leistungsdichte von ca. 1000 kW/m2. Insbesondere lassen sich hohe Temperaturen von bis zu ca. 14000C erreichen. Weitere Vorteile sind hohe Aufheizraten und eine gute Regelbarkeit der Ofentemperatur. Da Porenbrenner sehr hohe Gastemperaturen erlauben, kann ihnen während des Vergasungsvorganges erzeugtes Gas ohne vorherige Kühlung, ggf. nach einer Staubfilterung sofort zugeführt werden. In dem in Figur 16 gezeigten Beispiel erreicht der Porenbrenner 63 einen verglichen mit einem herkömmlichen Gasbrenner sechs mal so hohen Wärmeeintrag. Insgesamt verbessert der Einsatz eines Porenbrenners in Kombination mit der Mikrowellenpyrolyse die Gesamtenergiebilanz des Gasbrenners bei dennoch geringem Platzbedarf und eignet sich daher gerade auch für Gaserzeuger, die für den Hausgebrauch dimensioniert sind.
Ferner bestehen im Vergasungsreaktor 4 der dritten Vorrichtung (siehe Figur 14) einige Unterschiede zur ersten Vorrichtung: Das Zuführrohr 33 zur Zuführung des pyrolysierten Materials und der Plasmabrenner 5 sind derart zueinander angeordnet, dass der von der Plasmaflamme 51 generierte Heißgasstrom nicht nur seitlich, sondern frontal auf die Schabereinheit 72 (siehe auch Figuren 8a, b) trifft, um die Schabereinheit 72 noch besser aufzuheizen. Während des Schabens überträgt die Schabereinheit 72 ihre Temperatur auf das zu zerkleinernde Material. Durch die frontale Ausrichtung des Heißgasstroms 23 auf die Schabereinheit 72 wird zusätzlich besser erreicht, dass der Heißgasstrom in den stirnseitigen Fenstern 75 der Schabeinheit 72 auch unmittelbar das zu zerkleinernde Material auf Prozesstemperatur für die Vergasung aufheizt.
Das Aufheizen der Pyrolyseprodukte unmittelbar nach der Pyrolyse, wenn sie auch aufgrund des Porenbrenners auf einer sehr hohen Temperatur sind, führt dazu, dass in Ansätzen schon im Zuführrohr 33 zu dessen Vergasungsreaktorseitigen Ausgang hin bereits Vergasung stattfindet. Auch in den stirnseitigen Fenstern 75 der Schabeineinheit 72 findet bereits teilweise Vergasung statt.
Der Vorteil dieses fließenden Übergangs von Pyrolyse zu Vergasung ist, dass die festen Pyrolyseprodukte sehr effizient vergast werden und nur wenig Asche zurückbleibt. Daher ist auch in der hier dargestellten zweiten Vorrichtung die Trommel 45 nicht als Siebtrommel ausgeführt, sondern nur als Trommel 45 mit Trommelfächern 43 (siehe Figur 15), um noch nicht vergaste Partikel 25 wieder in den Heißgasstrom einzubringen. Die wenige Asche 24 kann über die Stirnseiten der Trommel 45 austreten und über den Ascheauslass 1 14 abgeführt werden. Die nicht als Siebtrommel ausgeführte Trommel 45 hat den zusätzlichen Vorteil der effizienteren thermischen Isolation des Innenraums des Vergasungsreaktors 4.
Die Plasmaflamme 51 ist in der zweiten Vorrichtung in einem mit Öffnungen 53 versehenen Diffusor 52 angeordnet (siehe Figur 14). In der Wasserdampfplasmaflamme 51 kommen die flüchtigen und festen Pyrolyseprodukte mit den dort generierten Radikalen zusammen, mit denen sie zu CO und H2 reagieren. Außerdem werden sie im Plasma sehr schnell sehr stark erhitzt, so dass eine plötzliche Volumenausdehnung stattfindet, die zu einem lokalen
Unterdruck führt. Durch die Öffnungen 53 werden über diesen lokalen Unterdruck weitere Pyrolyseprodukte in die Wasserdampfplasmaflamme 51 gesaugt, so dass ein ständiger Heißgasstrom aufrechterhalten wird.
Durch die Verkürzung des Zuführrohrs 33 und das Hineinragen des Plasmabrenners 5 in den Vergasungsreaktor 4 im Vergleich zur ersten Vorrichtung wird bei der dritten Vorrichtung der Platzbedarf weiter reduziert.
Es sei darauf hingewiesen, dass die dritte Vorrichtung zur Gaserzeugung aus den Figuren 13 bis 16 auch mit der Schabeinheit 72' wie in den Figuren 8a, b oder auch mit Klinge 71 wie in Figur 4 oder einer anderen Schabeinheit ausgeführt werden kann. Ebenso ist es möglich die dritte Vorrichtung ganz ohne Zerkleinerungseinheit vorzusehen wie in den Figuren 17 und 18 dargestellt. Je nach Wahl des kohlenstoffhaltigen Materials können durch die hier vorgestellte besonders effiziente Pyrolyse die festen Pyrolyseprodukte so bröselig sein, dass sich eine zusätzliche Zerkleinerung erübrigt. Indem außerdem der Heißgasstrom 23 unmittelbar auf die Pyrolyseprodukte bei ihrem Eintreten in den Reaktor 4 trifft, werden sie in minimaler Zeit auf eine hinreichend hohe Temperatur für eine rückstandarme Vergasung gebracht.
Es sei ferner darauf hingewiesen, dass auch die dritte Vorrichtung zur Gaserzeugung in eine Vorrichtung zur Stromerzeugung wie z.B. unter Bezugnahme auf die Figuren 11 a-c beschrieben wurde. Bezuqszeichen
1 Gaserzeuger
10 Hausanlage
2 kohlenstoffhaltiges Material
21 nichtflüchtige Pyrolyseprodukte
22 flüchtige Pyrolyseprodukte
23 Heißgasstrom
24 Asche
25 abgeschabte Partikel
3 Mikrowellenstation
31 Mikrowellengenerator
32 Mikrowellenzone
33 Zuführrohr
4 primärer Reaktor
41 primärer Umluftkanal
42 Siebtrommel
43 Siebtrommelfach
44 sekundärer Umluftkanal
45 Trommel
5 Plasmabrenner
51 Plasmaflamme
52 Diffusor
53 Öffnung
64 Gasanschluss
65 Abgasaustritt
66 Strahlungswärme
6 sekundärer Reaktor
61 Quetschteil
62 Heizung
63 Porenbrenner
7 Schabeinheit
71 Klinge
72, 72' rotierendes Schabteil
74 radial angeordnetes Fenster
75 stirnseitig angeordnetes Fenster 81 Antriebsbuchs
82 Mitnahmestern
83 hintere Wegbegrenzung
84 Feder
85 Sensor
86 Verschraubung
87 Kettenrad
99 Stutzen
100 Trichter
101 Trichter (abgasumströmt)
102 Transportschnecke
104 Antrieb Transportschnecke
105 Antrieb rotierende Schabvorrichtung
106 Antrieb Siebtrommel
108 Auflage
110 Wärmetauscher/Wäscher
112 Filtereinheit
113 Keramikfilterkerze
114 Ascheauslass
116 Kühlewassereingang
118 Kühlwasserausgang
120 Reingasauslass
122 Gasleitung
124 Einspeisung in Gebäudetechnik / externer Wärmetauscher
126 Pumpe
128 Gebläse
130 externer Gasspeicher / Blockheizkraftwerk / Motor
131 Stirlingmotor
132 Generator
133 Gas/Wasser-Wärmetauscher
134 Wasser/Wasser-Wärmetauscher
135 Kühlwasseraustritt
136 Kühlwassereintritt
137 Leitung
138 Leitung
139 Rohranschluss 140 Einlaufdüse
141 Gebläse
142 Verbrennungsluftleitung
143 Heißgasbrenner 201 vorwärmen
203 Ascheaustrag
204 Aschefach

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Vergasen von kohlenstoffhaltigem Material zu CO und H2 enthaltendem Gas mit vorgeschalteter Pyrolyse, dadurch gekennzeichnet, dass die Pyrolyse des kohlenstoffhaltigen Materials mit Hilfe von Mikrowellenbestrahlung und durch
Wärmebestrahlung des kohlenstoffhaltigen Materials durchgeführt wird und dass die Vergasung der Pyrolyseprodukte allotherm mit Hilfe eines Wasserdampf-Plasmas durchgeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmebestrahlen des kohlenstoffhaltigen Materials mit Hilfe eines Porenbrenners durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergasung sich unmittelbar an die Pyrolyse anschließt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Pyrolyseprodukte und/oder das kohlenstoffhaltige Material und/oder Vergasungsprodukte zumindest teilweise mehr als einmal dem Wasserdampfplasma ausgesetzt werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das kohlenstoffhaltige Material vor und/oder während und/oder nach der Mikrowelleneinstrahlung verdichtet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Pyrolyseprodukte und/oder das kohlenstoffhaltige Material nach der Mikrowelleneinstrahlung zerkleinert werden.
7. Vorrichtung zum Vergasen von kohlenstoffhaltigem Material zu CO und H2 enthaltendem Gas, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens eine Mikrowellenstation (3) und eine Heizeinheit (62, 63) aufweist, um die Pyrolyse des kohlenstoffhaltigen Materials zumindest zum Teil durchzuführen, sowie einen ersten Reaktor (4) mit mindestens einem Wasserdampf-Plasmabrenner (5) aufweist, um die Vergasung durchzuführen.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrowellenstation (3) oder die Heizeinheit (62, 63) in Prozessstromrichtung unmittelbar vor dem ersten Reaktor
(4) angeordnet ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrowellenstation (3) in einem zweiten Reaktor (6) angeordnet ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrowellenstation (3) eine Verdichtungseinheit (61) aufweist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinheit als Porenbrenner (63) ausgebildet ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Reaktor (4) eine Mischeinheit (42) angeordnet ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischeinheit als drehbare Siebtrommel (42) ausgebildet ist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Reaktor (4) oder am Ausgang der Mikrowellenstation (3) eine Zerkleinerungseinheit (7) angeordnet ist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Zerkleinerungseinheit als Schabeinheit (7) ausgebildet ist, die die Oberfläche der Pyrolyseprodukte (21) und/oder des kohlenstoffhaltigen Materials (2), das oder die aus der Mikrowellenstation (3) austreten, abschabt.
16. Vorrichtung nach Anspruch 13 und 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Zerkleinerungsvorrichtung (7) an der Siebtrommel (42) angeordnet ist.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Wasserdampf-Plasmabrenner (5) derart an den ersten Reaktor (4) angeschlossen ist, dass dessen Plasmaflamme (51) nicht oder nur zum Teil bis in den Reaktorinnenraum reicht, und eine zusätzliche Leitung (41) von dem ersten Reaktor (4) zur Plasmaflamme (51) führt, durch die Reaktorinhalt zur Plasmaflamme (51) angesaugt wird.
18. Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie mittels Pyrolyse und Vergasung kohlenstoffhaltiger Materialien zu CO und H2 enthaltendem Gas mit einem Vergasungsreaktor, einem mit Hilfe des CO und H2 enthaltenden Gas angetriebenen Motor und einem vom Motor angetriebenen Stromgenerator, dadurch gekennzeichnet, dass dem Vergasungsreaktor (4) mindestens eine Mikrowellenstation (3) und eine Heizeinheit (62, 63) vorgeschaltet sind, in denen das kohlenstoffhaltige Material mittels Mikrowellenbestrahlung und Wärmebestrahlung zumindest teilweise pyrolysiert wird, und dass der
Vergasungsreaktor (4) als Wärmequelle einen Wasserdampf-Plasmabrenner aufweist.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung als Porenbrenner ausgebildet ist.
20. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrowellenstation (3) oder die Heizeinheit (62, 63) in Prozessstromrichtung unmittelbar vor dem ersten Reaktor (4) angeordnet ist.
21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass dem Motor (131) ein Heißgasbrenner (143) vorgeschaltet ist und der Motor als Stirlingmotor (131) ausgebildet ist.
22. Vorrichtung nach Anspruch 21 , dadurch gekennzeichnet, dass der Heißgasbrenner als Porenbrenner (143) ausgebildet ist.
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2010089323A2 (de) 2009-02-05 2010-08-12 Native Power Solutions Gmbh Verfahren zum betrieb einer einkoppeleinheit
WO2010083804A3 (de) * 2009-01-20 2011-03-10 Ettenberger Gmbh & Co. Kg Vorrichtung und verfahren zur erzeugung eines brennbaren synthesegases
AU2013203678B2 (en) * 2006-10-26 2014-12-04 Xyleco, Inc. Processing biomass
US9023628B2 (en) 2006-10-26 2015-05-05 Xyleco, Inc. Processing biomass
AT518754A2 (de) * 2016-06-13 2017-12-15 Gs Gruber-Schmidt Gmbh Vergasung biogener Stoffe in einem Doppelschneckenreaktor mit Hilfe von Mikrowellen Plasma

Families Citing this family (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB0911777D0 (en) * 2009-07-07 2009-08-19 Microwaste Ltd Disposal of waste materials
CN101906324B (zh) * 2010-07-20 2013-04-03 武汉凯迪控股投资有限公司 生物质水蒸汽间接气化工艺及其设备
WO2012009859A1 (zh) * 2010-07-23 2012-01-26 Lam Kwok Fai 微波干燥器和微波干燥方法
US10738249B2 (en) * 2012-01-30 2020-08-11 Aries Gasification, Llc Universal feeder for gasification reactors
PL398572A1 (pl) * 2012-03-22 2013-09-30 Brzeski Arkadiusz Piec do zgazowywania mikrofalowego wszelkich produktów
JP2017525550A (ja) 2014-06-02 2017-09-07 ピーエイチジー エネルギー エルエルシー マイクロ波誘導プラズマ清浄装置及び発生炉ガス関連への応用方法
US10280377B1 (en) * 2016-03-24 2019-05-07 Helge Carl Nestler Pyrolysis and steam cracking system
IT201600094644A1 (it) * 2016-09-22 2018-03-22 Off Grid Srl apparato e metodo per la produzione di gas di sintesi da biomasse di origine vegetale
EP3473693A1 (de) * 2017-10-19 2019-04-24 ThermoDeg s.r.o. Reaktor für thermischen abbau und verfahren zum betrieb des reaktors
CN108745362B (zh) * 2018-06-26 2021-11-26 山东科技大学 特征碳膜包覆的微波放电金属催化剂的制备方法及应用
CN109181772A (zh) * 2018-11-14 2019-01-11 中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司 一种基于斯特林机的生物质气化发电系统
ES2934490T3 (es) 2018-11-28 2023-02-22 African Rainbow Minerals Ltd Reactor y proceso para la gasificación y/o fusión de materias primas
CA3128254A1 (en) * 2019-06-18 2020-12-24 Aries Gasification, Llc Universal feeder for gasification reactors
LV15605A (lv) * 2020-04-30 2021-11-20 Kanonirs Jevgēnijs Komunālo un citu atkritumu pirolīzes metode un ierīce
DE102020215688A1 (de) * 2020-12-11 2022-06-15 Thyssenkrupp Ag Verfahren zur Verringerung der Produktionskosten bei der Herstellung von Produkten in einem Produktionsbetrieb
CN113819738B (zh) * 2021-10-22 2022-08-16 清远市鑫辉化工有限公司 一种带搅拌功能的多级干燥设备
CN114309023B (zh) * 2021-11-22 2023-03-21 中国科学院理化技术研究所 一种低温度、低功率的含碳材料微波处理工艺
WO2024013428A1 (en) * 2022-07-11 2024-01-18 Neste Oyj Gas piping system, arrangement, use of the gas piping system, and method of operating a gas piping system
EP4306209A1 (de) * 2022-07-11 2024-01-17 Neste Oyj Gasrohrleitungssystem, anordnung, verwendung des gasrohrleitungssystems und verfahren zum betreiben eines gasrohrleitungssystems
CN117346146B (zh) * 2023-12-04 2024-02-13 山西三水能源股份有限公司 一种生物质辅助型垃圾热解设备

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2614490A1 (fr) * 1987-04-23 1988-10-28 Pellissier Jean Pierre Applicateur micro-ondes pour traitement thermique de produits en grain, en poudre, en pate ou liquide
US5280757A (en) * 1992-04-13 1994-01-25 Carter George W Municipal solid waste disposal process
US5330623A (en) * 1987-11-11 1994-07-19 Holland Kenneth M Process of destructive distillation of organic material
US5578700A (en) * 1995-05-01 1996-11-26 Hunt Industries Inc. Continuous vacuum microwave rubber crumb reclamation unit
WO2003018721A1 (en) * 2001-08-22 2003-03-06 Global Plasma Systems Group, Inc. Plasma pyrolysis, gasification and vitrification of organic material
US20040084294A1 (en) * 2002-11-04 2004-05-06 Hogan Jim Smith Method and apparatus for processing a waste product
WO2004041974A1 (de) * 2002-11-04 2004-05-21 New Plasma Gmbh Verfahren zum vergasen von kohlenstoff enthaltenden substanzen durch ein plasma

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3843457A (en) * 1971-10-14 1974-10-22 Occidental Petroleum Corp Microwave pyrolysis of wastes
SE8201263L (sv) * 1982-03-01 1983-09-02 Skf Steel Eng Ab Sett och anleggning for forgasning av kolhaltigt material
DE3330750A1 (de) * 1983-08-26 1985-03-14 Chemische Werke Hüls AG, 4370 Marl Verfahren zur erzeugung von acetylen und synthese- oder reduktionsgas aus kohle in einem lichtbogenprozess
DE3828534A1 (de) * 1988-08-23 1990-03-08 Gottfried Dipl Ing Roessle Verfahren zur verwertung von energiehaltiger masse, vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens und verwendung eines bei der verwertung anfallenden produkts
DE3924615A1 (de) * 1989-07-26 1991-01-31 Babcock Werke Ag Kombinierter gas/dampfturbinen-prozess
GB9526289D0 (en) * 1995-12-22 1996-02-21 Holland Kenneth M Pyrolysis of organic materials
GB9915247D0 (en) * 1999-07-01 1999-09-01 Amat Limited Improvements relating to tyre degradation
US6244198B1 (en) * 1999-11-30 2001-06-12 Bcde Group Waste Management Ltd., Oy Method and equipment for pyrolytic treatment of organic material
JP2002226201A (ja) * 2001-01-29 2002-08-14 Takeshi Hatanaka 水素の製造法およびその装置
ATE350334T1 (de) * 2001-06-26 2007-01-15 H2 Tec Ag Verfahren und vorrichtung zur herstellung von wasserstoff

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2614490A1 (fr) * 1987-04-23 1988-10-28 Pellissier Jean Pierre Applicateur micro-ondes pour traitement thermique de produits en grain, en poudre, en pate ou liquide
US5330623A (en) * 1987-11-11 1994-07-19 Holland Kenneth M Process of destructive distillation of organic material
US5280757A (en) * 1992-04-13 1994-01-25 Carter George W Municipal solid waste disposal process
US5578700A (en) * 1995-05-01 1996-11-26 Hunt Industries Inc. Continuous vacuum microwave rubber crumb reclamation unit
WO2003018721A1 (en) * 2001-08-22 2003-03-06 Global Plasma Systems Group, Inc. Plasma pyrolysis, gasification and vitrification of organic material
US20040084294A1 (en) * 2002-11-04 2004-05-06 Hogan Jim Smith Method and apparatus for processing a waste product
WO2004041974A1 (de) * 2002-11-04 2004-05-21 New Plasma Gmbh Verfahren zum vergasen von kohlenstoff enthaltenden substanzen durch ein plasma

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AU2013203678B2 (en) * 2006-10-26 2014-12-04 Xyleco, Inc. Processing biomass
AU2013203654B2 (en) * 2006-10-26 2014-12-04 Xyleco, Inc. Processing biomass
US9023628B2 (en) 2006-10-26 2015-05-05 Xyleco, Inc. Processing biomass
US9347661B2 (en) 2006-10-26 2016-05-24 Xyleco, Inc. Processing biomass
US10287730B2 (en) 2006-10-26 2019-05-14 Xyleco, Inc. Processing biomass
US10704196B2 (en) 2006-10-26 2020-07-07 Xyleco, Inc. Processing biomass
WO2010083804A3 (de) * 2009-01-20 2011-03-10 Ettenberger Gmbh & Co. Kg Vorrichtung und verfahren zur erzeugung eines brennbaren synthesegases
WO2010089323A2 (de) 2009-02-05 2010-08-12 Native Power Solutions Gmbh Verfahren zum betrieb einer einkoppeleinheit
DE102009003441A1 (de) 2009-02-05 2010-08-19 Native Power Solutions Gmbh Einkoppeleinheit, Mikrowellenreaktor und Verfahren zum Einkoppeln von Mikrowellen
DE102009003441B4 (de) * 2009-02-05 2011-04-07 Native Power Solutions Gmbh Verfahren zum Betrieb einer Einkoppeleinheit eines Mikrowellenreaktors für die Pyrolyse von kohlenstoffhaltigem Material
AT518754A2 (de) * 2016-06-13 2017-12-15 Gs Gruber-Schmidt Gmbh Vergasung biogener Stoffe in einem Doppelschneckenreaktor mit Hilfe von Mikrowellen Plasma

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