WO2010097286A2 - Reaktor und verfahren zur thermischen behandlung eines einsatzstoffs - Google Patents

Reaktor und verfahren zur thermischen behandlung eines einsatzstoffs Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a reactor and a process for the thermal treatment of a feedstock.
  • a reactor for thermal waste treatment in which in addition to municipal waste, for example, petroleum and refinery waste can be fed via a separate feed channel to a reactor zone.
  • a reactor for the thermal waste treatment of input materials in which injection means for the injection of oxygen are arranged on the reactor vessel, wherein the injection takes place in a plurality of planes arranged one above the other along the material flow through the reactor. This results in the formation within the reactor of a coherent area for the thermal waste treatment of the starting materials.
  • the invention is the object of the invention to provide an improved reactor and a method for the thermal treatment of a feedstock, which is particularly suitable for the treatment of feedstocks with low organic content.
  • the reactor is designed so that the heating of the feedstock in the bed to a temperature which is within the total bed below the melting temperature of the feedstock.
  • the reactor is controlled so that the heating of the feedstock is only up to a maximum of the softening temperature of the feedstock.
  • the heating of the feed takes place so that its temperature inside the bed is greater than at the edges of the bed, so that the softening temperature only in the interior of the bed, but not at the edges of the bed, is reached.
  • the outgassing of the organic components of the feedstock produces a first gas which contains one or more carbon-containing compounds.
  • the reactor has means for cooling the feed with the aid of water after the organic portion of the feed has been gasified.
  • water vapor is generated.
  • the water vapor reacts endothermically with the first gas produced by the gasification in a water gas reaction, so that hydrogen is generated.
  • the water vapor can react endothermically with fixed carbon in a heterogeneous water gas reaction.
  • the fixed carbon may be contained in organic material that is not yet discharged from the starting material or may be present as soot in the bed.
  • the resulting second gas which includes hydrogen, is then removed from the reactor.
  • the second gas may further include carbonaceous compounds such as carbon monoxide, carbon dioxide, hydrocarbons and / or other carbonaceous compounds (C x H y ), as well as water vapor and nitrogen.
  • Embodiments of the reactor according to the invention are particularly advantageous since only a small amount of energy has to be supplied in order to bring about the heating of the feedstock to the desired relatively low temperature.
  • the thermal energy of the feedstock that the feedstock has after gasification is not lost, but is chemically bonded due to cooling with the water through which water vapor is generated and the resulting water gas reaction resulting therefrom.
  • the invention enables the Treatment of feedstocks which have an organic content of less than 40% by mass.
  • the proportion of carbon in the starting material can be, for example, between 2% by mass and 30% by mass.
  • hydrocarbon-containing starting materials can be processed which have a low calorific value.
  • the calorific value can be between 500 kJ / kg and 12000 kJ / kg of the feedstock.
  • Coal gangue consists essentially of mineral constituents, such as SiO 2 , Al 2 O 3 , Fe 2 O 3 , CaO and MgO, and may have a carbon content of less than 10%, in particular about 5%.
  • Coal stone is a material that is produced during coal mining in the marginal zone of the coal rafts.
  • Coal gangue and coal stone with a low coal content of, for example, less than 10% is not suitable for use in coal-fired power stations, so that such coal gangue and coal stone had previously had to be landfilled.
  • Embodiments of the invention allow in particular such Coal gangue and coal stone, which is not suitable for the combustion in coal power plants, an economically and ecologically meaningful recycling supply by the organic components of the coal gangue or the coal stone are gasified.
  • the remaining mineral constituents of the coal gangue and the coal stone can be used, for example, as building material, for cement or glass production.
  • the hydrogen-containing gas resulting from the gasification and the subsequent water gas reaction can be used for various purposes, such as for industrial applications or for a cogeneration plant.
  • the resulting gas can also be fed to a downstream reactor, in particular a further reactor for the thermal treatment of feedstocks having a higher organic content, as described, for example, in DE 100 07 115 C2, DE 10 2004 020 919, DE 10 2004 016 993 and DE 10 2004 010 407 is known.
  • This Another reactor is operated at a higher temperature to recover, for example, from municipal waste and their metallic and mineral constituents.
  • the means for forming the puddle have a well-shaped, essentially gas-tight container and a substantially gas-tight device for feeding the feed into the container. Due to the substantially gas-tight design of the container and the supply of the feedstock via the substantially gas-tight feeding device, a gas pressure which is above the atmospheric pressure builds up in the container during operation.
  • the substantially gas-tight insulation of the container from the environment on the one hand has the advantage of better environmental compatibility, since no or little gas from the reactor vessel can escape into the environment.
  • the efficiency of the reactor can be increased due to the increased gas pressure, since the thermal treatment of the starting materials at the elevated pressure can be more intense and thus more complete.
  • the reactor is a shaft reactor, the shaft being closed at the top.
  • the supply of feedstocks to the container of the shaft reactor is thus not carried out as usual in the prior art by tipping the feedstock into a shaft opening, but via the gas-tight device.
  • the gas-tight device may, for example, be arranged laterally at the upper end of the shaft in order to introduce the starting materials into the shaft.
  • the gas-tight device for supplying the starting materials for a discontinuous feed of the starting materials educated.
  • the device has a lock system for this purpose.
  • an external hatch door is opened to introduce the charge feedstock into a lock space.
  • the outer lock door is closed and an inner lock door is opened so that the charge feedstock from the lock room can fall into the shaft.
  • the inner and outer lock door are substantially gas-tight, so that the increased gas pressure in the container can be substantially maintained upon delivery of a charge of feed.
  • the device for supplying feedstocks for continuous feed of the starting materials is formed.
  • the device has a stuffing device, in particular a stuffing screw.
  • the device for supplying feedstock is designed as a hydraulically or pneumatically driven plunger.
  • the feeds are conveyed by a hydraulic or pneumatic cylinder into the shaft of the reactor.
  • a pressure relief valve, a pressure relief valve or other safety device is arranged at the top of the shaft of the reactor to release pressure from the reactor vessel when the pressure exceeds a safety threshold.
  • one or more gas pressure sensors are arranged on or in the container of the reactor.
  • at least one gas pressure sensor is arranged in the shaft region of the reactor. With the gas pressure sensor, the gas pressure is measured, which builds up there in the container. The corresponding gas pressure reading is entered into a control device to control the gas pressure within a permitted operating range.
  • the reactor is designed so that the bed is acted upon at its upper end with a hot gas.
  • the hot gas comes from a pilot burner, at least in the start-up phase of the reactor operated with foreign gas, and that at a constant burner power.
  • the pilot burner is operated more than stoichiometrically, ie the hot gas contains an excess of oxygen, the so-called primary air.
  • the hot gas of the pilot burner heats the surface of the feedstock in the upper area of the bed so that the surface of the feedstock begins to burn.
  • the interior of the starting material also heats up so that the organic constituents present in the interior of the starting material, for example the coal, are gasified and exit the feedstock into the reactor.
  • the first gas resulting from the gasification of the coal is partially burned in the reactor, so that the entire charge of the feedstock is heated.
  • the reactor has means for acting on the container with sealing air, in the region of a supply of the starting materials.
  • the barrier air is the so-called secondary air.
  • the reactor has means for supplying oxygen to the bed.
  • an oxygen-containing gas or air i. the so-called tertiary air to be fed to the bed.
  • the delivery of the oxygen, i. in particular the tertiary air, to the bed is regulated by means of control means of the reactor, so that the feedstock in the bed does not exceed the desired temperature.
  • the reactor operation can be controlled. Namely, the more tertiary air is supplied, the larger the proportion of the gasified organic components which is oxidized in the reactor and the higher the temperature in the bed.
  • the supply of oxygen is thus preferably controlled so that on the one hand due to the partial combustion of the outgassing of the feed gas temperature is sufficiently high, so that as complete as possible gasification takes place, and on the other hand, only a small proportion of outgassed from the feed gas is burned in the reactor.
  • the raw gas is discharged from the reactor.
  • the actual temperature of the raw gas is measured with a temperature sensor. This actual temperature is then compared by the control means, ie for example a control device, with a stored desired temperature.
  • the supply of tertiary air is controlled.
  • the target temperature of the raw gas it is simultaneously ensured that the charge in the charge does not heat up to its melting temperature, preferably at most up to its softening temperature.
  • the means for supplying oxygen are formed so that the oxygen flows into the interior of the bed.
  • the oxygen may e.g. be supplied in the form of air or as oxygen-enriched air.
  • the supply means for this purpose include a channel, which projects into the bed, and via which the oxygen can flow into the interior of the bed.
  • the supply of oxygen via the interior of the bed has the particular advantage that a temperature gradient from the interior of the bed adjusts to the edge regions of the bed.
  • the feedstock therefore reaches a higher temperature inside the bed, in particular its softening temperature, than in the edge areas of the bed, where the softening temperature is preferably not quite reached.
  • the softening temperature is not reached anywhere in the bed, so as to avoid the formation of caking of the feedstock inside the bed.
  • the reactor has a Gassammeiraum for the resulting raw gas and an outlet for the discharge of the raw gas from the Gassammeiraum.
  • the means for supplying oxygen are preferably formed so that the inflow of oxygen takes place at least partially in the direction of the gas collection chamber.
  • this has the advantage that the discharge of the raw gas through the outlet of the gas collection chamber is assisted by the alignment of the oxygen flow in the direction of the gas collection chamber.
  • this has the Advantage that the pores in the bed are opened by the flow direction of the oxygen transverse to the direction of the material flow of the feedstock in the bed, resulting in an improvement of the gasification and avoiding the formation of strands in the bed result.
  • the means for supplying oxygen have sliding surfaces, which are aligned obliquely to the direction of the flow of material of the feedstock in the bed, wherein the oxygen flows out of the sliding surfaces.
  • the sliding surfaces have outlet openings for the oxygen distributed over their surface.
  • the sliding surfaces form a wedge-shaped angle through which the flow of material in the bed is divided into two halves. This division of the material flow can facilitate the discharge of the input materials after gasification.
  • the reactor has means for discharging the feed from the bed after the gasification has taken place.
  • the means for discharging the gassed starting material may comprise one or more grate devices, in particular a sliding grate.
  • the sliding grate can be cooled to avoid caking and bridging of the sliding grate.
  • Suitable grate devices are known per se from the prior art, for example from DE 199 06 262 A1.
  • the reactor has a water bath for cooling the feedstock after the gasification of its organic fractions.
  • the water bath can be designed so that the bed can stand in the water bath.
  • the water bath can also be arranged, for example, next to the bed, wherein the starting material is conveyed from the hearth area of the reactor to the water bath by means of discharge.
  • These dispensing means may be, for example, a ram, walking floor, grate, a broach or other mechanical Austragungsmit- tel, which can be driven, for example, hydraulically and / or electrically.
  • the cooling of the feedstock in the water bath produces water vapor which rises in the container of the reactor and with which it is present from the feedstock.
  • solution and partial combustion of the organic components of the starting materials resulting gas reacts endothermically in a homogeneous water gas reaction, so that hydrogen is produced.
  • the homogeneous water gas reaction the evaporated water and carbon monoxide are converted into hydrogen and carbon dioxide.
  • a heterogeneous water gas reaction can take place, namely when the water vapor encounters non-gasified carbon present in the bed of the feed. Namely, in the heterogeneous water gas reaction, carbon is reacted with water vapor to form hydrogen and carbon monoxide.
  • a discharge conveyor in the water bath which conveys the feedstock out of the water bath after it has cooled in the water bath.
  • the feedstock may then be sent for further use, such as as a building material, for cement production or for other purposes.
  • the reactor shaft is tapered upwards. This has the advantage that the mobility of the bed in the reactor shaft is improved.
  • the reactor is connected to a further reactor, wherein the raw gas flows from the gas collection chamber of the reactor into the further reactor.
  • the reactor can be controlled so that the pressure of the raw gas is higher than the pressure in the downstream, further reactor, so that the raw gas flows over due to the pressure difference in the other reactor.
  • the further reactor may also be a reactor for the thermal treatment of feedstocks, wherein in the further reactor feedstocks are treated with a higher organic content, such as conventional Municipal waste.
  • a higher organic content such as conventional Municipal waste.
  • the raw gas from the upstream reactor according to the invention can be completely or partially burned.
  • the invention relates to a process for the thermal treatment of a feedstock, wherein the feedstock has an organic content of less than 40%, in particular at most 10%.
  • the starting material is preferably a solid, in particular a solid with a high mineral content, such as, for example, rock with a low carbon content, for example so-called coal gangue.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section of a first embodiment of an inventive
  • FIG. 2 shows a longitudinal section of a second embodiment of a reactor according to the invention
  • FIG 3 shows a longitudinal section of a third embodiment of a reactor according to the invention.
  • the feedstock 1 shows a longitudinal section through an embodiment of a reactor according to the invention, which is designed here as a shaft reactor. At the upper end of the shaft reactor, a device 4 for supplying feedstock 1 is arranged.
  • the feedstock 1 is a solid, in particular a solid with a high mineral content of at least 50% and a low organic content. not more than 40%.
  • the feedstock 1 may be coal gangue.
  • the device 4 is arranged laterally on the shaft of the shaft reactor.
  • the device 4 can be designed for a continuous or discontinuous feed of the feedstock 1.
  • the device 4 may have a lock for feeding the feedstock 1 into the shaft reactor.
  • the device 4 can be designed as a stuffing device with a plug screw.
  • the device 4 may be preceded by a device 2 for the treatment and / or storage of the feedstock 1. With a suitable suitability of the feedstock 1 this can be supplied directly to the device 4 without the upstream device 2.
  • the device 4 has an area 3 which communicates with sealing air, i. Secondary air, is acted upon.
  • the barrier air flows through the device 4 into the shaft reactor to prevent gas from flowing out of the shaft reactor in the region of the device 4 into the environment.
  • the introduced via the device 4 in the shaft reactor feedstock 1 forms a bed in the shaft reactor.
  • the bed must be heated.
  • one or more pilot burners 10 are arranged laterally on the shaft reactor.
  • the hot gas includes oxygen, i. the so-called primary air.
  • the pilot burner 10 is operated more than stoichiometrically, so that the hot gas generated by the pilot burner 10 contains an excess of oxygen.
  • the pilot burner 10 may also be operated with oxygen or oxygenation.
  • foreign gas is burned especially when starting the shaft reactor; after starting, the pilot burner 10 can be operated instead of foreign gas by a small proportion of the crude gas 19 produced by the shaft reactor.
  • the heating of the surface of the feedstock 1 also heats the interior of the feedstock 1 so that the organic constituents present in the interior of the feedstock 1 are gasified and exit the feedstock 1 into the reactor or the pores of the bed.
  • the pilot burner 10 may be preceded by a combustion chamber 9 as a separate combustion chamber. This separate combustion chamber can be omitted if sufficient space for burning out the combustion gas generated by the pilot burner 10 inside the shaft reactor. Above the bed there is a space 11 in the shaft reactor. This space 11 is arranged directly in the area of action of the pilot burner 10. In the space 11, the combustion of a portion of the gas, which exits through the gasification of the feedstock 1 takes place.
  • the shaft reactor has a regulator 40, which regulates the feed of the feedstock 1 via the device 4 so that the bed of the feedstock 1 in the shaft reactor as possible has a desired height h ⁇ , wherein the desired height h ⁇ is selected so that the space 11 above the Forming bed.
  • the bed has an upper portion 12, which forms approximately in the middle of the shaft reactor.
  • This upper portion 12 of the bed there are degassing and combustion products, the remaining inert constituents of the feedstock 1 and the combustion products of the pilot burner 10, i. Water vapor, carbon dioxide and the inert components, i. Nitrogen.
  • the shaft reactor has a reactor shell 13, which may be bricked in the region 12.
  • the reactor jacket 13 can be cooled, in particular indirectly, in the region 12, in particular indirectly cooled.
  • the bed has a region 14.
  • a device 15 for supplying oxygen ie the so-called tertiary air
  • the device 15 may have one or more mixing nozzles, from which the tertiary air exits into the region 14 of the bed.
  • the tertiary air can be acidic enriched and / or supplied with water vapor.
  • the supply of tertiary air via the device 15 is controlled by the controller 40.
  • the bed has an area 16.
  • the feed 1 is completely or almost completely degassed and contains no or almost no hydrocarbons; however, small amounts of fixed carbon may still be present in the feedstock.
  • the raw gas 19 emerging from the region 16 of the bed is collected.
  • the raw gas exits from the gas collection chamber 18 upwards, or as shown in Figure 1, laterally at one or more exit points from the shaft reactor.
  • the crude gas 19 contains, for example, nitrogen, carbon dioxide, carbon monoxide, water vapor, sulfur dioxide, higher hydrocarbons and hydrogen and dust.
  • the raw gas has a temperature which is measured by a temperature sensor in the gas chamber or at the outlet points of the shaft reactor and which is controlled by the regulator 40 for controlling the supply of tertiary air via the device 15 or the device 31, 32 (cf. the embodiment of Fig. 3) is used.
  • the temperature of the raw gas 19 may be, for example, in the range between 600 0 C to 85O 0 C.
  • the bed has an area 17 at the discharge in the hearth area of the shaft reactor.
  • the shaft reactor has a wall 20 in its hearth area.
  • the wall can be bricked up.
  • the wall can be cooled directly or indirectly.
  • the shaft reactor further has a water bath 21.
  • the water bath 21 is designed so that the bed is in the water bath 21.
  • the water bath 21 is preferably designed such that it has the function of a water lock for gas-tight sealing of the shaft reactor downwards.
  • the water bath 21 is for this purpose designed so that the water surface of the water bath in the area of the bed a height M 1 outside the bed has a height h2 and in a channel portion in which a discharge conveyor 22 is arranged, a height h3.
  • the heights h1 and h2 can be approximately the same, whereas the height h3 is substantially lower than the heights M and h2, so that no gas can escape downwards from the shaft reactor. Accordingly, when the shaft reactor is operated at a pressure higher than the atmospheric pressure, h2 is larger than M.
  • the ascending steam in the bed can react endothermically in a heterogeneous water gas reaction with any remaining in the feedstock 1 remaining fixed carbon and / or in a homogeneous water gas reaction with the carbon dioxide, which in the resulting gasification by the gas-containing gas and / or the raw gas 19th is present so that hydrogen is produced.
  • the raw gas 19 can be further enriched in this way with water vapor in order to influence a downstream process, which proceeds, for example, in a downstream reactor.
  • the shaft reactor is closed at the top.
  • an overpressure flap with a channel 6 arranged behind it to an emergency combustion chamber can be located at the reactor head 5 of the shaft reactor.
  • the overpressure flap is opened when the gas pressure in the shaft reactor is above a permitted threshold. The then from the shaft reactor through the Ka 6 gas escaping into the emergency combustion chamber is flared in the emergency combustion chamber.
  • the reactor head 5 there is a free space 7, through which the feed material 1 supplied via the device 4 can fall onto the bed.
  • the jacket 8 of the reactor head may be bricked.
  • a pressure sensor 42 may be arranged to measure the gas pressure inside the shaft reactor. The pressure sensor 42 can deliver a pressure signal to the regulator 40, which emits a signal for opening the overpressure flap as soon as the pressure sensed by the pressure sensor 42 exceeds a threshold value.
  • a level sensor 41 which measures the actual height h ⁇ of the bed in the shaft reactor.
  • the level sensor 41 may be, for example, a distance radar.
  • the level sensor 41 outputs a level signal to the controller 40, which controls the device 4 accordingly, so that the desired height h ⁇ of the bed is reached.
  • the procedure is, for example, as follows:
  • a bed of the feedstock 1 of the desired height h ⁇ is introduced.
  • the area 11 and the area 12 of the bed with hot gas and oxygen is applied, so that the feedstock 1 is heated in the area 12.
  • the interior of the feedstock 1 also heats up, so that the organic constituents present in the interior of the feedstock 1 are outgassed.
  • FIG. 2 shows a further embodiment of a shaft reactor according to the invention.
  • the device 4 is designed for a discontinuous, batchwise feeding of the feedstock 1.
  • the pilot burner 10 is here inclined inclined downwards in the direction of the bulk cone of the bed, so that the combustion chamber 9 can be largely eliminated.
  • the bed does not stand in the water bath 21, but the water bath 21 is arranged laterally below the bed.
  • a discharge device 24 is arranged laterally next to the bed. This can be designed as a plunger, sliding floor, grate, broach or as another mechanical Austragshne and hydraulically and / or electrically driven.
  • the discharge device 24 By the discharge device 24, the product 23 is discharged from the lower end of the bed, so that the product 23 falls into the water bath 21. Over the water bath 21, a bed 26 of the product 23 can then form. The product 23 then falls from the lower end of the bed of the feedstock 1, i. the hearth area of the reactor, through the space 25 on the bed 26th
  • water vapor Due to the cooling of the product 23 in the water bath 21, water vapor is formed. At least a portion 29 of this water vapor rises through the hearth area of the reactor into the bed of the feedstock 1, so that heterogeneous and / or homogeneous water gas reactions can take place there. Via a shut-off or control valve 27, which is arranged above the water bath 21, a proportion 28 of the water vapor formed by the cooling of the product 23 in the water bath 21 can be diverted, so that the proportion 29 is reduced accordingly.
  • the fraction 28 of the water vapor can be supplied for use by the shaft reactor itself. For example, the fraction 28 may be returned to the well reactor via the pilot burner 10 or device 15. Alternatively, the portion 28 may be supplied to another external use.
  • FIG. 3 shows a further embodiment of a shaft reactor according to the invention.
  • the device 4 is gas-tight, specifically for batch-wise feeding of the feedstock 1 into the bed.
  • the device 4 has here a Gichtver gleich 34 for the batch Supply of the feedstock 1 by alternately raising and lowering the bells of the GichtverBankes 34. Appropriate Gichtver nicely are known per se for use in blast furnaces.
  • a device 35 for the supply of sealing air in the lock chamber of the Gichtver gleiches 34 is arranged. The blocking air prevents the escape of gout gases into the environment and a part of the sealing air passes as secondary air into the shaft reactor.
  • the regulation of the fill level of the bed in the shaft reactor is here discrete, i. For example, it is sensed mechanically or optically by the filling level sensor 41 as to whether the filling has reached the height h ⁇ or not.
  • the water bath 21 is not shown in FIG. It may be formed in the embodiment of the shaft reactor according to Figure 3 as in the embodiment of Figure 1, i. the bed is in the water bath 21, or as the water bath 21 in the embodiment of Figure 2. Again, therefore, the product 23 passes from the bed in the water 21 and at least a portion of the water vapor rises from the water bath 21 in the Bed of feedstock 1 on.
  • the tertiary air is introduced into the interior of the bed in the area 16.
  • a channel 31 which extends into the interior of the shaft reactor and ends in the region 16 approximately on the longitudinal axis of the shaft reactor.
  • sliding surfaces 43 and 44 may be arranged, each of which is oblique to a direction 45 of the material flow through the shaft reactor.
  • the sliding surfaces 43 and 44 can form an acute angle, which divides the material flow into two areas, as shown in FIG.
  • the sliding surfaces 43 and 44 may form a wedge-shaped body, distributed over its circumference in the region of the sliding surfaces 43 and 44 openings are arranged through which the tertiary air can flow into the interior of the bed.
  • the channel 31 opens, so that the tertiary air from the channel 31 flows into the body and flows through the openings in the sliding surfaces 43 and 44 into the interior of the bed.
  • the body formed by the sliding surfaces 43 and 44 may have a projection 32, which may also have openings for the exit of the tertiary air transverse to the direction 45 or counter to the direction 45 in the bed.
  • the projection 32 By the projection 32, the division of the bed, which begins in the region 14, favors.
  • a wear edge 33 which is formed for example as a curve, may be arranged.
  • the wear edge 33 may be releasably connected to the projection 32 in order to easily replace the wear edge 33, for example, on the occasion of a revision of the shaft reactor.
  • the angle at which the sliding surfaces 43 and 44 face each other is formed so that at least a portion of the tertiary air flowing out of the sliding surfaces 43 and 44 is aligned with the gas collecting space 18.
  • the promotion of the raw gas 19 is favored in the direction of the gas collection chamber 18 and out of the shaft reactor addition.
  • Another particular advantage of the inflow of the oxygen into the interior of the bed is that this opens the pores in the bed and improves the gasification. As a result, in particular a stratification is counteracted.
  • Another particular advantage is that due to the supply of tertiary air into the interior of the bed, a higher oxygen concentration is set there, so that a larger proportion of the gas or raw gas 19 produced by the gasification is burned there. Therefore, a temperature gradient arises from the interior of the bed to the edge areas of the bed.
  • the feed of the tertiary air is preferably regulated in such a way that the charge 1 in the charge reaches its softening temperature only in the interior of the charge, but not in the edge areas of the charge, so that buildup of the charge 1 on the walls of the shaft reactor is avoided.
  • each a sliding grate 30 are arranged in the region 17 of the bed below the channel 31 left and right.
  • the push grates 30 serve as discharge aid for discharging the product 23 from the bed into the water bath 21 (see FIGS. 1 and 2).
  • the pushrods 30 are used in particular to prevent caking and bridging.
  • the pushrods 30 can be carried out cooled. By the initiation tion of the pushrods 30, the discharge of the product 23 and thus the throughput of the shaft reactor can be controlled.
  • the shaft reactor has a circular cross-section.
  • the shaft reactor preferably has a rectangular cross-section.
  • the projection 32 is then particularly advantageous for dividing the bed in the area of the transition from the round to the rectangular cross-section of the shaft reactor.
  • the regulator 40 is preferably designed in such a way that the supply of secondary air is switched off when a charge of the feedstock 1 is introduced into the charge via the top closure 34. This avoids that when opening the lower bell of the Gichtver gleich 34 uncontrolled secondary air flows into the interior of the shaft reactor.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Reaktor zur thermischen Behandlung eines Einsatzstoffes (1) zur Gewinnung eines Wasserstoff und/oder Kohlenwasserstoff beinhaltenden Gases (19) mit Mitteln (4; 34) zur Ausbildung einer Schüttung des Einsatzstoffes, Mitteln (10, 15; 31, 32, 40) zur Erhitzung des Einsatzstoffes in der Schüttung auf eine Temperatur, die innerhalb der gesamten Schüttung unterhalb der Schmelztemperatur des Einsatzstoffes liegt, sodass ein organischer Anteil des Einsatzstoffes in ein erstes Gas vergast wird, Mitteln (21) zur Abkühlung des Einsatzstoffes mit Hilfe von Wasser nach der Vergasung des organischen Anteils, sodass durch die Abkühlung des Einsatzstoffes Wasserdampf erzeugt wird und der Wasserdampf in einer Wassergasreaktion endotherm zu einem zweiten Gas reagiert, Mitteln (18) zur Abführung des zweiten Gases (19) aus dem Reaktor, wobei das erste Gas eine oder mehrere kohlenstoffhaltige Verbindungen beinhaltet und wobei das zweite Gas Wasserstoff und/oder Kohlenwasserstoff beinhaltet.

Description

Reaktor und Verfahren zur thermischen Behandlung eines Einsatzstoffs
Besch reibu ng
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Reaktor und ein Verfahren zur thermischen Behandlung eines Einsatzstoffs.
Aus dem Stand der Technik sind zur thermischen Abfallbehandlung verschiedene Vergasungsverfahren, wie zum Beispiel Pyrolyse- und Thermolyseverfahren sowie entsprechende Reaktoren bekannt. Beispielsweise ist aus der DE 10007115 C2 ein Schachtreaktor bekannt, bei dem auf die sonst übliche Kreislaufgasführung verzichtet wird. Durch den Verzicht auf eine Kreislaufgasführung soll die Kondensation von Pyrolyseprodukten und die Entstehung unerwünschter Ablagerungen vermieden werden.
Aus der DE 10 2004 010 407 ist ein Reaktor zur thermischen Abfallbehandlung von Einsatzstoffen bekannt, der bei einem Druck, der über dem Atmosphärendruck liegt, betrieben wird. Aufgrund des erhöhten Drucks verläuft die Vergasung vollständiger, schneller und mit erhöhter Effizienz.
Aus der DE 10 2004 016 993 ist ein Reaktor zur thermischen Abfallbehandlung bekannt, bei dem neben Siedlungsabfällen zum Beispiel Erdöl- und Raffinerieabfälle über einen separaten Zuführkanal zu einer Reaktorzone zugeführt werden können.
Aus der DE 2004 020 919 ist ein Reaktor zur thermischen Abfallbehandlung von Ein- satzstoffen bekannt, bei dem Eindüsungsmittel zur Eindüsung von Sauerstoff an dem Reaktorbehälter angeordnet sind, wobei die Eindüsung in mehreren, übereinander angeordneten Ebenen entlang des Stoffstroms durch den Reaktor erfolgt. Hierdurch kommt es innerhalb des Reaktors zur Ausbildung eines zusammenhängenden Bereichs für die thermische Abfallbehandlung der Einsatzstoffe.
Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Reaktor und ein Verfahren zur thermischen Behandlung eines Einsatzstoffes zu schaffen, welches insbesondere für die Behandlung von Einsatzstoffen mit geringem organischem Anteil geeignet ist.
Die der Erfindung zugrunde liegenden Aufgaben werden jeweils mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Bei Ausführungsformen der Erfindung ist der Reaktor so ausgebildet, dass die Erhitzung des Einsatzstoffs in der Schüttung auf eine Temperatur erfolgt, die innerhalb der gesamten Schüttung unterhalb der Schmelztemperatur des Einsatzstoffes liegt. Vorzugsweise wird der Reaktor so geregelt, dass die Erhitzung des Einsatzstoffs nur bis auf maximal die Erweichungstemperatur des Einsatzstoffs erfolgt. Besonders bevorzugt ist dabei, wenn die Erhitzung des Einsatzstoffs so erfolgt, dass dessen Temperatur im Inneren der Schüttung größer ist als an den Rändern der Schüttung, sodass also die Erweichungstemperatur nur im Inneren der Schüttung, nicht aber an den Rändern der Schüttung, erreicht wird. Durch die Ausgasung der organischen Anteile der Einsatzstof- fe entsteht ein erstes Gas, welches ein oder mehrere kohlenstoffhaltige Verbindungen beinhaltet.
Der Reaktor hat Mittel zur Abkühlung des Einsatzstoffs mit Hilfe von Wasser, nachdem der organische Anteil des Einsatzstoffs vergast worden ist. Durch die Abkühlung des Einsatzstoffes mit Hilfe des Wassers wird Wasserdampf erzeugt. Der Wasserdampf reagiert beispielsweise mit dem durch die Vergasung erzeugten ersten Gas in einer Wassergasreaktion endotherm, sodass Wasserstoff erzeugt wird. Weiterhin kann der Wasserdampf mit fixem Kohlenstoff in einer heterogenen Wassergasreaktion endotherm reagieren. Der fixe Kohlenstoff kann in noch nicht aus dem Einsatzstoff ausge- gastem organischen Material beinhaltet sein oder als Ruß in der Schüttung vorliegen. Das resultierende zweite Gas, welches Wasserstoff beinhaltet, wird dann aus dem Reaktor abgeführt. Das zweite Gas kann ferner kohlenstoffhaltige Verbindungen beinhalten, wie z.B. Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Kohlenwasserstoffe und/oder andere kohlenstoffhaltige Verbindungen (CxHy), sowie Wasserdampf und Stickstoff.
Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Reaktors sind besonders vorteilhaft, da nur wenig Energie zugeführt werden muss, um die Erhitzung des Einsatzstoffs auf die gewünschte relativ geringe Temperatur zu bewirken. Andererseits geht die thermische Energie des Einsatzstoffs, die der Einsatzstoff nach der Vergasung hat, nicht verloren, sondern wird aufgrund der Abkühlung mit dem Wasser, durch welche Wasserdampf erzeugt wird, und der daraus resultierenden oben beschriebenen Wassergasreaktion chemisch gebunden.
Dies ermöglicht eine wirtschaftlich und ökologisch sinnvolle Behandlung von Einsatz- Stoffen, die nur einen geringen organischen Anteil aufweisen, insbesondere die Behandlung von Einsatzstoffen mit einem hohen mineralischen Anteil, insbesondere von Einsatzstoffen mit einem mineralischen Anteil von über 50 Masseprozent, insbesondere einem mineralischen Anteil von über 90 Masseprozent , vorzugsweise einem mineralischen Anteil von über 60 Masseprozent. Insbesondere ermöglicht die Erfindung die Behandlung von Einsatzstoffen, die einen organischen Anteil von weniger als 40 Masseprozent haben. Der Anteil von Kohlenstoff an dem Einsatzstoff kann z.B. zwischen 2 Masseprozent und 30 Masseprozent liegen.. Insbesondere können kohlenwasserstoff- haltige Einsatzstoffe verarbeitet werden, die einen geringen Brennwert haben. Bei- spielsweise kann der Brennwert zwischen 500 kJ/kg und 12000 kJ/kg des Einsatzstoffes liegen.
Ganz besonders vorteilhaft sind Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung für die thermische Behandlung von coal gangue, welche beispielsweise beim Abbau von Kohle anfällt. Coal gangue besteht im Wesentlichen aus mineralischen Bestandteilen, wie zum Beispiel SiO2, AI2O3, Fe2O3, CaO und MgO, und kann einem Kohleanteil von unter 10 %, insbesondere ca. 5 % aufweisen.
Ganz besonders vorteilhaft sind Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung für die thermische Behandlung von coal stone. Bei coal stone handelt es sich um ein Material, dass beim Kohleabbau in der Randzone der Kohleflöße anfällt.
Coal gangue und coal stone mit einem geringen Kohleanteil von zum Beispiel unter 10 % eignet sich nicht für die Verfeuerung in Kohlekraftwerken, sodass solche Coal gan- gue und coal stone bislang auf Deponien abgelagert werden musste. Ausführungsformen der Erfindung ermöglichen insbesondere solche Coal gangue und coal stone, die sich nicht für die Verfeuerung in Kohlekraftwerken eignet, einer wirtschaftlich und ökologisch sinnvollen Verwertung zuzuführen, indem die organischen Bestandteile des Coal gangue bzw. des coal stone vergast werden. Die verbleibenden mineralischen Be- standteile des Coal gangue und des coal stone können zum Beispiel als Baumaterial, zur Zement- oder Glasherstellung verwendet werden.
Das aufgrund der Vergasung und der anschließenden Wassergasreaktion resultierende Wasserstoff haltige Gas kann für verschiedene Zwecke verwendet werden, wie zum Beispiel für industrielle Anwendungen oder für ein Heizkraftwerk. Insbesondere kann das resultierende Gas auch einem nachgeschalteten Reaktor zugeführt werden, insbesondere einem weiteren Reaktor zur thermischen Behandlung von Einsatzstoffen mit einem höheren organischen Anteil, wie er beispielsweise aus den DE 100 07 115 C2, DE 10 2004 020 919, DE 10 2004 016 993 und DE 10 2004 010 407 bekannt ist. Dieser weitere Reaktor wird bei einer höheren Temperatur betrieben um z.B. aus Siedlungsabfällen auch deren metallische und mineralische Bestandteile zurückzugewinnen.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung haben die Mittel zur Ausbildung der Schüt- tung einen schachtförmigen, im Wesentlichen gasdicht gegenüber der Umgebung geschlossenen Behälter und eine im Wesentlichen gasdichte Vorrichtung zur Zuführung des Einsatzstoffs in den Behälter. Durch die im Wesentlichen gasdichte Ausführung des Behälters und die Zuführung des Einsatzstoffs über die im Wesentlichen gasdichte Zuführungsvorrichtung baut sich in dem Behälter während des Betriebs ein Gasdruck auf, der oberhalb des Atmosphärendrucks liegt.
Die im Wesentlichen gasdichte Isolation des Behälters gegenüber der Umgebung hat einerseits den Vorteil der besseren Umweltverträglichkeit, da kein oder wenig Gase aus dem Reaktorbehälter in die Umgebung entweichen können. Andererseits lässt sich auf- grund des erhöhten Gasdrucks der Wirkungsgrad des Reaktors erhöhen, da die thermische Behandlung der Einsatzstoffe bei dem erhöhten Druck intensiver und damit vollständiger erfolgen kann.
Von besonderem Vorteil ist dabei, dass sich aufgrund des erhöhten Gasdrucks in dem Reaktor die Gaskonzentration und die Verweilzeit der gasförmigen Zwischenprodukte in dem Reaktor erhöht. Insbesondere werden die Poren der Einsatzstoffe aufgrund des erhöhten Gasdrucks besser von den im Reaktorbehälter befindlichen Gasen durchdrungen, sodass die entsprechenden Reaktionen intensiver und vollständiger ablaufen.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei dem Reaktor um einen Schachtreaktor, wobei der Schacht oben geschlossen ist. Die Zuführung von Einsatzstoffen zu dem Behälter des Schachtreaktors erfolgt also nicht wie im Stand der Technik üblich durch Einkippen der Einsatzstoffe in eine Schachtöffnung, sondern über die gasdichte Vorrichtung. Die gasdichte Vorrichtung kann beispielsweise am obe- ren Ende des Schachts seitlich angeordnet sein, um die Einsatzstoffe in den Schacht einzubringen.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die gasdichte Vorrichtung zur Zuführung der Einsatzstoffe für eine diskontinuierliche Zuführung der Einsatzstoffe ausgebildet. Beispielsweise hat die Vorrichtung hierfür ein Schleusensystem. Zur Einbringung einer Charge Einsatzstoff wird eine äußere Schleusentür geöffnet, um die Charge Einsatzstoff in einen Schleusenraum einzubringen. Danach wird die äußere Schleusentür geschlossen und eine innere Schleusentür geöffnet, sodass die Charge Einsatzstoffe aus dem Schleusenraum in den Schacht fallen kann. Die innere und die äußere Schleusentür sind dabei im Wesentlichen gasdicht, sodass der erhöhte Gasdruck in dem Behälter bei der Zuführung einer Charge von Einsatzstoff im Wesentlichen aufrechterhalten werden kann.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Vorrichtung zur Zuführung von Einsatzstoffen zur kontinuierlichen Zuführung der Einsatzstoffe ausgebildet. Beispielsweise hat die Vorrichtung hierzu eine Stopfeinrichtung, insbesondere eine Stopfschnecke.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Vorrichtung zur Zuführung von Einsatzstoffen als hydraulisch oder pneumatisch angetriebener Stößel ausgebildet. In diesem Fall werden die Einsatzstoffe durch einen Hydraulik- oder Pneumatikzylinder in den Schacht des Reaktors befördert.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist oben an dem Schacht des Reaktors eine Überdruckklappe, ein Überdruckventil oder eine andere Sicherheitseinrichtung angeordnet, um Druck aus dem Reaktorbehälter abzulassen, wenn der Druck einen Sicherheitsschwellwert überschreitet.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind an oder in dem Behälter des Reaktors ein oder mehrere Gasdrucksensoren angeordnet. Vorzugsweise ist zumindest ein Gasdrucksensor im Schachtbereich des Reaktors angeordnet. Mit dem Gasdrucksensor wird der Gasdruck gemessen, der sich dort in dem Behälter aufbaut. Der entsprechende Gasdruckmesswert wird in eine Regelungsvorrichtung einge- geben, um den Gasdruck innerhalb eines erlaubten Arbeitsbereichs zu regeln.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist der Reaktor so ausgebildet, dass die Schüttung an ihrem oberen Ende mit einem heißen Gas beaufschlagt wird. Das heiße Gas stammt von einem Zündbrenner, der zumindest in der Anfahrphase des Reaktors mit Fremdgas betrieben wird, und zwar bei einer konstanten Brennerleistung. Der Zündbrenner wird überstöchiometrisch betrieben, d.h. das heiße Gas beinhaltet einen Sauerstoffüberschuss, die sogenannte Primärluft. Durch das heiße Gas des Zündbrenners wird die Oberfläche des Einsatzstoffs in dem oberen Bereich der Schüttung erhitzt, sodass die Oberfläche des Einsatzstoffs anfängt zu brennen. Durch die Erhitzung der Oberfläche des Einsatzstoffs erhitzt sich auch das Innere des Einsatzstoffs, sodass die im Inneren des Einsatzstoffs befindlichen organischen Bestandteile, beispielsweise also die Kohle, vergast wird und aus dem Einsatzstoff in den Reaktor austritt. Das aufgrund der Vergasung der Kohle resultierende erste Gas wird teilweise in dem Reaktor ver- brannt, sodass die gesamte Schüttung des Einsatzstoffs erhitzt wird.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung hat der Reaktor Mittel zur Beaufschlagung des Behälters mit Sperrluft, und zwar im Bereich einer Zuführung der Einsatzstoffe. Bei der Sperrluft handelt es sich um die sogenannte Sekundärluft. Durch die Beaufschla- gung des Behälters mit der Sperrluft im Bereich der Zuführung der Einsatzstoffe wird verhindert, dass oben aus dem Reaktor Gas ausströmen kann.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung hat der Reaktor Mittel zur Zuführung von Sauerstoff zu der Schüttung. Insbesondere können über die Mittel zur Zuführung von Sauerstoff ein sauerstoffhaltiges Gas oder Luft, d.h. der sogenannten Tertiärluft, der Schüttung zugeführt werden. Die Zuführung des Sauerstoffs, d.h. insbesondere der Tertiärluft, zu der Schüttung wird mit Hilfe von Regelungsmitteln des Reaktors geregelt, sodass der Einsatzstoff in der Schüttung nicht die gewünschte Temperatur überschreitet.
Über die Zuführung der Tertiärluft kann also der Reaktorbetrieb geregelt werden. Je mehr Tertiärluft zugeführt wird, desto größer ist nämlich der Anteil der vergasten organischen Bestandteile, welcher in dem Reaktor oxidiert wird, und desto höher wird die Temperatur in der Schüttung. Die Zuführung von Sauerstoff wird also vorzugsweise so geregelt, dass einerseits die sich aufgrund der teilweisen Verbrennung des aus dem Einsatzstoff ausgegasten Gases einstellende Temperatur hinreichend hoch ist, sodass eine möglichst vollständige Vergasung stattfindet, und andererseits ein nur möglichst geringer Anteil des aus den Einsatzstoffen ausgegasten Gases in dem Reaktor verbrannt wird. Nach einer Ausführungsform der Erfindung wird das Rohgas aus dem Reaktor abgeführt. Die Ist-Temperatur des Rohgases wird mit einem Temperatursensor gemessen. Diese Ist-Temperatur wird dann von den Regelungsmitteln, d.h. beispielsweise einem Steuerungsgerät, mit einer gespeicherten Soll-Temperatur verglichen. Basierend auf der Differenz zwischen der Ist-Temperatur und der Soll-Temperatur wird die Zuführung der Tertiärluft geregelt. Durch geeignete Wahl der Soll-Temperatur des Rohgases wird dabei gleichzeitig sichergestellt, dass sich der Einsatzstoff in der Schüttung nicht bis zu seiner Schmelztemperatur, vorzugsweise höchstens bis zu seiner Erweichungstempe- ratur, erhitzt.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung sind die Mittel zur Zuführung von Sauerstoff so ausgebildet, dass der Sauerstoff in das Innere der Schüttung einströmt. Der Sauerstoff kann z.B. in Form von Luft zugeführt werden oder als mit Sauerstoff angereicherter Luft. Beispielsweise beinhalten die Mittel zur Zuführung hierzu einen Kanal, der in die Schüttung hineinragt, und über den der Sauerstoff in das Innere der Schüttung einströmen kann. Die Zuführung des Sauerstoffs über das Innere der Schüttung hat insbesondere den Vorteil, dass sich ein Temperaturgradient vom Inneren der Schüttung zu den Randbereichen der Schüttung einstellt. Der Einsatzstoff erreicht daher im Inneren der Schüttung eine höhere Temperatur, insbesondere seine Erweichungstemperatur, als in den Randbereichen der Schüttung, wo die Erweichungstemperatur vorzugsweise nicht ganz erreicht wird. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass Anhaftungen des Einsatzstoffes an der Behälterwandung des Reaktors vermieden werden können. Vorzugsweise wird die Erweichungstemperatur nirgendwo in der Schüttung erreicht, um so das Entstehen von Verbackungen des Einsatzstoffs im Inneren der Schüttung zu vermeiden.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung hat der Reaktor einen Gassammeiraum für das resultierende Rohgas und einen Auslass zur Abführung des Rohgases aus dem Gassammeiraum. Die Mittel zur Zuführung von Sauerstoff sind vorzugsweise so ausgebildet, dass die Einströmung des Sauerstoffs zumindest teilweise in Richtung auf den Gassammeiraum erfolgt. Dies hat einerseits den Vorteil, dass durch die Ausrichtung des Sauerstoffstroms in Richtung auf den Gassammeiraum die Abführung des Rohgases über den Auslass des Gassammeiraums unterstützt wird. Andererseits hat dies den Vorteil, dass durch die Strömungsrichtung des Sauerstoffs quer zu der Richtung des Stoffstroms der Einsatzstoffe in der Schüttung die Poren in der Schüttung geöffnet werden, was eine Verbesserung der Durchgasung und eine Vermeidung der Bildung von Strähnen in der Schüttung zur Folge hat.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung haben die Mittel zur Zuführung von Sauerstoff Gleitflächen, die schräg zu der Richtung des Stoffstroms der Einsatzstoffe in der Schüttung ausgerichtet sind, wobei der Sauerstoff aus den Gleitflächen ausströmt. Hierzu haben die Gleitflächen über deren Oberfläche verteilt angeordnete Austrittsöff- nungen für den Sauerstoff. Beispielsweise bilden die Gleitflächen einen keilförmigen Winkel, durch den der Stofffluss in der Schüttung in zwei Hälften aufgeteilt wird. Diese Aufteilung des Stoffflusses kann die Austragung der Einsatzstoffe nach der Vergasung erleichtern.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung hat der Reaktor Mittel zur Austragung des Einsatzstoffs aus der Schüttung, nachdem die Vergasung stattgefunden hat. Die Mittel zur Austragung des ausgegasten Einsatzstoffs können ein oder mehrere Rostvorrichtungen aufweisen, insbesondere einen Schubrost. Der Schubrost kann gekühlt ausgeführt werden, um Anbackungen und Brückenbildungen an dem Schubrost zu vermei- den. Geeignete Rostvorrichtungen sind an sich aus dem Stand der Technik bekannt, wie zum Beispiel aus DE 199 06 262 A1.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung hat der Reaktor ein Wasserbad zur Abkühlung des Einsatzstoffs nach der Vergasung seiner organischen Anteile. Das Wasserbad kann so ausgebildet sein, dass die Schüttung in dem Wasserbad stehen kann. Das Wasserbad kann auch zum Beispiel neben der Schüttung angeordnet sein, wobei durch Austragungsmittel der Einsatzstoff aus dem Herdbereich des Reaktors zu dem Wasserbad gefördert wird. Bei diesen Austragungsmitteln kann es sich zum Beispiel um einen Stößel, Schubboden, Rost, ein Räumkreuz oder andere mechanische Austragungsmit- tel handeln, die zum Beispiel hydraulisch und/oder elektrisch angetrieben werden können.
Durch die Abkühlung des Einsatzstoffs in dem Wasserbad entsteht Wasserdampf, der in dem Behälter des Reaktors aufsteigt und mit dem dort vorhandenen aus der Verga- sung und teilweisen Verbrennung der organischen Anteile der Einsatzstoffe resultierenden Gas in einer homogenen Wassergasreaktion endotherm reagiert, sodass Wasserstoff entsteht. Bei der homogenen Wassergasreaktion werden nämlich das verdampfte Wasser und Kohlenmonoxid in Wasserstoff und Kohlendioxid umgewandelt. Zusätzlich kann auch eine heterogene Wassergasreaktion erfolgen und zwar wenn der Wasserdampf auf in der Schüttung des Einsatzsoffs vorhandenen nicht vergasten Kohlenstoff trifft. Bei der heterogenen Wassergasreaktion werden nämlich Kohlenstoff mit Wasserdampf zu Wasserstoff und Kohlenmonoxid umsetzt.
Diese Art der Nutzung der in dem ausgegasten Einsatzstoff vorhandenen thermischen Energie hat mehrere Vorteile: Einerseits wird hierdurch die in den Einsatzstoffen thermisch gespeicherte Energie chemisch verbunden, was die Energiebilanz insgesamt sehr günstig gestaltet. Andererseits wird die Wertigkeit des resultierenden Rohgases wesentlich erhöht, da Wasserstoff erzeugt wird.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung befindet sich in dem Wasserbad ein Aus- tragsförderer, der den Einsatzstoff nach dessen Abkühlung in dem Wasserbad aus dem Wasserbad herausbefördert. Der Einsatzstoff kann dann einer weiteren Verwertung zugeführt werden, wie zum Beispiel als Baumaterial, für die Zementherstellung oder für andere Zwecke.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist der Reaktorschacht nach oben verjüngend ausgebildet. Dies hat den Vorteil, dass die Gängigkeit der Schüttung in dem Reaktorschacht verbessert wird.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist der Reaktor mit einem weiteren Reaktor verbunden, wobei das Rohgas von dem Gassammeiraum des Reaktors in den weiteren Reaktor strömt. Hierzu kann der Reaktor so geregelt werden, dass der Druck des Rohgases höher ist als der Druck in dem nachgeschalteten, weiteren Reaktor, sodass das Rohgas aufgrund des Druckunterschiedes in den weiteren Reaktor hinüberströmt.
Bei dem weiteren Reaktor kann es sich ebenfalls um einen Reaktor zur thermischen Behandlung von Einsatzstoffen handeln, wobei in dem weiteren Reaktor Einsatzstoffe mit einem höheren organischen Anteil behandelt werden, wie zum Beispiel übliche Siedlungsabfälle. In dem weiteren Reaktor findet dabei eine so starke Erhitzung statt, dass auch metallische und mineralische Bestandteile dieser Einsatzstoffe in dem weiteren Reaktor schmelzen, um diese einer Wiederverwertung zuführen zu können. Für die hierfür erforderliche Erhitzung der Einsatzstoffe in dem weiteren Reaktor kann das Rohgas aus dem vorgeschalteten erfindungsgemäßen Reaktor ganz oder teilweise verbrannt werden.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur thermischen Behandlung eines Einsatzstoffs, wobei der Einsatzstoff einen organischen Anteil von weniger als 40 %, insbesondere höchstens 10 %, hat. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Einsatzstoff um einen Feststoff, insbesondere um einen Feststoff mit einem hohen mineralischen Anteil, wie zum Beispiel Gestein mit einem geringen Kohleanteil, beispielsweise sogenanntes Coal gangue.
Im Weiteren werden Ausführungsformen der Erfindung mit Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 einen Längsschnitt einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Reaktors,
Figur 2 einen Längsschnitt einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Reaktors,
Figur 3 einen Längsschnitt einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Reaktors.
Elemente der nachfolgenden Ausführungsformen, die einander entsprechen, sind jeweils mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
Die Figur 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Reaktors, der hier als Schachtreaktor ausgebildet ist. Am oberen Ende des Schachtreaktors ist eine Vorrichtung 4 zur Zuführung von Einsatzstoff 1 angeordnet. Bei dem Einsatzstoff 1 handelt es sich um einen Feststoff, insbesondere um einen Feststoff mit einem hohen mineralischen Anteil von mindestens 50 % und einem geringen orga- nischen Anteil von höchstens 40 %. Insbesondere kann es sich bei dem Einsatzstoff 1 um Coal gangue handeln.
Die Vorrichtung 4 ist bei dieser Ausführungsform seitlich an dem Schacht des Schacht- reaktors angeordnet. Die Vorrichtung 4 kann für eine kontinuierliche oder diskontinuierliche Zuführung des Einsatzstoffs 1 ausgebildet sein. Beispielsweise kann die Vorrichtung 4 eine Schleuse zur Zuführung des Einsatzstoffs 1 in den Schachtreaktor aufweisen. Die Vorrichtung 4 kann als Stopfeinrichtung mit einer Stopfschnecke ausgebildet sein.
Der Vorrichtung 4 kann eine Vorrichtung 2 zur Aufbereitung und/oder Lagerung des Einsatzstoffs 1 vorgeschaltet sein. Bei einer entsprechenden Eignung des Einsatzstoffs 1 kann dieser der Vorrichtung 4 auch ohne die vorgeschaltete Vorrichtung 2 unmittelbar zugeführt werden. Die Vorrichtung 4 hat einen Bereich 3, der mit Sperrluft, d.h. Sekundärluft, beaufschlagt wird. Die Sperrluft strömt durch die Vorrichtung 4 in den Schachtreaktor ein, um zu vermeiden, dass aus dem Schachtreaktor in dem Bereich der Vorrichtung 4 Gas in die Umgebung ausströmen kann.
Der über die Vorrichtung 4 in den Schachtreaktor eingebrachte Einsatzstoff 1 bildet in dem Schachtreaktor eine Schüttung aus. Für die thermische Behandlung des Einsatzstoffs 1 in der Schüttung muss die Schüttung aufgeheizt werden. Hierzu sind ein oder mehrere Zündbrenner 10 seitlich an dem Schachtreaktor angeordnet. Durch den Zündbrenner 10 wird die Schüttung des Einsatzstoffs 1 in dem Schachtreaktor mit einem heißen Gas beaufschlagt. Das heiße Gas beinhaltet Sauerstoff, d.h. die sogenannte Primärluft. Hierzu wird der Zündbrenner 10 überstöchiometrisch betrieben, sodass das von dem Zündbrenner 10 erzeugte heiße Gas einen Sauerstoffüberschuss beinhaltet. Der Zündbrenner 10 kann auch mit Sauerstoff oder Sauerstoffanreicherung betrieben werden. Durch den Zündbrenner 10 wird insbesondere beim Anfahren des Schachtreaktors Fremdgas verbrannt; nach dem Anfahren kann der Zündbrenner 10 anstatt mit Fremdgas durch einen geringen Anteil des von dem Schachtreaktor erzeugten Rohgas 19 betrieben werden.
Durch das von dem Zündbrenner 10 erzeugte heiße Gas wird die Oberfläche des Einsatzstoffs 1 im Bereich eines oberen Abschnitts der Schüttung, insbesondere im Be- reich des Schüttungskegels, erhitzt, sodass die Oberfläche des dort befindlichen Einsatzstoffs 1 anfängt zu brennen. Durch die Erhitzung der Oberfläche des Einsatzstoffs 1 erhitzt sich auch das Innere des Einsatzstoffs 1 , sodass die im Inneren des Einsatzstoffs 1 befindlichen organischen Bestandteile vergast werden und aus dem Einsatzstoff 1 in den Reaktor bzw. die Poren der Schüttung austreten.
Dem Zündbrenner 10 kann eine Brennkammer 9 als separater Brennraum vorgelagert sein. Dieser separate Brennraum kann entfallen, wenn im Inneren des Schachtreaktors ausreichend Platz zum Ausbrand des von dem Zündbrenner 10 erzeugten Brenngases ist. Oberhalb der Schüttung befindet sich in dem Schachtreaktor ein Raum 11. Dieser Raum 11 ist unmittelbar im Einwirkbereich des Zündbrenners 10 angeordnet. In dem Raum 11 erfolgt die Verbrennung eines Teils des Gases, welches durch die Vergasung aus dem Einsatzstoff 1 austritt.
Der Schachtreaktor hat einen Regler 40, der die Zuführung des Einsatzstoffs 1 über die Vorrichtung 4 so regelt, dass die Schüttung des Einsatzstoffs 1 in dem Schachtreaktor möglichst eine Sollhöhe hθ aufweist, wobei die Sollhöhe hθ so gewählt ist, dass sich der Raum 11 oberhalb der Schüttung ausbildet.
Die Schüttung hat einen oberen Bereich 12, der sich in etwa in der Mitte des Schachtreaktors ausbildet. In diesem oberen Bereich 12 der Schüttung befinden sich Entga- sungs- und Verbrennungsprodukte, die verbleibenden inerten Bestandteile des Einsatzstoffs 1 sowie die Verbrennungsprodukte des Zündbrenners 10, d.h. Wasserdampf, Kohlendioxid und die inerten Bestandteile, d.h. Stickstoff.
Der Schachtreaktor hat einen Reaktormantel 13, der in dem Bereich 12 ausgemauert sein kann. Der Reaktormantel 13 kann insbesondere in dem Bereich 12 gekühlt, insbesondere indirekt gekühlt sein.
Unterhalb des Bereichs 12 hat die Schüttung einen Bereich 14. In Höhe des Bereichs 14 ist eine Vorrichtung 15 zur Zuführung von Sauerstoff, d.h. der sogenannten Tertiärluft, angeordnet. Die Vorrichtung 15 kann ein oder mehrere Mischdüsen aufweisen, aus der die Tertiärluft in den Bereich 14 der Schüttung austritt. Die Tertiärluft kann sauer- stoffangereichert und/oder mit Wasserdampf zugeführt werden. Die Zuführung der Tertiärluft über die Vorrichtung 15 wird von dem Regler 40 geregelt.
Unterhalb des Bereichs 14 hat die Schüttung einen Bereich 16. In dem Bereich 16 ist der Einsatzstoff 1 vollständig oder fast vollständig entgast und enthält keine oder fast keine Kohlenwasserstoffe mehr; geringe Mengen von fixem Kohlenstoff können aber in dem Einsatzstoff noch enthalten sein.
An den Bereich 16 der Schüttung grenzt unmittelbar ein Gassammeiraum 18 an. In dem Gassammeiraum 18 wird das aus dem Bereich 16 der Schüttung austretende Rohgas 19 gesammelt. Das Rohgas tritt aus dem Gassammeiraum 18 nach oben, oder wie in der Figur 1 gezeigt, seitlich an ein oder mehreren Austrittsstellen aus dem Schachtreaktor aus.
Das Rohgas 19 enthält beispielsweise Stickstoff, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Wasserdampf, Schwefeldioxid, höhere Kohlenwasserstoffe und Wasserstoff sowie Staub. Das Rohgas hat eine Temperatur, die von einem Temperatursensor in dem Gassam- melraum oder an den Austrittsstellen des Schachtreaktors gemessen wird, und die von dem Regler 40 zur Regelung der Zuführung von Tertiärluft über die Vorrichtung 15 bzw. die Vorrichtung 31 , 32 (vgl. die Ausführungsform der Fig. 3) verwendet wird. Die Temperatur des Rohgases 19 kann zum Beispiel im Bereich zwischen 6000C bis 85O0C liegen.
Unterhalb des Bereichs 16 hat die Schüttung einen Bereich 17 am Austrag im Herdbe- reich des Schachtreaktors. Der Schachtreaktor hat in seinem Herdbereich eine Wandung 20. Die Wandung kann ausgemauert sein. Insbesondere kann die Wandung direkt oder indirekt gekühlt sein.
Der Schachtreaktor hat ferner ein Wasserbad 21. In der Ausführungsform der Figur 1 ist das Wasserbad 21 so ausgebildet, dass die Schüttung in dem Wasserbad 21 steht. Dadurch wird der Einsatzstoff 1 in dem Bereich der Schüttung, die in dem Wasserbad 21 steht, gekühlt, sodass Wasserdampf nach oben in die Schüttung von dem Bereich 17 aufsteigt. Das Wasserbad 21 ist vorzugsweise so ausgebildet, dass es die Funktion eines Wasserschlosses zur gasdichten Abdichtung des Schachtreaktors nach unten hin hat. Das Wasserbad 21 ist hierzu so ausgebildet, dass die Wasseroberfläche des Wasserbads im Bereich der Schüttung eine Höhe M 1 außerhalb der Schüttung eine Höhe h2 und in einem Kanalabschnitt, in dem ein Austragungsförderer 22 angeordnet ist, eine Höhe h3 aufweist. Die Höhen h1 und h2 können dabei ungefähr gleich sein, wohingegen die Höhe h3 wesentlich geringer ist als die Höhen M und h2, sodass kein Gas aus dem Schachtreaktor nach unten austreten kann. Wenn der Schachtreaktor bei einem Druck betrieben wird, der über dem Atmosphärendruck liegt, so ist dementsprechend h2 gro- ßer als M .
Durch den Austragungsförderer 22 wird das Produkt 23, d.h. der entgaste Einsatzstoff 1 , von dem unteren Bereich der Schüttung, die in dem Wasserbad 21 steht, wegbefördert und dem Schachtreaktor entnommen. Das Produkt 23 kann dann erforderlichen- falls nach einer Entfeuchtung oder Trocknung einer weiteren Verwendung zugeführt werden.
Durch die Abkühlung des entgasten Einsatzstoffes 1 , d.h. des Produkts 23, in dem Wasserbad 21 , wird thermische Energie durch Wärmeübertragung und Verdampfen von Wasser rückgewonnen. Der in die Schüttung aufsteigende Wasserdampf kann dabei in einer heterogenen Wassergasreaktion mit eventuell in dem Einsatzstoff 1 noch vorhandenem fixem Kohlenstoff endotherm reagieren und/oder in einer homogenen Wassergasreaktion mit dem Kohlendioxid, welches in dem durch die Vergasung entstehenden kohlestoffhaltigen Gas und/oder dem Rohgas 19 vorhanden ist, sodass Wasserstoff entsteht. Das Rohgas 19 kann auf diese Art und Weise ferner mit Wasserdampf angereichert werden, um einen nachgeschalteten Prozess, der beispielsweise in einem nachgeschalteten Reaktor abläuft, zu beeinflussen.
In der Ausführungsform der Figur 3 ist der Schachtreaktor nach oben geschlossen. Al- Ierdings kann sich an dem Reaktorkopf 5 des Schachtreaktors eine Überdruckklappe mit einem dahinter angeordneten Kanal 6 zu einer Notbrennkammer befinden. Die Überdruckklappe wird geöffnet, wenn der Gasdruck in dem Schachtreaktor oberhalb eines erlaubten Schwellwerts liegt. Das dann aus dem Schachtreaktor durch den Ka- nal 6 in die Notbrennkammer austretende Gas wird in der Notbrennkammer abgefackelt.
In dem Reaktorkopf 5 befindet sich ein freier Raum 7, durch den hindurch der über die Vorrichtung 4 zugeführte Einsatzstoff 1 hindurch auf die Schüttung fallen kann. Der Mantel 8 des Reaktorkopfes kann ausgemauert sein. An dem Mantel 8 kann ein Drucksensor 42 angeordnet sein, um den Gasdruck im Inneren des Schachtreaktors zu messen. Der Drucksensor 42 kann ein Drucksignal an den Regler 40 abgeben, der ein Signal zur Öffnung der Überdruckklappe abgibt, sobald der von dem Drucksensor 42 sen- sierte Druck einen Schwellwert überschreitet.
In dem Reaktorkopf kann ferner ein Füllstandssensor 41 angeordnet sein, der die Ist- Höhe hθ der Schüttung in dem Schachtreaktor misst. Bei dem Füllstandssensor 41 kann es sich zum Beispiel um ein Abstandsradar handeln. Der Füllstandssensor 41 gibt ein Füllstandssignal an den Regler 40 ab, der die Vorrichtung 4 dementsprechend ansteuert, damit die Sollhöhe hθ der Schüttung erreicht wird.
Beim Betrieb des Schachtreaktors wird beispielsweise wie folgt vorgegangen:
In den Schachtreaktor wird über die Vorrichtung 4 eine Schüttung des Einsatzstoffs 1 der Sollhöhe hθ eingebracht. Durch den Zündbrenner wird der Bereich 11 und der Bereich 12 der Schüttung mit heißem Gas und Sauerstoff beaufschlagt, sodass der Einsatzstoff 1 in dem Bereich 12 erhitzt wird. Durch die Erhitzung der Oberfläche des Einsatzstoffs 1 in dem Bereich 12 erhitzt sich auch das Innere des Einsatzstoffs 1 , so- dass die im Inneren des Einsatzstoffs 1 befindlichen organischen Bestandteile ausgast.
Ein Teil dieses aus dem Einsatzstoff 1 ausgegasten Gases wird mit Hilfe der über den Zündbrenner 10 zugeführten Primärluft verbrannt, sodass es zu einer weiteren Erhitzung der Einsatzstoffe 1 in der Schüttsäule kommt, d.h. insbesondere auch des Be- reichs 14, sodass aufgrund der Erhitzung des dort befindlichen Einsatzstoffs 1 dieser ebenfalls ausgast. Über die Zuführung der Tertiärluft mit Hilfe der Vorrichtung 15 wird von dem Regler 40 der Reaktorbetrieb geregelt, da durch die Tertiärluftzuführung der Anteil des aus dem Einsatzstoff 1 ausgegasten Gases, welcher verbrannt wird, und damit zu einer weiteren Temperaturerhöhung beiträgt, bestimmt wird. Die Figur 2 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schachtreaktors. Im Unterschied zu der Ausführungsform der Figur 1 ist hier die Vorrichtung 4 für eine diskontinuierliche, chargenweise Zuführung des Einsatzstoffs 1 ausgebildet. Der Zündbrenner 10 ist hier schräg nach unten geneigt in Richtung auf den Schüttkegel der Schüttung ausgerichtet, sodass die Brennkammer 9 weitgehend entfallen kann.
Im Unterschied zu der Ausführungsform gemäß Figur 1 steht hier die Schüttung nicht in dem Wasserbad 21 , sondern das Wasserbad 21 ist seitlich unterhalb der Schüttung angeordnet. Eine Austragungsvorrichtung 24 ist seitlich neben der Schüttung angeordnet. Diese kann als Stößel, Schubboden, Rost, Räumkreuz oder als eine andere mechanische Austragshilfe ausgebildet sein und hydraulisch und/oder elektrisch angetrieben werden. Durch die Austragungsvorrichtung 24 wird das Produkt 23 aus dem unteren Ende der Schüttung ausgetragen, sodass das Produkt 23 in das Wasserbad 21 fällt. Über dem Wasserbad 21 kann sich dann eine Schüttung 26 des Produkts 23 bilden. Das Produkt 23 fällt dann also von dem unteren Ende der Schüttung des Einsatzstoffes 1 , d.h. dem Herdbereich des Reaktors, durch den Raum 25 auf die Schüttung 26.
Aufgrund der Abkühlung des Produkts 23 in dem Wasserbad 21 entsteht Wasserdampf. Zumindest ein Anteil 29 dieses Wasserdampfs steigt durch den Herdbereich des Reaktors in die Schüttung des Einsatzstoffs 1 auf, sodass dort heterogene und/oder homogene Wassergasreaktionen stattfinden können. Über eine Absperr- oder Reglerarmatur 27, die oberhalb des Wasserbads 21 angeordnet ist, kann ein Anteil 28 des durch die Abkühlung des Produkts 23 in dem Wasserbad 21 entstehenden Wasserdampfes abgeleitet werden, sodass der Anteil 29 entsprechend reduziert wird. Der Anteil 28 des Wasserdampfes kann einer Nutzung durch den Schachtreaktor selbst zugeführt werden. Der Anteil 28 kann zum Beispiel über den Zündbrenner 10 oder die Vorrichtung 15 in den Schachtreaktor rückgeführt werden. Alternativ kann der Anteil 28 einer anderen externen Verwendung zugeführt werden.
Die Figur 3 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schachtreaktors. Wie bei der Ausführungsform der Figur 2 so ist auch hier die Vorrichtung 4 gasdicht ausgebildet, und zwar für eine chargenweise Zuführung des Einsatzstoffs 1 in die Schüttung. Die Vorrichtung 4 hat hier einen Gichtverschluss 34 für die chargenweise Zuführung des Einsatzstoffs 1 durch alternierendes Heben und Senken der Verschlussglocken des Gichtverschlusses 34. Entsprechende Gichtverschlüsse sind an sich zur Anwendung für Hochöfen bekannt. An den Gichtverschluss 34 ist eine Vorrichtung 35 für die Zuführung von Sperrluft in den Schleusenraum des Gichtverschlusses 34 ange- ordnet. Die Sperrluft verhindert den Austritt von Gichtgasen in die Umgebung und ein Teil der Sperrluft gelangt als Sekundärluft in den Schachtreaktor.
Die Regelung des Füllstands der Schüttung in dem Schachtreaktor ist hier diskret ausgebildet, d.h. es wird von dem Füllstandssensor 41 zum Beispiel mechanisch oder op- tisch sensiert, ob die Schüttung die Höhe hθ erreicht hat oder nicht.
Das Wasserbad 21 ist in der Figur 3 nicht dargestellt. Es kann bei der Ausführungsform des Schachtreaktors gemäß Figur 3 so wie bei der Ausführungsform gemäß Figur 1 ausgebildet sein, d.h. die Schüttung steht in dem Wasserbad 21 , oder so wie das Was- serbad 21 in der Ausführungsform der Figur 2. Auch hier gelangt also das Produkt 23 aus der Schüttung in das Wasserbad 21 und zumindest ein Anteil des Wasserdampfes steigt von dem Wasserbad 21 in die Schüttung des Einsatzstoffs 1 auf.
Bei der Ausführungsform des Schachtreaktors gemäß Figur 3 wird die Tertiärluft in das Innere der Schüttung in den Bereich 16 eingeleitet. Hierzu dient ein Kanal 31 , der in das Innere des Schachtreaktors hinein verläuft und in dem Bereich 16 in etwa auf der Längsachse des Schachtreaktors endet. An dem Kanal 31 können Gleitflächen 43 und 44 angeordnet sein, die jeweils schräg zu einer Richtung 45 des Stoffstroms durch den Schachtreaktor stehen.
Die Gleitflächen 43 und 44 können einen spitzen Winkel bilden, der den Stoffstrom in zwei Bereiche aufteilt, wie in der Figur 3 dargestellt. Die Gleitflächen 43 und 44 können einen keilförmigen Körper bilden, über dessen Umfang verteilt im Bereich der Gleitflächen 43 und 44 Öffnungen angeordnet sind, durch welche die Tertiärluft in das Innere der Schüttung strömen kann. In diesen Körper mündet der Kanal 31 , sodass die Tertiärluft von dem Kanal 31 in den Körper einströmt und über die Öffnungen in den Gleitflächen 43 und 44 in das Innere der Schüttung ausströmt. Der durch die Gleitflächen 43 und 44 gebildete Körper kann einen Vorsprung 32 aufweisen, der ebenfalls Öffnungen zum Austritt der Tertiärluft quer zu der Richtung 45 oder entgegen der Richtung 45 in die Schüttung aufweisen kann. Durch den Vorsprung 32 wird die Teilung der Schüttung, die in dem Bereich 14 beginnt, begünstigt. Am Ende des Vorsprungs 32 kann eine Verschleißkante 33, die beispielsweise als Rundung ausgebildet ist, angeordnet sein. Die Verschleißkante 33 kann mit dem Vorsprung 32 lösbar verbunden sein, um die Verschleißkante 33, beispielsweise anlässlich einer Revision des Schachtreaktors, leicht austauschen zu können.
Vorzugsweise ist der Winkel, mit dem die Gleitflächen 43 und 44 aufeinander stehen, so ausgebildet, dass zumindest ein Teil der Tertiärluft, die aus den Gleitflächen 43 und 44 ausströmt, auf den Gassammeiraum 18 ausgerichtet ist. Hierdurch wird die Förderung des Rohgases 19 in Richtung auf den Gassammeiraum 18 und aus dem Schachtreaktor hinaus begünstigt.
Ein weiterer besonderer Vorteil der Einströmung des Sauerstoffs in das Innere der Schüttung, und zwar quer zu der Richtung 45 des Stoffstroms, ist, dass hierdurch die Poren in der Schüttung geöffnet werden und die Durchgasung verbessert wird. Hierdurch wird insbesondere einer Strähnenbildung entgegengewirkt. Ein weiterer besonde- rer Vorteil ist, dass sich aufgrund der Zuführung der Tertiärluft in das Innere der Schüttung dort eine höhere Sauerstoffkonzentration einstellt, sodass dort ein größerer Anteil des durch die Vergasung entstehenden Gases bzw. des Rohgases 19 verbrannt wird. Es stellt sich daher ein Temperaturgradient von dem Inneren der Schüttung zu den Randbereichen der Schüttung ein. Vorzugsweise wird die Zuführung der Tertiärluft da- bei so geregelt, dass der Einsatzstoff 1 in der Schüttung nur im Inneren der Schüttung seine Erweichungstemperatur erreicht, nicht aber in den Randbereichen der Schüttung, sodass Anhaftungen des Einsatzstoffs 1 an den Wandungen des Schachtreaktors vermieden werden.
In dem Bereich 17 der Schüttung sind unterhalb des Kanals 31 links und rechts jeweils ein Schubrost 30 angeordnet. Die Schubroste 30 dienen als Austraghilfe zum Austrag des Produkts 23 aus der Schüttung in das Wasserbad 21 (vgl. Figuren 1 und 2). Die Schubroste 30 dienen insbesondere zur Vermeidung von Anbackungen und Brückenbildungen. Die Schubroste 30 können gekühlt ausgeführt werden. Durch die Ansteue- rung der Schubroste 30 kann der Austrag des Produktes 23 und damit der Durchsatz des Schachtreaktors gesteuert werden.
Vorzugsweise hat der Schachtreaktor einen kreisförmigen Querschnitt. Im Bereich der Schubroste 30 hat der Schachtreaktor jedoch vorzugsweise einen rechteckigen Querschnitt. Der Vorsprung 32 ist dann besonders vorteilhaft, um die Schüttung in dem Bereich des Übergangs von dem runden auf den rechteckigen Querschnitt des Schachtreaktors zu teilen.
Der Regler 40 ist bei dieser Ausführungsform vorzugsweise so ausgebildet, dass die Zuführung von Sekundärluft abgeschaltet wird, wenn über den Gichtverschluss 34 eine Charge des Einsatzstoffs 1 in die Schüttung eingebracht wird. Hierdurch wird vermieden, dass bei Öffnung der unteren Glocke des Gichtverschluss 34 unkontrolliert Sekundärluft in das Innere des Schachtreaktors einströmt.
B ezugsze ichen liste
1 Einsatzstoff
2 Vorrichtung
3 Bereich
4 Vorrichtung
5 Reaktorkopf
6 Kanal
10 7 Raum
8 Mantel
9 Brennkammer
10 Zündbrenner
11 Raum
15 12 Bereich
13 Reaktormantel
14 Bereich
15 Vorrichtung
16 Bereich
20 17 Bereich
18 Gassammeiraum
19 Rohgas
20 Wandung
21 Wasserbad
25 22 Austragsförderer
23 Produkt
24 Austragungsvorrichtung
25 Raum
26 Schüttung
30 27 Absperr- oder Reglerarmaturen
28 Anteil
29 Anteil
30 Schubrost
31 Kanal 32 Vorsprung
33 Verschleißkante
34 Gichtverschluss
35 Vorrichtung
40 Regler
41 Füllstandssensor
42 Drucksensor
43 Gleitfläche
44 Gleitfläche
10 45 Richtung

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Reaktor zur thermischen Behandlung eines Einsatzstoffes (1) zur Gewinnung ei- nes Wasserstoff und/oder Kohlenwasserstoff beinhaltenden Gases (19) mit
Mitteln (4; 34) zur Ausbildung einer Schüttung des Einsatzstoffes,
Mitteln (10, 15; 31 , 32, 40) zur Erhitzung des Einsatzstoffes in der Schüttung auf eine Temperatur, die innerhalb der gesamten Schüttung unterhalb der
Schmelztemperatur des Einsatzstoffes liegt, sodass ein organischer Anteil des Einsatzstoffes in ein erstes Gas vergast wird,
Mitteln (21) zur Abkühlung des Einsatzstoffes mit Hilfe von Wasser nach der Vergasung des organischen Anteils, sodass durch die Abkühlung des
Einsatzstoffes Wasserdampf erzeugt wird und der Wasserdampf in einer Wassergasreaktion endotherm zu einem zweiten Gas reagiert,
Mitteln (18) zur Abführung des zweiten Gases (19) aus dem Reaktor,
wobei das erste Gas eine oder mehrere kohlenstoffhaltige Verbindungen beinhaltet und wobei das zweite Gas Wasserstoff und/oder Kohlenwasserstoff beinhaltet.
2. Reaktor nach Anspruch 1 , wobei die Mittel zur Ausbildung der Schüttung einen schachtförmigen, im Wesentlichen gasdicht gegenüber der Umgebung geschlossenen Behälter aufweisen und mit einer im Wesentlichen gasdichten Vorrichtung zur Zuführung des Einsatzstoffes in den Behälter.
3. Reaktor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Mittel zur Erhitzung des Einsatzstoffs zumindest einen Brenner (10) aufweisen, der für einen überstöchiometrischen Betrieb ausgebildet ist.
4. Reaktor nach Anspruch 1 , 2 oder 3, mit Mitteln (35) zur Beaufschlagung des Behälters mit Sperrluft im Bereich einer Zuführung des Einsatzstoffs.
5. Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit Mitteln zur Zuführung von Sauerstoff (15; 31 , 32, 43, 44) zu der Schüttung und mit Regelungsmitteln (40) zur Regelung der Zuführung von Sauerstoff, sodass der Einsatzstoff in der Schüttung nicht die Schmelztemperatur erreicht.
6. Reaktor nach Anspruch 5, wobei die Regelungsmittel so ausgebildet sind, dass der Einsatzstoff in der Schüttung höchstens seine Erweichungstemperatur erreicht.
7. Reaktor nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Regelungsmittel so ausgebildet sind, dass sich in dem Reaktor ein Druck einstellt, der oberhalb des Atmosphärendrucks liegt.
8. Reaktor nach Anspruch 5, 6 oder 7, wobei die Regelungsmittel so ausgebildet sind, dass sich in dem Reaktor ein Druck einstellt, der oberhalb des Drucks in einem nachgeschalteten weiteren Reaktor liegt, in den das Wasserstoff beinhaltende Gas hinüber strömt.
9. Reaktor nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei die Mittel zur Zuführung von Sauerstoff so ausgebildet sind, dass der Sauerstoff in das Innere der Schüttung eingeströmt wird.
10. Reaktor nach Anspruch 9, mit einem Gassammeiraum (18) für das Wasserstoff beinhaltende Gas und mit einem Auslass zur Abführung des Gases aus dem Gas- sammelraum, wobei die Mittel zur Zuführung von Sauerstoff so ausgebildet sind, dass die Einströmung des Sauerstoffs in die Schüttung zumindest teilweise in Richtung auf den Gassammeiraum erfolgt.
11. Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5 bis 10, wobei die Mittel zur Zuführung von Sauerstoff zumindest eine Gleitfläche (43, 44) aufweisen, die schräg zu einer Richtung (45) des Stoffstroms des Einsatzstoffs in der Schüttung steht, wobei zumindest ein Teil des Sauerstoffs aus der Gleitfläche in die Schüttung ausströmen kann.
12. Reaktor nach Anspruch 11, wobei die Mittel zur Zuführung zumindest zwei der Gleitflächen aufweisen, die in einem zentralen Bereich des Reaktors angeordnet sind.
13. Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit Mitteln (30) zur Austragung des Einsatzstoffs nach der Vergasung aus der Schüttung und/oder zur Steuerung oder Regelung des Durchsatzes des Reaktors.
14. Reaktor nach Anspruch 13, wobei die Mittel zur Austragung des Einsatzstoffs ei- nen Schubrost (30) aufweisen, der schräg zu der Richtung (45) angeordnet ist.
15. Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mittel zur Abkühlung ein Wasserbad (21) aufweisen.
16. Reaktor nach Anspruch 15, wobei das Wasserbad dazu ausgebildet ist, dass die Schüttung in dem Wasserbad steht.
17. Reaktor nach Anspruch 15 oder 16, mit einem Austragsförderer (22) zur Förderung des Einsatzstoffs aus dem Wasserbad nach der Abkühlung.
18. Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 15, 16 oder 17, wobei das Wasserbad zur gasdichten Abdichtung des Reaktors ausgebildet ist.
19. Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wassergasreakti- on als homogene Wassergasreaktion und/oder als heterogene Wassergasreaktion im Inneren des Behälters abläuft.
20. Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Behälter zur Aufnahme der Schüttung, wobei der Behälter schachtförmig ausgebildet ist und sich nach oben verjüngt.
21. Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Reaktor mit einem weiteren Reaktor zur thermischen Behandlung weiterer Einsatzstoffe so verbun- den ist, dass das Wasserstoff beinhaltende Gas (19) von dem Reaktor in den weiteren Reaktor überströmt.
22. Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mittel (10, 15; 31 , 32, 40) zur Erhitzung des Einsatzstoffes in der Schüttung so ausgebildet sind , dass die Temperatur innerhalb der gesamten Schüttung unterhalb der Erweichungstemperatur des Einsatzstoffes liegt.
23. Verfahren zur thermischen Behandlung eines Einsatzstoffes (1) zur Gewinnung eines Wasserstoff beinhaltenden Gases (19), mit folgenden Schritten:
Ausbildung einer Schüttung des Einsatzstoffes,
Erhitzung des Einsatzstoffes in der Schüttung auf eine Temperatur, die in- nerhalb der gesamten Schüttung unterhalb der Schmelztemperatur des
Einsatzstoffes liegt, sodass ein organischer Anteil des Einsatzstoffes in ein erstes Gas vergast wird,
Abkühlung des Einsatzstoffes mit Hilfe von Wasser nach der Vergasung des organischen Anteils, sodass durch die Abkühlung des Einsatzstoffes Wasserdampf erzeugt wird und der Wasserdampf in einer Wassergasreaktion endotherm zu einem zweiten Gas reagiert, wobei das erste Gas eine oder mehrere kohlenstoffhaltige Verbindungen beinhaltet und wobei das zweite Gas Wasserstoff beinhaltet.
24. Verfahren nach Anspruch 23, wobei die Wassergasreaktion als homogene Wassergasreaktion durch Reaktion des Wasserdampfes mit dem kohlestoffhaltigen Gas abläuft.
25. Verfahren nach Anspruch 23 oder 24, wobei die Wassergasreaktion als heterogo- ne Wassergasreaktion durch Reaktion des Wasserdampfes mit aus dem Einsatzstoff nicht ausgegastem Kohlenstoff abläuft.
26. Verfahren nach Anspruch 23, 24 oder 25, wobei es sich bei dem Einsatzstoff um Coal gangue oder eine Coal gangue beinhaltende Mischung oder um coal stone oder eine coal stone beinhaltende Mischung handelt.
27. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 26, wobei die Schüttung in einem Wasserbad (21) steht.
28. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 27, wobei der Einsatzstoff nach der Vergasung aus der Schüttung ausgetragen und in ein Wasserbad (21) eingebracht wird.
29. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 23 bis 28, wobei Sauerstoff in das Innere der Schüttung zugeführt wird, sodass sich ein Temperaturgefälle von dem Inneren der Schüttung zu dem Rand der Schüttung hin einstellt.
30. Verfahren nach Anspruch 29, wobei zumindest ein Teil des Sauerstoffs in Richtung auf einen Gassammeiraum (18) des Reaktors in das Innere der Schüttung zugeführt wird.
31. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 23 bis 30, wobei das Verfahren so betrieben wird, dass der Druck des Wasserstoff beinhaltenden Gases größer als der Atmosphärendruck ist.
32. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 23 bis 31 , wobei die Tem- peratur des wasserstoffhaltigen Gases gemessen wird, und wobei die gemessene
Temperatur zur Regelung der Zufuhr des Sauerstoffs verwendet wird.
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