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DE10216338A1 - Modular five-stage cascade reactor process converts a mixture of organic and inorganic residues into gas for use as fuel in fuel cell or gas engine - Google Patents

Modular five-stage cascade reactor process converts a mixture of organic and inorganic residues into gas for use as fuel in fuel cell or gas engine

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Publication number
DE10216338A1
DE10216338A1 DE10216338A DE10216338A DE10216338A1 DE 10216338 A1 DE10216338 A1 DE 10216338A1 DE 10216338 A DE10216338 A DE 10216338A DE 10216338 A DE10216338 A DE 10216338A DE 10216338 A1 DE10216338 A1 DE 10216338A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
gas
reactor
reaction zone
process gas
cascade
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE10216338A
Other languages
German (de)
Inventor
Rudolf Jeschar
Kurt Wassmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
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Priority to DE10317084A priority patent/DE10317084A1/en
Publication of DE10216338A1 publication Critical patent/DE10216338A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Abstract

A modular five-stage cascade reactor process converts a mixture of organic and inorganic residues into gas for use as fuel. A modular five-stage cascade reactor process converts a mixture of organic and inorganic residues into gas for use as fuel. The mixture of organic and inorganic residues has a defined stoichiometric water content which feeds into a heated ceramic cascade reactor. Water evaporates as process steam at 150 degrees C by indirect heat in the first cascade stage. In a second stage hydrocarbon content is broken down by heat at 500 degrees C. The material cascades to a third reactor where it is indirectly heated to coke at 800 degrees C and gasified in an endothermic reaction with steam. The resulting process gases are exhausted with the solids to a fourth reaction zone with the addition of heat (greater than 1000 degrees C) with commensurate cracking of hydrocarbons to CO and H2. The products are combined with a near-stoichiometric admixture of oxygen in a fifth cascade zone, thereby gasifying residual carbon compounds in the ash.

Description

Verfahrenszielprocess target

Das Ziel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in der Erzeugung eines energetischen Prozessgases aus organischen Feststoffen, vorzugsweise aus Reststoffen oder Bio-Masse, zu sehen, das in bezug auf die Gasqualität als Brennstoff zum Betrieb von Gasmotoren oder Brennstoffzellen geeignet ist. Damit wird die energetische Nutzung, vorzugsweise in Form von elektrischer Energie, mit hoher Effizienz ermöglicht. The aim of the method according to the invention is to produce a energetic process gas from organic solids, preferably from Residues or bio-mass, to be seen in terms of gas quality as Fuel is suitable for operating gas engines or fuel cells. In order to is the energetic use, preferably in the form of electrical energy, with high efficiency.

Als Qualitätsmerkmale für das erzeugte Prozessgas gelten ein entsprechend hoher Heizwert, neben Kohlenmonoxid ein möglichst hoher Anteil an Wasserstoff und das Fehlen gasförmiger, kondensierbarer Kohlenwasserstoffe. Um diese Ansprüche zu erfüllen, sind die als Einsatzstoff definierten organischen Reststoffe oder die Bio-Masse den folgenden Hauptreaktionen zu unterziehen:

  • - Thermolytische Umwandlung der in den Einsatzstoffen enthaltenen Kohlenwasserstoffe in Prozessgas,
  • - Umwandlung des in den Einsatzstoffen enthaltenen Kohlenstoffes durch Vergasung in Prozessgas, und
  • - Umwandlung des Anteils gasförmiger, kondensierbarer Kohlenwasserstoffe (CmHn) in unkondensierbare (CO + H2).
As quality features for the generated process gas apply a correspondingly high calorific value, in addition to carbon monoxide, the highest possible proportion of hydrogen and the absence of gaseous, condensable hydrocarbons. In order to meet these requirements, the organic residues defined as the starting material or the bio-mass must be subjected to the following main reactions:
  • Thermolytic conversion of the hydrocarbons contained in the starting materials into process gas,
  • - conversion of the carbon contained in the feedstock by gasification into process gas, and
  • - Conversion of the proportion of gaseous, condensable hydrocarbons (C m H n ) into non-condensable (CO + H 2 ).

Soweit ein Einsatzstoff als ein Gemisch aus organischen und verwertbaren anorganischen Stoffen oder als Materialverbund der genannten Stoffe vorliegt, ist die stoffliche Rückgewinnung der anorganischen und zwar sowohl die Metalle als auch die nichtmetallisch-anorganischen Materialfraktionen als paralleles Verfahrensziel zu sehen. As far as a feedstock as a mixture of organic and recyclable inorganic substances or as composite material of the substances mentioned, is the material recovery of the inorganic and both the Metals as well as the non-metallic-inorganic material fractions as parallel procedural goal to see.

Stand der TechnikState of the art

Zur Erzeugung von energetischen Prozessgasen aus organischen Feststoffen kommen, dem Stand der Technik entsprechend, vorzugsweise Vorrichtungen wie Drehrohröfen, Wirbelschichtreaktoren, Schachtöfen und speziell gestaltete Roste zum Einsatz. For the generation of energetic process gases from organic Solids come, according to the prior art, preferably Devices such as rotary kilns, fluidized bed reactors, shaft furnaces and specially designed gratings are used.

Der Drehrohrofen wird in der Regel für den Prozess der Gaserzeugung indirekt durch die von außen erfolgende Erwärmung des Drehrohrmantels beheizt. Die Wärmeübertrag auf die Einsatzstoffe wird durch Strahlung, Konvektion und den Kontakt mit der erwärmten Innenfläche des Drehrohres bis zur Temperatur der thermischen Zerlegung (Thermolyse) der Kohlenwasserstoffe erreicht. The rotary kiln is usually used for the process of gas production indirectly by the external heating of the rotary kiln shell heated. The heat transfer to the starting materials is by radiation, Convection and contact with the heated inner surface of the rotary tube until to the temperature of thermal decomposition (thermolysis) of hydrocarbons reached.

Der Wirbelschichtreaktor, vorzugsweise nach dem System der zirkulierenden Wirbelschicht konzipiert, benötigt ein sogenanntes Bettmaterial. Zur Erzeugung des Wirbeleffektes für das Bettmaterial und die aufgegebenen Einsatzstoffe ist ein Gasstrom, in der Regel atmosphärische Luft und Wasserdampf, erforderlich. Die Reaktion mit Luft ist exotherm, die Reaktion mit Wasserdampf endotherm. Das Verhältnis dieser Vergasungsmittel wird entsprechend der Betriebstemperatur eingestellt. Das in einem Teilstrom mit dem Prozessgas ausgetragene Bettmaterial wird in einem Zyklon abgeschieden und in den Prozess zurückgeführt. The fluidized bed reactor, preferably according to the system of circulating fluidized bed requires a so-called bed material. To create the vortex effect for the bed material and the discontinued Feedstock is a gas stream, usually atmospheric air and Steam, required. The reaction with air is exothermic, the reaction with Water vapor endothermic. The ratio of these gasification agents will adjusted according to the operating temperature. That in a partial flow with the Process gas discharged bed material is deposited in a cyclone and traced back to the process.

In Schachtöfen erfolgt die Prozessführung zur Erzeugung energetischer Prozessgase sowohl im Gleichstrom als auch im Gegenstrom, bezogen auf das Vergasungsmittel und den Einsatzstoff. In shaft furnaces, the process is carried out to produce energy Process gases both in DC and in countercurrent, based on the Gasification agent and the feedstock.

Problemstellungproblem

Die Reaktionen im Drehrohrofen beschränken sich beim thermolytischen Prozess sich auf die Umsetzung des Kohlenwasserstoffanteils der festen organischen Stoffe in Prozessgas. Ein deutlicher Anteil dieses Gases ist kondensierbar. Probleme zeigen sich bei der Abdichtung der Drehrohrenden. Da die Anlage im Unterdruck betrieben werden muss, ist ein Falschlufteinfluss nicht auszuschließen. Im übrigen besteht im Drehrohrofen, über seine konstruktive Länge gesehen, keine Möglichkeit den Prozessablauf wesentlich zu beeinflussen. Eine von außen beeinflussbare Einteilung verschiedener Reaktionszonen ist nicht möglich. Der übrig bleibende Kohlenstoff muss zwangsläufig einer besonderen thermischen Verwertung zugeführt oder in einer zusätzlichen apparativen Einheit, zum Beispiel in einer Wirbelschicht oder in einem Schachtreaktor durch Vergasung in Prozessgas umgewandelt werden. The reactions in the rotary kiln are limited to the thermolytic Process is based on the implementation of the hydrocarbon content of the solid organic substances in process gas. A significant proportion of this gas is condensable. Problems show up in the sealing of the rotary tube ends. Since the system must be operated in negative pressure, is a false air influence not be ruled out. Moreover, in the rotary kiln, over his constructive length, no possibility to significantly increase the process flow influence. An externally influenced classification of different Reaction zones is not possible. The remaining carbon must inevitably supplied to a special thermal recovery or in one additional apparatus unit, for example in a fluidized bed or in a shaft reactor are converted by gasification in process gas.

Im Wirbelschichtreaktor laufen die Reaktionen Thermolyse und Vergasung räumlich nicht eindeutig voneinander getrennt ab. Eine klar definierte Trennung in verschiedene Reaktionszonen ist nicht möglich. Der Wirbeschichtreaktor kann nur in einem engen Leistungsbereich betrieben werden, da das zugeführte Gas sowohl das Wirbelbett erzeugen muss als auch die Aufgabe des Reaktionsgases zu erfüllen hat. In the fluidized bed reactor, the reactions thermolysis and gasification run spatially not clearly separated from each other. A clearly defined separation in different reaction zones is not possible. The Wirschichtichtreaktor can be operated only in a narrow power range, since the gas supplied must generate both the fluidized bed and the task of the reaction gas has to fulfill.

Roste konventioneller Bauart, die bisher vorzugsweise bei der Verbrennung von Feststoffen eingesetzt werden, kommen in jüngerer Vergangenheit ebenfalls zur Vergasung von Feststoffen, vorerst nur versuchsweise, zum Einsatz. Als Vergasungsmittel dienen ebenfalls atmosphärische Luft und Wasserdampf. Die Roste müssen gegebenenfalls gegen Korrosion und Überhitzung geschützt werden. Grids of conventional design, which previously preferred during combustion of solids are also used in the recent past for the gasification of solids, for the time being only on a trial basis. As Gasification agents also serve atmospheric air and water vapor. The Grates may need to be protected against corrosion and overheating become.

Beim Schachtofen besteht die Schwierigkeit, eine definierte Stömungsverteilung, bezogen auf den Reaktorquerschnitt zu gewährleisten. When shaft furnace is the difficulty, a defined Flow distribution, based on the reactor cross-section to ensure.

Alle bisher benannten Verfahren haben den Nachteil, dass die Erzeugung eines hochwertigen, heizwertreichen Prozessgases mit erheblichen Schwierigkeiten verbunden ist. All previously named methods have the disadvantage that the generation a high quality, high calorific process gas with considerable Difficulties connected.

ProblemlösungTroubleshooting

Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt eine erhebliche Verbesserung der Prozessgasqualität. Die vorzugsweise durch keramische Strahlrohre erfolgende indirekte Beheizung eines Kaskadenreaktors, zum Beispiel in der konstruktiven und funktionellen Ausführung als Etagenreaktor (Fig. 1) oder als Rostreaktor (Fig. 2) erlaubt einen erhöhten Wasseranteil als Vergasungsmittel. Dies hat eine erhebliche Verbesserung der Gasqualität zur Folge. Außerdem ist eine Optimierung des Prozesses dadurch gegeben, dass die Prozessführung in definierten Reaktionszonen mit unterschiedlichen Prozesstemperaturen und Gaszusammensetzungen möglich ist. Damit wird es möglich, dass das in den Zonen Thermolyse und Vergasung entstehende Prozessgas vor dem Austritt aus dem Reaktor noch eine Hochtemperaturzone passiert, in der unter dem Einfluss von Wasserdampf eine Umwandlung der gasförmigen, kondensierbaren Kohlenwasserstoffe in unkondensierbare erfolgt. Es bedarf im Normalfall dabei keiner aufwendigen, externen Wasserdampferzeugung mit entmineralisiertem Wasser. Das in definierter Stöchiometrie einzusetzende Wasser kann den Einsatzstoffen zugemischt werden, verdampft in der ersten Reaktionszone und gelangt als Wasserdampf in die Reaktionszonen Vergasung und Crackung. The inventive method allows a significant improvement of the process gas quality. The indirect heating of a cascade reactor, preferably by ceramic jet pipes, for example in the structural and functional design as a stack reactor ( FIG. 1) or as a grate reactor ( FIG. 2) permits an increased water content as a gasification agent. This results in a significant improvement in gas quality. In addition, an optimization of the process is given by the fact that the process is possible in defined reaction zones with different process temperatures and gas compositions. This makes it possible for the process gas formed in the zones of thermolysis and gasification before leaving the reactor to pass through a high-temperature zone in which, under the influence of water vapor, the gaseous, condensable hydrocarbons are converted into uncondensable. Normally, it does not require any elaborate external steam generation with demineralised water. The water to be used in defined stoichiometry can be added to the starting materials, evaporated in the first reaction zone and passes as water vapor into the reaction zones gasification and cracking.

Damit wird die als Zielsetzung definierte Prozessgasqualität erreicht und das Verwertungsgebot von Reststoffen, beziehungsweise Abfällen, wie im Kreislaufwirtschafts- und Abfallgesetz gefordert, besser erfüllt. Thus the process gas quality defined as objective is achieved and the utilization requirement of residues or waste, as in Circular Economy and Waste Act required, better met.

Anwendungsbereichscope of application

Die Anwendungsmöglichkeit besteht bei allen Projekten, die eine Reststoffentsorgung bei gleichzeitiger Verwertung zum Ziel haben. Ein weiterer Anwendungsbereich zeigt sich bei der Energieerzeugung unter Einsatz von Bio- Masse. The application possibility exists with all projects, which one Waste disposal with simultaneous utilization to the goal. Another Scope of application is shown in energy production using biological Dimensions.

Aufgrund des modularen Aufbaus des apparativen Konzeptes ist das erfindungsgemäße Verfahren auch bei kleineren Kapazitäten und damit für dezentrale Energieversorgungsaufgaben geeignet. Due to the modular structure of the apparatus concept that is inventive method even with smaller capacities and thus for decentralized energy supply tasks suitable.

Neben der allgemeinen Erzeugung elektrischer Energie aus organischen Feststoffen ist die Energieversorgung im industriellen Bereich von besonderem Interesse. Hier geht es sowohl um elektrische Energie als auch alternativ um Prozesswärme. Industrien, die einen besonders hohen Brennstoffbedarf haben, sind an preiswerten Brennstoffsubstituten interessiert. Diese Substitute (organische Reststoffe oder Bio-Masse) als Festbrennstoffe einzusetzen, ist in vielen Fällen verfahrenstechnisch ungünstig oder sogar unmöglich. Ein heizwertreiches, speicher- und transportfähiges Gas erhält hier den Vorzug. In addition to the general production of electrical energy from organic For solids, the energy supply in the industrial sector is of particular importance Interest. This is about both electrical energy and alternatively to Process heat. Industries that have a particularly high fuel demand, are interested in cheap fuel substitutes. These substitutes (organic residues or bio-mass) to use as solid fuels, is in many cases technically unfavorable or even impossible. On high calorific, storage and transportable gas is preferred here.

Industriebranchen, in denen der Einsatz eines solchen Gases erwünscht ist, sind zum Beispiel die Ziegeleien, die Hersteller von Feuerfestmaterialien, die Kalk- und die Zementindustrie. Industrial sectors in which the use of such a gas is desired, For example, the brickworks, the manufacturers of refractory materials, the lime and the cement industry.

Für den stofflichen Anwendungsbereich seien die folgenden Beispiele genannt: Kunststoffabfälle allgemein, Dämmstoffreste, Teppichbodenreste, Kautschukabfälle, Altreifen, Shredderleichtfraktion, organische Klärschlämme, Rechengut, Tiermehl, Altholz, Schwachholz, heizwerfreiche Fraktionen des Hausmülls, hausmüllähnlicher Gewerbeabfall und DSD-Sortierreste. For the material scope, the following examples are called: plastic waste in general, insulation residues, carpet leftovers, Rubber waste, scrap tires, shredder light fraction, organic sewage sludge, Screenings, animal meal, waste wood, weakwood, hot - throwing fractions of the Domestic waste, household-like commercial waste and DSD sorting residues.

Verfahrens- und ProzesstechnikProcess and process technology Etagenreaktorfloor reactor

Unter Hinweis auf die in Fig. 1 eingetragenen Kennzeichnungen wird der Verfahrensablauf wie folgt beschrieben. With reference to the markings entered in FIG. 1, the procedure is described as follows.

Der Einsatzstoff (1) wird zum Beispiel unter Einsatz einer Stopfschnecke (2) in den Kaskadenreaktor eingetragen. Der Materialtransport erfolgt durch Räumarme (3), die mit einer senkrechten, motorgetriebenen (4) Achse (5) verbunden sind. Die Räumarme bewegen sich dicht über den Etagenböden (6) und werfen das Material durch entsprechende Öffnungen wechselweise im peripheren und im Bereich der Antriebsachse (5) auf den jeweils darunter liegenden Etagenboden (6) ab. For example, the feedstock ( 1 ) is introduced into the cascade reactor using a plug screw ( 2 ). The material is transported by clearing arms ( 3 ), which are connected to a vertical, motor-driven ( 4 ) axis ( 5 ). The Räumarme move close to the shelves ( 6 ) and throw the material through corresponding openings alternately in the peripheral and in the region of the drive axle ( 5 ) on the respective underlying shelf ( 6 ).

Die indirekte Beheizung erfolgt durch Strahlrohre (7) in vorzugsweise keramischer Ausführung, die unterhalb der Etagenböden (6) angeordnet sind. The indirect heating is effected by jet pipes ( 7 ) in a preferably ceramic design, which are arranged below the shelves ( 6 ).

Zum Betrieb der Strahlrohre (7) kommt vorzugsweise ein Teilstrom des eigenerzeugten Prozessgases (8) zum Ensatz, der durch die Gebläseeinheit (9) zugeführt wird. Die erforderliche Verbrennungsluft (10) fördert das Gebläse (11). Das Abgas (12) gelangt über Abgasrohre und Kamin in die Atmosphäre. For operation of the jet pipes ( 7 ) is preferably a partial flow of the self-generated process gas ( 8 ) Ensatz, which is supplied by the blower unit ( 9 ). The required combustion air ( 10 ) promotes the blower ( 11 ). The exhaust gas ( 12 ) passes through exhaust pipes and chimney into the atmosphere.

In der Reaktionszone 1 wird durch die indirekte Beheizung das Temperaturenniveau (> 100°C) erreicht, das für die Verdampfung des in definierter Stöchiometrie den Einsatzstoffen zugegebenen Wassers erforderlich ist. In the reaction zone 1 , the indirect heating, the temperature level (> 100 ° C) is reached, which is required for the evaporation of the feedstocks in defined stoichiometry.

In der Reaktionszone 2 werden bei Temperaturen von etwa 500°C unter Einfluss der indirekten Beheizung die im Einsatzstoff enthaltenen Kohlenwasserstoffe durch thermische Zerlegung (Thermolyse) in Prozessgas umgesetzt. In the reaction zone 2 , the hydrocarbons contained in the feedstock are converted by thermal decomposition (thermolysis) in process gas at temperatures of about 500 ° C under the influence of indirect heating.

Durch die Absaugung des Prozessgases (13) im unteren Bereich des Reaktors mit dem Gebläse (14) gelangen Wasserdampf und Thermolysegas in die Reaktionszone 3. Parallel werden der noch nicht umgesetzte Kohlenstoff (Koks) und anorganische Fraktionen der Einsatzstoffe auf die Etagenböden dieser Reaktionszone gefördert. Durch entsprechende Wärmezufuhr über die indirekte Beheizung (etwa 850°C) erfolgt hier die endotherme Vergasung des Kohlenstoffes mit Wasserdampf. By sucking off the process gas ( 13 ) in the lower region of the reactor with the fan ( 14 ), steam and thermolysis gas enter the reaction zone 3 . In parallel, the unreacted carbon (coke) and inorganic fractions of the feedstocks are conveyed to the floors of this reaction zone. By appropriate heat supply via the indirect heating (about 850 ° C) takes place here, the endothermic gasification of the carbon with water vapor.

In der Reaktionszone 4 wird die Temperatur durch die indirekte Beheizung auf etwa 1'000°C erhöht. Unter dem Einfluss dieser Temperatur und des in der Reaktionszone 3 noch nicht "verbrauchten" Wasserdampfes erfolgt die Umwandlung (Crackung) der gasförmigen Kohlenwasserstoffe, insbesondere des kondensierbaren Anteils, in Kohlenmonoxid und Wasserstoff. In the reaction zone 4 , the temperature is raised by the indirect heating to about 1'000 ° C. Under the influence of this temperature and the not yet "spent" in the reaction zone 3 steam, the conversion (cracking) of the gaseous hydrocarbons, in particular the condensable fraction takes place in carbon monoxide and hydrogen.

Im Normalfall kann das Prozessgas zum Beispiel aus der Reaktionszone 4 abgesaugt, unter interner Abwärmenutzung gekühlt und je nach Schadstoffgehalt der Einsatzstoffe in nachgeschalteten Vorrichtungen (15) chemisch-reaktiv gereinigt werden. In the normal case, the process gas can be sucked out of the reaction zone 4 , for example, cooled using internal waste heat and be chemically-reactive cleaned depending on the pollutant content of the feedstocks in downstream devices ( 15 ).

Die Reaktionszone 5 übernimmt die anorganischen Fraktionen der Einsatzstoffe und die Asche mit Kohlenstoffresten. Durch die nahstöchiometrische Zuführung von Sekundärluft (16) erfolgt hier die Nachvergasung der Kohlenstoffreste. Die verbleibenden, weitgehend anorganischen Stoffe (17) werden vom untersten Räumarm ausgeworfen. The reaction zone 5 takes over the inorganic fractions of the starting materials and the ashes with carbon radicals. By the near-stoichiometric supply of secondary air ( 16 ) takes place here, the gasification of the carbon residues. The remaining, largely inorganic substances ( 17 ) are ejected from the lowest clearing arm.

Rostreaktorstainless reactor

Die Kennzeichnungen in Fig. 2 entsprechen weitgehend denen in Fig. 1. Das gilt sinngemäß auch für den verfahrens- und prozesstechnischen Ablauf, auf dessen wiederholende Beschreibung verzichtet wird. The markings in FIG. 2 largely correspond to those in FIG. 1. This also applies mutatis mutandis to the procedural and process engineering process, is dispensed with the repetitive description.

Den Transport der Einsatzstoffe innerhalb des Reaktors übernehmen bewegliche Rostelemente (3), zum Beispiel Vor- oder Rückschubroste. The transport of the feedstock within the reactor is carried out by moving grate elements ( 3 ), for example, pre-grate or back-pressure grates.

Oberhalb des Rostes eingezogene Trennwände (5) gewährleisten die Einteilung in 5 Reaktionszonen. Zwischen diesen Trennwänden sind die der indirekten Beheizung dienenden, vorzugsweise keramischen Strahlrohre (7) angeordnet. Zur Verringerung des Temperaturunterschiedes zwischen dem Rost und den darüber liegenden Reaktionszonen werden zusätzliche Strahlrohre (7) zwischen Trennwänden unterhalb (b) des Rostes eingebaut. Above the grate retracted partitions ( 5 ) ensure the division into 5 reaction zones. Between these partitions, the indirect heating serving, preferably ceramic jet pipes ( 7 ) are arranged. To reduce the temperature difference between the grate and the overlying reaction zones additional jet pipes ( 7 ) between partitions below (b) of the grate are installed.

Die Reaktionszonen 4 oder 5 können je nach Prozessführung wahlweise für die Vergasung oder Prozessgascrackung eingesetzt werden. Depending on the process control, the reaction zones 4 or 5 can be used either for gasification or process gas cracking.

Für die Nachvergasung von Kohlenstoffresten in der Asche ist ein Schachtreaktor (18) integriert, der nahstöchiometrisch mit Luftsauerstoff beaufschlagt wird. Eine Zellenradschleuse (19) übernimmt den Austrag der anorganischen Materialfraktionen. For the post-gasification of carbon residues in the ash, a shaft reactor ( 18 ) is integrated, which is acted upon by near-stoichiometric oxygen in the air. A rotary feeder ( 19 ) takes over the discharge of the inorganic material fractions.

Vorteileadvantages EinsatzstoffkonditionierungFeedstock conditioning

Insbesondere bei der Wirbelschichttechnologie ist eine weitgehende Zerkleinerung der Einsatzstoffe erforderlich. Partikel hoher Dichte sind nur schwer zu fluidisieren. In particular, in fluidized bed technology is a far-reaching Crushing of the starting materials required. High density particles are difficult to fluidize.

Beim Schachtofen ist ebenfalls eine Zerkleinerung erforderlich. Eine einheitliche Partikelgröße unterstützt eine gleichmäßige Durchströmung des Schüttbettes, während eine Feinkornfraktion diese Strömung wesentlich beeinträchtigen kann. The shaft furnace also requires shredding. A uniform particle size supports a uniform flow through the Bulk bed, while a fine grain fraction substantially this flow can affect.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren genügt eine Grobzerkleinerung. Partikel hoher Dichte sind unproblematisch. In the method according to the invention, a coarse shredding is sufficient. High density particles are unproblematic.

Energetische WirkungsgradeEnergetic efficiencies

Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist durch den Wirkungsgrad bei der Erzeugung elektrischer Energie gegeben. A particular advantage of the method according to the invention is due to the Given efficiency in the generation of electrical energy.

Bei der Feststoffverbrennung oder dem Einsatz unkonditionierten Prozessgases als Brennstoff wäre die Energieerzeugung mit einem Kessel und nachgeschalteter Dampfturbine mit Generator erforderlich. Bei konventionellen Großkraftwerken werden mit dieser Technik elektrische Wirkungsgrade zwischen 30% und 35%, bei kleineren Leistungsstufen 15% bis 25% erreicht. Durch unkonditioniertes Gas entstehen jedoch auch bei dieser Technologie funktionelle Probleme durch Kondensatablagerungen. In the case of solid combustion or use unconditioned Process gas as fuel would be the power generation with a boiler and Downstream steam turbine with generator required. In conventional Large power plants are used with this technique electrical efficiencies between 30% and 35%, at lower power levels 15% to 25% achieved. By However, unconditioned gas is also produced by this technology functional problems due to condensate deposits.

Ist aufgrund einer Schadstoffbelastung die chemisch-reaktive Gasreinigung mit Abkühlung des Gases erforderlich, so geht der kondensierbare Gasanteil, der bis zu 30% betragen kann, ungenutzt verloren und läßt je nach Gasreinigungstechnologie zusätzlich ein Abwasserproblem entstehen. Is due to a pollutant load, the chemically-reactive Gas cleaning with cooling of the gas required, so does the condensable Gas content, which can be up to 30%, is lost unused and depending on Gas purification technology in addition to create a wastewater problem.

Das Gas, das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gewonnen wird, behält auch nach Abkühlung und Reinigung seinen vollen Energiegehalt. Da es für Gasmotore geeignet ist, werden bis zu 40% elektrischer Wirkungsgrad erreicht. Beim Einsatz in Brennstoffzellen sind etwa 60% elektrischer Wirkungsgrad möglich. The gas obtained by the process according to the invention, retains its full energy content even after cooling and cleaning. Because it is suitable for gas engines, up to 40% electrical efficiency reached. When used in fuel cells are about 60% electrical efficiency possible.

Gasreinigunggas cleaning

Die meisten Reststoffe sind mit Schadstoffen, vorzugsweise Chlor und/oder Schwefel belastet. Da diese Stoffe beim erfindungsgemäßen Verfahren weitgehend in das Prozessgas und bei der Verbrennung von Feststoffen oder unkonditionierten Gasen in das Verbrennungsgas übergehen, ist in beiden Fällen eine chemisch-reaktive Reinigung und Entstaubung erforderlich. Most of the residues are contaminants, preferably chlorine and / or Sulfur loaded. As these substances in the inventive method largely in the process gas and in the combustion of solids or unconditioned gases go into the combustion gas is in both Cases require chemically-reactive cleaning and dedusting.

Diese Maßnahme ist beim erfindungsgemäßen Verfahren wesentlich kostengünstiger, da nur ein Bruchteil (1/5 bis 1 /10) eines Gasmassenstroms (energetisches Prozessgas) im Vergleich mit der Verbrennung (Verbrennungsgas) gereinigt werden muss. Energieverluste durch Gaskondensate werden vermieden. This measure is essential in the method according to the invention less expensive, since only a fraction (1/5 to 1/10) of a gas mass flow (energetic process gas) in comparison with combustion (Combustion gas) must be cleaned. Energy losses through Gas condensates are avoided.

Gasspeicherung und -transportGas storage and transportation

Das konditionierte Prozessgas aus dem erfindungsgemäßen Verfahren ist speicherfähig und erlaubt damit einen rationellen Einsatz. Auch beim Transport durch längere Rohrleitungen kommt es nicht zu Kondensat- und/oder Feststoffablagerungen. The conditioned process gas from the process according to the invention is storable and thus allows a rational use. Also during transport longer pipelines do not cause condensate and / or Solid deposits.

Stoffliche VerwertungRecycling

Sind in den Einsatzstoffen anorganische Materialien enthalten, zum Beispiel Edel- und Nichteisenmetalle oder liegt ein organisch-anorganischer Materialverbund vor, so liegt beim erfindungsgemäßen Verfahren das anorganische Material weitestgehend ohne organische Materiaklfraktionen vor. Eine Separation in Metalle und Mineralien ist durch Sichtung oder Klassierung möglich. Als stoffliches Beispiel sei hier die Shredderleichtfraktion genannt. Are in the starting materials inorganic materials, for Example precious and non-ferrous metals or is an organic-inorganic Composite material before, so is the method of the invention that inorganic material largely without organic Materiaklfraktionen before. A separation into metals and minerals is by sighting or classification possible. As a material example here is the shredder light fraction called.

Das Schmelzverhalten der anorganischen Stoffe ist bei der Temperaturführung des Gesamtprozesses zu berücksichtigen. The melting behavior of the inorganic substances is in the Temperature control of the overall process to be considered.

Kapazitätskriteriencapacity criteria

Das apparative Konzept erlaubt kleinere Kapazitäten mit einem Einsatzstoffmassenstrom von < 1 Mg/h und ist damit für eine dezentrale Reststoffentsorgung und -verwertung besonders geeignet. Aufgrund des modularen Konzeptes sind jedoch auch Großanlagen möglich, die gegebenenfalls aus mehreren Verfahrenslinien bestehen können. Eine einzelne Verfahrenslinie kann apparativ für einen Einsatzstoffmassenstrom von bis zu 20 Mg/h ausgelegt werden. The apparatus concept allows smaller capacities with one Feedstock mass flow of <1 Mg / h and is therefore for a decentralized Residue disposal and recycling particularly suitable. Due to the modular concept, however, large-scale systems are also possible optionally may consist of several process lines. A single one Process line can apparatus for a feedstock mass flow of up to 20 Mg / h be interpreted.

Claims (24)

1. Verfahren zur energetischen Verwerfung organischer Stoffe und zur stofflichen und energetischen Verwerfung von Gemischen aus organischen und anorganischen Stoffen oder von Stoffen im organisch-anorganischen Materialverbund unter Einsatz eines Kaskadenreaktors, dadurch gekennzeichnet,
dass die Einsatzstoffe mit einem stöchiometrisch definierten Wassergehalt in einen indirekt, vorzugsweise durch keramische Strahlrohre beheizten Kaskadenreaktor aufgegeben und in einer ersten Reaktionszone zur Wasserverdampfung im Sinne einer Prozessdampferzeugung bis auf etwa 150°C erwärmt werden und
dass die Einsatzstoffe im Interesse der thermischen Zerlegung des Kohlenwasserstofffanteils in zweiter Reaktionszone in Prozessgas (Thermolysegas) bis auf etwa 500°C erwärmt werden und
dass der durch die Räum- beziehungsweise Materialtransportelememte des Reaktors jeweils auf die tiefer liegenden Kaskadenebenen geförderte Anteil anorganischer Stoffe und der Kohlenstoffanteil (Koks) bis auf etwa 800°C indirekt erwärmt und endotherm mit Wasserdamopf in der dritten Reaktionszone vergast werden und
dass die erzeugten Prozessgase durch Absaugung im Gleichstrom mit den Feststoffen geführt werden, um eine vierte Reaktionszone im Bereich der unteren Kaskadenebenen zu durchströmen, so dass hier durch weitere Wärmezufuhr (> 1'000°C) gasförmige, insbesondere kondensierbare Kohlenwasserstoffe (CmHn) in unkondensierbare (CO + H2) mit Wasserdampf weitgehend umgesetzt (Crackung) werden und
dass in einer fünften Reaktionszone durch die nahstöchiometrische Zugabe von Sauerstoff Kohlenstoffreste in den Aschen vergast werden. 1. A process for the energetic rejection of organic substances and for the material and energetic rejection of mixtures of organic and inorganic substances or substances in the organic-inorganic composite material using a cascade reactor, characterized
that the starting materials are given with a stoichiometrically defined water content in an indirect, preferably heated by ceramic radiant tubes cascade reactor and heated in a first reaction zone for water evaporation in terms of process steam generation up to about 150 ° C and
that the feedstocks in the interest of thermal decomposition of Kohlenstofffanteils in the second reaction zone in process gas (thermolysis gas) are heated to about 500 ° C and
that the proportion of inorganic substances conveyed through the clearing or material transport elements of the reactor to the lower lying cascade levels and the carbon content (coke) are indirectly heated up to about 800 ° C. and gasified endothermically with water steam in the third reaction zone, and
that the generated process gases are conducted by suction in cocurrent with the solids to flow through a fourth reaction zone in the lower cascade levels, so that here by further heat (>1'000 ° C) gaseous, in particular condensable hydrocarbons (C m H n ) in non-condensable (CO + H 2 ) with water vapor largely reacted (cracking) and
that in a fifth reaction zone by the near-stoichiometric addition of oxygen carbon residues are gasified in the ashes. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erfindungsgemäße Verfahren in Kaskadenreaktoren Anwendung findet, die als Etagenreaktor oder als Rostreaktor ausgelegt sind. 2. The method according to claim 1, characterized that the inventive method in cascade reactors application finds that are designed as a multi-stage reactor or as a rust reactor. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine in der Summe beliebige Anzahl von Kaskadenetagen, beziehungsweise -stufen innerhalb des Reaktors angeordnet sind und dass den Reaktionszonen eine beliebige Anzahl Etagen oder Stufen zugeordnet werden. 3. The method according to claim 1, characterized that in sum any number of cascade floors, or stages are arranged within the reactor and that the Reaction zones can be assigned any number of floors or levels. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozesse der vierten Reaktionszone (Gascrackung) unter Berücksichtigung des Schmelzverhaltens anorganischer Stoffe in einer nachgeschalteten Vorrichtung ablaufen. 4. The method according to claim 1, characterized that the processes of the fourth reaction zone (gas cracking) under Consideration of the melting behavior of inorganic substances in one proceed downstream device. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozesse der fünften Reaktionszone in einer nachgeschalteter Vorrichtung ablaufen. 5. The method according to claim 1, characterized that the processes of the fifth reaction zone in a downstream Run off device. 6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für den Betrieb der Strahlrohre zur indirekten Reaktorbeheizung eigenerzeugtes Prozessgas als Brennstoff zum Einsatz kommt. 6. The method according to claim 1, characterized that for the operation of the radiant tubes for indirect reactor heating In-house process gas is used as fuel. 7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessgas aus der vierten Reaktionszone mit einer Temperatur von etwa 1'000°C durch die Strahlrohre zur indirekten Reaktorbeheizung geführt wird. 7. The method according to claim 1, characterized that the process gas from the fourth reaction zone with a temperature of about 1'000 ° C passed through the jet pipes for indirect reactor heating becomes. 8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die indirekte Beheizung des Reaktors zusätzlich durch einen beheizten Doppelmantel erfolgt. 8. The method according to claim 1, characterized that the indirect heating of the reactor additionally by a heated double jacket takes place. 9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ergänzend zur indirekten Beheizung ein Teilstrom des eigenerzeugten, heißen Prozessgases im Kreislauf durch den Reaktor geführt wird. 9. The method according to claim 1, characterized that, in addition to the indirect heating, a partial flow of the self-generated, hot process gas is circulated through the reactor. 10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionen im gesamten Reaktor auf die Wasserverdampfung bei Temperaturen von etwa 150°C und die thermische Zerlegung der Kohlenwasserstoffe bei Temperaturen von etwa 500°C beschränkt und sowohl die Crackung gasförmiger, kondensierbarer Kohlenwasserstoffe als auch die energetische Verwerfung des Kohlenstoffes in nachgeschalteten Vorrichtungen außerhalb des Kaskadenreaktors durchgeführt werden. 10. The method according to claim 1, characterized that the reactions throughout the reactor affect the evaporation of water at temperatures of about 150 ° C and the thermal decomposition of the Hydrocarbons limited to temperatures of about 500 ° C and both the cracking of gaseous, condensable hydrocarbons as well as the energetic rejection of carbon in downstream devices be performed outside the cascade reactor. 11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der für die Reaktionen erforderliche, von außen gegebenenfalls zugeführte Sauerstoff in Form des Luftsauerstoffes (atmosphärische Luft), des reinen Sauerstoffes oder als sauerstoffangereicherte Luft zum Einsatz kommt. 11. The method according to claim 1, characterized that required for the reactions, from outside if necessary supplied oxygen in the form of atmospheric oxygen (atmospheric air), the pure oxygen or as oxygen-enriched air is used. 12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung einer charakteristischen Prozesstemperaturen sowie des geforderten Heizwertes des Prozessgases über die in die verschiedenen Reaktionszonen von außen zugegebene Luft- oder Wassermenge oder über eine definierte Kombination aus beiden erfolgt. 12. The method according to claim 1, characterized that the regulation of a characteristic process temperatures as well the required calorific value of the process gas over the into the different Reaction zones from the outside added amount of air or water or over a defined combination of both takes place. 13. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abzug des Prozessgases nicht nur in der vierten Reaktionzone, sondern je nach beabsichtigter Prozessführung in anderen Reaktionszonen erfolgt. 13. The method according to claim 1, characterized that the withdrawal of the process gas not only in the fourth reaction zone, but depending on the intended process control in other reaction zones he follows. 14. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung von zusätzlichen Vergasungsmitteln von außen in verschiedenen Reaktionszonen erfolgt. 14. The method according to claim 1, characterized that the supply of additional gasifying agents from the outside in different reaction zones takes place. 15. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungsluft für den Betrieb der zur indirekten Beheizung eingesetzten Strahlrohre durch interne Abwärmenutzung vorgewärmt wird. 15. The method according to claim 1, characterized that the combustion air for the operation of the indirect heating used jet pipes is preheated by internal waste heat recovery. 16. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Heizwert und Temperatur des Prozessgases, insbesondere bei heterogener Zusammensetzung des Einsatzstoffes, durch ein definiertes Gemisch mehrerer, qualitativ unterschiedlicher Einsatzstoffe eingestellt werden. 16. The method according to claim 1, characterized that calorific value and temperature of the process gas, especially at heterogeneous composition of the feedstock, through a defined mixture several, qualitatively different starting materials can be adjusted. 17. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionstemperaturen durch die indirekte Beheizung einsatzstoffbezogen definiert geregelt wird. 17. The method according to claim 1, characterized that the reaction temperatures by the indirect heating is defined in terms of use. 18. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizwert des Prozessgases über die von außen gegebenenfalls zugeführten Mengen und über die Zusammensetzung der Vergasungsmittel geregelt wird. 18. The method according to claim 1, characterized that the calorific value of the process gas over that from the outside quantities supplied and the composition of the Gasification agent is regulated. 19. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass den Einsatzstoffen je nach Art und Gehalt von Schadstoffen entsprechende Additive zur Schadstoffeinbindung zugemischt werden. 19. The method according to claim 1, characterized that the input materials depending on the type and content of pollutants appropriate additives are admixed for pollutant binding. 20. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass den Einsatzstoffen geeignete Stoffe zugemischt werden, um das Schmelzverhalten der Aschen zu beeinflussen. 20. The method according to claim 1, characterized that suitable substances are added to the feedstocks in order to To influence the melting behavior of the ashes. 21. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kühlung des Prozessgases auf eine für die Gasreinigung (z. B. Entstaubung) erforderliche Temperatur ein Wärmetauscher zur internen Abwärmenutzung nachgeschaltet wird. 21. The method according to claim 1, characterized for cooling the process gas to one for gas purification (eg. Dedusting) required temperature a heat exchanger to the internal Waste heat is connected downstream. 22. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall der Zuführung zusätzlicher Vergasungsmittel atmosphärische Luft, sauerstoffangereicherte Luft, reiner Sauerstoff und Wasserdampf zum Einsatz kommen. 22. The method according to claim 1, characterized that in the case of supplying additional gasification agent atmospheric air, oxygen enriched air, pure oxygen and Steam are used. 23. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, das die Temperatur in der dritten, vierten und fünften Reaktionszone so gewählt werden, dass ein Schmelzen der anorganischen Stoffe vermieden wird. 23. The method according to claim 1, characterized the temperature in the third, fourth and fifth reaction zone so be chosen that a melting of the inorganic substances is avoided. 24. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Reaktors oder in einer nachgeschalteten Vorrichtung dem Prozessgas bei einer Temperatur von etwa 1'100°C stöchiometrisch oder überstöchiometrisch extern erzeugter Wasserdampf zugegeben wird, um durch die Wassergasreaktion den Wasserstoffanteil zu Lasten des Kohlenmonoxidgehalts im Prozessgas zu erhöhen und durch den endothermen Prozess gleichzeitig eine Gaskühlung zu bewirken, sowie eine Gasqualität zu erreichen, die für den Einsatz in Brennstoffzellen besonders geeignet ist. 24. The method according to claim 1, characterized that within the reactor or in a downstream device the process gas at a temperature of about 1'100 ° C stoichiometric or is added stoichiometrically externally generated water vapor to pass through the water gas reaction at the expense of hydrogen Carbon monoxide content in the process gas increase and by the endothermic Process simultaneously to effect gas cooling, as well as a gas quality reach, which is particularly suitable for use in fuel cells.
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