EP4471332A1 - Waste incineration plant and method for incineration of waste - Google Patents
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- EP4471332A1 EP4471332A1 EP23176120.6A EP23176120A EP4471332A1 EP 4471332 A1 EP4471332 A1 EP 4471332A1 EP 23176120 A EP23176120 A EP 23176120A EP 4471332 A1 EP4471332 A1 EP 4471332A1
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- F23J2900/15081—Reheating of flue gases
Definitions
- the present invention relates to a waste incineration plant, a use of the waste incineration plant for burning waste, a method for burning waste in a waste incineration plant, and a method for maintaining or repairing a waste incineration plant.
- the invention enables in particular a combustion of waste without emitting CO2 into the atmosphere or at least with a significantly reduced emission of CO2 into the atmosphere.
- a waste incineration plant is used to burn the combustible parts of waste, usually to reduce the amount of waste in landfills.
- This type of thermal waste treatment is becoming increasingly important in waste management, as untreated waste often poses a threat to the environment.
- some specified limits for the disposal of waste in certain landfills can only be achieved by thermally treating the waste.
- An example of such a limit is a specified maximum carbon content in waste, which, depending on the landfill class, may sometimes not exceed between 1% and 3%. These low values for the carbon content have so far typically only been achievable by thermally treating the waste.
- Waste incineration plants also often enable the waste to be recycled by extracting certain materials from the waste.
- EP 2 078 555 A1 a process for cleaning exhaust gases, an exhaust gas cleaning system and the use of this exhaust gas cleaning system for cleaning exhaust gases from a waste incineration plant are described.
- the exhaust gases are cleaned there using a dry or quasi-dry sorption process.
- the exhaust gases are introduced into a first reactor and passed from the first into a downstream second reactor.
- Fresh sorbent is first fed to the second reactor and at least partially passed from the second reactor into the first reactor.
- Waste incineration is therefore currently a significant source of greenhouse gas emissions, particularly CO2. From the point of view of environmental pollution, the generation of electricity and heat through waste incineration is therefore also a climate-damaging form of energy production.
- Technical solutions that help reduce or avoid CO2 emissions from waste incineration plants are currently not known.
- the present invention is based on the object of providing an improved waste incineration plant and an improved method for incinerating waste in a waste incineration plant
- the present invention is based on the object of providing a waste incineration plant and a method for incinerating waste which enable waste to be incinerated without emitting CO 2 or at least with significantly reduced CO 2 emissions.
- a waste incineration plant which has a combustion chamber, a burner, at least one exhaust gas splitting device and at least one exhaust gas splitting chamber return line.
- the combustion chamber is designed such that waste can be burned in the combustion chamber.
- the burner is arranged and designed such that it can burn waste located in the combustion chamber.
- the at least one exhaust gas splitting device has an exhaust gas splitting chamber and a heating device.
- the exhaust gas splitting chamber has an inlet, e.g. a first inlet, which is fluidically connected to the combustion chamber so that exhaust gases generated during the combustion of waste can flow from the combustion chamber through the inlet into the exhaust gas splitting chamber.
- the heating device is designed to heat an exhaust gas present in the exhaust gas splitting chamber to at least 3000 °C so that at least one chemical compound contained in the exhaust gas can be at least partially split into a first component, preferably a lighter gas product, and a second component, preferably a heavier gas product.
- the exhaust gas splitting chamber is designed to spatially separate the first and second split components and, if present, also a non-split remainder of the chemical compound from one another within the exhaust gas splitting chamber by generating a centrifugal force, in particular according to the respective molecular masses.
- the separation preferably takes place in such a way that, due to the centrifugal force acting, the lighter gas product is displaced in the direction of a center of rotation of the exhaust gas splitting chamber and the heavier gas product is displaced in the direction of a chamber wall of the exhaust gas splitting chamber, and if present, the non-split remainder of the chemical compound, as the heaviest gas, is displaced comparatively the furthest in the direction of the chamber wall of the exhaust gas splitting chamber.
- the at least one exhaust gas splitting chamber return line connects i) an outlet, e.g.
- the invention includes the realization that the emission of CO 2 during the incineration of waste represents a significant problem for the environment and can lead to a significant change in the earth's atmosphere.
- waste incineration is a significant source of greenhouse gas emissions and in particular of CO 2 .
- the incineration of normal household waste generally has a higher CO 2 load per kilowatt hour generated than, for example, the combustion of natural gas.
- the invention includes the further realization that nowadays, by building as large as possible waste incineration plants, attempts are made to exploit the degression of specific investments as the plant size increases and to reduce the treatment costs per ton of waste.
- the waste incineration plant according to the invention enables CO 2 -free waste incineration and can therefore be operated in a comparatively climate-friendly manner. This is achieved with the waste incineration plant by heating the CO 2 contained in the exhaust gas in the exhaust gas splitting chamber to 3000° C or more. At these temperatures of at least 3000 °C, CO 2 is converted directly into oxygen and solid carbon. The oxygen released could be returned to the circuit for more effective combustion of the waste in the combustion chamber. Unconverted CO 2 can be returned by means of the at least one exhaust gas splitting chamber return line from the outlet of the exhaust gas splitting chamber to the inlet of the exhaust gas splitting chamber, in order to then flow back into the exhaust gas splitting chamber. The CO 2 that has flowed in again CO 2 is then heated again to 3000 °C or more and is then at least partially converted into oxygen and solid carbon. This process can be repeated until the CO 2 from the exhaust gas produced by the combustion of the waste is completely broken down.
- unconverted CO 2 can be passed from the outlet of the exhaust gas splitting chamber to the inlet of the exhaust gas splitting chamber of the further exhaust gas splitting device by means of the at least one exhaust gas splitting chamber return line in order to then flow into the exhaust gas splitting chamber of the further exhaust gas splitting device.
- the inflowing CO 2 is then heated again to 3000 °C or more and then at least partially converted into oxygen and solid carbon.
- the exhaust gas splitting device and the further exhaust gas splitting device create a modular structure that can theoretically be continued as often as desired. There can therefore be several exhaust gas splitting devices that are connected to one another in a fluid-conducting manner, so that a gas can flow from one exhaust gas splitting device into the next exhaust gas splitting device.
- the first exhaust gas splitting chamber and the second exhaust gas splitting chamber can be connected in series.
- a chemical compound contained in the exhaust gas can be at least partially split into a first component and a second component in each of the exhaust gas splitting devices, and the non-split remainder of the chemical compound can be discharged into the next exhaust gas splitting device, the amount of the non-split remainder of the chemical compound continues to decrease from exhaust gas splitting device to exhaust gas splitting device until the chemical compound contained in the device has been essentially completely split into a first component and a second component.
- the split components can be discharged from the respective exhaust gas splitting devices at corresponding outlets and reused.
- the waste incineration plant can have several exhaust gas splitting devices that can be operated independently of one another and, in particular, are not directly connected to one another in a fluid-conducting manner.
- the two exhaust gas splitting devices can, in particular, be connected in parallel, in contrast to a serial arrangement in which two exhaust gas splitting devices are connected in series and a gas can flow from one exhaust gas splitting device into the other exhaust gas splitting device.
- the waste incineration plant it is possible for the waste incineration plant to have a first exhaust gas splitting device with a first exhaust gas splitting chamber, which is connected to the combustion chamber via a first exhaust gas splitting chamber return line, and a second exhaust gas splitting device with a second exhaust gas splitting chamber, which is connected to the combustion chamber via a second exhaust gas splitting chamber return line.
- the exhaust gas from the combustion chamber can be discharged into the first exhaust gas splitting chamber independently of the second exhaust gas splitting chamber and vice versa. Accordingly, the exhaust gas from the combustion chamber can also be discharged into the second exhaust gas splitting chamber independently of the first exhaust gas splitting chamber.
- both exhaust gas splitting devices it is possible to operate both exhaust gas splitting devices at the same time. Exhaust gases from the combustion chamber can then be fed into both exhaust gas splitting devices simultaneously through the respective exhaust gas splitting chamber return lines. It is also possible to operate only one of the two exhaust gas splitting devices.
- the exhaust gas splitting device that is not currently in operation can, for example, be repaired. It is also possible for solid carbon to be removed from the exhaust gas splitting device that is not currently in operation while the other exhaust gas splitting device continues to run. It is then possible to operate the waste incineration plant continuously and without downtime.
- the waste incineration plant according to the invention is designed as a closed system and can be operated in such a way that no exhaust gases are emitted.
- the exhaust gases can circulate in the waste incineration plant until the chemical compounds contained in the exhaust gases, such as CO 2 and H 2 O, are completely broken down.
- the useful gases of hydrogen and oxygen can be taken from the exhaust gas splitting chamber and used to operate the waste incineration plant.
- hydrogen can be used to generate temperatures of 3000 °C or more.
- Oxygen can be returned to the combustion chamber to increase the efficiency of burning the waste in the combustion chamber.
- Solid carbon can be taken from the exhaust gas splitting chamber and reused outside the waste incineration plant as a raw material. Accordingly, in the waste incineration plant according to the invention - in contrast to conventional waste incineration plants - a chimney or the like for emitting exhaust gases into the atmosphere is obsolete.
- waste incineration plant according to the invention can be implemented both as a large-scale plant and as a small-scale waste incineration plant.
- the waste incineration plant thus represents an economical and ecological alternative to known waste incineration plants for thermal waste treatment.
- the solid carbon and excess oxygen and hydrogen produced during operation of the waste incineration plant can be reused as useful products.
- the separation of the chemical compound contained in the exhaust gas into a first component and a second component and, if present, also into a non-split remainder of the chemical compound is carried out in particular as described below.
- a stationary temperature distribution typically occurs in the exhaust gas splitting chamber, with hot gases in the center of the exhaust gas splitting chamber and colder gases in the periphery. This is because the heating device does not usually heat the gases in the exhaust gas splitting chamber evenly, so that gas layers with different temperatures and correspondingly different densities form in the exhaust gas splitting chamber.
- the spatial separation according to temperature differences occurs particularly after the waste incineration plant has started. This state typically remains constant throughout the entire working cycle.
- the split gas products in particular the first component and the second component of the chemical compound, initially have the same temperature. During the working cycle, the gas products are then spatially separated according to their molecular masses. In particular, the split products are in a dynamic state, with heavier gas products moving continuously in a radial direction from the center of the exhaust gas splitting chamber to the chamber wall during the gas transport from the inlet to the outlet, and the lighter gas products remaining in the center of the exhaust gas splitting chamber or being displaced to the center.
- the heating device is designed to heat an exhaust gas present in the exhaust gas splitting chamber to at least 3000 °C, so that at least one chemical compound contained in the exhaust gas can be at least partially split into a first component, preferably a lighter gas product, and a second component, preferably a heavier gas product, as well as into a hotter and thus lighter gas layer and a colder and thus heavier gas layer.
- the exhaust gas splitting chamber is designed in particular to spatially separate the first and second split components and, if present, also a non-split remainder of the chemical compound from one another within the exhaust gas splitting chamber according to their molecular masses by generating a centrifugal force.
- the separation takes place in such a way that, due to the acting centrifugal force, the lighter or hotter gas product is displaced in the direction of a center of rotation of the exhaust gas splitting chamber and the heavier or colder gas product is displaced in the direction of a chamber wall of the exhaust gas splitting chamber, and if present, the non-split remainder of the chemical compound as the heaviest gas is displaced comparatively the furthest in the direction of the chamber wall of the exhaust gas splitting chamber.
- the exhaust gas splitting device preferably has a drive that is arranged and designed to rotate the exhaust gas splitting chamber about a rotation axis.
- the rotational movement of the exhaust gas splitting chamber also causes the exhaust gas introduced into the exhaust gas splitting chamber to rotate, so that a centrifugal force acts on the exhaust gas.
- the centrifugal force acting on the exhaust gas ensures that hotter or lighter gas products are displaced in the direction of a center of rotation of the exhaust gas splitting chamber and the colder or heavier gas products are displaced in the direction of a chamber wall of the exhaust gas splitting chamber. If there is still a non-split residue of the chemical compound in the exhaust gas splitting chamber, this is displaced as the heaviest gas comparatively the furthest in the direction of the chamber wall of the exhaust gas splitting chamber.
- each outlet is connected to a line, e.g. a hose.
- Each hose is in turn connected to its own pump, which can generate the suction required for extraction.
- the drive can be a belt drive, for example.
- the drive could also include an electric motor.
- the rotor could be attached to the exhaust gas splitting chamber itself, which is then rotated in the stator.
- the exhaust gas splitting chamber is preferably rotatably mounted at both ends by means of bearings, in particular by means of ball bearings.
- the drive is preferably designed to rotate the exhaust gas splitting chamber at at least 50 revolutions per minute, preferably at least 250 revolutions per minute, particularly preferably more than 500 revolutions per minute.
- the exhaust gas splitting device can have at least one impeller with blades arranged in the exhaust gas splitting chamber and/or at least one fan arranged in the exhaust gas splitting chamber.
- the impeller and/or the fan can each be rotated with an impeller drive or with a fan drive.
- the rotation of the impeller and/or the fan also causes the exhaust gas present in the exhaust gas splitting chamber to rotate, so that a centrifugal force acts on the exhaust gas and/or split components of the chemical compound, which leads to a spatial separation of the exhaust gas and the split components depending on the different molecular masses.
- the impeller with blades and/or the fan can be rotated at at least 50 revolutions per minute.
- the exhaust gas splitting chamber can be aligned horizontally or at an angle of inclination of 0° to 90° or at an angle of inclination of 0° to -90° relative to the base of the waste incineration plant.
- a horizontal alignment is preferred so that the inlet and outlet are not aligned parallel to the base. If the outlet of the exhaust gas splitting chamber is directed downwards, the separation of solid and gaseous reaction products can be made easier thanks to the effect of the earth's gravity. If the outlet is directed upwards, however, light gaseous products can escape better or be more easily discharged with a hose.
- the exhaust gas splitting chamber can be arranged in a container and an interior of the container can be under normal pressure.
- the interior of the container can be under negative pressure.
- the interior of the container can be under positive pressure.
- the exhaust gas splitting chamber can be tubular or ring-shaped. If the exhaust gas splitting chamber is tubular, it is preferred if the tube length is significantly greater than the tube diameter, e.g. in a ratio of 10 to 1. A tube length that is greater than the tube diameter is preferred because the centrifugal force during the rotational movement only acts in the radial direction. This means that the thermal insulation works less well in the axial direction. This effect can be mitigated by a comparatively longer tube length.
- the exhaust gas splitting chamber is designed as a pipe, it can have the inlet at one end and the outlet at the opposite end. During operation, the exhaust gas is then introduced into the pipe through the inlet and heated up. The exhaust gas or the split components of the chemical compound can be removed again at the other end. Inside the pipe, the exhaust gas is kept at a high temperature with the heating device and rotated in the exhaust gas splitting chamber. Since the heavy and colder components are displaced towards the chamber wall, a heat-insulating gas layer with a comparatively lower temperature forms on the chamber wall.
- the exhaust gas splitting chamber is ring-shaped, e.g. a torus or two tubes connected at both ends, the exhaust gas splitting chamber has no free ends at which hot gas vortices can form.
- the combustion chamber and the burner can be designed to burn the waste using known methods, e.g. fluidized bed combustion, grate combustion, or in a rotary kiln.
- Gases which, for example, contain the chemical compound contained in the exhaust gas or the first component or the second component of the chemical compound can be removed from the exhaust gas splitting chamber using pumps.
- the exhaust gas splitting chamber can have further outlets in addition to the first outlet.
- Each of the outlets is connected to a pump via a pipe or hose, e.g. a stainless steel pipe or a silicone hose.
- a gas can be removed from the exhaust gas splitting chamber through the various outlets.
- the extracted gas can be analyzed for its composition. If the extracted gas does not have the desired composition, the outlet used could be closed and another outlet used through which a gas can be extracted from another location in the exhaust gas splitting chamber.
- an optional heat exchanger can be used.
- a heat exchanger can be connected to an outlet of the exhaust gas splitting chamber from which a gas or gases are to be discharged, which are to be cooled before further use. The cooling of the gas or gases is then carried out using the heat exchanger so that the heat recovered can be further used.
- the gases extracted from the exhaust gas splitting chamber can have a high temperature, e.g. hydrogen extracted from a centrally located outlet from the center of rotation can have a temperature of over 1000 °C.
- hydrogen is cooled to a lower temperature.
- a heat exchanger can be used for this so that the thermal energy is not lost.
- Other gases such as oxygen that can be extracted from the exhaust gas splitting chamber can also have a high temperature.
- some of these gases, such as oxygen can be reused while hot.
- hot oxygen can be fed back into the combustion chamber to increase combustion efficiency there.
- the waste incineration plant preferably has appropriately temperature-resistant pumps.
- a cleaning device for cleaning e.g. by means of a sorbent
- the gases are cooled beforehand.
- a heat exchanger can be used to cool the gases, in particular together with an outlet of the exhaust gas splitting chamber, from which oxygen is to be removed together with pollutants such as chlorine or fluorine.
- the exhaust gas splitting chamber consists of a material such as aluminum or stainless steel, which has a temperature resistance of at least 300 °C or more, preferably 500 °C or more, particularly preferably 1000 °C.
- the heating device comprises an arc heater, a gas burner for burning hydrogen, and/or a microwave plasma burner, which is arranged and designed to heat exhaust gases in the exhaust gas splitting chamber to at least 3000 °C by generating an arc or a microwave plasma or by burning hydrogen with a gas burner.
- the arc heater preferably has graphite electrodes.
- the arc heater is preferably designed to provide a current of at least 100 A, preferably of at least 500 A, particularly preferably of at least 5000 A.
- a current of 100 A corresponds in particular to an arc with approximately 2 kW electrical power
- a current of 500 A corresponds in particular to an arc with approximately 15 kW power
- a current of 5000 A corresponds in particular to an arc with over 200 kW power.
- a microwave plasma burner could be used.
- a microwave plasma torch does not need electrodes that burn up and have to be replaced regularly, and can generate a plasma with a temperature of 4000 °C to 5000 °C at high power.
- By simply burning hydrogen with oxygen it is possible to achieve a hydrogen combustion temperature of around 2800 °C, especially with a stoichiometric ratio, i.e. H 2 to O 2 of 2:1.
- a fission temperature of 3000 °C or more can be achieved. It is also possible to combine the combustion of hydrogen with one of the other two heating methods, i.e.
- the combustion of hydrogen with a gas burner has the advantage that such a heating device can be implemented relatively easily.
- the combustion of hydrogen with a gas burner can also be carried out particularly reliably. For example, a simple gas burner or 80% energy from a gas burner and 20% from electric heating can be used to burn hydrogen.
- the combustion of hydrogen with a gas burner is usually also comparatively more efficient than with a fuel cell or a gas turbine generator, for example.
- the waste incineration plant can further comprise an optional combustion chamber return line which connects a second outlet of the exhaust gas splitting chamber and/or, if present, the exhaust gas splitting chamber of the further exhaust gas splitting device and the combustion chamber in a fluid-conducting manner, so that at least one of the several split components can be returned to the combustion chamber.
- oxygen can be discharged from the exhaust gas splitting chamber into the combustion chamber through the combustion chamber return line, for example. This can increase the efficiency of waste incineration in the combustion chamber. For example, combustion in pure oxygen, where the kiln is completely flooded with oxygen. This allows a higher combustion temperature to be achieved and the waste to be burned more efficiently. Another advantage of using pure oxygen is that the amount of pollutants released during combustion can be reduced.
- the first inlet and the second inlet can be arranged, for example, on a common pipe section, in particular a stainless steel or quartz pipe or a heat-resistant ceramic pipe.
- a quartz pipe could be particularly advantageous if the heating device comprises a microwave plasma burner and the pipe section is to be exposed to comparatively higher temperatures.
- Additional inlets could also be arranged on the pipe section, via which the exhaust gas splitting chamber can be filled.
- the pipe section could lead into the exhaust gas splitting chamber and enable a fluid to be introduced into the exhaust gas splitting chamber.
- the pipe section could also be designed with double walls. A gas suitable for cooling the pipe section can be introduced into the space between the walls of the double-walled pipe section.
- Cooling the pipe section can be advantageous because flue gases flowing from the combustion chamber into the exhaust gas splitting chamber can be comparatively hot and can have, for example, 2000 °C or more.
- the pipe section can be protected from the hot temperatures of the flue gases.
- a gas taken from the exhaust gas splitting chamber can be introduced into the space between the walls of the double-walled pipe section in order to cool the pipe section.
- CO2 that has not been split from the exhaust gas splitting chamber could first be discharged into the space.
- the space is preferably fluidically connected to the interior of the double-walled pipe section so that the CO2 that has not been split used for cooling can flow back into the exhaust gas splitting chamber together with exhaust gases flowing out of the combustion chamber to then be split.
- the exhaust gas splitting chamber return line can be fluidically connected to the space of the pipe section and the space can be fluidically connected to the interior of the pipe section so that a gas from the exhaust gas splitting chamber can first be discharged into the space of the pipe section through the exhaust gas splitting chamber return line to cool the pipe section, and then flow into the interior of the pipe section and back into the exhaust gas splitting chamber.
- the waste incineration plant can have a fuel cell that is fluidically connected in particular to a third outlet of the exhaust gas splitting chamber and/or, if present, the exhaust gas splitting chamber of the further exhaust gas splitting device, so that, for example, hydrogen obtained from the exhaust gas can be converted into electrical energy by the fuel cell.
- the fuel cell is electrically connected to the heating device, so that electrical energy generated by the fuel cell can be converted into thermal energy by the heating device.
- the waste incineration plant can have a gas turbine power generator and/or an internal combustion engine power generator which is fluidly connected to the exhaust gas splitting chamber and/or, if present, the exhaust gas splitting chamber of the further exhaust gas splitting device, so that hydrogen obtained from the exhaust gas can be converted into electrical energy by the power generator or generators.
- the power generator or generators are electrically connected to the heating device, so that electrical energy generated by the power generator or generators can be converted into thermal energy by the heating device.
- a power generator can be driven by a hydrogen combustion engine.
- a gas turbine power generator can be used particularly advantageously in large plants, whereas a combustion engine power generator is more likely to be used together with a smaller waste incineration plant, for example for cost reasons.
- the waste incineration plant can have a combustion chamber feed line that is fluidically connected to the combustion chamber and through which, for example, a gas containing at least 30% oxygen can be introduced into the combustion chamber.
- the combustion chamber feed line can, for example, be connected to an external oxygen source that contains a gas containing at least 30% oxygen, which can be discharged into the combustion chamber through the combustion chamber feed line.
- the waste incineration plant has a cleaning device which is fluidically connected to the exhaust gas splitting chamber and/or, if present, the exhaust gas splitting chamber of the further exhaust gas splitting device and is designed to clean exhaust gases discharged from the corresponding exhaust gas splitting chamber and/or a gas comprising at least one of the several split components.
- the exhaust gases or the gas comprising at least one of the several split components may contain, for example, toxic gases such as dioxins, furans and nitrogen oxides, which may pose a risk to human health and the environment.
- hydrogen chloride, hydrofluoric acid, sulphur dioxide, nitrogen oxides or dioxin may be contained.
- the cleaning could be carried out by means of sorption in a circulating fluidized bed.
- a sorbent can be introduced into a fluidized bed reactor, where it is present in the form of a circulating fluidized bed.
- the waste incineration plant can have an exhaust gas splitting chamber supply line which is fluidly connected to the exhaust gas splitting chamber and/or, if present, the exhaust gas splitting chamber of the further exhaust gas splitting device, e.g. via a third inlet, which can also be arranged on a common piece of pipe.
- a gas comprising CO2 can be introduced into the respective exhaust gas splitting chamber through the exhaust gas splitting chamber supply line.
- the source for the additionally introduced CO2 is not the combustion chamber.
- the source can be another combustion chamber for incinerating waste, or the CO2 can also have been generated by a process other than incinerating waste.
- the waste incineration plant can have two or more combustion chambers connected to the same exhaust gas splitting chamber.
- Exhaust gases from the first combustion chamber and the second combustion chamber can then be introduced into the exhaust gas splitting chamber.
- exhaust gases from the first combustion chamber and the second combustion chamber can be introduced simultaneously.
- exhaust gases are introduced during a certain period of time either only from the first combustion chamber or only from the second combustion chamber.
- the invention also relates to a use of the waste incineration plant described here for burning waste.
- the process can be carried out in particular with the waste incineration plant described here.
- the process enables CO2-free waste incineration, in which CO2 from incinerated waste is converted directly into oxygen and solid carbon.
- the oxygen released can be used in the cycle for more effective incineration of the waste.
- the process has the advantage that it can be carried out with comparatively low energy consumption.
- water vapor is also produced, which is thermally split into oxygen and hydrogen.
- Oxygen can be used in the cycle for incineration of the waste and hydrogen can be used as an energy source to generate the high temperatures required for the splitting of CO2 and H2O .
- the heat released during these reactions remains in the exhaust gas splitting chamber and supports the splitting processes, e.g. CO2 to C+O 2 and H 2 O to H 2 +O 2 .
- the molecular masses of oxygen and carbon monoxide are similar (32 and 28), so they are not separated particularly effectively by centrifugal force. Due to these reactions, there will typically be little or no CO at the exhaust gas splitting chamber outlet. In contrast, the oxygen content at this outlet will typically be much higher in comparison.
- the method may include separately discharging the split components from the exhaust gas splitting chamber, e.g. through hoses. Separate discharging here means discharging with a purity of at least 50% or more, 60% or more, 70% or more, or 80% or more.
- the separate removal of the various gas products from the exhaust gas splitting chamber is made possible by the fact that the various gas products separate spatially within the exhaust gas splitting chamber due to their different molecular masses under the effect of the centrifugal force.
- Several ring-shaped layers then form in the exhaust gas splitting chamber, in each of which one of the various gas products is present in increased quantities.
- One of the various gas products can then be removed and in particular sucked off through outlets located at the level of one of the several layers.
- the various gases in the exhaust gas splitting chamber are spatially separated by centrifugal forces and can be individually removed by suction from different locations.
- H 2 can be removed from a middle, central area, CO2 from an area close to the chamber wall and Oz are taken from the point in between. Since the gases diffuse, especially at high temperatures, the individually taken gases will generally not be 100% pure. However, 100% purity is not crucial for carrying out the process and for operating the waste incineration plant. A purity of, for example, 60% or more or even 80% or more is sufficient.
- the physical mechanism that leads to the separation of the gas products can be described as follows.
- the exhaust gas is kept in constant rotation in the exhaust gas splitting chamber, whereby the rotating exhaust gas is separated into colder and therefore heavier and hotter and therefore lighter gas layers by the action of centrifugal force.
- This causes the hotter (or lighter) gas to be displaced into the center of rotation of the exhaust gas splitting chamber and the colder (or heavier) gas towards the chamber wall.
- the gas products are separated according to molecular mass by the action of centrifugal force, so that a heavier gas product and a non-split gas are thrown towards the chamber wall and a lighter gas product remains in the central area of the exhaust gas splitting chamber.
- the chamber walls are effectively separated from the hot gas masses in the center by a heat-insulating colder gas layer, thus preventing the chamber walls from overheating.
- the walls of the exhaust gas splitting chamber do not come into direct contact with hot gas. Furthermore, reaction products are advantageously less contaminated by material on the chamber walls.
- O2 discharged from the exhaust gas splitting chamber and/or the exhaust gas splitting chamber of the further exhaust gas splitting device is fed back to the combustion chamber and/or CO2 discharged from the exhaust gas splitting chamber and/or the exhaust gas splitting chamber of the further exhaust gas splitting device is fed back to the exhaust gas splitting chamber.
- H 2 discharged from the exhaust gas splitting chamber is used to generate thermal energy and exhaust gases located in the exhaust gas splitting chamber are at least partially heated with the thermal energy generated.
- the exhaust gas splitting chamber is aligned horizontally or with an inclination angle of 0° to 90° or with an inclination angle of 0° to -90°.
- An inclination can influence the temperature distribution along the chamber determine, e.g. with vertical orientation a higher temperature can be maintained at the top than at the bottom, which can lead to an improved process flow.
- An improved process flow can include CO2 splitting at the top at high temperatures and gas removal at the bottom at lower temperatures.
- the generation of a centrifugal force acting on the split components is achieved by setting the exhaust gas splitting chamber into rotation.
- the generation of a centrifugal force acting on the split components is achieved by at least one impeller with blades arranged in the exhaust gas splitting chamber and/or at least one fan arranged in the exhaust gas splitting chamber and/or by gas flows.
- the rotational speed of the exhaust gas splitting chamber, the impeller with blades or the fan is set to at least 50 revolutions per minute.
- the process enables highly efficient incineration of waste in concentrated oxygen, use of hydrogen as an energy source, combining waste types to maintain energy balance, use of external renewable energy sources if necessary, a closed material cycle, comparatively less drying of waste, continuous operation of the waste incineration plant, cyclical operation of the waste incineration plant, application for incineration of plastic waste with production of a comparatively larger amount of H 2 and use of hydrogen in the production of steel.
- the invention also relates to a method for maintaining or repairing the waste incineration plant described here.
- the method comprises repairing or replacing the combustion chamber, the burner, the exhaust gas splitting device or the further exhaust gas splitting device, the combustion chamber return line, the fuel cell, the gas turbine power generator, the internal combustion engine power generator, the cleaning device, the exhaust gas splitting chamber feed line and/or the combustion chamber feed line.
- Waste incineration causes no or at least significantly reduced CO2 emissions. This can make a major contribution to environmental, climate and resource protection and the effects of CO2 pricing on waste disposal fees can be avoided.
- concentrated oxygen waste can be completely burned and the amount of slag to be disposed of can be significantly reduced.
- the use of the hydrogen formed as an energy source enables the waste incineration plant to operate more efficiently. Improved combustion in oxygen means less or no drying of the waste is required.
- Waste incineration takes place in a closed circuit, the end products are solid slag, solid carbon and possibly small amounts of oxygen and hydrogen.
- FIG 1A shows schematically and by way of example a waste incineration plant 100 which enables CO2-free waste incineration.
- the waste incineration plant 100 has a combustion chamber 2 in which waste 1 can be incinerated using grate or fluidized bed combustion.
- no atmospheric air needs to be added to the combustion chamber 2 during operation of the waste incineration plant 100. Accordingly, no atmospheric nitrogen is present when the waste 1 is incinerated, which leads to a significant reduction in nitrogen oxides.
- Flue gases produced during the combustion of the waste 1 are passed on as exhaust gas 5 into an exhaust gas splitting chamber 3.
- the exhaust gas 5 is heated to at least 3000 °C by means of a heating device 9, so that CO2 contained in the exhaust gas 5 is split.
- the exhaust gas 5 heated to at least 3000 °C is rotated in the exhaust gas splitting chamber 3, for example by rotating the exhaust gas splitting chamber 3 itself or by having an impeller with blades or a fan in its interior, which are rotated in order to set the exhaust gas 5 in rotation.
- the rotation of the exhaust gas 5 causes a centrifugal force to act on it.
- the rotating exhaust gas 5 undergoes a separation of colder or heavy gas products and hotter or lighter gas products, and thus a displacement of the hotter or lighter gas product into the center of rotation of the exhaust gas splitting chamber 3 and the colder or heavier gas product in the direction of a chamber wall of the exhaust gas splitting chamber 3.
- a heat-insulating gas layer is also formed near the chamber wall.
- the waste incineration plant 100 has an exhaust gas splitting chamber return line 6 which connects a first outlet of the exhaust gas splitting chamber 3 with a second inlet of the exhaust gas splitting chamber 3.
- the waste incineration plant 100 When the waste incineration plant 100 is put into operation, oxygen can be introduced into the combustion chamber 2 from an external source and then kept in the circuit. Since oxygen is present in the waste 1 as a component of water and organic compounds, the oxygen content in the combustion chamber 2 can be further increased over time.
- the waste incineration plant 100 has a combustion chamber return line 7 which connects a second outlet of the exhaust gas splitting chamber 3 and the combustion chamber 2 in a fluid-conducting manner so that oxygen can be removed from the exhaust gas splitting chamber 3 and discharged into the combustion chamber 2.
- Oxygen can also be partially stored or released into the air.
- the oxygen formed can also advantageously be used in a fuel cell or a power generator 4, e.g.
- the waste incineration plant 100 has a hydrogen supply line 8, which connects another outlet of the exhaust gas splitting chamber 3 with the fuel cell or the power generator 4.
- the generated electricity can be passed on via a line to the heating device 9, which is designed here as an arc heater.
- the combustion of carbon releases the same amount of energy as is later required for the splitting of CO2, and energy is used for the thermal splitting of water.
- energy is used for the thermal splitting of water.
- plastics for example, have a comparatively high proportion of hydrogen and no or very little oxygen. By adding plastic waste to organic waste, it is therefore possible to maintain a certain energy balance. Otherwise, external energy, e.g. from renewable power sources, could also be used.
- CO2-free incineration of waste can be achieved as follows. First, waste 1 is introduced into the combustion chamber 2. The waste 1 can then be burned with the addition of oxygen. The hot flue gases produced are introduced into the exhaust gas splitting chamber 3 as exhaust gas 5.
- the hot exhaust gas 5 usually consists mainly of CO2 and H2O. With the addition of additional thermal energy, e.g. by the arc heater 9, CO 2 and H 2 O are broken down into O 2 , H 2 and solid carbon at high temperatures of at least 3000 °C.
- the gas product O 2 can be fed through an outlet through the combustion chamber return line 7 back into the combustion chamber 2.
- the gas product H 2 can be discharged through a further separate outlet through the hydrogen supply line 8 to the fuel cell or the power generator 4.
- the hydrogen formed can then be used as an energy source, e.g. in the fuel cell/power generator 4, to generate additional thermal energy in the exhaust gas cracking chamber 3.
- the solid carbon can in turn be taken out and removed through a further separate outlet 10. Accordingly, oxygen formed can be kept in the circuit and returned to the combustion chamber 2.
- Carbon dioxide that has not been broken down is reintroduced into the exhaust gas cracking chamber 3 through the exhaust gas cracking chamber return line 6 through the inlet of the exhaust gas cracking chamber 3. Furthermore, slag 11 produced during the combustion of the waste 1 can be removed from the combustion chamber 2.
- FIG. 1B shows schematically and by way of example a waste incineration plant 150, which is comparable to the one described with reference to Figure 1A described waste incineration plant 100.
- the waste incineration plant 150 differs from the waste incineration plant 100 in that the waste incineration plant 150 does not have a fuel cell or a power generator 4.
- the hydrogen supply line 8 is designed such that it connects an outlet for removing hydrogen directly to the heating device 9.
- the waste incineration plant 150 has an oxygen supply line 18, which also guides the oxygen flowing through the combustion chamber return line 7 to the heating device 9.
- the heating device 9 has a gas burner in order to burn the gas mixture of hydrogen and oxygen by means of the gas burner in order to heat the exhaust gas 5 to at least 3000 °C.
- the heating device 9 can also have an arc heater and/or a microwave plasma burner.
- FIG. 2 shows schematically and by way of example a waste incineration plant 200 which has the same elements as those with reference to Figure 1A
- the waste incineration plant 200 additionally has several pumps 16, each of which can extract gas products such as O 2 , H 2 and CO 2 from different outlets of the exhaust gas splitting chamber 3.
- the exhaust gas 5 in the combustion chamber 2 is comparatively hot, it can be fed directly into the exhaust gas splitting chamber 3 by means of a pressure difference.
- the gas products created by splitting, such as O 2 , H 2 and CO2 are fed through the gas lines using pumps 16.
- the gases are heated to at least 3000 °C using an arc heater 9.
- An alternative heating method could involve heating using microwaves.
- a microwave plasma torch does not need electrodes that burn up and have to be replaced regularly, and can generate a plasma with a temperature of 4000 to 5000 °C at high power.
- FIG 3 shows schematically and by way of example a waste incineration plant 300 which has the same elements as those with reference to Figure 1A described waste incineration plant 100 and additionally has a cleaning device 12.
- the cleaning device 12 is fluidically connected to the exhaust gas splitting chamber 3 via a cleaning device supply line 13.
- the cleaning device 12 is also connected to the combustion chamber 2 via the combustion chamber return line 7, so that a gas cleaned by the cleaning device 12 can be returned to the combustion chamber 2.
- a gas containing oxygen and pollutants can be discharged from the exhaust gas splitting chamber 3 through the cleaning device supply line 13 into the cleaning device 12. After cleaning, oxygen can then be discharged back into the combustion chamber 2 through the combustion chamber return line 7 in order to increase the efficiency of the combustion of the waste 1 there.
- waste incineration plant 300 can be used to incinerate waste 1 containing pollutants, with oxygen and the pollutants not removed being discharged to the cleaning system 12 and treated in the cleaning system 12 using known methods, e.g. using sorbents.
- the pollutants can be discharged from the exhaust gas splitting chamber 3 together with oxygen.
- the purified oxygen can then be fed back into the combustion chamber 2 via the combustion chamber return line 7 and thus returned to the cycle.
- the treated pollutants can be discharged separately from an outlet 14 of the cleaning device 12.
- FIG 4 shows schematically and by way of example a waste incineration plant 400 which has the same elements as those described with reference to Figure 1A described waste incineration plant 100 and additionally has an exhaust gas splitting chamber feed line 15.
- the exhaust gas splitting chamber feed line 15 is fluidically connected to the exhaust gas splitting chamber 3.
- a gas comprising CO2 can be introduced into the exhaust gas splitting chamber 3 through the exhaust gas splitting chamber feed line 15.
- the waste incineration plant 400 also has a combustion chamber feed line 17 which is fluidically connected to the combustion chamber 2.
- a gas with at least 30% oxygen can be introduced into the combustion chamber 2 through the combustion chamber feed line 17.
- the combustion chamber feed line 17 can be connected to an external oxygen source which contains a gas with at least 30% oxygen.
- the gas with at least 30% oxygen can be introduced into the combustion chamber, for example, when the waste incineration plant 400 is put into operation in order to increase the efficiency of burning the waste.
- the waste incineration plant 400 can therefore be used not only for thermal waste treatment but also for reducing CO2 emissions in external industrial processes.
- many plastics have a very high hydrogen content and no or very little oxygen.
- the widely used polymers such as polyethylene (C 2 H 4 ) n and polypropylene (C 3 H 6 ) n contain two hydrogen atoms per carbon atom. When these polymers are burned, the calorific value is typically more than 46 MJ/kg. For carbon, this value is typically around 30 MJ/kg.
- the energy difference is retained in the hydrogen produced by the waste incineration plant 400. This excess hydrogen can be used as an energy source for splitting additional amounts of carbon dioxide, which can be introduced into the exhaust gas splitting chamber 3 via the exhaust gas splitting chamber feed line 15.
- the additional amounts of carbon dioxide introduced can, for example, come from a coal or gas power plant.
- the use of the waste incineration plant 400 in combination with the steel industry is particularly advantageous because the carbon produced can be used as a reducing agent in the production of steel. If the waste incineration plant 400 is to be used in this way together with the steel industry, it can be advantageous if the waste is sorted beforehand so that the waste to be incinerated has as high a proportion of plastics as possible.
- the Figures 5 to 9 show a waste incineration plant 500 for burning waste in different representations and perspectives.
- FIG. 5 shows schematically and by way of example the waste incineration plant 500 for burning waste.
- the waste incineration plant 500 has a combustion chamber 502 with an opening 504 through which waste can be filled into the combustion chamber 502.
- the waste is burned in the combustion chamber 502 using a burner (not shown).
- Flue gases produced during the incineration of the waste can be discharged as exhaust gas through a pipe section 505, e.g. a stainless steel or quartz pipe or a heat-resistant ceramic pipe, into an exhaust gas splitting chamber 506 of the waste incineration plant 500.
- the pipe section is fluidically connected to an inlet side 501 of the exhaust gas splitting chamber 506.
- the exhaust gases are heated to at least 3000 °C with a heating device, so that the CO2 and H 2 O contained in the exhaust gases are at least partially split into the components CO, O 2 and H 2.
- an impeller with blades (not shown) is arranged in the exhaust gas splitting chamber 506. The impeller can be rotated about an axis of rotation in the exhaust gas splitting chamber 506.
- the outlet 508 is connected to the exhaust gas splitting chamber 506 via an exhaust gas splitting chamber return line 514.
- the outlet 508 is arranged close to the chamber wall of the exhaust gas splitting chamber 506 so that CO2 can be removed as a heavy gas product through it.
- the CO2 that has not been split can thus be led back into the exhaust gas splitting chamber 506 through the exhaust gas splitting chamber return line 514 in order to be heated again to at least 3000 °C using the heating device.
- the pipe section 505 can also be designed with double walls.
- the exhaust gas splitting chamber return line 514 is fluidically connected to the intermediate space between the walls of the double-walled pipe section, so that returned CO2 can flow into the intermediate space in order to cool the inner wall of the pipe with comparatively colder CO2.
- the exhaust gases from the combustion chamber 502 are very hot when they flow through the pipe section 505 into the exhaust gas splitting chamber 506.
- exhaust gases can have a temperature of 2000 °C or more.
- the double-walled pipe section has an opening that connects the intermediate space to the interior of the pipe section, so that returned CO2 can flow from the intermediate space into the interior of the pipe section and then again into the exhaust gas splitting chamber 506.
- the exhaust gas splitting chamber return line 514 has a first pump 516 for sucking out the non-split CO2.
- the second outlet 510 is located in the center of the outlet side 503.
- the lightest substance, in particular H2 can be fed through this outlet 510 via a fuel cell or power generator feed line 518 to a fuel cell or power generator 520 in order to generate electricity from the hydrogen using the fuel cell or power generator 520.
- the fuel cell or power generator feed line 518 has a second pump 519 for sucking out H2 .
- the electricity generated is fed to the heating device via an electrical line 522 and used to heat the exhaust gas to 3000°C or more.
- the third outlet 512 is located at a radial distance between the distance between the first outlet 508 and the second outlet 510.
- Oz can be removed from the exhaust gas splitting chamber 506 by sucking it out of the exhaust gas splitting chamber 506 by means of a third pump 524.
- the sucked out Oz can then be discharged back into the combustion chamber 502 by means of a combustion chamber return line 526 so that the efficiency of the combustion of the waste can be increased.
- Figure 6 shows the with reference to the Figure 5 described waste incineration plant 500 in a side view and in operation.
- Exhaust gases 602 produced during the combustion of waste are discharged from the combustion chamber 502 through the pipe section 505 into the exhaust gas splitting chamber 506, where they are heated and set in rotation with an impeller with blades for the spatial separation of the fission products within the exhaust gas splitting chamber 506.
- a fan could also be arranged in the exhaust gas splitting chamber 506 in order to set the exhaust gas 602 in the exhaust gas splitting chamber 506 in rotation.
- the waste incineration plant 500 could also have a drive, for example a belt drive, which is arranged and designed to rotate the exhaust gas splitting chamber 506 itself.
- the rotation of the exhaust gas splitting chamber 506 then also sets the exhaust gas 602 present in the exhaust gas splitting chamber 506 in rotation.
- CO2 604 is sucked out by means of the first pump 516 and conveyed to the inlet of the exhaust gas splitting chamber 506.
- the sucked out CO2 604 then flows again into the exhaust gas splitting chamber 506 to be heated and split there.
- H 2 606 is sucked out by means of the second pump 519 and conveyed to a fuel cell or a power generator 520.
- Oz 608 is sucked out of the third outlet 512 with the third pump 524 and led through the combustion chamber return line 526 back into the combustion chamber 502.
- FIG. 7 shows the with reference to the Figures 5 and 6 described waste incineration plant 500 in a sectional view and also in operation.
- waste 702 is arranged in the combustion chamber 502.
- flue gases 704 are produced, which are conveyed as exhaust gases 602 through the pipe section 505 into the exhaust gas splitting chamber 506.
- the exhaust gases 704 are rotated in the exhaust gas splitting chamber 506. While the exhaust gases 704 rotate in the exhaust gas splitting chamber 506, they are heated to at least 3000 °C with the heating device 706, which is designed here as an arc heater, so that CO 2 and H 2 O contained in the exhaust gas 704 are each split.
- Figure 8 shows the with reference to the Figures 5 to 7 described waste incineration plant 500 in a perspective view in which the inlet side 501 of the exhaust gas splitting chamber 506 can be seen.
- the pipe section 505 is connected to the inlet side 501 of the exhaust gas splitting chamber 506, so that exhaust gas from the combustion chamber 502 can flow into the exhaust gas splitting chamber 506 through the pipe section 505.
- the exhaust gas splitting chamber return line 514 is connected to the pipe section, so that CO 2 removed from the exhaust gas splitting chamber 506 can flow back into the exhaust gas splitting chamber 506 through the pipe section 505.
- Figure 9 shows the with reference to the Figures 5 to 8 described waste incineration plant 500 in a perspective view in which the outlet side 503 of the exhaust gas splitting chamber 506 can be seen.
- the first outlet 508 which is arranged close to the chamber wall of the exhaust gas splitting chamber 506 and through which CO 2 can be removed.
- the second outlet 510 in the center of the outlet side 503 of the exhaust gas splitting chamber 506 there is the second outlet 510, through which H 2 can be removed.
- the third outlet 512 at a medium distance between the center and the chamber wall there is the third outlet 512, through which O 2 can be removed.
- the Figures 10 to 15 show a combustion chamber and an exhaust gas splitting chamber of a waste incineration plant, wherein the exhaust gas splitting chamber is arranged differently relative to the combustion chamber.
- the various Possibilities for arranging the exhaust gas splitting chamber relative to the combustion chamber can also be found in the Figures 1 to 9 described waste incineration plant.
- Figure 10 a combustion chamber 1000 and an exhaust gas splitting chamber 1002 of a waste incineration plant, wherein the exhaust gas splitting chamber 1002 is arranged horizontally aligned laterally next to the combustion chamber 1000.
- Figure 13 shows the combustion chamber 1000 and the exhaust gas splitting chamber 1002 in a), b) and c), each from different perspectives.
- Figure 11 a combustion chamber 1100 and an exhaust gas splitting chamber 1102 of a waste incineration plant, wherein the exhaust gas splitting chamber 1102 is arranged vertically aligned laterally next to the combustion chamber 1100.
- Figure 14 shows the combustion chamber 1100 and the exhaust gas splitting chamber 1102 in a), b) and c), each from different perspectives.
- Figure 12 shows a combustion chamber 1200 and an exhaust gas splitting chamber 1202 of a waste incineration plant, wherein the exhaust gas splitting chamber 1202 is vertically aligned and arranged above the opening 1201 of the combustion chamber 1200.
- Figure 15 shows the combustion chamber 1200 and the exhaust gas splitting chamber 1202 in a), b) and c), each from different perspectives.
- the waste incineration plants described can be operated continuously. During continuous operation, the resulting solid end products can be continuously removed. Alternatively, the waste incineration plants can also be operated in a cyclic mode, whereby a portion of waste is processed until it is completely incinerated. After incineration, solid end products can be removed. Then another portion of waste can be loaded and the cycle repeated.
- the cyclic mode can be used advantageously in small waste incineration plants.
- Figure 16 shows a flow chart for a process for incinerating waste with a waste incineration plant. The process can be carried out, for example, with one of the methods described above with reference to the Figures 1 to 15 described waste incineration plants.
- a combustion chamber of the waste incineration plant is first filled with waste (step S1).
- the combustion chamber is then filled with a gas with at least 30% oxygen (step S2) that comes from an external source.
- the combustion chamber can be connected, for example, to an oxygen source that contains a gas with at least 30% oxygen via a combustion chamber supply line.
- the waste is then burned in the concentrated oxygen using a burner (step S3).
- flue gases are produced as exhaust gases, which are discharged into an exhaust gas splitting chamber (step S4).
- the exhaust gases contain in particular CO2 and H2O.
- the exhaust gases are heated using a heating device of the exhaust gas splitting device of the waste incineration plant (step S5).
- Heating can be done, for example, using an arc heater or a microwave plasma burner or by burning hydrogen using a gas burner.
- the exhaust gas can be heated to at least 3000 °C, so that the chemical compounds CO2 and H 2 O are at least partially split into several components, in particular into the gas products O2, CO and H 2 and into solid carbon.
- a centrifugal force acting on the exhaust gas and the split components is generated (step S6), so that the split components and, if present, also a non-split remainder of the chemical compound are spatially separated from one another within the exhaust gas splitting chamber due to their different molecular masses.
- the rotating exhaust gas and the split components are separated into colder or heavier gas layers and hotter or lighter gas layers.
- a heat-insulating gas layer is formed near the chamber wall.
- high temperatures of over 3000 °C are generated, which are required for the CO2 splitting. At such high temperatures of at least 3000 °C, CO2 molecules are split into solid carbon, O 2 and CO and H 2 O molecules are split into H 2 and O 2.
- step S7 The lightest component, H 2 , collects in the center of rotation. Arranged in layers around it, water vapor, CO and O2 follow, and the heaviest component, CO2, is displaced towards the chamber wall. Through various chemical reactions, CO is at least partially converted back to CO2 within the exhaust gas splitting chamber. The spatially within The gases separated in the exhaust gas splitting chamber can then be separately discharged from the exhaust gas splitting chamber. In the process, the non-split remainder of the chemical compound, in particular CO 2 , is then at least partially returned from an outlet of the exhaust gas splitting chamber to an inlet of the exhaust gas splitting chamber (step S8).
- the non-split remainder of the chemical compound then flows into the exhaust gas splitting chamber again and is heated again to at least 3000 °C.
- Carbon dioxide is in the circuit and is repeatedly passed through the high-temperature zone of the exhaust gas splitting chamber until it is completely broken down into O 2 and solid carbon.
- O 2 is also removed from the exhaust gas splitting chamber and fed back into the combustion chamber (step S9).
- the oxygen content in the combustion chamber can then be increased over time.
- the oxygen formed can be used in a fuel cell or a power generator or a gas burner to burn hydrogen.
- H 2 from the exhaust gas splitting chamber can be used to generate thermal energy.
- the hydrogen removed can be burned with a gas burner or used to generate electricity with a fuel cell or a power generator. The electricity generated in this way can be used to operate the heating device and thus to generate thermal energy in the exhaust gas splitting chamber to heat the exhaust gases.
- Figure 17 shows schematically and by way of example a test setup 1700 for investigating the air temperature distribution in a tubular chamber 1701.
- the test setup 1700 also has a motor 1702 for rotating the chamber 1701, a frequency converter 1703 for specifying the speed for the rotation of the chamber 1701, a gas burner 1704 for heating a gas in the chamber 1701, a quartz tube 1705 for introducing a gas into the chamber 1701, eight thermocouples type K 1706 arranged in the chamber 1701, each 5 mm, 17 mm, 29 mm, 42 mm, 54 mm, 66 mm, 78 mm, and 90 mm from the chamber wall and a platinum resistor PT1000 on the chamber wall as well as a digital measuring system 1707 and a PC 1708.
- the temperature is to be measured by means of the eight thermocouples type K 1706 inside the chamber 1701 and with the platinum resistor on the chamber wall measured and the measured values are transferred to the PC 1708 using a contactless data acquisition system.
- a quartz tube 1705 is introduced into the chamber 1701 and the air in the chamber 1701 is heated through this quartz tube 1705 by means of a gas burner 1704.
- the chamber 1701 is set in rotation by the motor 1702.
- the speed of the motor 1702 is determined by the frequency converter 1703. During the course of the experiment, the speed is gradually increased.
- the temperature in the chamber 1701 is measured with thermocouples 1706 and transmitted to the PC 1708 by means of the digital measuring system 1707.
- Figure 18 shows a measurement protocol 1800 for the investigation of the air temperature distribution in the chamber 1701, which is provided with the Fig. 17 described experimental setup 1700 was generated.
- the measurement data were transmitted wirelessly to the PC from eight thermocouples type K 1706, placed at different distances from the chamber wall (from 5 mm to 90 mm), and a platinum resistor on the wall and evaluated using a data acquisition program.
- the speed was set in stages to 74, 155, 245, 275, 400 and 575 revolutions per minute, line 1802.
- thermocouples type K 1706 inside the chamber 1701 and transmitted to the PC 1708 using the contactless data acquisition system. An expected relationship between speed and distribution of temperatures in the chamber 1701 was found.
- curve 1804 represents the temperature profile measured at a distance of 5 mm from the chamber wall over a period of approximately 13 minutes
- curve 1806 represents the temperature profile measured at a distance of 17 mm from the chamber wall over a period of approximately 13 minutes
- curve 1808 represents the temperature profile measured at a distance of 29 mm from the chamber wall over a period of approximately 13 minutes
- curve 1810 represents the temperature profile measured at a distance of 42 mm from the chamber wall over a period of approximately 13 minutes
- curve 1812 represents the temperature profile measured at a distance of 54 mm from the chamber wall over a period of approximately 13 minutes
- curve 1814 represents the temperature profile measured at a distance of 66 mm from the chamber wall over a period of approximately 13 minutes
- curve 1816 represents the temperature profile measured at a distance of 78 mm from the chamber wall over a Period of approximately 13 minutes
- curve 1818 represents the temperature profile measured at a distance of 90 mm from the chamber wall over a period of approximately 13 minutes.
- Curve 1820 represents the temperature profile measured at the
- Figure 19 shows schematically and by way of example a combustion chamber 1900 and two exhaust gas splitting chambers 1902, 1904 of a waste incineration plant, wherein the exhaust gas splitting chambers 1902, 1904 are connected in series.
- the arrangement with a combustion chamber 1900 and with two (or more) exhaust gas splitting chambers 1902, 1904 connected in series can also be used in the embodiments described with reference to the Figures 1 to 18 described waste incineration plants can be realized.
- Exhaust gases from the combustion chamber 1900 can flow via a pipe section 1906 into the first exhaust gas splitting chamber 1902 of a first exhaust gas splitting device.
- the exhaust gas can be heated to 3000 °C or more with a first heating device, so that a chemical compound contained in the exhaust gas can be at least partially split into a first component and a second component.
- a non-split remainder of the chemical compound can be at least partially passed on via a first exhaust gas splitting chamber return line 1908 from a first outlet of the exhaust gas splitting chamber 1902 to the inlet of the exhaust gas splitting chamber 1902 in order to then flow again into the exhaust gas splitting chamber 1902.
- a non-split remainder of the chemical compound can at least partially flow into the second exhaust gas splitting chamber 1904 of a second exhaust gas splitting device via a second exhaust gas splitting chamber return line 1910.
- the second exhaust gas splitting device has a second heating device with which the non-split residue of the chemical compound is heated to 3000 °C or more so that the non-split chemical compound can in turn be at least partially split into a first component and a second component.
- a non-split remainder of the chemical compound from the second exhaust gas splitting chamber 1904 can be discharged again into the second exhaust gas splitting chamber 1904 via a third exhaust gas splitting chamber return line (not shown).
- the second exhaust gas splitting chamber 1904 may be followed by a third exhaust gas splitting chamber (not shown) of a third exhaust gas splitting device, into which a non-split remainder of the chemical compound from the second exhaust gas splitting chamber 1904 can be discharged.
- Figure 20 shows schematically and by way of example two combustion chambers 2000, 2002 and an exhaust gas splitting chamber 2004 of a waste incineration plant, which are connected to one another in such a fluid-conducting manner that exhaust gases from both of the combustion chambers 2000, 2002 can be introduced into the exhaust gas splitting chamber 2004.
- the arrangement with two combustion chambers 2000, 2002 and with an exhaust gas splitting chamber 2004 can also be used in the cases described with reference to the Figures 1 to 18 described waste incineration plants.
- the first combustion chamber 2000 is connected to the exhaust gas splitting chamber 2004 via a first pipe section 2006 and the second combustion chamber 2002 is connected to the exhaust gas splitting chamber 2004 via a second pipe section 2008.
- Each of the pipe sections 2006, 2008 can be connected to the exhaust gas splitting chamber 2004 via a separate inlet. This makes it possible to individually regulate during operation that exhaust gases are only introduced into the exhaust gas splitting chamber 2004 from one, from both or from none of the combustion chambers 2000, 2002.
- Figure 21 shows schematically and by way of example a combustion chamber 2100 and two exhaust gas splitting chambers 2102, 2104 of a waste incineration plant, wherein the two exhaust gas splitting chambers 2102, 2104 can be filled independently of one another with exhaust gases from the combustion chamber 2100.
- the arrangement with a combustion chamber 2100 and two independently fillable exhaust gas splitting chambers 2102, 2104 can also be used in the embodiments with reference to the Figures 1 to 18 described waste incineration plants can be realized.
- the first exhaust gas splitting chamber 2102 is fluidically connected to the combustion chamber 2100 via a first pipe section 2106, so that exhaust gas from the combustion chamber 2100 can be introduced into the first exhaust gas splitting chamber 2102.
- the second exhaust gas splitting chamber 2104 is fluidically connected to the combustion chamber 2100 via a second pipe section 2108. connected so that exhaust gas from the combustion chamber 2100 can be introduced into the second exhaust gas splitting chambers 2104. Exhaust gas can be introduced into the first exhaust gas splitting chambers 2102 and the second exhaust gas splitting chambers 2104 independently of one another through the first and second pipe sections 2106, 2108.
Landscapes
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- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Incineration Of Waste (AREA)
Abstract
Die Erfindung betrifft eine Müllverbrennungsanlage, die eine Brennkammer, einen Brenner, eine Abgasspaltungsvorrichtung und eine Brennkammer-Rückführleitung aufweist. Die Brennkammer ist so ausgebildet, dass Abfall in der Brennkammer verbrannt werden kann. Der Brenner ist derart angeordnet und ausgebildet, dass dieser in der Brennkammer befindlichen Abfall zu verbrennen. Die Abgasspaltungsvorrichtung weist eine Abgasspaltungskammer und eine Heizvorrichtung auf. Die Abgasspaltungskammer hat einen Einlass, der fluidleitend mit der Brennkammer verbunden ist, so dass bei der Verbrennung von Abfall entstehende Abgase von der Brennkammer durch den Einlass in die Abgasspaltungskammer strömen können. Die Heizvorrichtung ist ausgebildet, ein in der Abgasspaltungskammer vorhandenes Abgas auf mindestens 3000 °C zu erhitzen, so dass wenigstens eine in dem Abgas enthaltene chemische Verbindung wenigstens teilweise in einen ersten Bestandteil, und in einen zweiten Bestandteil, aufgespalten werden kann. Die Abgasspaltungskammer ist ausgebildet, durch Erzeugen einer Zentrifugalkraft jeweils die ersten und zweiten aufgespaltenen Bestandteile und, falls vorhanden, auch einen nicht-aufgespaltenen Rest der chemischen Verbindung, innerhalb der Abgasspaltungskammer räumlich voneinander zu trennen. Die mindestens eine Abgasspaltungskammer-Rückführleitung verbindet i) einen ersten Auslass der Abgasspaltungskammer mit dem Einlass der Abgasspaltungskammer, so dass der in der Abgasspaltungskammer enthaltene nicht-aufgespaltene Rest der chemischen Verbindung von dem ersten Auslass der Abgasspaltungskammer zu dem zweiten Einlass der Abgasspaltungskammer wenigstens teilweise zurückgeführt werden kann, um dann erneut in die Abgasspaltungskammer zu strömen und/oder, falls die Müllverbrennungsanlage eine weitere Abgasspaltungsvorrichtung aufweist, verbindet ii) einen ersten Auslass der Abgasspaltungskammer mit einem Einlass einer Abgasspaltungskammer der weiteren Abgasspaltungsvorrichtung, so dass der in der Abgasspaltungskammer enthaltene nicht-aufgespaltene Rest der chemischen Verbindung von dem ersten Auslass der Abgasspaltungskammer zu dem Einlass der Abgasspaltungskammer der weiteren Abgasspaltungsvorrichtung wenigstens teilweise weitergeführt werden kann, um dann in die Abgasspaltungskammer der weiteren Abgasspaltungsvorrichtung zu strömen.The invention relates to a waste incineration plant which has a combustion chamber, a burner, an exhaust gas splitting device and a combustion chamber return line. The combustion chamber is designed such that waste can be burned in the combustion chamber. The burner is arranged and designed such that the waste in the combustion chamber can be burned. The exhaust gas splitting device has an exhaust gas splitting chamber and a heating device. The exhaust gas splitting chamber has an inlet which is connected to the combustion chamber in a fluid-conducting manner so that exhaust gases produced during the combustion of waste can flow from the combustion chamber through the inlet into the exhaust gas splitting chamber. The heating device is designed to heat an exhaust gas present in the exhaust gas splitting chamber to at least 3000 °C so that at least one chemical compound contained in the exhaust gas can be at least partially split into a first component and a second component. The exhaust gas splitting chamber is designed to spatially separate the first and second split components and, if present, also a non-split remainder of the chemical compound from one another within the exhaust gas splitting chamber by generating a centrifugal force. The at least one exhaust gas splitting chamber return line connects i) a first outlet of the exhaust gas splitting chamber to the inlet of the exhaust gas splitting chamber, so that the non-split remainder of the chemical compound contained in the exhaust gas splitting chamber can be at least partially returned from the first outlet of the exhaust gas splitting chamber to the second inlet of the exhaust gas splitting chamber in order to then flow again into the exhaust gas splitting chamber and/or, if the waste incineration plant has a further exhaust gas splitting device, ii) connects a first outlet of the exhaust gas splitting chamber to an inlet of an exhaust gas splitting chamber of the further exhaust gas splitting device, so that the non-split remainder of the chemical compound contained in the exhaust gas splitting chamber can be at least partially passed on from the first outlet of the exhaust gas splitting chamber to the inlet of the exhaust gas splitting chamber of the further exhaust gas splitting device in order to then flow into the exhaust gas splitting chamber of the further exhaust gas splitting device.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Müllverbrennungsanlage, eine Verwendung der Müllverbrennungsanlage zum Verbrennen von Abfall, ein Verfahren zum Verbrennen von Abfall in einer Müllverbrennungsanlage, und ein Verfahren zur Wartung oder Reparatur einer Müllverbrennungsanlage. Die Erfindung ermöglicht insbesondere eine Verbrennung von Abfall ohne Ausstoß von COz in die Atmosphäre oder wenigstens mit einem deutlich reduzierten Ausstoß von COz in die Atmosphäre.The present invention relates to a waste incineration plant, a use of the waste incineration plant for burning waste, a method for burning waste in a waste incineration plant, and a method for maintaining or repairing a waste incineration plant. The invention enables in particular a combustion of waste without emitting CO2 into the atmosphere or at least with a significantly reduced emission of CO2 into the atmosphere.
Eine Müllverbrennungsanlage dient dazu die brennbaren Anteile von Abfall zu verbrennen, in der Regel zur Reduzierung der Abfallmenge auf Deponien. Eine solche thermische Abfallbehandlung gewinnt in der Abfallwirtschaft immer mehr an Bedeutung, da unbehandelter Abfall oftmals eine Gefährdung für die Umwelt darstellt. Beispielweise können einige vorgegebene Grenzwerte für eine Ablagerung von Abfällen auf bestimmten Deponien nur durch eine thermische Behandlung der Abfälle erreicht werden. Beispielhaft für so einen Grenzwert ist ein vorgegebener maximaler Kohlenstoffgehalt in Abfällen, der je nach Deponieklasse manchmal zwischen 1 % und 3 % nicht überschreiten darf. Diese niedrigen Werte für den Kohlenstoffgehalt sind bislang typischerweise nur durch eine thermische Behandlung der Abfälle zu erreichen.A waste incineration plant is used to burn the combustible parts of waste, usually to reduce the amount of waste in landfills. This type of thermal waste treatment is becoming increasingly important in waste management, as untreated waste often poses a threat to the environment. For example, some specified limits for the disposal of waste in certain landfills can only be achieved by thermally treating the waste. An example of such a limit is a specified maximum carbon content in waste, which, depending on the landfill class, may sometimes not exceed between 1% and 3%. These low values for the carbon content have so far typically only been achievable by thermally treating the waste.
Zur thermischen Behandlung von Abfällen werden oftmals Großanlagen mit einem Durchsatz von mehreren hunderttausend Tonnen pro Jahre eingesetzt. Bei der thermischen Abfallbehandlung kann oftmals Energie in Form von Wärme und Strom erzeugt und weiterverwendet werden. Auch ermöglichen Müllverbrennungsanlagen oftmals eine stoffliche Verwertung des Mülls, indem bestimmte Materialien aus dem Abfall extrahiert werden.Large plants with a throughput of several hundred thousand tons per year are often used for the thermal treatment of waste. During thermal waste treatment, energy in the form of heat and electricity can often be generated and reused. Waste incineration plants also often enable the waste to be recycled by extracting certain materials from the waste.
Nachteilig bei bekannten Müllverbrennungsanlagen ist jedoch, dass diese Abgase ausstoßen, die Schadstoffe enthalten, so dass beispielweise toxische Gase wie Dioxine, Furane und Stickoxide freigesetzt werden, die eine Gefährdung für die menschliche Gesundheit und die Umwelt darstellen können. Es wurde daher nach Wegen gesucht, die von einer Müllverbrennungsanlage erzeugten Abgase zu reinigen.However, the disadvantage of existing waste incineration plants is that they emit exhaust gases that contain pollutants, such as toxic gases such as dioxins, furans and nitrogen oxides, which can pose a risk to human health and the environment. Therefore, ways were sought to clean the exhaust gases produced by a waste incineration plant.
Beispielweise wird in
Ein weiteres Problem, das bei heute bekannten Müllverbrennungsanlagen auftritt, ist, dass bei der Verbrennung enorme Mengen von Kohlendioxid entstehen. Zum Beispiel fällt typischerweise pro eine Tonne Müll eine Tonne COz an, bei Verbrennung von Kunststoffen sogar fast drei Tonnen COz, die in die Atmosphäre ausgestoßen werden. Die Müllverbrennung ist somit derzeit eine bedeutende Quelle für Treibhausgasemissionen, insbesondere für COz. Unter Gesichtspunkt der Umweltverschmutzung stellt daher auch die Strom- und Wärmegewinnung durch Abfallverbrennung eine klimaschädliche Form der Energieerzeugung dar. Technische Lösungen, die zu einer Reduktion oder einer Vermeidung des COz Ausstoßes von Müllverbrennungsanlagen beitragen, sind derzeit nicht bekannt.Another problem that occurs with today's waste incineration plants is that enormous amounts of carbon dioxide are produced during combustion. For example, one ton of CO2 is typically produced per ton of waste, and the combustion of plastics even produces almost three tonnes of CO2 that are released into the atmosphere. Waste incineration is therefore currently a significant source of greenhouse gas emissions, particularly CO2. From the point of view of environmental pollution, the generation of electricity and heat through waste incineration is therefore also a climate-damaging form of energy production. Technical solutions that help reduce or avoid CO2 emissions from waste incineration plants are currently not known.
Es ist daher weiterhin wünschenswert, eine Müllverbrennungsanlage und ein Verfahren zum Verbrennen von Abfall zu schaffen, die Abfall mit möglichst geringem Ausstoß von COz in die Atmosphäre verbrennen können.It is therefore still desirable to create a waste incineration plant and a process for burning waste that can burn waste with the lowest possible emission of CO2 into the atmosphere.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Müllverbrennungsanlage und ein verbessertes Verfahren zum Verbrennen von Abfall in einer Müllverbrennungsanlage bereitzustellen. Insbesondere liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Müllverbrennungsanlage und ein Verfahren zum Verbrennen von Abfall bereitzustellen, die eine Verbrennung von Abfall ohne Ausstoß von CO2 oder wenigstens mit einem deutlich reduzierten Ausstoß von CO2 ermöglichen.The present invention is based on the object of providing an improved waste incineration plant and an improved method for incinerating waste in a waste incineration plant In particular, the present invention is based on the object of providing a waste incineration plant and a method for incinerating waste which enable waste to be incinerated without emitting CO 2 or at least with significantly reduced CO 2 emissions.
Erfindungsgemäß wird eine Müllverbrennungsanlage vorgeschlagen, die eine Brennkammer, einen Brenner, mindestens eine Abgasspaltungsvorrichtung und mindestens eine Abgasspaltungskammer-Rückführleitung aufweist. Die Brennkammer ist so ausgebildet, dass Abfall in der Brennkammer verbrannt werden kann. Der Brenner ist derart angeordnet und ausgebildet, dass dieser in der Brennkammer befindlichen Abfall verbrennen kann. Die mindestens eine Abgasspaltungsvorrichtung weist eine Abgasspaltungskammer und eine Heizvorrichtung auf. Die Abgasspaltungskammer hat einen Einlass, z.B. einen ersten Einlass, der fluidleitend mit der Brennkammer verbunden ist, so dass bei der Verbrennung von Abfall entstehende Abgase von der Brennkammer durch den Einlass in die Abgasspaltungskammer strömen können. Die Heizvorrichtung ist ausgebildet, ein in der Abgasspaltungskammer vorhandenes Abgas auf mindestens 3000 °C zu erhitzen, so dass wenigstens eine in dem Abgas enthaltene chemische Verbindung wenigstens teilweise in einen ersten Bestandteil, vorzugsweise in ein leichteres Gasprodukt, und in einen zweiten Bestandteil, vorzugsweise ein schwereres Gasprodukt, aufgespalten werden kann. Die Abgasspaltungskammer ist ausgebildet, durch Erzeugen einer Zentrifugalkraft jeweils die ersten und zweiten aufgespaltenen Bestandteile und, falls vorhanden, auch einen nicht-aufgespaltenen Rest der chemischen Verbindung, innerhalb der Abgasspaltungskammer räumlich voneinander zu trennen, insbesondere entsprechend der jeweiligen Molekularmassen. Vorzugsweise erfolgt die Trennung derart, dass aufgrund der wirkenden Zentrifugalkraft das leichtere Gasprodukt in Richtung eines Drehzentrums der Abgasspaltungskammer und das schwerere Gasprodukt in Richtung einer Kammerwand der Abgasspaltungskammer verdrängt wird, und falls vorhanden, der nicht-aufgespaltene Rest der chemischen Verbindung als schwerstes Gas vergleichsweise am Weitesten in Richtung der Kammerwand der Abgasspaltungskammer verdrängt wird. Die mindestens eine Abgasspaltungskammer-Rückführleitung verbindet i) einen Auslass, z.B. einen ersten Auslass, der Abgasspaltungskammer mit dem Einlass der Abgasspaltungskammer, so dass der in der Abgasspaltungskammer enthaltene nicht-aufgespaltene Rest der chemischen Verbindung von dem Auslass der Abgasspaltungskammer zu dem zweiten Einlass der Abgasspaltungskammer wenigstens teilweise zurückgeführt werden kann, um dann erneut in die Abgasspaltungskammer zu strömen und/oder, falls die Müllverbrennungsanlage eine weitere Abgasspaltungsvorrichtung aufweist, ii) einen Auslass der Abgasspaltungskammer mit einem Einlass einer Abgasspaltungskammer der weiteren Abgasspaltungsvorrichtung, so dass der in der Abgasspaltungskammer enthaltene nicht-aufgespaltene Rest der chemischen Verbindung von dem Auslass der Abgasspaltungskammer zu dem Einlass der Abgasspaltungskammer der weiteren Abgasspaltungsvorrichtung wenigstens teilweise weitergeführt werden kann, um dann in die Abgasspaltungskammer der weiteren Abgasspaltungsvorrichtung zu strömen.According to the invention, a waste incineration plant is proposed which has a combustion chamber, a burner, at least one exhaust gas splitting device and at least one exhaust gas splitting chamber return line. The combustion chamber is designed such that waste can be burned in the combustion chamber. The burner is arranged and designed such that it can burn waste located in the combustion chamber. The at least one exhaust gas splitting device has an exhaust gas splitting chamber and a heating device. The exhaust gas splitting chamber has an inlet, e.g. a first inlet, which is fluidically connected to the combustion chamber so that exhaust gases generated during the combustion of waste can flow from the combustion chamber through the inlet into the exhaust gas splitting chamber. The heating device is designed to heat an exhaust gas present in the exhaust gas splitting chamber to at least 3000 °C so that at least one chemical compound contained in the exhaust gas can be at least partially split into a first component, preferably a lighter gas product, and a second component, preferably a heavier gas product. The exhaust gas splitting chamber is designed to spatially separate the first and second split components and, if present, also a non-split remainder of the chemical compound from one another within the exhaust gas splitting chamber by generating a centrifugal force, in particular according to the respective molecular masses. The separation preferably takes place in such a way that, due to the centrifugal force acting, the lighter gas product is displaced in the direction of a center of rotation of the exhaust gas splitting chamber and the heavier gas product is displaced in the direction of a chamber wall of the exhaust gas splitting chamber, and if present, the non-split remainder of the chemical compound, as the heaviest gas, is displaced comparatively the furthest in the direction of the chamber wall of the exhaust gas splitting chamber. The at least one exhaust gas splitting chamber return line connects i) an outlet, e.g. a first outlet, of the exhaust gas splitting chamber with the inlet of the exhaust gas splitting chamber, so that the non-split remainder of the chemical compound contained in the exhaust gas splitting chamber can be at least partially returned from the outlet of the exhaust gas splitting chamber to the second inlet of the exhaust gas splitting chamber in order to then flow into the exhaust gas splitting chamber again and/or, if the waste incineration plant has a further exhaust gas splitting device, ii) an outlet of the exhaust gas splitting chamber with an inlet of an exhaust gas splitting chamber of the further exhaust gas splitting device, so that the non-split remainder of the chemical compound contained in the exhaust gas splitting chamber can be at least partially passed on from the outlet of the exhaust gas splitting chamber to the inlet of the exhaust gas splitting chamber of the further exhaust gas splitting device in order to then flow into the exhaust gas splitting chamber of the further exhaust gas splitting device.
Die Erfindung schließt die Erkenntnis ein, dass die Emission von CO2 bei der Verbrennung von Abfällen ein erhebliches Problem für die Umwelt darstellt und zu einer erheblichen Veränderung der Erdatmosphäre betragen kann. Tatsächlich ist die Müllverbrennung eine bedeutende Quelle für Treibhausgasemissionen und insbesondere für CO2. Unter Gesichtspunkt der Umweltverschmutzung stellt die Strom- und Wärmegewinnung durch Abfallverbrennung eine klimaschädliche Form der Energieerzeugung dar. Die Verbrennung von üblichem Hausmüll weist in der Regel eine höhere CO2-Last pro erzeugter Kilowattstunde auf, als etwa die Verbrennung von Erdgas. Die Erfindung schließt die weitere Erkenntnis ein, dass heutzutage durch den Bau möglichst großer Müllverbrennungsanlagen versucht wird, die Degression der spezifischen Investitionen mit wachsender Anlagengröße auszunutzen und die Behandlungskosten pro Tonne Abfall zu senken. Verbunden mit der Großanlagentechnik treten jedoch oftmals eine Reihe von Problemen auf. Die Auslastung der Anlagen ist meistens schwierig zu erreichen, die Logistik ist aufwendig, die Akzeptanz der Anlagen in der Bevölkerung ist gering und die Energienutzung erfolgt typischerweise mit niedrigem Wirkungsgrad. Für viele Arten der Abfälle, darunter die meisten Industrie- und Gewerbeabfälle, werden jedoch kleinere Müllverbrennungsanlagen gebraucht, die aber technisch nur schwer realisierbar und praktisch nicht verfügbar sind. Es besteht daher die Notwendigkeit technische Lösungen zu finden und allgemein verfügbar zu machen, die eine Verbrennung von Abfall mit deutlich reduzierten Emissionen von Schadstoffen und insbesondere von CO2 ermöglichen.The invention includes the realization that the emission of CO 2 during the incineration of waste represents a significant problem for the environment and can lead to a significant change in the earth's atmosphere. In fact, waste incineration is a significant source of greenhouse gas emissions and in particular of CO 2 . From the point of view of environmental pollution, the generation of electricity and heat through waste incineration is a form of energy generation that is harmful to the climate. The incineration of normal household waste generally has a higher CO 2 load per kilowatt hour generated than, for example, the combustion of natural gas. The invention includes the further realization that nowadays, by building as large as possible waste incineration plants, attempts are made to exploit the degression of specific investments as the plant size increases and to reduce the treatment costs per ton of waste. However, a number of problems often arise in connection with large-scale plant technology. It is usually difficult to achieve plant capacity, logistics are complex, the acceptance of the plants among the population is low and energy use is typically low. However, many types of waste, including most industrial and commercial waste, require smaller waste incineration plants, which are technically difficult to implement and practically unavailable. There is therefore a need to find and make generally available technical solutions that enable waste to be incinerated with significantly reduced emissions of pollutants, particularly CO2 .
Die erfindungsgemäße Müllverbrennungsanlage ermöglicht eine CO2-freie Müllverbrennung und kann damit vergleichsweise klimafreundlich betrieben werden. Dies wird mit der Müllverbrennungsanlage dadurch erreicht, dass in dem Abgas enthaltenes CO2 in der Abgasspaltungskammer auf 3000° C oder mehr erhitzt wird. Bei diesen Temperaturen von mindestens 3000 °C wird CO2 direkt in Sauerstoff und festen Kohlenstoff umgewandelt. Der freigesetzte Sauerstoff könnte in den Kreislauf für eine effektivere Verbrennung des Abfalls in die Brennkammer zurückgeführt werden. Nicht umgewandeltes CO2 kann mittels der mindestens einen Abgasspaltungskammer-Rückführleitung von dem Auslass der Abgasspaltungskammer zu dem Einlass der Abgasspaltungskammer zurückgeführt werden, um dann wieder in die Abgasspaltungskammer einzuströmen. Das erneut eingeströmte CO2 wird dann wieder auf 3000 °C oder mehr erhitzt und wird dann wenigstens teilweise in Sauerstoff und festen Kohlenstoff umgewandelt. Dieser Vorgang kann solange wiederholt werden, bis das CO2 aus dem bei der Verbrennung des Abfalls entstehenden Abgas vollständig aufgespalten wird.The waste incineration plant according to the invention enables CO 2 -free waste incineration and can therefore be operated in a comparatively climate-friendly manner. This is achieved with the waste incineration plant by heating the CO 2 contained in the exhaust gas in the exhaust gas splitting chamber to 3000° C or more. At these temperatures of at least 3000 °C, CO 2 is converted directly into oxygen and solid carbon. The oxygen released could be returned to the circuit for more effective combustion of the waste in the combustion chamber. Unconverted CO 2 can be returned by means of the at least one exhaust gas splitting chamber return line from the outlet of the exhaust gas splitting chamber to the inlet of the exhaust gas splitting chamber, in order to then flow back into the exhaust gas splitting chamber. The
Zusätzlich oder alternativ, insbesondere wenn die Müllverbrennungsanlage eine weitere Abgasspaltungsvorrichtung aufweist, kann mittels der mindestens einen Abgasspaltungskammer-Rückführleitung nicht umgewandeltes CO2 von dem Auslass der Abgasspaltungskammer zu dem Einlass der Abgasspaltungskammer der weiteren Abgasspaltungsvorrichtung weitergeführt werden, um dann in die Abgasspaltungskammer der weiteren Abgasspaltungsvorrichtung einzuströmen. In der Abgasspaltungskammer der weiteren Abgasspaltungsvorrichtung wird das einströmende CO2 dann wieder auf 3000 °C oder mehr erhitzt und dann wenigstens teilweise in Sauerstoff und festen Kohlenstoff umgewandelt.Additionally or alternatively, in particular if the waste incineration plant has a further exhaust gas splitting device, unconverted CO 2 can be passed from the outlet of the exhaust gas splitting chamber to the inlet of the exhaust gas splitting chamber of the further exhaust gas splitting device by means of the at least one exhaust gas splitting chamber return line in order to then flow into the exhaust gas splitting chamber of the further exhaust gas splitting device. In the exhaust gas splitting chamber of the further exhaust gas splitting device, the inflowing CO 2 is then heated again to 3000 °C or more and then at least partially converted into oxygen and solid carbon.
Mit der Abgasspaltungsvorrichtung und der weiteren Abgasspaltungsvorrichtung wird ein modularer Aufbau realisiert, der theoretisch beliebig oft fortgesetzt werden kann. Es können also mehrere Abgasspaltungsvorrichtungen vorhanden sein, die fluidleitend miteinander verbunden sind, so dass ein Gas von einer Abgasspaltungsvorrichtung in die nächste Abgasspaltungsvorrichtung strömen kann. Beispielsweise können die erste Abgasspaltungskammer und die zweite Abgasspaltungskammer in Reihe geschaltet sein. Dadurch, dass in jeder der Abgasspaltungsvorrichtungen eine in dem Abgas enthaltene chemische Verbindung wenigstens teilweise in einen ersten Bestandteil und in einen zweiten Bestandteil aufgespalten werden kann, und der nicht-aufgespaltene Rest der chemischen Verbindung in die nächste Abgasspaltungsvorrichtung abgeführt werden kann, nimmt die Menge des nicht-aufgespaltenen Restes der chemischen Verbindung von Abgasspaltungsvorrichtung zu Abgasspaltungsvorrichtung immer weiter ab, bis die in dem enthaltene chemische Verbindung im Wesentlichen vollständig in einen ersten Bestandteil und in einen zweiten Bestandteil aufgespalten ist. Die aufgespaltenen Bestandteile können an entsprechenden Auslässen aus der jeweiligen der Abgasspaltungsvorrichtungen abgeführt und weiterverwendet werden.The exhaust gas splitting device and the further exhaust gas splitting device create a modular structure that can theoretically be continued as often as desired. There can therefore be several exhaust gas splitting devices that are connected to one another in a fluid-conducting manner, so that a gas can flow from one exhaust gas splitting device into the next exhaust gas splitting device. For example, the first exhaust gas splitting chamber and the second exhaust gas splitting chamber can be connected in series. Because a chemical compound contained in the exhaust gas can be at least partially split into a first component and a second component in each of the exhaust gas splitting devices, and the non-split remainder of the chemical compound can be discharged into the next exhaust gas splitting device, the amount of the non-split remainder of the chemical compound continues to decrease from exhaust gas splitting device to exhaust gas splitting device until the chemical compound contained in the device has been essentially completely split into a first component and a second component. The split components can be discharged from the respective exhaust gas splitting devices at corresponding outlets and reused.
Es ist auch möglich, dass die Müllverbrennungsanlage mehrere Abgasspaltungsvorrichtungen aufweist, die unabhängig voneinander betreiben werden können und insbesondere nicht unmittelbar fluidleitend miteinander verbunden sind. Die beiden Abgasspaltungsvorrichtungen können insbesondere parallelgeschaltet sein, im Unterschied zu einer seriellen Anordnung, bei der zwei Abgasspaltungsvorrichtungen hintereinandergeschaltet sind und ein Gas von der einen Abgasspaltungsvorrichtung in die andere Abgasspaltungsvorrichtung strömen kann. Insbesondere ist es möglich, dass die Müllverbrennungsanlage eine erste Abgasspaltungsvorrichtung mit einer ersten Abgasspaltungskammer aufweist, die über eine erste Abgasspaltungskammer-Rückführleitung mit der Brennkammer verbunden ist, und eine zweite Abgasspaltungsvorrichtung mit einer zweiten Abgasspaltungskammer aufweist, die über eine zweite Abgasspaltungskammer-Rückführleitung mit der Brennkammer verbunden ist. Vorzugsweise kann das Abgas aus der Brennkammer in die erste Abgasspaltungskammer unabhängig von der zweiten Abgasspaltungskammer abgeführt werden kann und umgekehrt. Entsprechend kann auch das Abgas aus der Brennkammer in die zweite Abgasspaltungskammer unabhängig von der ersten Abgasspaltungskammer abgeführt werden.It is also possible for the waste incineration plant to have several exhaust gas splitting devices that can be operated independently of one another and, in particular, are not directly connected to one another in a fluid-conducting manner. The two exhaust gas splitting devices can, in particular, be connected in parallel, in contrast to a serial arrangement in which two exhaust gas splitting devices are connected in series and a gas can flow from one exhaust gas splitting device into the other exhaust gas splitting device. In particular, it is possible for the waste incineration plant to have a first exhaust gas splitting device with a first exhaust gas splitting chamber, which is connected to the combustion chamber via a first exhaust gas splitting chamber return line, and a second exhaust gas splitting device with a second exhaust gas splitting chamber, which is connected to the combustion chamber via a second exhaust gas splitting chamber return line. Preferably, the exhaust gas from the combustion chamber can be discharged into the first exhaust gas splitting chamber independently of the second exhaust gas splitting chamber and vice versa. Accordingly, the exhaust gas from the combustion chamber can also be discharged into the second exhaust gas splitting chamber independently of the first exhaust gas splitting chamber.
Es ist möglich, beide Abgasspaltungsvorrichtungen gleichzeitig zu betreiben. Es können dann gleichzeitig durch jeweilige Abgasspaltungskammer-Rückführleitungen Abgase aus der Brennkammer in die beiden Abgasspaltungsvorrichtungen eingeleitet werden. Es ist auch möglich, nur eine der beiden Abgasspaltungsvorrichtungen zu betreiben. Diejenige der Abgasspaltungsvorrichtungen, die gerade nicht in Betrieb ist, kann z.B. repariert werden. Es ist auch möglich, dass aus derjenigen der Abgasspaltungsvorrichtungen, die gerade nicht in Betrieb ist, fester Kohlenstoff entnommen wird, während die andere der Abgasspaltungsvorrichtungen weiterläuft. Es ist dann möglich die Müllverbrennungsanlage kontinuierlich und ohne Ausfallzeiten zu betreiben.It is possible to operate both exhaust gas splitting devices at the same time. Exhaust gases from the combustion chamber can then be fed into both exhaust gas splitting devices simultaneously through the respective exhaust gas splitting chamber return lines. It is also possible to operate only one of the two exhaust gas splitting devices. The exhaust gas splitting device that is not currently in operation can, for example, be repaired. It is also possible for solid carbon to be removed from the exhaust gas splitting device that is not currently in operation while the other exhaust gas splitting device continues to run. It is then possible to operate the waste incineration plant continuously and without downtime.
Die erfindungsgemäße Müllverbrennungsanlage ist als geschlossenes System konzipiert und kann so betrieben werden, dass keine Abgase ausgestoßen werden. Die Abgase können solange in der Müllverbrennungsanlage zirkulieren, bis die in dem Abgas enthaltenen chemische Verbindungen wie CO2 und H2O vollständig aufgespalten sind. Die nützlichen Gase aus Wasserstoff und Sauerstoff können aus der Abgasspaltungskammer entnommen und für den Betrieb der Müllverbrennungsanlage verwendet werden. Beispielweise kann Wasserstoff dazu verwendet werden, um die Temperaturen von 3000 °C oder mehr zu erzeugen. Sauerstoff kann in die Brennkammer rückgeführt werden, um die Effizienz bei der Verbrennung des Abfalls in der Brennkammer zu steigern. Fester Kohlenstoff kann aus der Abgasspaltungskammer entnommen und außerhalb der Müllverbrennungsanlage als Rohstoff weiterverwendet werden. Entsprechend ist bei der erfindungsgemäßen Müllverbrennungsanlage - im Gegensatz zu herkömmlichen Müllverbrennungsanlagen - ein Schornstein oder dergleichen zum Ausstoßen von Abgasen in die Atmosphäre obsolet.The waste incineration plant according to the invention is designed as a closed system and can be operated in such a way that no exhaust gases are emitted. The exhaust gases can circulate in the waste incineration plant until the chemical compounds contained in the exhaust gases, such as CO 2 and H 2 O, are completely broken down. The useful gases of hydrogen and oxygen can be taken from the exhaust gas splitting chamber and used to operate the waste incineration plant. For example, hydrogen can be used to generate temperatures of 3000 °C or more. Oxygen can be returned to the combustion chamber to increase the efficiency of burning the waste in the combustion chamber. Solid carbon can be taken from the exhaust gas splitting chamber and reused outside the waste incineration plant as a raw material. Accordingly, in the waste incineration plant according to the invention - in contrast to conventional waste incineration plants - a chimney or the like for emitting exhaust gases into the atmosphere is obsolete.
Weiterhin kann die erfindungsgemäße Müllverbrennungsanlage sowohl als Großanlage als auch als kleine Müllverbrennungsanlage realisiert werden. Damit stellt die Müllverbrennungsanlage eine wirtschaftliche und ökologische Alternative zu bekannten Müllverbrennungsanlagen zur thermischen Abfallbehandlung dar. Der im Betrieb der Müllverbrennungsanlage entstandene feste Kohlenstoff und überschüssiger Sauerstoff und Wasserstoff können als nützliche Produkte weiterverwertet werden.Furthermore, the waste incineration plant according to the invention can be implemented both as a large-scale plant and as a small-scale waste incineration plant. The waste incineration plant thus represents an economical and ecological alternative to known waste incineration plants for thermal waste treatment. The solid carbon and excess oxygen and hydrogen produced during operation of the waste incineration plant can be reused as useful products.
Die Trennung der in dem Abgas enthaltenen chemischen Verbindung in einen ersten Bestandteil und in einen zweiten Bestandteil und, falls vorhanden, auch in einen nicht-aufgespaltenen Rest der chemischen Verbindung erfolgt insbesondere wie nachfolgend beschrieben.The separation of the chemical compound contained in the exhaust gas into a first component and a second component and, if present, also into a non-split remainder of the chemical compound is carried out in particular as described below.
Nach dem Start der Müllverbrennungsanlage stellt sich in der Abgasspaltungskammer typischerweise eine stationäre Temperaturverteilung ein, wobei sich im Zentrum der Abgasspaltungskammer heiße Gase und in der Peripherie kältere Gase befinden. Dies liegt daran, dass die Heizvorrichtung die Gase in der Abgasspaltungskammer in der Regel nicht gleichmäßig erhitzt, so dass sich in der Abgasspaltungskammer Gasschichten mit unterschiedlichen Temperaturen und entsprechend unterschiedlicher Dichte bilden. Die räumliche Trennung nach Temperaturunterschieden passiert insbesondere nach dem Start der Müllverbrennungsanlage. Dieser Zustand bleibt typischerweise während des ganzen Arbeitszyklus konstant.After the waste incineration plant has started, a stationary temperature distribution typically occurs in the exhaust gas splitting chamber, with hot gases in the center of the exhaust gas splitting chamber and colder gases in the periphery. This is because the heating device does not usually heat the gases in the exhaust gas splitting chamber evenly, so that gas layers with different temperatures and correspondingly different densities form in the exhaust gas splitting chamber. The spatial separation according to temperature differences occurs particularly after the waste incineration plant has started. This state typically remains constant throughout the entire working cycle.
Die aufgespalteten Gasprodukte, also insbesondere der erste Bestandteil und der zweite Bestandteil der chemischen Verbindung, haben zunächst dieselbe Temperatur. Während des Arbeitszyklus erfolgt dann eine räumliche Trennung der Gasprodukte nach ihren Molekularmassen. Insbesondere befinden sich die Spaltungsprodukte in einem dynamischen Zustand, wobei sich schwerere Gasprodukte während des Gastransportes vom Einlass zu dem Auslass kontinuierlich in radialer Richtung vom Zentrum der Abgasspaltungskammer hin zur Kammerwand bewegen und die leichteren Gasprodukte im Zentrum der Abgasspaltungskammer verbleiben bzw. ins Zentrum verdrängt werden.The split gas products, in particular the first component and the second component of the chemical compound, initially have the same temperature. During the working cycle, the gas products are then spatially separated according to their molecular masses. In particular, the split products are in a dynamic state, with heavier gas products moving continuously in a radial direction from the center of the exhaust gas splitting chamber to the chamber wall during the gas transport from the inlet to the outlet, and the lighter gas products remaining in the center of the exhaust gas splitting chamber or being displaced to the center.
Die schwereren Gasprodukte werden während der Trennung unter Wirkung der Zentrifugalkraft durch Wärmeaustausch mit anderen Gasen kälter. Die beiden Trennungsprozesse, insbesondere nach Molekularmasse und Gasdichte, aufgrund der wirkenden Zentrifugalkraft passieren zeitgleich. Im Ergebnis sammeln sich im Bereich der Kammerwände schwerere und kältere und im Zentrum der Abgasspaltungskammer leichtere und heißere Bestandteile.During separation, the heavier gas products become colder due to the effect of centrifugal force through heat exchange with other gases. The two separation processes, particularly according to molecular mass and gas density, occur simultaneously due to the centrifugal force. As a result, heavier and colder components collect in the area of the chamber walls and lighter and hotter components collect in the center of the exhaust gas splitting chamber.
Insbesondere ist die Heizvorrichtung ausgebildet, ein in der Abgasspaltungskammer vorhandenes Abgas auf mindestens 3000 °C zu erhitzen, so dass wenigstens eine in dem Abgas enthaltene chemische Verbindung wenigstens teilweise in einen ersten Bestandteil, vorzugsweise in ein leichteres Gasprodukt, und in einen zweiten Bestandteil, vorzugsweise ein schwereres Gasprodukt, sowie in eine heißere und damit leichtere Gasschicht, und in eine kältere und damit schwerere Gasschicht, aufgespalten werden kann. Die Abgasspaltungskammer ist insbesondere ausgebildet, durch Erzeugen einer Zentrifugalkraft jeweils die ersten und zweiten aufgespaltenen Bestandteile und, falls vorhanden, auch einen nicht-aufgespaltenen Rest der chemischen Verbindung, innerhalb der Abgasspaltungskammer räumlich nach ihren Molekularmassen voneinander zu trennen. Vorzugsweise erfolgt die Trennung derart, dass aufgrund der wirkenden Zentrifugalkraft das leichtere bzw. heißere Gasprodukt in Richtung eines Drehzentrums der Abgasspaltungskammer und das schwerere bzw. kältere Gasprodukt in Richtung einer Kammerwand der Abgasspaltungskammer verdrängt wird, und falls vorhanden, der nicht-aufgespaltene Rest der chemischen Verbindung als schwerstes Gas vergleichsweise am Weitesten in Richtung der Kammerwand der Abgasspaltungskammer verdrängt wird.In particular, the heating device is designed to heat an exhaust gas present in the exhaust gas splitting chamber to at least 3000 °C, so that at least one chemical compound contained in the exhaust gas can be at least partially split into a first component, preferably a lighter gas product, and a second component, preferably a heavier gas product, as well as into a hotter and thus lighter gas layer and a colder and thus heavier gas layer. The exhaust gas splitting chamber is designed in particular to spatially separate the first and second split components and, if present, also a non-split remainder of the chemical compound from one another within the exhaust gas splitting chamber according to their molecular masses by generating a centrifugal force. Preferably, the separation takes place in such a way that, due to the acting centrifugal force, the lighter or hotter gas product is displaced in the direction of a center of rotation of the exhaust gas splitting chamber and the heavier or colder gas product is displaced in the direction of a chamber wall of the exhaust gas splitting chamber, and if present, the non-split remainder of the chemical compound as the heaviest gas is displaced comparatively the furthest in the direction of the chamber wall of the exhaust gas splitting chamber.
Vorzugsweise weist die Abgasspaltungsvorrichtung einen Antrieb auf, der angeordnet und ausgebildet ist, die Abgasspaltungskammer um eine Rotationsachse zu rotieren. Durch die Rotationsbewegung der Abgasspaltungskammer wird das in die Abgasspaltungskammer eingeführte Abgas ebenfalls in Rotation versetzt, so dass auf das Abgas eine Zentrifugalkraft wirkt. Die auf das Abgas wirkende Zentrifugalkraft sorgst dafür, dass heißere bzw. leichtere Gasprodukt in Richtung eines Drehzentrums der Abgasspaltungskammer und das kältere bzw. schwerere Gasprodukt in Richtung einer Kammerwand der Abgasspaltungskammer verdrängt wird. Falls in der Abgasspaltungskammer noch ein nicht-aufgespaltener Rest der chemischen Verbindung vorhanden ist, wird dieser als schwerstes Gas vergleichsweise am Weitesten in Richtung der Kammerwand der Abgasspaltungskammer verdrängt. Dadurch werden die verschiedenen Gasprodukte räumlich in der Abgasspaltungskammer separiert. Die verschiedenen räumlich separierten Gasprodukte können dann durch verschiedene Auslässe, z.B. einen Auslass im Drehzentrum, einen weiteren Auslass nahe der Kammerwand und einen wiederum weiteren Auslass zwischen dem Auslass im Drehzentrum und dem Auslass nahe der Kammerwand entnommen werden. Dafür ist jeder Auslass mit einer Leitung, z.B. einem Schlauch verbunden. Jeder Schlauch ist wiederum mit einer eigenen Pumpe verbunden, mit denen der zum Absaugen benötigte Sog erzeugt werden kann. Der Antrieb kann beispielsweise ein Riemenantrieb sein. Alternativ könnte der Antrieb auch einen Elektromotor umfassen. Beispielweise könnte an der Abgasspaltungskammer selbst der Rotor befestigt sein, der dann in dem Stator gedreht wird. Die Abgasspaltungskammer ist vorzugsweise an beiden Enden mittels Lagern, insbesondere mittels Kugellagern, drehbar gelagert. Bevorzugt ist der Antrieb ausgebildet, die Abgasspaltungskammer mit mindestens 50 Umdrehungen pro Minute, vorzugsweise mindestens 250 Umdrehungen pro Minute, besonders bevorzugt mehr als 500 Umdrehungen pro Minute zu rotieren.The exhaust gas splitting device preferably has a drive that is arranged and designed to rotate the exhaust gas splitting chamber about a rotation axis. The rotational movement of the exhaust gas splitting chamber also causes the exhaust gas introduced into the exhaust gas splitting chamber to rotate, so that a centrifugal force acts on the exhaust gas. The centrifugal force acting on the exhaust gas ensures that hotter or lighter gas products are displaced in the direction of a center of rotation of the exhaust gas splitting chamber and the colder or heavier gas products are displaced in the direction of a chamber wall of the exhaust gas splitting chamber. If there is still a non-split residue of the chemical compound in the exhaust gas splitting chamber, this is displaced as the heaviest gas comparatively the furthest in the direction of the chamber wall of the exhaust gas splitting chamber. This spatially separates the various gas products in the exhaust gas splitting chamber. The various spatially separated gas products can then be removed through various outlets, e.g. an outlet in the center of rotation, another outlet near the chamber wall and yet another outlet between the outlet in the center of rotation and the outlet near the chamber wall. For this purpose, each outlet is connected to a line, e.g. a hose. Each hose is in turn connected to its own pump, which can generate the suction required for extraction. The drive can be a belt drive, for example. Alternatively, the drive could also include an electric motor. For example, the rotor could be attached to the exhaust gas splitting chamber itself, which is then rotated in the stator. The The exhaust gas splitting chamber is preferably rotatably mounted at both ends by means of bearings, in particular by means of ball bearings. The drive is preferably designed to rotate the exhaust gas splitting chamber at at least 50 revolutions per minute, preferably at least 250 revolutions per minute, particularly preferably more than 500 revolutions per minute.
Alternativ oder zusätzlich zu einem Antrieb, der die Abgasspaltungskammer rotieren kann, kann die Abgasspaltungsvorrichtung mindestens ein in der Abgasspaltungskammer angeordnetes Laufrad mit Schaufeln und/oder mindestens einen in der Abgasspaltungskammer angeordneten Ventilator aufweisen. Vorzugsweise können das Laufrad und/oder der Ventilator jeweils mit einem Laufrad-Antrieb bzw. mit einem Ventilator-Antrieb gedreht werden. Durch die Drehung des Laufrads und/oder des Ventilators wird das in der Abgasspaltungskammer vorhandene Abgas ebenfalls in Rotation versetzt, so dass auf das Abgas und/oder aufgespaltene Bestandteile der chemischen Verbindung eine Zentrifugalkraft wirkt, die eine räumliche Trennung des Abgases und der aufgespaltenen Bestandteile in Abhängigkeit der jeweils unterschiedlichen Molekularmassen führt. Vorzugsweise können das Laufrad mit Schaufeln und/oder der Ventilator mit mindestens 50 Umdrehungen pro Minute rotiert werden.Alternatively or in addition to a drive that can rotate the exhaust gas splitting chamber, the exhaust gas splitting device can have at least one impeller with blades arranged in the exhaust gas splitting chamber and/or at least one fan arranged in the exhaust gas splitting chamber. Preferably, the impeller and/or the fan can each be rotated with an impeller drive or with a fan drive. The rotation of the impeller and/or the fan also causes the exhaust gas present in the exhaust gas splitting chamber to rotate, so that a centrifugal force acts on the exhaust gas and/or split components of the chemical compound, which leads to a spatial separation of the exhaust gas and the split components depending on the different molecular masses. Preferably, the impeller with blades and/or the fan can be rotated at at least 50 revolutions per minute.
Weitere Details zu möglichen technischen Umsetzungen und den physikalischen Wirkmechanismen, die zu der räumlichen Trennung der unterschiedlichen Gasprodukte führen, sind in
Die Abgasspaltungskammer kann relativ zu einem Untergrund der Müllverbrennungsanlage waagerecht oder mit einem Neigungswinkel von 0° bis 90° oder mit einem Neigungswinkel von 0° bis -90° ausgerichtet sein. Bevorzugt ist eine horizontale Ausrichtung, so dass der Einlass und der Auslass nicht parallel zu dem Untergrund ausgerichtet sind. Wenn der Auslass der Abgasspaltungskammer nach unten gerichtet ist, kann eine Trennung von festen und gasförmigen Reaktionsprodukten dank der Wirkung von Erdgravitation erleichtert werden. Bei einer Ausrichtung des Auslasses nach oben, können hingegen leichte gasförmige Produkte besser entweichen bzw. leichter mit einem Schlauch abgeführt werden.The exhaust gas splitting chamber can be aligned horizontally or at an angle of inclination of 0° to 90° or at an angle of inclination of 0° to -90° relative to the base of the waste incineration plant. A horizontal alignment is preferred so that the inlet and outlet are not aligned parallel to the base. If the outlet of the exhaust gas splitting chamber is directed downwards, the separation of solid and gaseous reaction products can be made easier thanks to the effect of the earth's gravity. If the outlet is directed upwards, however, light gaseous products can escape better or be more easily discharged with a hose.
Die Abgasspaltungskammer kann in einem Behälter angeordnet sein und ein Innenraum des Behälters kann unter Normaldruck stehen. Alternativ kann der Innenraum des Behälters unter Unterdruck stehen. Wiederum alternativ kann der Innenraum des unter Überdruck stehen.The exhaust gas splitting chamber can be arranged in a container and an interior of the container can be under normal pressure. Alternatively, the interior of the container can be under negative pressure. Alternatively, the interior of the container can be under positive pressure.
Die Abgasspaltungskammer kann rohrförmig oder ringförmig ausgebildet sein. Wenn die Abgasspaltungskammer rohrförmig ausgebildet ist, ist es bevorzugt, wenn die Rohrlänge wesentlich größer als der Rohrdurchmesser ist, z.B. im Verhältnis 10 zu 1. Eine Rohrlänge, die größer als der Rohrdurchmesser ist, ist bevorzugt, weil die Zentrifugalkraft bei der Drehbewegung nur in radialer Richtung wirkt. Das heißt, in axialer Richtung funktioniert die Wärmeisolierung weniger gut. Dieser Effekt kann durch eine vergleichsweise größere Rohrlänge abgemildert werden.The exhaust gas splitting chamber can be tubular or ring-shaped. If the exhaust gas splitting chamber is tubular, it is preferred if the tube length is significantly greater than the tube diameter, e.g. in a ratio of 10 to 1. A tube length that is greater than the tube diameter is preferred because the centrifugal force during the rotational movement only acts in the radial direction. This means that the thermal insulation works less well in the axial direction. This effect can be mitigated by a comparatively longer tube length.
Wenn die Abgasspaltungskammer als Rohr ausgebildet ist, kann diese an einem Ende den Einlass und an dem gegenüberliegenden Ende den Auslass haben. Das Abgas wird dann im Betrieb durch den Einlass in das Rohr eingeführt und aufgeheizt. An dem anderen Ende kann das Abgas oder die ausgespaltenen Bestandteile der chemischen Verbindung wieder entnommen werden. Im Inneren des Rohres wird das Abgas mit der Heizvorrichtung auf einer hohen Temperatur gehalten und in der Abgasspaltungskammer rotiert. Da die schweren und kälteren Bestandteile in Richtung der Kammerwand verdrängt werden, bildet sich an der Kammerwand eine wärmeisolierende Gasschicht mit einer vergleichsweise niedrigeren Temperatur.If the exhaust gas splitting chamber is designed as a pipe, it can have the inlet at one end and the outlet at the opposite end. During operation, the exhaust gas is then introduced into the pipe through the inlet and heated up. The exhaust gas or the split components of the chemical compound can be removed again at the other end. Inside the pipe, the exhaust gas is kept at a high temperature with the heating device and rotated in the exhaust gas splitting chamber. Since the heavy and colder components are displaced towards the chamber wall, a heat-insulating gas layer with a comparatively lower temperature forms on the chamber wall.
Wenn die Abgasspaltungskammer ringförmig ausgebildet ist, z.B. ein Torus oder zwei an beiden Enden verbundene Rohre, hat die Abgasspaltungskammer keine freien Enden an denen heiße Gaswirbel entstehen können.If the exhaust gas splitting chamber is ring-shaped, e.g. a torus or two tubes connected at both ends, the exhaust gas splitting chamber has no free ends at which hot gas vortices can form.
Die Brennkammer und der Brenner können ausgebildet sein, um den Abfall nach bekannten Methoden z.B. Wirbelschichtfeuerung, Rostfeuerung, oder im Drehrohrofen zu verbrennen.The combustion chamber and the burner can be designed to burn the waste using known methods, e.g. fluidized bed combustion, grate combustion, or in a rotary kiln.
Gase, die z.B. die in dem Abgas enthaltene chemische Verbindung oder den ersten Bestandteil oder den zweiten Bestandteil der chemischen Verbindung enthalten, können mithilfe von Pumpen aus der Abgasspaltungskammer entnommen werden. Beispielweise kann die Abgasspaltungskammer neben dem ersten Auslass weitere Auslässen aufweisen. Jeder der Auslässe ist über ein Rohr oder einen Schlauch, z.B. ein Edelstahlrohr bzw. einen Silikonschlauch, jeweils mit einer Pumpe verbunden. Mittels der Pumpen kann durch die verschiedenen Auslässe ein Gas aus der Abgasspaltungskammerentnommen werden. Das entnommene Gas kann auf seine Zusammensetzung hin analysiert werden. Sollte das entnommene Gas nicht die gewünschte Zusammensetzung haben, könnte der verwendete Auslass geschlossen und ein anderer Auslass verwendet werden, durch den ein Gas an einer anderen Stelle der Abgasspaltungskammer entnommen werden kann.Gases which, for example, contain the chemical compound contained in the exhaust gas or the first component or the second component of the chemical compound can be removed from the exhaust gas splitting chamber using pumps. For example, the exhaust gas splitting chamber can have further outlets in addition to the first outlet. Each of the outlets is connected to a pump via a pipe or hose, e.g. a stainless steel pipe or a silicone hose. Using the pumps, a gas can be removed from the exhaust gas splitting chamber through the various outlets. The extracted gas can be analyzed for its composition. If the extracted gas does not have the desired composition, the outlet used could be closed and another outlet used through which a gas can be extracted from another location in the exhaust gas splitting chamber.
Um die Effizienz der Müllverbrennungsanlage zu erhöhen, kann ein optionaler Wärmetauscher verwendet werden. Ein Wärmetauscher kann mit einem Auslass der Abgasspaltungskammer verbunden sein, aus dem ein Gas oder Gase abgeführt werden sollen, die vor ihrer weiteren Verwendung abgekühlt werden sollen. Das Abkühlen des Gases oder der Gase erfolgt dann mit dem Wärmetauscher, so dass die gewonnene Wärme weiterverwendet werden kann.To increase the efficiency of the waste incineration plant, an optional heat exchanger can be used. A heat exchanger can be connected to an outlet of the exhaust gas splitting chamber from which a gas or gases are to be discharged, which are to be cooled before further use. The cooling of the gas or gases is then carried out using the heat exchanger so that the heat recovered can be further used.
Insbesondere können die aus der Abgasspaltungskammer abgesaugten Gase eine hohe Temperatur haben, z.B., aus einem zentral angeordneten Auslass kann aus dem Drehzentrum abgesaugter Wasserstoff eine Temperatur von über 1000 °C haben. Bevor Wasserstoff weiterverwendet wird und z.B. einer Brennstoffzelle zugeführt wird, kann es vorteilhaft sein, wenn der Wasserstoff auf eine niedrigere Temperatur abgekühlt wird. Dafür kann ein Wärmetauscher verwendet werden, so dass die Wärmeenergie nicht verloren geht. Auch andere Gase wie z.B. Sauerstoff, die aus der Abgasspaltungskammer entnommen werden können, können eine hohe Temperatur haben. Manche dieser Gase, wie z.B. Sauerstoff, können aber heiß weiterverwendet werden. Beispielweise kann Sauerstoff heiß wieder in die Brennkammer geführt werden, um dort die Verbrennungseffizient zu steigern. Zum Absaugen solcher heißen Gase weist die Müllverbrennungsanlage vorzugsweise entsprechend temperaturbeständige Pumpen auf.In particular, the gases extracted from the exhaust gas splitting chamber can have a high temperature, e.g. hydrogen extracted from a centrally located outlet from the center of rotation can have a temperature of over 1000 °C. Before hydrogen is reused and fed to a fuel cell, for example, it can be advantageous if the hydrogen is cooled to a lower temperature. A heat exchanger can be used for this so that the thermal energy is not lost. Other gases such as oxygen that can be extracted from the exhaust gas splitting chamber can also have a high temperature. However, some of these gases, such as oxygen, can be reused while hot. For example, hot oxygen can be fed back into the combustion chamber to increase combustion efficiency there. To extract such hot gases, the waste incineration plant preferably has appropriately temperature-resistant pumps.
Wenn aus der Abgasspaltungskammer entnommener Wasserstoff in einem Gasturbinen- bzw. Verbrennungsmotorstromgenerator verwendet werden soll, kann auf einen Wärmetauscher verzichtet werden. Entsprechend kann der entnommene Wasserstoff heiß weiterverwendet werden.If hydrogen extracted from the exhaust gas cracking chamber is to be used in a gas turbine or combustion engine power generator, a heat exchanger is not required. The extracted hydrogen can therefore be reused while hot.
Bei der Verwendung einer Reinigungsvorrichtung zur Reinigung, z.B. mittels einem Sorptionsmittel, kann es vorteilhaft sein, wenn die Gase vorher gekühlt werden. Auch in diesem Fall kann zum Kühlen der Gase ein Wärmetauscher verwendet werden, insbesondere zusammen mit einem Auslass der Abgasspaltungskammer, aus dem Sauerstoff zusammen mit Schadstoffen wie Chlor oder Fluor abgeführt werden soll.When using a cleaning device for cleaning, e.g. by means of a sorbent, it can be advantageous if the gases are cooled beforehand. In this case too, a heat exchanger can be used to cool the gases, in particular together with an outlet of the exhaust gas splitting chamber, from which oxygen is to be removed together with pollutants such as chlorine or fluorine.
Bevorzugt besteht die Abgasspaltungskammer aus einem Material wie z.B. Aluminium oder Edelstahl, das eine Temperaturbeständigkeit bei mindestens 300 °C oder mehr, bevorzugt bei 500 °C oder mehr, besonders bevorzugt bei 1000 °C aufweist.Preferably, the exhaust gas splitting chamber consists of a material such as aluminum or stainless steel, which has a temperature resistance of at least 300 °C or more, preferably 500 °C or more, particularly preferably 1000 °C.
Bevorzugt weist die Heizvorrichtung eine Lichtbogenheizung, einen Gasbrenner zum Verbrennen von Wasserstoff, und/oder einen Mikrowellen-Plasmabrenner auf, die bzw. der angeordnet und ausgebildet ist, in der Abgasspaltungskammer befindliche Abgase durch Erzeugen eines Lichtbogens bzw. eines Mikrowellen-Plasmas bzw. durch Verbrennen von Wasserstoff mit einem Gasbrenner auf mindestens 3000 °C zu erwärmen. Die Lichtbogenheizung weist vorzugsweise Graphitelektroden auf. Vorzugsweise ist die Lichtbogenheizung ausgebildet, einen Strom von mindestens 100 A, bevorzugt von mindestens 500 A, besonderes bevorzugt von mindestens 5000 A bereitzustellen. Ein Strom von 100 A entspricht insbesondere einem Lichtbogen mit ca. 2 kW elektrischer Leistung, ein Strom von 500 A entspricht insbesondere einem Lichtbogen mit ca. 15 kW Leistung und ein Strom von 5000 A entspricht insbesondere einem Lichtbogen mit über 200 kW Leistung. Zusätzlich oder alternativ zu einer Lichtbogenheizung könnte ein Mikrowellen-Plasmabrennerverwendet werden. Ein Mikrowellen-Plasmabrenner braucht im Unterschied zu einer Lichtbogenheizung keine Elektroden, die verbrennen und regulär gewechselt werden müssen, und kann bei hoher Leistung ein 4000 °C bis 5000 °C heißes Plasma erzeugen. Durch eine einfache Verbrennung von Wasserstoff mit Sauerstoff ist es, insbesondere bei einem stöchiometrischen Verhältnis, also bei H2 zu Oz von 2:1, möglich eine Wasserstoff-Brenntemperatur von ungefähr 2800 °C zu erreichen. Zusammen mit den ohnehin schon heißen Abgasen aus der Brennkammer kann so eine Spaltungstemperatur von 3000 °C oder mehr erreicht werden. Es ist auch möglich, die Verbrennung von Wasserstoff mit einer der beiden anderen Heizmethode, also mit einer Lichtbogenheizung und/oder mit einem Mikrowellen-Plasmabrenner zu kombinieren. Die Verbrennung von Wasserstoff mit einem Gasbrenner hat den Vorteil, dass eine solche Heizvorrichtung vergleichsweise einfach realisiert werden kann. Auch kann eine Verbrennung von Wasserstoff mit einem Gasbrenner besonders zuverlässig durchgeführt werden. Beispielsweise können für die Verbrennung von Wasserstoff ein einfacher Gasbrenner oder zu 80 % Energie aus Gasbrenner und zu 20 % aus elektrischer Heizung verwendet werden. Die Verbrennung von Wasserstoff mit einem Gasbrenner erfolgt in der Regel auch mit einem vergleichsweise höheren Wirkungsgrad, z.B. als bei einer Brennstoffzelle oder einem Gasturbinengenerator.Preferably, the heating device comprises an arc heater, a gas burner for burning hydrogen, and/or a microwave plasma burner, which is arranged and designed to heat exhaust gases in the exhaust gas splitting chamber to at least 3000 °C by generating an arc or a microwave plasma or by burning hydrogen with a gas burner. The arc heater preferably has graphite electrodes. The arc heater is preferably designed to provide a current of at least 100 A, preferably of at least 500 A, particularly preferably of at least 5000 A. A current of 100 A corresponds in particular to an arc with approximately 2 kW electrical power, a current of 500 A corresponds in particular to an arc with approximately 15 kW power and a current of 5000 A corresponds in particular to an arc with over 200 kW power. In addition to or as an alternative to an arc heater, a microwave plasma burner could be used. In contrast to an arc heater, a microwave plasma torch does not need electrodes that burn up and have to be replaced regularly, and can generate a plasma with a temperature of 4000 °C to 5000 °C at high power. By simply burning hydrogen with oxygen, it is possible to achieve a hydrogen combustion temperature of around 2800 °C, especially with a stoichiometric ratio, i.e. H 2 to
Die Müllverbrennungsanlage kann weiterhin eine, optionale, Brennkammer-Rückführleitung aufweisen, die einen zweiten Auslass der Abgasspaltungskammer und/oder, falls vorhanden, der Abgasspaltungskammer der weiteren Abgasspaltungsvorrichtung und die Brennkammer fluidleitend miteinander verbindet, so dass wenigstens einer der mehreren aufgespaltenen Bestandteile in die Brennkammer zurückgeleitet werden kann. Im Betrieb kann durch die Brennkammer-Rückführleitung beispielsweise Sauerstoff aus der Abgasspaltungskammer in die Brennkammer abgeführt werden. Dadurch kann die Effizienz der Müllverbrennung in der Brennkammer erhöht werden. Beispielsweise kann eine Verbrennung in reinem Sauerstoff erreicht werden, bei der der Brennofen vollständig mit Sauerstoff geflutet wird. Dadurch kann eine höhere Verbrennungstemperatur erreicht werden und eine effizientere Verbrennung des Abfalls stattfindet. Ein weiterer Vorteil in der Verwendung reinen Sauerstoffes besteht darin, dass eine Menge an Schadstoffen, die bei der Verbrennung freigesetzt werden, reduziert werden kann.The waste incineration plant can further comprise an optional combustion chamber return line which connects a second outlet of the exhaust gas splitting chamber and/or, if present, the exhaust gas splitting chamber of the further exhaust gas splitting device and the combustion chamber in a fluid-conducting manner, so that at least one of the several split components can be returned to the combustion chamber. During operation, oxygen can be discharged from the exhaust gas splitting chamber into the combustion chamber through the combustion chamber return line, for example. This can increase the efficiency of waste incineration in the combustion chamber. For example, combustion in pure oxygen, where the kiln is completely flooded with oxygen. This allows a higher combustion temperature to be achieved and the waste to be burned more efficiently. Another advantage of using pure oxygen is that the amount of pollutants released during combustion can be reduced.
Der erste Einlass und der zweite Einlass können beispielweise an einem gemeinsamen Rohrstück, insbesondere einem Edelstahl- bzw. Quarzrohr oder einem hitzebeständigen Keramikrohr, angeordnet sein. Ein Quarzrohr könnte insbesondere dann von Vorteil sein, wenn die Heizvorrichtung einen Mikrowellen-Plasmabrenner umfasst und das Rohrstück entsprechend vergleichsweise höheren Temperaturen ausgesetzt werden soll. An dem Rohrstück könnte auch weitere Einlässe angeordnet sein, über die die Abgasspaltungskammer befüllt werden kann. Das Rohrstück könnte in die Abgasspaltungskammer führen und das Einbringen eines Fluid in die Abgasspaltungskammer ermöglichen. Das Rohrstück könnte auch doppelwandig ausgestaltet sein. In den Zwischenraum zwischen den Wänden des doppelwandigen Rohrstücks kann ein Gas eingeführt werden, das geeignet ist, das Rohrstück zu kühlen. Ein Kühlen des Rohrstücks kann vorteilhaft sein, da von der Brennkammer in die Abgasspaltungskammer strömende Rauchgase vergleichsweise heiß sein können, und beispielweise 2000 °C oder mehr haben können. Durch Kühlen des Rohrstücks kann das Rohrstück vor den heißen Temperaturen der Rauchgase geschützt werden. In den Zwischenraum zwischen den Wänden des doppelwandigen Rohrstücks kann beispielweise ein aus der Abgasspaltungskammer entnommenes Gas eingeführt werden, um das Rohrstück zu kühlen. Beispielsweise könnte aus der Abgasspaltungskammer nicht-aufgespaltenes COz zunächst in den Zwischenraum abgeführt werden. Bevorzugt ist der Zwischenraum fluidleitend mit dem Innenraum des doppelwandigen Rohrstücks verbunden, so dass das zum Kühlen verwendete, nicht-aufgespaltene COz zusammen mit aus der Brennkammer strömenden Abgasen erneut in die Abgasspaltungskammer strömen kann, um dann aufgespalten zu werden. Beispielsweise kann die Abgasspaltungskammer-Rückführleitung fluidleitend mit dem Zwischenraum des Rohrstücks und der Zwischenraum fluidleiden mit dem Innenraum des Rohrstücks verbunden sein, so dass durch die Abgasspaltungskammer-Rückführleitung ein Gas aus der Abgasspaltungskammer zunächst zum Kühlen des Rohrstücks in den Zwischenraum des Rohrstücks abgeführt werden kann, um dann anschließend in den Innenraum des Rohrstücks und wieder in die Abgasspaltungskammer zu strömen.The first inlet and the second inlet can be arranged, for example, on a common pipe section, in particular a stainless steel or quartz pipe or a heat-resistant ceramic pipe. A quartz pipe could be particularly advantageous if the heating device comprises a microwave plasma burner and the pipe section is to be exposed to comparatively higher temperatures. Additional inlets could also be arranged on the pipe section, via which the exhaust gas splitting chamber can be filled. The pipe section could lead into the exhaust gas splitting chamber and enable a fluid to be introduced into the exhaust gas splitting chamber. The pipe section could also be designed with double walls. A gas suitable for cooling the pipe section can be introduced into the space between the walls of the double-walled pipe section. Cooling the pipe section can be advantageous because flue gases flowing from the combustion chamber into the exhaust gas splitting chamber can be comparatively hot and can have, for example, 2000 °C or more. By cooling the pipe section, the pipe section can be protected from the hot temperatures of the flue gases. For example, a gas taken from the exhaust gas splitting chamber can be introduced into the space between the walls of the double-walled pipe section in order to cool the pipe section. For example, CO2 that has not been split from the exhaust gas splitting chamber could first be discharged into the space. The space is preferably fluidically connected to the interior of the double-walled pipe section so that the CO2 that has not been split used for cooling can flow back into the exhaust gas splitting chamber together with exhaust gases flowing out of the combustion chamber to then be split. For example, the exhaust gas splitting chamber return line can be fluidically connected to the space of the pipe section and the space can be fluidically connected to the interior of the pipe section so that a gas from the exhaust gas splitting chamber can first be discharged into the space of the pipe section through the exhaust gas splitting chamber return line to cool the pipe section, and then flow into the interior of the pipe section and back into the exhaust gas splitting chamber.
Optional kann die Müllverbrennungsanlage eine Brennstoffzelle aufweisen, die fluidleitend mit insbesondere einem dritten Auslass der Abgasspaltungskammer und/oder, falls vorhanden, der Abgasspaltungskammer der weiteren Abgasspaltungsvorrichtung verbunden ist, so dass beispielsweise aus dem Abgas gewonnener Wasserstoff durch die Brennstoffzelle in elektrische Energie gewandelt werden kann. Vorzugsweise ist die Brennstoffzelle elektrisch leitend mit der Heizvorrichtung verbunden, so dass von der Brennstoffzelle erzeugte elektrische Energie durch die Heizvorrichtung in thermische Energie gewandelt werden kann.Optionally, the waste incineration plant can have a fuel cell that is fluidically connected in particular to a third outlet of the exhaust gas splitting chamber and/or, if present, the exhaust gas splitting chamber of the further exhaust gas splitting device, so that, for example, hydrogen obtained from the exhaust gas can be converted into electrical energy by the fuel cell. Preferably, the fuel cell is electrically connected to the heating device, so that electrical energy generated by the fuel cell can be converted into thermal energy by the heating device.
Alternativ oder zusätzlich zu einer Brennstoffzelle kann die Müllverbrennungsanlage einen Gasturbinenstromgenerator und/oder einen Verbrennungsmotorstromgenerator aufweisen, der fluidleitend mit der Abgasspaltungskammer und/oder, falls vorhanden, der Abgasspaltungskammer der weiteren Abgasspaltungsvorrichtung verbunden ist, so dass aus dem Abgas gewonnener Wasserstoff durch den Stromgenerator oder die Stromgeneratoren in elektrische Energie gewandelt werden kann. Vorzugsweise ist der Stromgenerator bzw. sind die Stromgeneratoren elektrisch leitend mit der Heizvorrichtung verbunden, so dass von dem Stromgenerator bzw. den Stromgeneratoren erzeugte elektrische Energie durch die Heizvorrichtung in thermische Energie gewandelt werden kann. Entsprechend kann ein Stromgenerator durch einen Wasserstoff-Verbrennungsmotor getrieben werden. Ein Gasturbinenstromgenerator kann besonders vorteilhaft in Großanlagen verwendet werden, ein Verbrennungsmotorstromgenerator wird hingegen eher zusammen mit einer kleineren Müllverbrennungsanlage verwendet, beispielsweise aus Kostengründen.Alternatively or in addition to a fuel cell, the waste incineration plant can have a gas turbine power generator and/or an internal combustion engine power generator which is fluidly connected to the exhaust gas splitting chamber and/or, if present, the exhaust gas splitting chamber of the further exhaust gas splitting device, so that hydrogen obtained from the exhaust gas can be converted into electrical energy by the power generator or generators. Preferably, the power generator or generators are electrically connected to the heating device, so that electrical energy generated by the power generator or generators can be converted into thermal energy by the heating device. Accordingly, a power generator can be driven by a hydrogen combustion engine. A gas turbine power generator can be used particularly advantageously in large plants, whereas a combustion engine power generator is more likely to be used together with a smaller waste incineration plant, for example for cost reasons.
Die Müllverbrennungsanlage kann eine Brennkammer-Zuführleitung aufweisen, die mit der Brennkammer fluidleitend verbunden ist, und durch die beispielsweise ein Gas mit wenigstens 30 % Sauerstoff in die Brennkammer eingeleitet werden kann. Die Brennkammer-Zuführleitung kann beispielsweise mit einer externen Sauerstoffquelle verbunden sein, die ein Gas mit wenigstens 30 % Sauerstoff enthält, das durch die Brennkammer-Zuführleitung in die Brennkammer abgeführt werden kann. Durch ein zusätzliches Einbringen von Sauerstoff in die Brennkammer kann die Effizienz der Verbrennung von Abfällen in der Brennkammer gesteigert werden.The waste incineration plant can have a combustion chamber feed line that is fluidically connected to the combustion chamber and through which, for example, a gas containing at least 30% oxygen can be introduced into the combustion chamber. The combustion chamber feed line can, for example, be connected to an external oxygen source that contains a gas containing at least 30% oxygen, which can be discharged into the combustion chamber through the combustion chamber feed line. By additionally introducing oxygen into the combustion chamber, the efficiency of the combustion of waste in the combustion chamber can be increased.
Bevorzugt weist die Müllverbrennungsanlage eine Reinigungsvorrichtung auf, die mit der Abgasspaltungskammer und/oder, falls vorhanden, der Abgasspaltungskammer der weiteren Abgasspaltungsvorrichtung fluidleitend verbunden und ausgebildet ist, aus der entsprechenden Abgasspaltungskammer abgeführte Abgase und/oder ein Gas aufweisend wenigstens einen der mehreren aufgespaltenen Bestandteile zu reinigen. In den Abgasen oder dem Gas aufweisend wenigstens einen der mehreren aufgespaltenen Bestandteile können beispielsweise toxische Gase wie Dioxine, Furane und Stickoxide enthalten sein, die eine Gefährdung für die menschliche Gesundheit und die Umwelt darstellen können. Beispielsweise können Chlorwasserstoff, Fluorwasserstoffsäure, Schwefeldioxid, Stickoxiden oder Dioxin enthalten sein. Die Reinigung könnte mittels Sorption in einer zirkulierenden Wirbelschicht erfolgen. Beispielsweise kann ein Sorptionsmittel in einen Wirbelschichtreaktor eingebracht werden, wo es in Form einer zirkulierenden Wirbelschicht vorliegt.Preferably, the waste incineration plant has a cleaning device which is fluidically connected to the exhaust gas splitting chamber and/or, if present, the exhaust gas splitting chamber of the further exhaust gas splitting device and is designed to clean exhaust gases discharged from the corresponding exhaust gas splitting chamber and/or a gas comprising at least one of the several split components. In the exhaust gases or the gas comprising at least one of the several split components may contain, for example, toxic gases such as dioxins, furans and nitrogen oxides, which may pose a risk to human health and the environment. For example, hydrogen chloride, hydrofluoric acid, sulphur dioxide, nitrogen oxides or dioxin may be contained. The cleaning could be carried out by means of sorption in a circulating fluidized bed. For example, a sorbent can be introduced into a fluidized bed reactor, where it is present in the form of a circulating fluidized bed.
Optional kann die Müllverbrennungsanlage eine Abgasspaltungskammer-Zuführleitung aufweisen, die mit der Abgasspaltungskammer und/oder, falls vorhanden, der Abgasspaltungskammer der weiteren Abgasspaltungsvorrichtung fluidleitend verbunden ist, z.B. über einen dritten Einlass, der auch an einem gemeinsamen Rohrstück angeordnet sein kann. Durch die Abgasspaltungskammer-Zuführleitung kann beispielweise ein Gas aufweisend COz in die jeweilige Abgasspaltungskammer eingeleitet werden. Dabei ist die Quelle für das zusätzlich eingebrachte COz nicht die Brennkammer. Die Quelle kann eine andere Brennkammer für eine Verbrennung von Abfällen sein oder das COz auch durch einen anderen Vorgang als die Verbrennung von Abfällen erzeugt worden sein. Beispielsweise kann die Müllverbrennungsanlage zwei oder mehr Brennkammern aufweisen, die mit derselben Abgasspaltungskammer verbunden sind. In die Abgasspaltungskammer können dann Abgase aus der ersten Brennkammer und der zweiten Brennkammer eingeleitet werden. Beispielweise können Abgase aus der ersten Brennkammer und der zweiten Brennkammer gleichzeitig eingeleitet werden. Es ist aber auch möglich, dass Abgase während einer bestimmten Zeitdauer entweder nur aus der ersten Brennkammer oder nur aus der zweiten Brennkammer eingeleitet werden.Optionally, the waste incineration plant can have an exhaust gas splitting chamber supply line which is fluidly connected to the exhaust gas splitting chamber and/or, if present, the exhaust gas splitting chamber of the further exhaust gas splitting device, e.g. via a third inlet, which can also be arranged on a common piece of pipe. For example, a gas comprising CO2 can be introduced into the respective exhaust gas splitting chamber through the exhaust gas splitting chamber supply line. The source for the additionally introduced CO2 is not the combustion chamber. The source can be another combustion chamber for incinerating waste, or the CO2 can also have been generated by a process other than incinerating waste. For example, the waste incineration plant can have two or more combustion chambers connected to the same exhaust gas splitting chamber. Exhaust gases from the first combustion chamber and the second combustion chamber can then be introduced into the exhaust gas splitting chamber. For example, exhaust gases from the first combustion chamber and the second combustion chamber can be introduced simultaneously. However, it is also possible that exhaust gases are introduced during a certain period of time either only from the first combustion chamber or only from the second combustion chamber.
Die Erfindung betrifft auch eine Verwendung der hier beschriebenen Müllverbrennungsanlage zum Verbrennen von Abfall.The invention also relates to a use of the waste incineration plant described here for burning waste.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Verbrennen von Abfall in einer Müllverbrennungsanlage. Das Verfahren weist die Schritte auf:
- Bereitstellen von Abfall in der Müllverbrennungsanlage,
- Verbrennen des Abfalls, vorzugsweise unter Zuführung eines Gases, das mindestens 30 % Sauerstoff aufweist,
- Abführen von bei der Verbrennung des Abfalls entstehender Abgase aufweisend COz und H2O in eine Abgasspaltungskammer einer Abgasspaltungsvorrichtung,
- Erhitzen der Abgase in der Abgasspaltungskammer mit einer Heizvorrichtung der Abgasspaltungsvorrichtung auf mindestens 3000 °C, so dass die chemischen Verbindungen COz und H2O wenigstens teilweise in mehrere Bestandteile aufgespalten werden, insbesondere in Oz, CO und H2 sowie in festen Kohlenstoff,
- Erzeugen einer auf die aufgespaltenen Bestandteile wirkende Zentrifugalkraft, so dass die aufgespaltenen Bestandteile und, falls vorhanden, auch einen nicht-aufgespaltener Rest der chemischen Verbindungen, aufgrund ihrer unterschiedlichen Molekularmassen räumlich voneinander getrennt werden, und
- wenigstens teilweises Zurückführen des nicht-aufgespaltenen Restes der chemischen Verbindungen, insbesondere von COz, von einem ersten Auslass der Abgasspaltungskammer i) zu einem Einlass der Abgasspaltungskammer, so dass der nicht-aufgespaltenen Restes der chemischen Verbindungen erneut in die Abgasspaltungskammer eingeführt wird, oder wenigstens teilweises Zurückführen des nicht-aufgespaltenen Restes der chemischen Verbindung, insbesondere von COz, von einem ersten Auslass der Abgasspaltungskammer ii) zu einem Einlass einer Abgasspaltungskammereiner weiteren Abgasspaltungsvorrichtung, so dass der nicht-aufgespaltenen Restes der chemischen Verbindungen in die Abgasspaltungskammer der weiteren Abgasspaltungsvorrichtung eingeführt wird.
- Providing waste to the waste incineration plant,
- Incineration of the waste, preferably with the addition of a gas containing at least 30% oxygen,
- Discharge of exhaust gases comprising CO2 and H 2 O resulting from the combustion of the waste into an exhaust gas splitting chamber of an exhaust gas splitting device,
- Heating the exhaust gases in the exhaust gas splitting chamber with a heating device of the exhaust gas splitting device to at least 3000 °C, so that the chemical compounds CO2 and H 2 O are at least partially split into several components, in particular into O2, CO and H 2 and into solid carbon,
- generating a centrifugal force acting on the split components so that the split components and, if present, also a non-split remainder of the chemical compounds are spatially separated from one another due to their different molecular masses, and
- at least partially returning the non-split remainder of the chemical compounds, in particular COz, from a first outlet of the exhaust gas splitting chamber i) to an inlet of the exhaust gas splitting chamber, so that the non-split remainder of the chemical compounds is reintroduced into the exhaust gas splitting chamber, or at least partially returning the non-split remainder of the chemical compound, in particular COz, from a first outlet of the exhaust gas splitting chamber ii) to an inlet of an exhaust gas splitting chamber of a further exhaust gas splitting device, so that the non-split remainder of the chemical compounds is introduced into the exhaust gas splitting chamber of the further exhaust gas splitting device.
Das Verfahren kann insbesondere mit der hier beschriebenen Müllverbrennungsanlage durchgeführt werden.The process can be carried out in particular with the waste incineration plant described here.
Das Verfahren ermöglicht eine COz-freie Müllverbrennung, bei der COz aus verbranntem Abfall direkt in Sauerstoff und festen Kohlenstoff umgewandelt wird. Der freigesetzte Sauerstoff kann im Kreislauf für effektivere Verbrennung des Mülls verwendet werden. Das Verfahren hat den Vorteil, dass es vergleichsweise energetisch günstig durchgeführt werden kann. Beim Verbrennen von Mühl entsteht auch Wasserdampf, der in Sauerstoff und Wasserstoff thermisch gespaltet wird. Sauerstoff kann im Kreislauf für eine Verbrennung des Abfalls verwendet und Wasserstoff kann als Energiequelle für die Erzeugung der für die Aufspaltung von COz und H2O benötigten hohen Temperaturen benutzt werden.The process enables CO2-free waste incineration, in which CO2 from incinerated waste is converted directly into oxygen and solid carbon. The oxygen released can be used in the cycle for more effective incineration of the waste. The process has the advantage that it can be carried out with comparatively low energy consumption. When waste is burned, water vapor is also produced, which is thermally split into oxygen and hydrogen. Oxygen can be used in the cycle for incineration of the waste and hydrogen can be used as an energy source to generate the high temperatures required for the splitting of CO2 and H2O .
Der nicht-aufgespaltene Rest, der wenigstens teilweise zu einem Einlass der Abgasspaltungskammer zurückgeführt wird, enthält insbesondere COz. Das COz kann dadurch vorhanden sein, dass das Abgas nicht vollständig aufgespalten wurde. Weiterhin kann COz auch dadurch vorhanden sein, dass dieses aus dem Reaktionsprodukt CO erneut gebildet wird. Mögliche Reaktionen sind z.B.:
- CO + 1/2O2 -> CO2, ΔH0 = -283 kJ/mol (Kohlenstoffmonoxid-Verbrennung)
- CO + H2O <-> CO2 + H2, ΔH0 = -41 kJ/mol (Wassergas-Shift-Reaktion)
- 2CO <-> CO2 + C, ΔH0 = -181 kJ/mol (Boudouard-Gleichgewicht)
- CO + 1/2O 2 -> CO 2 , ΔH 0 = -283 kJ/mol (carbon monoxide combustion)
- CO + H 2 O <-> CO 2 + H 2 , ΔH 0 = -41 kJ/mol (water gas shift reaction)
- 2CO <-> CO 2 + C, ΔH 0 = -181 kJ/mol (Boudouard equilibrium)
Die bei diesen Reaktionen ausgesetzte Wärme bleibt in der Abgasspaltungskammer und unterstützt die Spaltungsprozesse, z.B. COz zu C+O2 und H2O zu H2+O2. Die Molekularmassen von Sauerstoff und Kohlenstoffmonoxid sind ähnlich (32 und 28), so dass diese durch die Zentrifugalkraft nicht besonders effektiv getrennt werden. Aufgrund dieser genannten Reaktionen wird typischerweise kein oder nur wenig CO an dem Auslass der Abgasspaltungskammer vorhanden sein. Hingegen wird der Sauerstoffanteil an diesem Auslass im Vergleich typischerweise wesentlich höher sein.The heat released during these reactions remains in the exhaust gas splitting chamber and supports the splitting processes, e.g. CO2 to C+O 2 and H 2 O to H 2 +O 2 . The molecular masses of oxygen and carbon monoxide are similar (32 and 28), so they are not separated particularly effectively by centrifugal force. Due to these reactions, there will typically be little or no CO at the exhaust gas splitting chamber outlet. In contrast, the oxygen content at this outlet will typically be much higher in comparison.
Das Verfahren kann umfassen, dass die aufgespaltenen Bestandteile aus der Abgasspaltungskammer separat abgeführt werden, z.B. durch Schläuche. Ein separates Abführen meint hierbei ein Abführen mit einer Reinheit von mindestens 50 % oder mehr, 60 % oder mehr, 70% oder mehr, oder 80% oder mehr.The method may include separately discharging the split components from the exhaust gas splitting chamber, e.g. through hoses. Separate discharging here means discharging with a purity of at least 50% or more, 60% or more, 70% or more, or 80% or more.
Das separate Entnehmen der verschiedenen Gasprodukte aus der Abgasspaltungskammer wird dadurch möglich, dass sich die verschiedenen Gasprodukte aufgrund ihrer unterschiedlichen Molekularmassen unter der wirkenden Zentrifugalkraft räumlich innerhalb der Abgasspaltungskammer trennen. Es bilden sich dann mehrere ringförmige Schichten in der Abgasspaltungskammer, in denen jeweils eines der verschiedenen Gasprodukte vermehrt vorhanden ist. Durch Auslässe, die sich in Höhe einer der mehreren Schichten befinden, kann dann eines der verschiedenen Gasprodukte entnommen und insbesondere abgesaugt werden. Mit anderen Worten, die verschiedenen Gase in der Abgasspaltungskammer werden durch Zentrifugalkräfte räumlich getrennt und können durch Absaugen aus verschiedenen Stellen einzeln entnommen werden. Beispielsweise kann aus einem mittleren, zentralen Bereich H2, aus Bereich nahe der Kammerwand COz und an einer Stelle dazwischen Oz entnommen werden. Da die Gase eine Diffusion aufweisen, besonders bei hohen Temperaturen, werden die einzeln entnommenen Gase in der Regel nicht 100 % rein sein. Eine 100 % Reinheit ist für die Durchführung des Verfahrens und für den Betrieb der Müllverbrennungsanlage aber auch nicht entscheidend. Eine Reinheit von beispielweise 60 % oder mehr oder auch 80 % oder mehr ist beispielsweise ausreichend.The separate removal of the various gas products from the exhaust gas splitting chamber is made possible by the fact that the various gas products separate spatially within the exhaust gas splitting chamber due to their different molecular masses under the effect of the centrifugal force. Several ring-shaped layers then form in the exhaust gas splitting chamber, in each of which one of the various gas products is present in increased quantities. One of the various gas products can then be removed and in particular sucked off through outlets located at the level of one of the several layers. In other words, the various gases in the exhaust gas splitting chamber are spatially separated by centrifugal forces and can be individually removed by suction from different locations. For example, H 2 can be removed from a middle, central area, CO2 from an area close to the chamber wall and Oz are taken from the point in between. Since the gases diffuse, especially at high temperatures, the individually taken gases will generally not be 100% pure. However, 100% purity is not crucial for carrying out the process and for operating the waste incineration plant. A purity of, for example, 60% or more or even 80% or more is sufficient.
Der physikalische Wirkmechanismus, der zu der Trennung der Gasprodukte führt, kann wie folgt beschrieben werden. Das Abgas wird in der Abgasspaltungskammer unter ständiger Drehung gehalten, wobei das rotierende Abgas durch das Wirken einer Zentrifugalkraft eine Trennung von kälterer und damit schwerer und heißerer und damit leichterer Gasschichten erfährt. Dadurch erfolgt eine Verdrängung des heißeren (bzw. leichteren) Gases in das Drehzentrum der Abgasspaltungskammer und des kälteren (bzw. schwereren) Gases in Richtung Kammerwand. Gleichzeitig werden die Gasprodukte durch das Wirken der Zentrifugalkraft eine Trennung nach Molekularmasse erfahren, so dass ein schwereres Gasprodukt sowie ein nicht-aufgespaltenes Gas zur Kammerwand geschleudert wird und ein leichteres Gasprodukt im zentralen Bereich der Abgasspaltungskammer verbleibt. Da Gase eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit besitzen, werden die Kammerwände durch eine wärmeisolierende kältere Gasschicht von den heißen Gasmassen im Zentrum effektiv getrennt und dadurch wird eine Überhitzung der Kammerwände vermieden. Die Wände der Abgasspaltungskammer kommen nicht in einen direkten Kontakt mit heißem Gas. Weiterhin werden vorteilhafterweise Reaktionsprodukte weniger durch Material an den Kammerwänden verunreinigt.The physical mechanism that leads to the separation of the gas products can be described as follows. The exhaust gas is kept in constant rotation in the exhaust gas splitting chamber, whereby the rotating exhaust gas is separated into colder and therefore heavier and hotter and therefore lighter gas layers by the action of centrifugal force. This causes the hotter (or lighter) gas to be displaced into the center of rotation of the exhaust gas splitting chamber and the colder (or heavier) gas towards the chamber wall. At the same time, the gas products are separated according to molecular mass by the action of centrifugal force, so that a heavier gas product and a non-split gas are thrown towards the chamber wall and a lighter gas product remains in the central area of the exhaust gas splitting chamber. Since gases have a very low thermal conductivity, the chamber walls are effectively separated from the hot gas masses in the center by a heat-insulating colder gas layer, thus preventing the chamber walls from overheating. The walls of the exhaust gas splitting chamber do not come into direct contact with hot gas. Furthermore, reaction products are advantageously less contaminated by material on the chamber walls.
In dem Verfahren ist es bevorzugt, wenn aus der Abgasspaltungskammer und/oder der Abgasspaltungskammer der weiteren Abgasspaltungsvorrichtung abgeführter Oz wieder der Brennkammer zugeführt wird und/oder aus der Abgasspaltungskammer und/oder der Abgasspaltungskammer der weiteren Abgasspaltungsvorrichtung abgeführtes COz erneut der Abgasspaltungskammer zugeführt wird.In the method, it is preferred if O2 discharged from the exhaust gas splitting chamber and/or the exhaust gas splitting chamber of the further exhaust gas splitting device is fed back to the combustion chamber and/or CO2 discharged from the exhaust gas splitting chamber and/or the exhaust gas splitting chamber of the further exhaust gas splitting device is fed back to the exhaust gas splitting chamber.
In dem Verfahren ist es weiterhin bevorzugt, wenn aus der Abgasspaltungskammer abgeführter H2 zur Erzeugung von thermischer Energie verwendet wird und wenigstens teilweise mit der erzeugten thermischen Energie in der Abgasspaltungskammer befindliche Abgase erhitzt werden.In the method, it is further preferred if H 2 discharged from the exhaust gas splitting chamber is used to generate thermal energy and exhaust gases located in the exhaust gas splitting chamber are at least partially heated with the thermal energy generated.
In dem Verfahren ist es weiterhin bevorzugt, wenn die Abgasspaltungskammer waagerecht oder mit einem Neigungswinkel von 0° bis 90° oder mit einem Neigungswinkel von 0° bis -90° ausgerichtet ist. Eine Neigung kann die Temperaturverteilung entlang der Kammer bestimmen, z.B. bei vertikaler Ausrichtung kann oben eine höhere Temperatur als unten gehalten werden, was zu einem besseren Prozessablauf führen kann. Ein verbesserter Prozessablauf kann umfassen, dass eine COz-Spaltung oben bei hohen Temperaturen und Gasabfuhr unten bei niedrigeren Temperaturen stattfindet.In the method, it is further preferred if the exhaust gas splitting chamber is aligned horizontally or with an inclination angle of 0° to 90° or with an inclination angle of 0° to -90°. An inclination can influence the temperature distribution along the chamber determine, e.g. with vertical orientation a higher temperature can be maintained at the top than at the bottom, which can lead to an improved process flow. An improved process flow can include CO2 splitting at the top at high temperatures and gas removal at the bottom at lower temperatures.
In dem Verfahren ist es weiterhin bevorzugt, wenn das Erzeugen einer auf die aufgespaltenen Bestandteile wirkende Zentrifugalkraft dadurch erreicht wird, dass die Abgasspaltungskammer in Rotation versetzt wird.In the method, it is further preferred if the generation of a centrifugal force acting on the split components is achieved by setting the exhaust gas splitting chamber into rotation.
In dem Verfahren ist es weiterhin bevorzugt, wenn das Erzeugen einer auf die aufgespaltenen Bestandteile wirkende Zentrifugalkraft durch mindestens ein in der Abgasspaltungskammer angeordnetes Laufrad mit Schaufeln und/oder mindestens einen in der Abgasspaltungskammer angeordneten Ventilator und/oder durch Gasströmungen erreicht wird.In the method, it is further preferred if the generation of a centrifugal force acting on the split components is achieved by at least one impeller with blades arranged in the exhaust gas splitting chamber and/or at least one fan arranged in the exhaust gas splitting chamber and/or by gas flows.
In dem Verfahren ist es weiterhin bevorzugt, wenn die Drehgeschwindigkeit der Abgasspaltungskammer, des Laufrads mit Schaufeln oder des Ventilators auf mindestens 50 Umdrehungen pro Minute eingestellt wird.In the process, it is further preferred if the rotational speed of the exhaust gas splitting chamber, the impeller with blades or the fan is set to at least 50 revolutions per minute.
Das Verfahren ermöglicht eine hocheffektive Verbrennung von Abfall in konzentriertem Sauerstoff, die Nutzung von Wasserstoff als Energiequelle, ein Kombinieren von Müllarten für einen Erhalt der Energie-Balance, eine Verwendung externer erneuerbarer Energiequellen, falls erforderlich, einen geschlossenen Stoffkreislauf, vergleichsweise weniger Trocknung von Müll, einen kontinuierlichen Betrieb der Müllverbrennungsanlage, einen zyklischen Betrieb der Müllverbrennungsanlage, eine Anwendung zur Verbrennung von Plastikmüll mit einer Erzeugung einer vergleichsweise größeren Menge von H2 und eine Verwendung des Wasserstoffes bei der Produktion von Stahl.The process enables highly efficient incineration of waste in concentrated oxygen, use of hydrogen as an energy source, combining waste types to maintain energy balance, use of external renewable energy sources if necessary, a closed material cycle, comparatively less drying of waste, continuous operation of the waste incineration plant, cyclical operation of the waste incineration plant, application for incineration of plastic waste with production of a comparatively larger amount of H 2 and use of hydrogen in the production of steel.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Wartung oder Reparatur der hier beschriebenen Müllverbrennungsanlage. Das Verfahren weist auf, dass die Brennkammer, der Brenner, die Abgasspaltungsvorrichtung oder die weitere Abgasspaltungsvorrichtung, die Brennkammer-Rückführleitung, die Brennstoffzelle, der Gasturbinenstromgenerator, der Verbrennungsmotorstromgenerator, die Reinigungsvorrichtung, die Abgasspaltungskammer-Zuführleitung und/oder die Brennkammer-Zuführleitung repariert oder ersetzt wird.The invention also relates to a method for maintaining or repairing the waste incineration plant described here. The method comprises repairing or replacing the combustion chamber, the burner, the exhaust gas splitting device or the further exhaust gas splitting device, the combustion chamber return line, the fuel cell, the gas turbine power generator, the internal combustion engine power generator, the cleaning device, the exhaust gas splitting chamber feed line and/or the combustion chamber feed line.
Zusammenfassend haben die hier beschriebene Müllverbrennungsanlage und das hier beschriebene Verfahren zum Verbrennen von Abfall in einer Müllverbrennungsanlage die folgenden Vorteile. Die Müllverbrennung verursacht keine oder wenigstens deutlich reduzierte COz-Emissionen. Dadurch kann ein großer Beitrag zum Umwelt-, Klima- und Ressourcenschutz geleistet und Auswirkungen der COz-Bepreisung auf die Abfallgebühren können vermieden werden. Durch Verwendung von konzentriertem Sauerstoff können Abfälle vollständig verbrannt und die Mengen von zu entsorgenden Schlacken deutlich reduziert werden. Die Verwendung des gebildeten Wasserstoffes als Energiequelle ermöglicht einen effizienteren Betrieb der Müllverbrennungsanlage. Durch eine verbesserte Verbrennung in Sauerstoff wird weniger oder gar keine Trocknung des Mülls benötigt. Die Müllverbrennung findet in einem geschlossenen Kreislauf statt, die Endprodukte sind feste Schlacken, fester Kohlenstoff und möglicherweise geringe Mengen von Sauerstoff und Wasserstoff. Man braucht keinen Schornstein und es können neben Großanlagen auch kleine, aber wirtschaftlich effektive und umweltfreundliche Müllverbrennungsanlagen hergestellt werden, die direkt dort installiert werden können, wo der Müll produziert wird. Dadurch können auch Kosten für den Mülltransport eingespart werden. Bei Verbrennung von Biomüll wird das Verfahren einen COz-Gesamtgehalt in der Atmosphäre aktiv vermindern, da der beim Wachsen von Pflanzen aus der Luft entnommene Kohlenstoff nicht wieder als COz in die Atmosphäre abgesetzt, sondern im Form von festem Kohlenstoff gelagert oder verwertet werden kann.In summary, the waste incineration plant described here and the process for burning waste in a waste incineration plant described here have the following advantages. Waste incineration causes no or at least significantly reduced CO2 emissions. This can make a major contribution to environmental, climate and resource protection and the effects of CO2 pricing on waste disposal fees can be avoided. By using concentrated oxygen, waste can be completely burned and the amount of slag to be disposed of can be significantly reduced. The use of the hydrogen formed as an energy source enables the waste incineration plant to operate more efficiently. Improved combustion in oxygen means less or no drying of the waste is required. Waste incineration takes place in a closed circuit, the end products are solid slag, solid carbon and possibly small amounts of oxygen and hydrogen. No chimney is needed and, in addition to large-scale plants, small but economically effective and environmentally friendly waste incineration plants can be built that can be installed directly where the waste is produced. This can also save costs for waste transport. When organic waste is burned, the process will actively reduce the total CO2 content in the atmosphere, since the carbon removed from the air during plant growth is not released back into the atmosphere as CO2, but can be stored or utilized in the form of solid carbon.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sollen nun nachfolgend mit Bezug auf die Figuren näher erläutert werden. Von den Figuren zeigt:
- Fig. 1A:
- schematisch und beispielhaft eine Müllverbrennungsanlage mit einer Abgasspaltungskammer;
- Fig. 1B:
- schematisch und beispielhaft eine Müllverbrennungsanlage mit einer Abgasspaltungskammer, wobei die Heizvorrichtung einen Gasbrenner zum Verbrennen von Wasserstoff aufweist;
- Fig. 2:
- schematisch und beispielhaft eine Müllverbrennungsanlage, die die gleichen Elemente wie die mit Bezug auf
Fig. 1 beschriebene Müllverbrennungsanlage und zusätzlich mehrere Pumpen aufweist, die jeweils Gasprodukte wie O2, H2 und COz aus unterschiedlichen Auslässen der Abgasspaltungskammer absaugen können; - Fig. 3.:
- schematisch und beispielhaft eine Müllverbrennungsanlage, die die gleichen Elemente wie die mit Bezug auf
Fig. 1 beschriebene Müllverbrennungsanlage und zusätzlich eine Reinigungsvorrichtung aufweist; - Fig. 4:
- schematisch und beispielhaft eine Müllverbrennungsanlage, die die gleichen Elemente wie die mit Bezug auf
Fig. 1 beschriebene Müllverbrennungsanlage und zusätzlich eine Abgasspaltungskammer-Zuführleitung aufweist; - Fig. 5:
- schematisch und beispielhaft eine Müllverbrennungsanlage zum Verbrennen von Abfall;
- Fig. 6:
- die mit Bezug auf die
Fig. 5 beschriebene Müllverbrennungsanlage schematisch und beispielhaft in einer Seitenansicht und im Betrieb; - Fig. 7:
- die mit Bezug auf die
Fig. 6 beschriebene Müllverbrennungsanlage schematisch und beispielhaft in einer Schnittansicht und ebenfalls im Betrieb; - Fig. 8:
- die mit Bezug auf die Figen. 5
bis 7 beschriebene Müllverbrennungsanlage schematisch und beispielhaft in einer Perspektivansicht, in der die Einlassseite der Abgasspaltungskammer erkennbar ist; - Fig. 9:
- die mit Bezug auf die Figen. 5
bis 8 beschriebene Müllverbrennungsanlage schematisch und beispielhaft in einer Perspektivansicht, in der die Auslassseite der Abgasspaltungskammer erkennbar ist; - Fig. 10:
- schematisch und beispielhaft eine Brennkammer und eine Abgasspaltungskammer einer Müllverbrennungsanlage, wobei die Abgasspaltungskammer horizontal ausgerichtet seitlich neben der Brennkammer angeordnet ist;
- Fig. 11:
- schematisch und beispielhaft eine Brennkammer und eine Abgasspaltungskammer einer Müllverbrennungsanlage, wobei die Abgasspaltungskammer vertikal ausgerichtet seitlich neben der Brennkammer angeordnet ist;
- Fig. 12:
- schematisch und beispielhaft eine Brennkammer und eine Abgasspaltungskammer einer Müllverbrennungsanlage, wobei die Abgasspaltungskammer vertikal ausgerichtet und oberhalb der Öffnung der Brennkammer angeordnet ist;
- Fig. 13:
- schematisch und beispielhaft die mit Bezug auf die
Fig. 10 beschriebene Brennkammer und die Abgasspaltungskammer in a), b) und c) jeweils aus unterschiedlichen Perspektiven; - Fig. 14:
- schematisch und beispielhaft die mit Bezug auf die
Fig. 11 beschriebene Brennkammer und die Abgasspaltungskammer in a), b) und c) jeweils aus unterschiedlichen Perspektiven; - Fig. 15:
- schematisch und beispielhaft die mit Bezug auf die
Fig. 12 beschriebene Brennkammer und die Abgasspaltungskammer in a), b) und c) jeweils aus unterschiedlichen Perspektiven; - Fig. 16:
- ein Ablaufdiagram für ein Verfahren zum Verbrennen von Abfall mit einer Müllverbrennungsanlage;
- Fig. 17:
- schematisch und beispielhaft einen Versuchsaufbau zur Untersuchung von der Lufttemperaturverteilung in einer Abgasspaltungskammer;
- Fig. 18:
- ein Messprotokoll zur Untersuchung von der Lufttemperaturverteilung in einer Abgasspaltungskammer, das mit einem wie mit Bezug auf
Fig. 17 beschriebenen Versuchsaufbau erzeugt wurde; - Fig. 19
- schematisch und beispielhaft eine Brennkammer und zwei Abgasspaltungskammern einer Müllverbrennungsanlage, wobei die Abgasspaltungskammern in Reihe geschalteten sind;
- Fig. 20
- schematisch und beispielhaft zwei Brennkammern und eine Abgasspaltungskammer einer Müllverbrennungsanlage, die so fluidleitend miteinander verbunden sind, dass in die Abgasspaltungskammer Abgase aus beiden der Brennkammern eingeleitet werden können; und
- Fig. 21
- schematisch und beispielhaft eine Brennkammer und zwei Abgasspaltungskammern einer Müllverbrennungsanlage, wobei die beiden Abgasspaltungskammern unabhängig voneinander mit Abgasen aus der Brennkammer befüllt werden können.
- Fig. 1A:
- schematically and exemplary a waste incineration plant with an exhaust gas splitting chamber;
- Fig. 1B:
- schematically and by way of example, a waste incineration plant with an exhaust gas splitting chamber, wherein the heating device has a gas burner for burning hydrogen;
- Fig. 2:
- schematically and by way of example a waste incineration plant comprising the same elements as those referred to in
Fig. 1 described waste incineration plant and additionally several pumps, each of which can extract gas products such as O 2 , H 2 and CO2 from different outlets of the exhaust gas splitting chamber; - Fig. 3.:
- schematically and by way of example a waste incineration plant comprising the same elements as those referred to in
Fig. 1 described waste incineration plant and additionally a cleaning device; - Fig. 4:
- schematically and by way of example a waste incineration plant comprising the same elements as those referred to in
Fig. 1 described waste incineration plant and additionally has an exhaust gas splitting chamber supply line; - Fig. 5:
- schematic and exemplary illustration of a waste incineration plant for burning waste;
- Fig. 6:
- which with reference to the
Fig. 5 described waste incineration plant schematically and as an example in a side view and in operation; - Fig. 7:
- which with reference to the
Fig. 6 described waste incineration plant schematically and as an example in a sectional view and also in operation; - Fig. 8:
- the waste incineration plant described with reference to Figs. 5 to 7 schematically and by way of example in a perspective view in which the inlet side of the exhaust gas splitting chamber can be seen;
- Fig. 9:
- the waste incineration plant described with reference to Figs. 5 to 8 schematically and by way of example in a perspective view in which the outlet side of the exhaust gas splitting chamber can be seen;
- Fig. 10:
- schematically and by way of example, a combustion chamber and an exhaust gas splitting chamber of a waste incineration plant, wherein the exhaust gas splitting chamber is arranged horizontally aligned laterally next to the combustion chamber;
- Fig. 11:
- schematically and by way of example, a combustion chamber and an exhaust gas splitting chamber of a waste incineration plant, wherein the exhaust gas splitting chamber is arranged vertically aligned laterally next to the combustion chamber;
- Fig. 12:
- schematically and by way of example, a combustion chamber and an exhaust gas splitting chamber of a waste incineration plant, wherein the exhaust gas splitting chamber is vertically aligned and arranged above the opening of the combustion chamber;
- Fig. 13:
- schematically and exemplarily the
Fig. 10 described combustion chamber and the exhaust gas splitting chamber in a), b) and c), each from different perspectives; - Fig. 14:
- schematically and exemplarily the
Fig. 11 described combustion chamber and the exhaust gas splitting chamber in a), b) and c), each from different perspectives; - Fig. 15:
- schematically and exemplarily the
Fig. 12 described combustion chamber and the exhaust gas splitting chamber in a), b) and c), each from different perspectives; - Fig. 16:
- a flow chart for a process for burning waste using a waste incineration plant;
- Fig. 17:
- schematically and by way of example, an experimental setup for investigating the air temperature distribution in an exhaust gas splitting chamber;
- Fig. 18:
- a measurement protocol for the investigation of the air temperature distribution in an exhaust gas splitting chamber, which is provided with a
Fig. 17 described experimental setup; - Fig. 19
- schematically and by way of example, a combustion chamber and two exhaust gas splitting chambers of a waste incineration plant, wherein the exhaust gas splitting chambers are connected in series;
- Fig. 20
- schematically and by way of example, two combustion chambers and an exhaust gas splitting chamber of a waste incineration plant, which are connected to one another in such a fluid-conducting manner that exhaust gases from both combustion chambers can be introduced into the exhaust gas splitting chamber; and
- Fig. 21
- schematically and by way of example, a combustion chamber and two exhaust gas splitting chambers of a waste incineration plant, whereby the two exhaust gas splitting chambers can be filled independently of each other with exhaust gases from the combustion chamber.
Bei der Verbrennung des Abfalls 1 entstehende Rauchgase werden als Abgas 5 in eine Abgasspaltungskammer 3 weitergeleitet. In der Abgasspaltungskammer 3 wird das Abgas 5 mittels einer Heizvorrichtung 9 auf mindestens 3000 °C erhitzt, so dass in dem Abgas 5 enthaltendes COz aufgespalten wird. Das auf mindestens 3000 °C erhitzte Abgas 5 wird in der Abgasspaltungskammer 3 rotiert, beispielsweise indem die Abgasspaltungskammer 3 selbst rotiert wird oder diese in ihrem Innenraum ein Laufrad mit Schaufeln oder einen Ventilator aufweist, die rotiert werden, um so das Abgas 5 in Rotation zu versetzen. Durch die Rotation des Abgases 5 wirkt auf dieses eine Zentrifugalkraft. Durch die Wirkung der Zentrifugalkraft erfährt das rotierende Abgas 5 eine Trennung von kälteren bzw. schweren Gasprodukten und heißeren bzw. leichteren Gasprodukten und dadurch eine Verdrängung des heißeren bzw. leichteren Gasprodukts in das Drehzentrum der Abgasspaltungskammer 3 und des kälteren bzw. schwereren Gasprodukts in Richtung einer Kammerwand der Abgasspaltungskammer 3. Dabei bildet sich auch eine wärmeisolierende Gasschicht in der Nähe der Kammerwand. Durch eine Verdrängung der heißen Gase weg von der Kammerwand wird gewährleistet, dass Wärmeverluste durch die kältere Gasschicht im Bereich der Kammerwand wegen geringerer Wärmeleitfähigkeit der Gase minimiert werden und dadurch hohe Temperaturen im Drehzentrum der Abgasspaltungskammer 3, die für CO2-Spaltung benötigt werden, erreicht werden können.Flue gases produced during the combustion of the waste 1 are passed on as
Bei hohen Temperaturen von über 3000 °C werden COz-Moleküle in festen Kohlenstoff, Oz und CO sowie H2O-Moleküle in H2 und O2 gespalten, wobei durch das Wirken einer Zentrifugalkraft das Abgas 5 in der Abgasspaltungskammer 3, das aus nicht gespalteten COz und H2O und gebildeten Oz, CO und H2 besteht, nach ihren Molekularmassen getrennt werden. Der leichteste Stoff, H2, bleibt im Zentralbereich der Abgasspaltungskammer 3, dann folgen Wasserdampf, CO und Oz, der schwerste Stoff, COz, wird zur Kammerwand verdrängt. Die getrennten Gase können dann separat aus der Abgasspaltungskammer 3, abgeführt werden. Kohlenstoffdioxid befindet sich im Kreislauf und wird immerwiederdurch Hochtemperaturzone der Abgasspaltungskammer 3 durchgeführt, bis es vollständig in Oz und festen Kohlenstoff zerlegt wird. Dafür weist die Müllverbrennungsanlage 100 eine Abgasspaltungskammer-Rückführleitung 6 auf, die einen ersten Auslass der Abgasspaltungskammer 3 mit einem zweiten Einlass der Abgasspaltungskammer 3 verbindet.At high temperatures of over 3000 °C, CO2 molecules are split into solid carbon, O2 and CO, and H2O molecules are split into H2 and O2 , whereby the
Bei Inbetriebnahme der Müllverbrennungsanlage 100 kann Sauerstoff in die Brennkammer 2 aus einer externen Quelle eingeführt und dann im Kreislauf gehalten werden. Da Sauerstoff in dem Abfall 1 als Bestandteil von Wasser und organischen Verbindungen vorhanden ist, kann der Sauerstoffgehalt in der Brennkammer 2 im Laufe der Zeit weiter erhöht werden. Dafür weist die Müllverbrennungsanlage 100 eine Brennkammer-Rückführleitung 7 auf, die einen zweiten Auslass der Abgasspaltungskammer 3 und die Brennkammer 2 fluidleitend miteinander verbindet, so dass Sauerstoff aus der Abgasspaltungskammer 3 entnommen und in die Brennkammer2 abgeführt werden kann. Sauerstoff kann auch teilweise gespeichert oder in der Luft freigelassen werden. Der gebildete Sauerstoff kann auch vorteilhaft in einer Brennstoffzelle oder einem Stromgenerator 4, z.B. einem Gasturbinenstromgenerator oder einem Verbrennungsmotorstromgenerator, der Müllverbrennungsanlage 100 für eine Verbrennung von Wasserstoff zur Stromerzeugung verwendet werden. Hierfür weist die Müllverbrennungsanlage 100 eine Wasserstoff -Zuführleitung 8 auf, die einen weiteren Auslass der Abgasspaltungskammer 3 mit der Brennstoffzelle bzw. dem Stromgenerator 4 verbindet. Der erzeugte Strom kann über eine Leitung an die Heizvorrichtung 9 weitergeleitet werden, die hier als Lichtbogenheizung ausgebildet ist.When the
Energetisch gesehen wird bei der Verbrennung von Kohlenstoff die gleiche Energiemenge freigesetzt, die später für die Spaltung von COz benötigt wird, und für die thermische Spaltung von Wasser wird Energie verbraucht. Um die Energie-Balance zu erhalten, ist es möglich verschiedene Müllarten so zu kombinieren, dass freigesetzter Wasserstoff in einer Menge erzeugt wird, die für die Erzeugung der benötigen Energie ausreicht. Kunststoffe, z.B., haben einen vergleichsweise hohen Anteil von Wasserstoff und keinen oder nur sehr wenig Sauerstoff. Durch Zugabe von Plastikmüll zu Bioabfall ist es daher möglich eine bestimmte Energie-Balance zu erhalten. Ansonsten könnte zusätzlich auch externe Energie, z.B. aus erneuerbaren Stromquellen, verwendet werden.In terms of energy, the combustion of carbon releases the same amount of energy as is later required for the splitting of CO2, and energy is used for the thermal splitting of water. In order to maintain the energy balance, it is possible to combine different types of waste in such a way that the released hydrogen is produced in an amount that is sufficient to generate the required energy. Plastics, for example, have a comparatively high proportion of hydrogen and no or very little oxygen. By adding plastic waste to organic waste, it is therefore possible to maintain a certain energy balance. Otherwise, external energy, e.g. from renewable power sources, could also be used.
Mit der Müllverbrennungsanlage 100 kann eine COz-freie Müllverbrennung von Abfall wie folgt erreicht werden. Zunächst wird Abfall 1 in die Brennkammer 2 eingeführt. Der Abfall 1 kann dann unter Zufuhr von Sauerstoff verbrannt werden. Die dabei entstehenden heißen Rauchgase werden als Abgas 5 in die Abgasspaltungskammer 3 eingeführt. Das heiße Abgas 5 besteht in der Regel hauptsächlich aus COz und HzO. Unter Zugabe von zusätzlicher thermischen Energie, z.B. durch die Lichtbogenheizung 9, wird bei hohen Temperaturen von mindestens 3000 °C CO2 und H2O in Oz, H2 und festen Kohlenstoff zerlegt. Das Gasprodukt Oz kann durch einen Auslass durch die Brennkammer-Rückführleitung 7 zurück in die Brennkammer 2 geführt werden. Das Gasprodukt H2 kann durch einen weiteren separaten Auslass durch die Wasserstoff-Zuführleitung 8 zu der Brennstoffzelle bzw. dem Stromgenerator 4 abgeführt werden. Der gebildete Wasserstoff kann dann als Energiequelle, z.B. in der Brennstoffzelle/dem Stromgenerator 4, zur Erzeugung von zusätzlicher thermischen Energie in der Abgasspaltungskammer 3 verwendet werden. Der feste Kohlenstoff kann wiederum durch einen weiteren separaten Auslass 10 entnommen und entfernt werden. Entsprechend kann gebildeter Sauerstoff in dem Kreislauf gehalten und in die Brennkammer 2 zurückgeführt werden. Nicht zerlegtes Kohlenstoffdioxid wird durch die Abgasspaltungskammer-Rückführleitung 6 durch den Einlass der Abgasspaltungskammer 3 wieder in die Abgasspaltungskammer 3 eingeführt. Weiterhin können bei der Verbrennung des Abfalls 1 entstehende Schlacke 11 aus der Brennkammer 2 entfernt werden.With the
Aufgrund der im Betrieb der Müllverbrennungsanlage 300 erzeugten hohen Temperaturen in der Abgasspaltungskammer 3 ist es möglich, dass viele hochtoxische Stoffe in elementare, ungefährliche Bestandteile zerlegt werden. Einige Abfallarten können jedoch Schadstoffe wie Chlor und Fluor erhalten, die nicht in die Umwelt gelandet werden dürfen. Mit der Müllverbrennungsanlage 300 kann schadstoffhaltiger Abfall 1 verbrannt werden, wobei Sauerstoff und die nicht-beseitigten Schadstoffe in die Reinigungsanlage 12 abgeführt und in der Reinigungsanlage 12 nach bekannten Verfahren, z.B. durch Sorptionsmittel, behandelt werden. Beispielweise können die Schadstoffe zusammen mit Sauerstoff aus der Abgasspaltungskammer 3 abgeführt werden. Der gereinigte Sauerstoff kann dann über die Brennkammer-Rückführleitung 7 in die Brennkammer 2 und somit dem Kreislauf wieder zugeführt werden. Die behandelten Schadstoffe können separat aus einem Auslass 14 der Reinigungsvorrichtung 12 abgeführt werden.Due to the high temperatures generated in the exhaust
Die Müllverbrennungsanlage 400 kann somit neben der thermischen Abfallbehandlung auch zur Minderung eines COz-Ausstoßes bei externen industriellen Prozessen verwendet werden. Beispielweise haben viele Kunststoffe einen sehr hohen Wasserstoffgehalt und keinen oder nur sehr wenig Sauerstoff. Die vielverwendeten Polymere wie Polyethylen (C2H4)n und Polypropylen (C3H6)n enthalten auf ein Kohlenstoffatom zwei Wasserstoffatome. Bei der Verbrennung dieser Polymere beträgt der Heizwert typischerweise mehr als 46 MJ/kg. Für Kohlenstoff liegt dieser Wert typischerweise bei ca. 30 MJ/kg. Die Energiedifferenz wird mit der Müllverbrennungsanlage 400 im erzeugten Wasserstoff erhalten. Dieser überschüssige Wasserstoff kann als Energiequelle für die Spaltung von zusätzlichen Mengen von Kohlenstoffdioxid verwendet werden, der über die Abgasspaltungskammer-Zuführleitung 15 in die Abgasspaltungskammer 3 eingeführt werden kann. Die eingeführten zusätzlichen Mengen von Kohlenstoffdioxid können z.B. aus einem Kohle- oder Gaskraftwerk stammen. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung der Müllverbrennungsanlage 400 in Kombination mit der Stahlindustrie, weil der entstehende Kohlenstoff gleich als Reduktionsmittel bei der Produktion von Stahl benutzt werden kann. Wenn die Müllverbrennungsanlage 400 auf diese Weise zusammen mit der Stahlindustrie verwendet werden soll, kann es vorteilhaft sein, wenn der Abfall vorher sortiert wird, damit der zu verbrennende Abfall einen möglichst hohen Anteil an Kunststoffen aufweist.The
Die
Bei der Verbrennung des Abfalls entstehende Rauchgase können als Abgas durch ein Rohrstück 505, z.B. ein Edelstahl- bzw. Quarzrohr oder ein hitzebeständiges Keramikrohr, in eine Abgasspaltungskammer 506 der Müllverbrennungsanlage 500 abgeführt werden. Dafür ist das Rohrstück mit einer Einlassseite 501 der Abgasspaltungskammer 506 fluidleitend verbunden. In der Abgasspaltungskammer 506 werden die Abgase mit einer Heizvorrichtung auf mindestens 3000 °C erhitzt, so dass in den Abgasen enthaltenes COz und H2O wenigstens teilweise in die Bestandteile CO, O2 und H2 aufgespalten wird. Weiterhin ist in der Abgasspaltungskammer 506 ein Laufrad mit Schaufeln (nicht gezeigt) angeordnet. Das Laufrad kann in der Abgasspaltungskammer 506 um eine Drehachse rotiert werden. Dadurch wird das Abgas ebenfalls in der Abgasspaltungskammer506 in Rotation versetzt. Aufgrund der unterschiedlichen Molekularmassen werden die aufgespaltenen Bestandteilen des Abgases und, falls, vorhanden, auch nicht-aufgespaltene Gase durch wirken der Zentrifugalkraft in Schichten voneinander separiert. Dabei wird der leichteste Stoff ins Drehzentrum und die übrigen Stoffe in der Reihenfolge ihrer Molekularmassen schichtweise immer mehr in Richtung der Kammerwand verdrängt.Flue gases produced during the incineration of the waste can be discharged as exhaust gas through a
Auf einer Auslassseite 503 der Abgasspaltungskammer 506 befinden sich drei Auslässe 508, 510, 512. Der Auslass 508 ist über eine Abgasspaltungskammer-Rückführleitung 514 mit der Abgasspaltungskammer 506 verbunden. Der Auslass 508 ist nahe der Kammerwand der Abgasspaltungskammer 506 angeordnet, so dass durch diesen COz als schweres Gasprodukt entnommen werden kann. Das nicht aufgespaltene COz kann so durch die Abgasspaltungskammer-Rückführleitung 514 wieder zurück in die Abgasspaltungskammer 506 geführt werden, um dann wieder erneut mittels der Heizvorrichtung auf mindestens 3000 °C aufgeheizt zu werden. Das Rohrstück 505 kann auch doppelwandig ausgestaltet sein. In diesem Fall ist es bevorzugt, wenn die Abgasspaltungskammer-Rückführleitung 514 fluidleitend mit dem Zwischenraum zwischen den Wänden des doppelwandigen Rohrstücks verbunden ist, so dass rückgeführtes COz in den Zwischenraum strömen kann, um so die innere Wand des Rohrs durch vergleichsweise kälteres COz zu kühlen. Dies kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn die Abgase aus der Brennkammer 502 sehr heiß sind, wenn sie durch das Rohrstück 505 in die Abgasspaltungskammer 506 strömen. Beispielsweise können Abgase eine Temperatur von 2000 °C oder mehr haben. Durch kühlen des Rohrstücks 505 kann eine Überhitzung des Rohrstücks 505 effektiv vermieden werden. Bevorzugt weißt das doppelwandige Rohrstück eine Öffnung auf, die den Zwischenraum mit dem Innenraum des Rohrstücks verbindet, so dass rückgeführtes COz aus dem Zwischenraum in den Innenraum des Rohrstücks und dann erneut in die Abgasspaltungskammer 506 strömen kann.There are three
Zum Absaugen des nicht-aufgespaltenen COz weist die Abgasspaltungskammer-Rückführleitung 514 eine erste Pumpe 516 auf. Im Zentrum der Auslassseite 503 befindet sich den zweiter Auslass 510. Durch diesen Auslass 510 kann über eine Brennstoffzellen- bzw. Stromgenerator-Zuführleitung 518 der leichteste Stoff, also insbesondere H2, zu einer Brennstoffzelle oder einen Stromgenerator 520 geführt werden, um dort aus dem Wasserstoff mit der Brennstoffzelle oder dem Stromgenerator 520 Strom zu erzeugen. Zum Absaugen von H2 weist die Brennstoffzellen- bzw. Stromgenerator-Zuführleitung 518 eine zweite Pumpe 519 auf. Der erzeugte Strom wird über eine elektrische Leitung 522 zu der Heizvorrichtung geleitet, und dazu verwendet, das Abgas auf 3000 °C oder mehr zu erhitzen.The exhaust gas splitting
In einem radialen Abstand, der zwischen dem Abstand des ersten Auslasses 508 und des zweiten Auslasses 510 liegt, befindet sich der dritte Auslass 512. Durch diesen dritten Auslass 512 kann z.B. Oz aus der Abgasspaltungskammer 506 entnommen werden, in dem dieser mittels einer dritten Pumpe 524 aus der Abgasspaltungskammer 506 abgesaugt wird. Das abgesaugte Oz kann dann mittels einer Brennkammer-Rückführleitung 526 zurück in die Brennkammer 502 abgeführt werden, damit die Effizienz der Verbrennung des Abfalls erhöht werden kann.The
Die
Beispielsweise zeigt
Hingegen zeigt
Die mit Bezug auf die
In dem Verfahren wird zunächst eine Brennkammer der Müllverbrennungsanlage mit Abfall befüllt (Schritt S1). Die Brennkammer wird dann mit einem Gas mit wenigstens 30 % Sauerstoff befüllt (Schritt S2), das aus einer externen Quelle stammt. Die Brennkammer kann beispielweise über eine Brennkammer-Zuführleitung mit einer Sauerstoffquelle verbunden sein, die ein Gas mit wenigstens 30 % Sauerstoff enthält. Anschließend wird der Abfall in dem konzertierten Sauerstoff mit einem Brenner verbrannt (Schritt S3). Beim Verbrennen des Abfalls entstehen Rauchgase als Abgas, die in eine Abgasspaltungskammer abgeführt werden (Schritt S4). Die Abgase enthalten insbesondere COz und HzO. In der Abgasspaltungskammer werden die Abgase mit einer Heizvorrichtung der Abgasspaltungsvorrichtung der Müllverbrennungsanlage erhitzt (Schritt S5). Das Erhitzen kann beispielsweise mit einer Lichtbogenheizung oder mit einem Mikrowellen-Plasmabrenner oder durch Verbrennen von Wasserstoff mit einem Gasbrenner erfolgen. Mit diesen Methoden lässt sich das Abgas auf mindestens 3000 °C erhitzen, so dass die chemischen Verbindungen COz und H2O wenigstens teilweise in mehrere Bestandteile aufgespalten werden, insbesondere in die Gasprodukte Oz, CO und H2 sowie in festen Kohlenstoff. Vorzugsweise zeitgleich mit dem Erhitzen der Abgase wird eine auf das Abgas und die aufgespaltenen Bestandteile eine wirkende Zentrifugalkraft erzeugt (Schritt S6), so dass sich die aufgespaltenen Bestandteile und, falls vorhanden, auch ein nicht-aufgespaltener Rest der chemischen Verbindung, aufgrund ihrer unterschiedlichen Molekularmassen innerhalb der Abgasspaltungskammer räumlich voneinander getrennt werden.In the method, a combustion chamber of the waste incineration plant is first filled with waste (step S1). The combustion chamber is then filled with a gas with at least 30% oxygen (step S2) that comes from an external source. The combustion chamber can be connected, for example, to an oxygen source that contains a gas with at least 30% oxygen via a combustion chamber supply line. The waste is then burned in the concentrated oxygen using a burner (step S3). When the waste is burned, flue gases are produced as exhaust gases, which are discharged into an exhaust gas splitting chamber (step S4). The exhaust gases contain in particular CO2 and H2O. In the exhaust gas splitting chamber, the exhaust gases are heated using a heating device of the exhaust gas splitting device of the waste incineration plant (step S5). Heating can be done, for example, using an arc heater or a microwave plasma burner or by burning hydrogen using a gas burner. With these methods, the exhaust gas can be heated to at least 3000 °C, so that the chemical compounds CO2 and H 2 O are at least partially split into several components, in particular into the gas products O2, CO and H 2 and into solid carbon. Preferably at the same time as the exhaust gases are heated, a centrifugal force acting on the exhaust gas and the split components is generated (step S6), so that the split components and, if present, also a non-split remainder of the chemical compound are spatially separated from one another within the exhaust gas splitting chamber due to their different molecular masses.
Insbesondere aufgrund der wirkenden Zentrifugalkraft erfahren das in Rotation versetzte Abgas und die aufgespaltenen Bestandteile eine Trennung von kälteren bzw. schwereren Gasschichten und heißeren bzw. leichteren Gasschichten. Dadurch erfolgt eine Verdrängung des heißeren bzw. leichteren Gases in das Drehzentrum der Abgasspaltungskammer und des kälteren bzw. schwereren Gases in Richtung Kammerwand. In der Nähe der Kammerwand bildet sich dabei eine wärmeisolierende Gasschicht aus. In dem Drehzentrum der Abgasspaltungskammer werden hingegen hohe Temperaturen von über 3000 °C erzeugt, die für die COz-Spaltung benötigt werden. Bei solchen hohen Temperaturen von mindestens 3000 °C werden COz-Moleküle in festen Kohlenstoff, O2 und CO sowie H2O-Moleküle in H2 und O2 gespalten. Diese Bestandteile werden durch das Wirken der Zentrifugalkraft auf die Gase nach ihren Molekularmassen getrennt (Schritt S7). Der leichteste Bestandteil, H2, sammelt sich im Drehzentrum. In Schichten darum angeordnet folgen Wasserdampf, CO und Oz, und der schwerste Bestandteil, COz, wird hin zur Kammerwand verdrängt. Durch verschiedenen chemische Reaktionen wird CO innerhalb der Abgasspaltungskammer wenigstens teilweise wieder zu COz umgewandelt. Die räumlich innerhalb der Abgasspaltungskammer getrennten Gase können dann separat aus der Abgasspaltungskammer abgeführt werden. In dem Verfahren wird dann der nicht-aufgespaltene Rest der chemischen Verbindung, insbesondere von CO2, wenigstens teilweise von einem Auslass der Abgasspaltungskammer zu einem Einlass der Abgasspaltungskammer zurückgeführt (Schritt S8). Der nicht-aufgespaltene Rest der chemischen Verbindung strömt dann erneut in die Abgasspaltungskammer ein und wird erneut auf mindestens 3000 °C erhitzt. Kohlenstoffdioxid befindet sich im Kreislauf und wird immer wieder durch die Hochtemperaturzone der Abgasspaltungskammer durchgeführt, bis er vollständig in O2 und festen Kohlenstoff zerlegt ist.In particular, due to the centrifugal force acting, the rotating exhaust gas and the split components are separated into colder or heavier gas layers and hotter or lighter gas layers. This causes the hotter or lighter gas to be displaced into the center of rotation of the exhaust gas splitting chamber and the colder or heavier gas towards the chamber wall. A heat-insulating gas layer is formed near the chamber wall. In the center of rotation of the exhaust gas splitting chamber, on the other hand, high temperatures of over 3000 °C are generated, which are required for the CO2 splitting. At such high temperatures of at least 3000 °C, CO2 molecules are split into solid carbon, O 2 and CO and H 2 O molecules are split into H 2 and O 2. These components are separated according to their molecular masses by the action of the centrifugal force on the gases (step S7). The lightest component, H 2 , collects in the center of rotation. Arranged in layers around it, water vapor, CO and O2 follow, and the heaviest component, CO2, is displaced towards the chamber wall. Through various chemical reactions, CO is at least partially converted back to CO2 within the exhaust gas splitting chamber. The spatially within The gases separated in the exhaust gas splitting chamber can then be separately discharged from the exhaust gas splitting chamber. In the process, the non-split remainder of the chemical compound, in particular CO 2 , is then at least partially returned from an outlet of the exhaust gas splitting chamber to an inlet of the exhaust gas splitting chamber (step S8). The non-split remainder of the chemical compound then flows into the exhaust gas splitting chamber again and is heated again to at least 3000 °C. Carbon dioxide is in the circuit and is repeatedly passed through the high-temperature zone of the exhaust gas splitting chamber until it is completely broken down into O 2 and solid carbon.
Aus der Abgasspaltungskammer wird weiterhin O2 entnommen und wieder der Brennkammer zugeführt (Schritt S9). Der Sauerstoffgehalt in der Brennkammer kann dann im Laufe der Zeit erhöht werden. Zusätzlich oder alternativ kann der gebildete Sauerstoff in einer Brennstoffzelle oder einem Stromgenerator bzw. einem Gasbrenner für eine Verbrennung von Wasserstoff verwendet werden. Weiterhin kann aus der Abgasspaltungskammer H2 zur Erzeugung von thermischer Energie verwendet werden. Beispielsweise kann der entnommene Wasserstoff mit einem Gasbrenner verbrennt oder zur Stromerzeugung mir einer Brennstoffzelle oder einem Stromgenerator verwendet werden. Der so erzeugte Strom kann zum Betreiben der Heizvorrichtung und somit zur Erzeugung thermischer Energie in der Abgasspaltungskammer zum Erhitzen der Abgase verwendet werden.O 2 is also removed from the exhaust gas splitting chamber and fed back into the combustion chamber (step S9). The oxygen content in the combustion chamber can then be increased over time. Additionally or alternatively, the oxygen formed can be used in a fuel cell or a power generator or a gas burner to burn hydrogen. Furthermore, H 2 from the exhaust gas splitting chamber can be used to generate thermal energy. For example, the hydrogen removed can be burned with a gas burner or used to generate electricity with a fuel cell or a power generator. The electricity generated in this way can be used to operate the heating device and thus to generate thermal energy in the exhaust gas splitting chamber to heat the exhaust gases.
Untersuchung der Lufttemperaturverteilung in der mit verschiedenen Drehzahlen drehenden rohrförmigen Kammer 1701. Die Temperatur soll mittels der acht Thermoelemente Typ K 1706 im Inneren der Kammer 1701 und mit dem Platin-Widerstand an der Kammerwand gemessen und die Messwerte mit einem kontaktlosen Datenerfassungssystem an den PC 1708 übertragen werden.Investigation of the air temperature distribution in the
In der Kammer 1701 wird ein Quarzrohr 1705 eingeführt und durch dieses Quarzrohr 1705 wird mittels eines Gasbrenners 1704 die Luft in der Kammer 1701 erhitzt. Die Kammer 1701 wird dabei mit dem Motor 1702 in eine Drehbewegung gebracht. Die Drehzahl des Motors 1702 wird durch den Frequenzumrichter 1703 bestimmt. Im Laufe des Experiments wird die Drehzahl stufenweise erhöht. Die Temperatur in der Kammer 1701 wird mit Thermoelementen 1706 gemessen und mittels digitales Messsystem 1707 an den PC 1708 übertragen.A
- Stoffe: Gasgemisch 30% Propan, 70% ButanSubstances: Gas mixture 30% propane, 70% butane
- Messgeräte: Digitales Datenerfassungssystem und PCMeasuring instruments: Digital data acquisition system and PC
Die Messdaten wurden von acht Thermoelementen Typ K 1706, die in verschiedenen Entfernungen von der Kammerwand (von 5 mm bis 90 mm) platziert sind, und einem Platin-Widerstand an der Wand drahtlos an den PC übertragen und mithilfe eines Datenerfassungsprogramm ausgewertet. Die Drehzahl wurde stufenweise auf 74, 155, 245, 275, 400 und 575 Umdrehungen pro Minute eingestellt, Linie 1802.The measurement data were transmitted wirelessly to the PC from eight
Bei dem Versuch wurden bei verschiedenen Drehzahlen von ca. 74 U/min bis 575 U/min und einfacher Heizung mittels eines Gasbrenners 1704 die Temperaturdaten mit acht Thermoelementen Typ K 1706 im Inneren der Kammer 1701 erfasst und mithilfe des kontaktlosen Datenerfassungssystems an den PC 1708 übertragen. Es wurde ein erwarteter Zusammenhang zwischen Drehzahl und Verteilung der Temperaturen in der Kammer 1701 festgestellt.In the test, at various speeds from approximately 74 rpm to 575 rpm and simple heating by means of a
Hierbei repräsentiert die Kurve 1804 den bei einem Abstand von 5 mm von der Kammerwand gemessenen Temperaturverlauf über eine Zeitdauer von ca. 13 Minuten, die Kurve 1806 den bei einem Abstand von 17 mm von der Kammerwand gemessenen Temperaturverlauf über eine Zeitdauer von ca. 13 Minuten, die Kurve 1808 den bei einem Abstand von 29 mm von der Kammerwand gemessenen Temperaturverlauf über eine Zeitdauer von ca. 13 Minuten, die Kurve 1810 den bei einem Abstand von 42 mm von der Kammerwand gemessenen Temperaturverlauf über eine Zeitdauer von ca. 13 Minuten, die Kurve 1812 den bei einem Abstand von 54 mm von der Kammerwand gemessenen Temperaturverlauf über eine Zeitdauer von ca. 13 Minuten, die Kurve 1814 den bei einem Abstand von 66 mm von der Kammerwand gemessenen Temperaturverlauf über eine Zeitdauer von ca. 13 Minuten, die Kurve 1816 den bei einem Abstand von 78 mm von der Kammerwand gemessenen Temperaturverlauf über eine Zeitdauer von ca. 13 Minuten und die Kurve 1818 den bei einem Abstand von 90 mm von der Kammerwand gemessenen Temperaturverlauf über eine Zeitdauer von ca. 13 Minuten. Die Kurve 1820 repräsentiert den an der Kammerwand gemessenen Temperaturverlauf über eine Zeitdauer von ca. 13 Minuten.Here,
Abgase aus der Brennkammer 1900 können über ein Rohrstück 1906 in die erste Abgasspaltungskammer 1902 einer ersten Abgasspaltungsvorrichtung strömen. In der ersten Abgasspaltungskammer 1902 kann das Abgas mit einer ersten Heizvorrichtung auf 3000 °C oder mehr erhitzt werden, so dass eine in dem Abgas enthaltene chemische Verbindung wenigstens teilweise in einen ersten Bestandteil und in einen zweiten Bestandteil aufgespalten werden kann. Ein nicht-aufgespaltener Rest der chemischen Verbindung kann wenigstens teilweise über eine erste Abgasspaltungskammer-Rückführleitung 1908 von einem ersten Auslass der Abgasspaltungskammer 1902 zu dem Einlass der Abgasspaltungskammer 1902 weitergeführt werden, um dann erneut in die Abgasspaltungskammer 1902 zu strömen. Über eine zweite Abgasspaltungskammer-Rückführleitung 1910 kann ein nicht-aufgespaltener Rest der chemischen Verbindung wenigstens teilweise in die zweite Abgasspaltungskammer 1904 einer zweiten Abgasspaltungsvorrichtung strömen. Die zweite Abgasspaltungsvorrichtung weist eine zweite Heizvorrichtung auf, mit welcher der nicht-aufgespaltener Rest der chemischen Verbindung auf 3000 °C oder mehr erhitzt werden kann, so dass die nicht-aufgespaltene chemische Verbindung wiederum wenigstens teilweise in einen ersten Bestandteil und in einen zweiten Bestandteil aufgespalten werden kann. Optional kann ein nicht-aufgespaltener Rest der chemischen Verbindung aus der zweite Abgasspaltungskammer 1904 erneut über eine nicht-dargestellte dritte Abgasspaltungskammer-Rückführleitung erneut in die zweite Abgasspaltungskammer 1904 abgeführt werden. Es ist auch möglich, dass sich an die zweite Abgasspaltungskammer 1904 eine nicht-dargestellte dritte Abgasspaltungskammer einer dritten Abgasspaltungsvorrichtung anschließt, in die ein nicht-aufgespaltener Rest der chemischen Verbindung aus der zweite Abgasspaltungskammer 1904 abgeführt werden kann.Exhaust gases from the
Die erste Abgasspaltungskammern 2102 ist über ein erstes Rohrstück 2106 mit der Brennkammer 2100 fluidleitend verbunden, so dass Abgas aus der Brennkammer 2100 in die erste Abgasspaltungskammern 2102 eingeleitet werden kann. Die zweite Abgasspaltungskammern 2104 ist über ein zweites Rohrstück 2108 mit der Brennkammer 2100 fluidleitend verbunden, so dass Abgas aus der Brennkammer 2100 in die zweite Abgasspaltungskammern 2104 eingeleitet werden kann. Durch das erste und das zweite Rohrstück 2106, 2108 kann unabhängig voneinander Abgas in die erste Abgasspaltungskammern 2102 bzw. die zweite Abgasspaltungskammern 2104 eingeführt werden. Daher ist es auch möglich, im Betrieb der Müllverbrennungsanlage nur eine der beiden Abgasspaltungskammern 2102, 2104 zu nutzen und das Rohrstück der anderen Abgasspaltungskammer der Abgasspaltungskammern 2102, 2104 zu verschließen, z.B. mit einem Ventil. Aus derjenigen der beiden Abgasspaltungskammern 2102, 2104, die gerade nicht in Betrieb ist, kann beispielsweise fester Kohlenstoff entnommen werden.The first exhaust
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| EP23176120.6A Pending EP4471332A1 (en) | 2023-05-30 | 2023-05-30 | Waste incineration plant and method for incineration of waste |
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Citations (6)
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|---|---|---|---|---|
| JP2000346323A (en) * | 1999-06-04 | 2000-12-15 | Seiichi Morita | Method and system for reforming incineration gas of refuse |
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-
2023
- 2023-05-30 EP EP23176120.6A patent/EP4471332A1/en active Pending
-
2024
- 2024-04-12 WO PCT/EP2024/059962 patent/WO2024245632A1/en active Pending
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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Also Published As
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