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WO2003004942A1 - Reaktor zur nutzung von solarer strahlungswärme - Google Patents

Reaktor zur nutzung von solarer strahlungswärme Download PDF

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WO2003004942A1
WO2003004942A1 PCT/CH2002/000361 CH0200361W WO03004942A1 WO 2003004942 A1 WO2003004942 A1 WO 2003004942A1 CH 0200361 W CH0200361 W CH 0200361W WO 03004942 A1 WO03004942 A1 WO 03004942A1
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Definitions

  • the invention has for its object to provide a reactor of the type mentioned, which is even better suited for the use of solar radiant heat for thermal and thermochemical processes of different substances and in particular for a flat treatment of such substances.
  • the absorber is a volumetric black-body absorber which is arranged in a stove and which brings heat into the stove with a rear side.
  • the blackbody absorber is heated by solar energy and the heat is radiated into the hearth via a rear side.
  • the heat can be dissipated indirectly onto the material to be treated over a much larger area than before.
  • the reactor according to the invention is particularly suitable for the treatment of various types of dusts. Volatile elements, such as zinc or lead, can also be evaporated particularly effectively.
  • FIG. 1 shows schematically a section through an inventive reactor
  • the material C to be treated is introduced into the space 117 via a loading device 16.
  • the absorber 102 and the carrier 104 connected to it are continuously rotated about the axis A by the drive 7. If necessary, the cooker 109 can also rotate at the same time.
  • the material C introduced into the space 117 from above is conveyed downward by the transport screw 105 and comes into the area of a rear side 126 of the absorber 102 and is thus exposed to the radiant heat of the absorber 102. Above this area, the material C is exposed to the radiant heat of the carrier 104, which is, however, significantly lower than that in the lower area mentioned above.
  • pyrolysis is carried out at 500-600 ° C.
  • material C is melted, for example. Molten material C reaches the retraction table 113, which is slowly withdrawn downwards in accordance with the accumulation of molten material.

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Abstract

Der Reaktor dient zur Nutzung von solarer Strahlungswärme für thermische oder thermochemische Prozesse. Er weist ein Reaktorgehäuse (1, 101) mit einer Öffnung (2a, 125) für den Eintritt von Solarstrahlung in das Reaktorgehäuse (1, 101), einen Reaktionsraum (13, 117) und einen volumetrischen Absorber (2, 102) auf, der an einer Frontseite (2b, 102b) von der Solarstrahlung aufgeheizt wird und Wärme in den Reaktionsraum (13, 117) abgibt. Der Absorber (2, 102) ist ein Schwarzkörper-Absorber, der in einem Herd (4, 109) angeordnet ist und der mit einer Rückseite (2c, 126) Wärme in den Herd (4, 109) einbringt. Der Reaktor hat insbesondere den Vorteil, dass die Wärme über eine wesentlich grössere Fläche als bisher indirekt auf das zu behandelnde Gut abgegeben werden kann.

Description

Reaktor zur Nutzung von solarer Strahlungswärme
Die Erfindung betrifft einen Reaktor zur Nutzung von solarer Strahlungswärme für thermische oder thermochemische Prozesse, mit einem Reaktorgehäuse, einer Öffnung für den Eintritt von Solarstrahlung in das Reaktorgehäuse, einem Reaktionsraum und einem Absorber, der von der Solarenergie an einer Frontseite aufgeheizt wird und Wärme in den Reaktionsraum abgibt.
Ein Reaktor dieser Art ist im Stand der Technik aus der US 4,706,651 bekannt geworden. Dieser weist eine stationäre Kammer auf, in welche durch eine Rückwand festes Material zugeführt wird, das in der Kammer eine Reaktion unterworfen wird. Gegenüber dieser Rückwand ist ein Fenster angeordnet, durch welches Solarstrahlung in die Kammer eingebracht wird. Unterhalb einer oberen horizontalen Wandung des Reaktorgehäuses ist ein Absorber angeordnet, der als endloses Band ausgebildet ist und der mit reflektierenden Teilen versehen ist. Die durch das Fenster in den Reaktionsraum eingestrahlte Energie wird an diesem Band reflektiert und nach unten zum eingebrachten festen Material reflektiert. Dieses Material wird mit einem Schraubenförderer transportiert und hierbei erwärmt. Das Material wird während der Bestrahlung von einer Förderschraube transportiert. Nach der Wärmebehandlung wird das Material im Bereich des Fensters ausgetragen.
Die US 4,432,344 offenbart einen Reaktor, der insbesondere zur thermochemischen und thermischen Behandlung von organischem Material mittels Solarenergie vorgesehen ist. Die Reaktionskammer ist bei diesem Reaktor ein Rohr, in das Solarenergie einge- strahlt wird und in welchem durch ein seitliches Fenster mittels eines Spiegels Solarenergie eingebracht wird. Es wird hierbei auch auf die ähnliche US 4,549,528 verwiesen.
Die US 5,421,322 offenbart einen Solarempfänger, welcher zur Gewinnung von Energie vorgesehen ist. Die Solarstrahlung wird durch ein Fenster gegen einen rotierenden Reflektor eingebracht und durch diesen Reflektor gegen einen Absorber umgelenkt. Der Absorber befindet sich in einer Kammer, in welcher eine zu wärmende Flüssigkeit zirkuliert. Die Vorrichtung ist kein Reaktor.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Reaktor der genannten Art zu schaffen, der sich zur Nutzung von solarer Strahlungswärme für thermische und thermochemische Prozesse verschiedener Stoffe und insbesondere für eine flächige Behandlung solcher Stoffe noch besser eignet.
Die Aufgabe ist beim erfindungsgemässen Reaktor dadurch gelöst, dass der Absorber ein volumetrischer Schwarzkörper-Absorber ist, der in einem Herd angeordnet ist und der mit einer Rückseite Wärme in den Herd einbringt. Beim erfindungsgemässen Reaktor wird der Schwarzkörper-Absorber durch Solarenergie aufgeheizt und die Wärme wird über eine Rückseite in den Herd eingestrahlt. Dadurch kann die Wärme über eine wesentlich grössere Fläche als bisher indirekt auf das zu behandelnde Gut abgegeben werden. Der erfindungsgemässe Reaktor eignet sich insbesondere für die Behandlung von Stäuben verschiedenster Art. Es lassen sich auch besonders wirksam volatile Elemente, wie beispielsweise Zink oder Blei abdampfen. Es können auch brennbare Stoffe, beispielsweise Schredder-Rückstände pyrolisiert, als Pyrokoks ausgetragen und einer Weiterbehandlung, beispielsweise in einem Heisszyklon zugeführt werden. Der erfindungsgemässe Reaktor eignet sich insbesondere zur Entsorgung von Haushaltsbatterien, deren organische Bestandteile in einem Strahlungsraum des Reaktors thermisch zersetzt werden.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist der Absorber im wesentlichen als einseitig offener Rotationskörper ausgebildet. Dadurch kann eine vergleichsweise grosse Rückseite gebildet werden, welche grossflächig in den Herd abstrahlt. Vorzugsweise ist der Herd ebenfalls im wesentlichen als einseitig offener Rotationskörper ausgebildet. Dadurch kann ein im Achsialschnitt etwa u-förmiger Strahlungs- beziehungsweise Reaktionsraum gebildet werden, in welchem das behandelte Material erwärmt wird. Vorzugsweise ist der Absorber im Querschnitt im wesentlichen u- förmig ausgebildet. Besonders geeignete Bedingungen ergeben sich dann, wenn der Absorber und/oder der Herd rotierbar angetrieben sind.
Der Reaktor eignet sich dann besonders zur Behandlung von gebrauchten Haushaltsbatterien, wenn gemäss einer Weiterbildung der Erfindung, der Absorber mit einer beheizten Transportschraube versehen ist, über der während des Transportes die organischen Bestandteile der Haushaltsbatterien thermisch zersetzt werden. In einem nach der Transportschraube angeordneten Strahlungsraum werden die metallischen Bestandteile der Haushaltsbatterien aufgeschmolzen.
Weitere vorteilhafte Merkmale ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie der Zeichnung.
Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 schematisch einen Schnitt durch einen erfindungsgemässen Reaktor und
Fig. 2 schematisch einen Schnitt durch eine Variante des erfindungsgemässen Reaktors.
Der Reaktor gemäss Fig. 1 weist ein Reaktorgehäuse 1 auf, in das von der Oberseite her ein Absorber 2 eingesetzt ist, der an einem Träger la dichtsitzend gelagert ist und der eine obere Öffnung 2a aufweist, die von einem lichtdurchlässigen Fenster 3 abgedeckt ist. Der Absorber 2 ist ein Schwarzkörper-Absorber und weist eine Frontseite 2b sowie eine Rückweite 2c auf. Er ist aus einem hochschmelzenden Werkstoff, vorzugsweise aus Graphit hergestellt. Im Radialschnitt ist der Absorber 2, wie ersichtlich, u-förmig, wobei die Einstrahlöffnung 2a oben ist. Der Absorber 2 strahlt mit seiner Aussenseite 2c in einen Herd 4, der ebenfalls im Reaktorgehäuse 1 gelagert ist und der vorzugsweise innenseitig mit einer Refraktur 5 ausgekleidet ist. Die Refraktur 5 ist aus einem wärmedämmenden Werkstoff, beispielsweise Schamotte hergestellt. Der Herd 4 ist an einer am Reaktorgehäuse 1 befestigten Abstützung 10 mit einem Drehlager 9 drehbar gelagert. Mittels eines Antriebs 11, beispielsweise eines Motors, kann der Herd 4 um eine Achse A gedreht werden. In einem Bodenbereich 4a weist der Herd 4 einen Materialausgang 6 auf, der einen Drehschieber 7 aufweist. Durch Ausfahren und Kippen dieses Drehschiebers 7 kann Material B in ein Auffanggefäss 8 gefördert werden. Das Material B befindet sich in einem im Schnitt ebenfalls etwas u-förmigen Raum, der zwischen dem Herd 4 und dem Absorber 2 angeordnet ist.
Das Material B wird zu seiner Behandlung mittels einer Beschik- kungseinrichtung 12, die beispielsweise eine hier nicht gezeigte Förderschnecke aufweist, in den Raum 13 eingebracht. Das. Material B bewegt sich infolge seiner Schwerkraft im Raum 13 von oben nach unten zum Bodenbereich 4a. Während dieser Bewegung ist das Material B der Strahlungswärme des Absorbers 2 ausgesetzt. Durch diese Strahlungswärme kommt es zur gewünschten thermischen oder thermochemisehen Reaktion im Material B. Wesentlich ist hierbei, dass der Absorber 2 mit seiner Rückseite 2c grossflächig abstrahlt und hierbei das Material B erwärmt. Das Material B ist hierbei ebenfalls der abstrahlenden Wärme der Refraktur 5 ausge- setzt.
Hat sich mit behandeltem Material B im Bodenbereich 4a eine bestimmte Schicht gebildet, so wird dieses Material B über den Ausgang 6 mittels des Drehschiebers 7 oder einer anderen geeigneten Vorrichtung ausgebracht und fällt in das Auffanggefäss 8.
Entstehen während der Behandlung des Materials B Rauchgase, so werden diese über einen Rauchgasabzug 14 weggefördert und einer geeigneten Weiterbehandlung zugeführt. Entstehen brennbare Gase, so können diese in einer hier nicht gezeigten Nachbrennkammer zur Energiegewinnung verbrannt werden. Ein Teil der heissen Gase können über eine Zuführung 15 über Düsen 16 zur Beheizung des Herdes 4 gegen diesen geleitet werden. Die während dieser Beheizung des Herdes 4 entstehenden Rauchgase werden über ein Rauchgasrohr 17 einer hier nicht gezeigten Rauchgasreinigung zugeführt. Das Beheizen des Herdes 4 mit heissen Gasen hat den Vorteil, dass auch im Fall fehlender oder zu geringer Solarstrahlung unter Benutzung separater Energiequellen der Reaktor betrieben werden kann. Der Brennraum C ist über Dichtungen 18 und 19 gegenüber dem Raum 13 und einem Austragungsraum 21 abgedichtet.
Das Material B kann organisches, anorganisches oder metallisches Material oder auch ein Gemenge oder ein Gemisch davon sein. Der Reaktor eignet sich insbesondere zur Behandlung von Stäuben ver- schiedenster Art. Insbesondere können volatile Elemente wie z.B. Zink oder Blei aus solchen Stäuben abgedampft und aus dem Rauchgas zurückgewonnen werden. Es können aber auch brennbare Stoffe, beispielsweise Schredder-Rückstände pyrolisiert und als Pyrokoks ausgetragen und einer Weiterbehandlung zugeführt werden. Beispielsweise kann eine solche Weiterbehandlung in einem Heisszyklon erfolgen.
Der in Fig. 2 gezeigte Reaktor eignet sich insbesondere für ab- rasives oder sperriges Material, bei dem die Anfangsreaktion bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen erfolgen soll, beispielsweise eine Pyrolyse bei 500°- 600° C. Der Reaktor weist ein gasdichtes Reaktorgehäuse 101 auf, in den von oben ein Absorberteil 102 eingesetzt ist, welcher einen Träger 104 aufweist, an dem der Absorber 102 drehbar gelagert ist. Eine obere Einstrahlöffnung 125 ist mit einem Fenster 103 abgedeckt. Der Absorber 102 ist in direktem Kontakt mit dem Träger 104 und beheizt diesen. Aussenseitig ist am Träger 104 eine hier lediglich angedeutete Förderschraube 105 angebracht, welche das zu behandelnde Material C in einem Raum 117 von oben nach unten fördert.
Der Absorber 102 ist mit dem Träger 125 an einem Lager 6 um die Achse A drehbar gelagert und kann mittels eines Antriebs 107 gedreht werden. Gegenüber dem Reaktorgehäuse 101 ist der Träger 125 mit einer Dichtung 8 abgedichtet.
Der Absorber 102 greift in einen Herd 109 ein, mit dem er den genannten Raum 117 bildet. Der Absorber 102 ist, wie ersichtlich, im Achsialschnitt u-förmig und dies gilt ebenfalls für den Raum 117. Der Herd 109 ist mittels einer Abstützung 115 fest mit dem Reaktorgehäuse 101 verbunden. Denkbar ist hier aber auch eine drehbare Anordnung des Herdes 109. An der Innenseite des Herdes 109 ist eine Refraktur 10 angeordnet, die sich bis in einen Bodenbereich 109a des Herdes 109 erstreckt. In diesem Bodenbereich 109a ist mittig ein Materialausgang 111 angeordnet, der einen Rückzugtisch 113 aufweist, der in einem Kokillenmantel 112 vertikal verschieblich angeordnet ist. Die Hubbewegung des Rückzugtisches 113 erfolgt mittels eines Hydraulikantriebes 114, der am Reaktorgehäuse 101 befestigt ist. Der Rückzugtisch 113 ist vorzugsweise gekühlt und wird zur Bildung einer Kokille entsprechend dem Anfall von behandeltem Material C nach unten bewegt. Solche Vorrichtungen sind in der Metallurgie beim Schmelzen von Hochleistungswerkstoffen an sich bekannt .
Das zu behandelnde Material C wird über eine Beschickungseinrichtung 16 in den Raum 117 eingebracht. Der Absorber 102 sowie der damit verbundene Träger 104 werden hierbei kontinuierlich vom Antrieb 7 um die Achse A gedreht. Gegebenenfalls kann gleichzeitig auch der Herd 109 drehen. Das von oben in den Raum 117 eingebrachte Material C wird durch die Transportschraube 105 nach unten gefördert und kommt in den Bereich einer Rückseite 126 des Absorbers 102 und wird damit der Strahlungswärme des Absorbers 102 ausgesetzt. Über diesem Bereich ist das Material C der Strahlungswärme des Trägers 104 ausgesetzt, die aber wesentlich niedriger ist, als diejenige im obgenannten unteren Bereich. Im oberen Bereich wird beispielsweise eine Pyrolyse bei 500 - 600 °C durchgeführt. Im unteren Bereich wird das Material C beispielsweise geschmolzen. Geschmolzenes Material C gelangt auf den Rückzugtisch 113, der entsprechend dem Anfall von geschmolzenen Material langsam nach unten zurückgezogen wird.
Die während der Bearbeitung des Materials C entstehenden Rauchgase werden über einen Rauchgasabzug 118 in einer hier nicht gezeigten Vorrichtung einer Weiterbehandlung zugeführt. Solche ge- eignete Rauchgasbehandlungen sind dem Fachmann bekannt. Entstehen brennbare Gase, so werden diese in einer hier nicht gezeigten Nachbrennkammer zur Energiegewinnung verbrannt. Ein Teil der hier entstehenden heissen Gase werden über eine Zuführung 119 an Düsen 120 zur Beheizung des Herdes 109 gegen diesen gerichtet. Die hierbei entstehenden Rauchgase werden über ein Rauchgasrohr 121 einer hier nicht gezeigten Vorrichtung zur Rauchgasreinigung zugeführt. Über die Düsen kann der Herd 109, im Fall fehlender oder zu geringer Solarstrahlung unter Benutzung separater Energiequellen aufgeheizt werden. Um den Raum 117 und eine Austragkammer 127 vor heissen Brenngasen zu schützen, ist der Brennraum 128 nach aussen über Dichtungen 122 und 123 abgedichtet. Fehlende Energie im unteren Bereich des Herdes 109 kann mittels einer Zusatzheizung 124 eingebracht werden. Die Zusatzheizung 124 ist vorzugsweise eine Induktionsheizung.
Für die Entsorgung von gebrauchten Haushaltsbatterien werden die organischen Bestandteile dieser Batterien während des Transports im Bereich der Transportschraube 105 thermisch zersetzt. Im unteren Bereich werden bei höheren Temperaturen die metallischen Bestandteile aufgeschmolzen und, wie oben erläutert, auf dem Rückzugtisch 113 gesammelt. Die Entsorgung von Haushaltsbatterien ist aber lediglich ein Beispiel für die thermische oder ther- mochemische Behandlung von Material C.

Claims

Patentansprüche
1. Reaktor zur Nutzung von solarer Strahlungswärme für thermische oder thermochemische Prozesse, mit einem Reaktorgehäuse (1, 101), einer Öffnung (2a, 125) für den Eintritt von Solarstrahlung in das Reaktorgehäuse (1, 101) , einen Reaktionsraum (13, 117) und einem volumetrischen Absorber (2, 102), der an einer Frontseite (2b, 102b) von der Solarstrahlung aufgeheizt wird und Wärme in den Reaktionsraum (13, 117) abgibt, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorber (2, 102) ein Schwarzkörper-Absorber ist, der in einem Herd (4, 109) angeordnet ist und der mit einer Rückseite (2c, 126) Wärme in den Herd (4, 109) einbringt.
2. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorber (2, 102) ein einseitig offener Rotationskörper is .
3. Reaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorber (2, 102) im Achsialschnitt u-förmig ist.
4. Reaktor nach' einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorber (2, 102) und/oder der Herd (4, 109) rotierbar angetrieben sind.
5. Reaktor nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorber (2, 102) als reiner Strahler ausgebildet ist.'
6. Reaktor nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorber (102) wenigstens teilweise als beheizter Manipulator ausgebildet ist.
7. Reaktor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorber (102) Transportmittel (105), insbesondere eine Transportschnecke aufweist.
8. Reaktor nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorber (2, 102) ein Fenster (3, 103) für den Eintritt von Solarstrahlung aufweist.
9. Reaktor nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, dass der Herd (4, 109) innenseitig eine dem Absorber (2, 102) zugewandte Refraktur (5, 110) aufweist.
10. Reaktor nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, dass der Herd (4, 109) einen Materialausgang (6, 111) aufweist.
11. Reaktor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Materialausgang (106) einen Schieber (7), insbesondere einen Drehschieber aufweist.
12. Reaktor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Materialausgang (11) einen Rück'zugtisch (113) aufweist, der in einem Kokillenmantel (112) verschiebbar gelagert ist.
13. Verwendung des Reaktors gemäss Anspruch 1 für die Entsorgung von Batterien, insbesondere Haushaltbatterien, wobei diese im Bereich einer Transportvorrichtung (105) zur Zersetzung organischer Bestandteile bei vergleichsweise niedriger Temperatur behandelt und in einem weiteren Bereich bei höherer Temperatur behandelt und hierbei metallische Bestandteile aufgeschmolzen werden.
4. Verwendung des Reaktor gemäss Anspruch 1 für die Behandlung von Stäuben, wobei volatile Elemente wie beispielsweise Zink oder Blei abgedampft und aus dem Rauchgas zurückgewonnen werden.
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CH12402001 2001-07-05

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