DE10145460C1

DE10145460C1 - Verfahren und Einrichtung zur Sythesegasherstellung

Info

Publication number: DE10145460C1
Application number: DE2001145460
Authority: DE
Inventors: Hans Ulrich Feustel; Joachim Mallon; Michael Schaaf; Klaus Scheidig
Original assignee: Individual
Current assignee: Mallon Joachim 04178 Leipzig De; Schaaf Michael 04158 Leipzig De; SCHEIDIG, KLAUS, DR.-ING., 07338 KAULSDORF, DE
Priority date: 2001-09-14
Filing date: 2001-09-14
Publication date: 2003-05-28
Anticipated expiration: 2021-09-15

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Schacht-Schmelz-Vergaser zur Synthesegasherstellung durch eine stoffliche und thermische Behandlung und Verwertung von wasser- und organische Komponenten enthaltenden festen Materialien, bei dem im oberen Bereich eine Schleuse, bestehend aus zwei Schiebern und einem dazwischen liegenden Ofenschachtteil mit integrierter Füllstandsanzeige installiert ist, und ein Verfahren zum Betreiben des Vergasers. Abhängig von den Leistungsparametern wird zwischen den beiden Schiebern ein Schließ- und Öffnungsrhythmus eringestellt, über den die Befüllung des Vergasers ohne unkontrollierte Falschluftzufuhr erfolgt. Gleichzeitig werden unmittelbar an der Schnittstelle zum Synthesegasverbraucher Druck-, Temperatur- und Mengenmessung vorgenommen, die gemeinsam mit der Analyse des Synthesegases die online-Bestimmung der Feuerungsleistung des Vergasers ermöglichen und durch interne Verwertung in der Steuerung durch Änderung des Verhältnisses von Luft- und Sauerstoffmenge am Vergaser, die notwendige Prozeßsicherheit ergeben.

Description

Die Erfindung betrifft einen Schacht-Schmelz-Vergaser zur Synthesegasherstellung durch eine stoffliche und thermische Behandlung und Verwertung von Wasser und orga nische Komponenten enthaltenden festen Materialien und ein Verfahren zum Betreiben dieses Schacht-Schmelz-Vergasers.

Aus dem Stand der Technik ist durch WO 01/62873 A1 ein Verfahren zur thermischen Behandlung und Verwertung von Abfallstoffen unterschiedlicher Art, Konsistenz und Zu sammensetzung, wie von schadstoffbelastetem Altholz, Altreifen, Industrie-/Gewerbe abfallstoffen, Haus- und Sperrmüll, und ein Schacht-Schmelz-Vergaser zur Durchführung des Verfahrens bekannt, bei dem die Abfallstoffe und Zuschläge nach dem Anbrennen im Schacht-Schmelz-Vergaser direkt in die Hochtemperaturzone H eingebracht werden und hier die in den Abfallstoffen enthaltenen organischen Bestandteile mit dem in die Hoch temperaturzone H eingebrachten Sauerstoff reagieren.

Diese Hochtemperaturzone H bildet sich im Ofeninneren im Bereich der Ebene aus, die oberhalb des schüttungsfreien Raumes mit darin integrierten Absaugeinrichtungen durch die oberen, mit Sauerstoff betriebenen, Injektoren definiert wird. Die mineralischen und metallischen Bestandteile der Abfallstoffe tropfen bzw. fließen in den Herdbereich ab, wobei gleichzeitig die durch thermochemische Umsatzreaktionen entstehenden Reak tionsprodukte als Teil 1 des Rohgases mit den absinkenden, nicht vollständig verbrann ten organischen Bestandteilen der Abfallstoffe durch Rohgasabsaugeinrichtungen im Gleichstrom in Richtung Herd geführt werden und einer pyrolytischen Zersetzung unter liegen. Der sich während der Absetzzeit in der Reduzier-/Crackzone Z bildende Pyrolyse koks wird mit Sauerstoff zu weiteren gasförmigen Reaktionsprodukten als Teil 2 des Rohgases verbrannt. Diese Reduzier-/Crackzone Z bildet sich im Ofeninneren im Bereich der Ebene aus, die durch die Anordnung der unteren, mit Sauerstoff betriebenen Injekto ren, die oberhalb des den Herd bildenden Schachtteiles und unterhalb des schüttungs freien Raumes mit darin integrierten Absaugeinrichtungen angeordnet sind, definiert wird. Das Metall und die Schlacke sammeln sich im Herd und das gesamte Rohgas, entspre chend der Summe der Rohgasteile 1 und 2, wird gleichzeitig im Gegenstrom, im Gleich strom und quer zu den Strömungsrichtungen der Ofengase 1 und 2 seitlich zwischen, der Hochtemperaturzone H und der Reduzier-/Crackzone Z abgesaugt. Das entstehende Rohgas besteht aus den gasförmigen Reaktionsprodukten CO, CO₂, H₂, H₂O sowie, ab hängig von der Analyse der eingesetzten Abfallstoffe, aus Spurenkomponenten, wie CS₂, COS, SO₂, NO_x, H₂S und HCl.

Für den Aufbau des Schacht-Schmelz-Vergasers ist kennzeichnend, dass auf einer Bo denplatte ein den Herd bildender Schachteil mit Abstichvorrichtungen für Schlacke und Eisen und direkt anschließend mehrere, verschiedenartig gestaltete zylindrische Ofen schachtteile aufgesetzt sind, wobei der konische Ofenschachtteil in den schachterwei ternden Ofenschachtteil ragt und so einen schüttungsfreien Raum mit hierin liegenden Rohgasabsaugeinrichtungen bildet und bei dem oberhalb des Herdes und oberhalb des schüttungsfreien Raumes jeweils mehrere um den Umfang verteilte Injektoren zur ge meinsamen Zuführung von Sauerstoff und Luft angeordnet sind.

Die in einer Ebene zwischen den Injektoren zur gemeinsamen Zuführung von Sauerstoff und Luft gleichmäßig über den Umfang des gebildeten schüttungsfreien Raumes ange ordneten Rohgasabsaugeinrichtungen sind beispielsweise als Quenche oder Dampfkes sel oder Heißfilter oder Sprühabsorber ausgebildet.

Dem Schacht-Schmelz-Vergaser ist eine Gasreinigung nachgeschaltet, die das Brenngas für eine Verwertung in einem Blockheizkraftwerk, kurz als BHKW bezeichnet, aufbereitet. Das Brenngas wird nach dem Stand der Technik als Synthesegas bezeichnet und kann dann bspw. zur energetischen Nutzung einem Gasmotor zugeführt werden.

Der Nachteil der in WO 01/62873 A1 dargestellten technischen Lösung zur thermischen Behandlung und Vergasung von Abfallstoffen ist, dass nach dem Anfahren des Schacht- Schmelz-Vergasers über die Dauer des Vergasungs- und Schmelzprozesses, welcher von der Konsistenz und Beschaffenheit der Wasser und organische Komponenten enthaltenden festen Materialien zeitabhängig ist, eine sukzessive Erhöhung der Tem peratur der Schüttung oberhalb des schüttungsfreien Raumes, d. h. über der Ebene, die durch die oberen Injektoren gebildet wird, bis zum oberen Ende der Schüttung, d. h. bis unmittelbar unter die Begichtungsöffnung, erfolgt.

Zudem ist der Schacht-Schmelz-Vergaser als offenes, druckloses System konstruiert, wodurch jederzeit die unkontrollierte Zufuhr von Falschluft über die Begichtungsöffnung erfolgen kann. Damit wird eine Zündung der von in diesem Bereich mit der sukzessiven Erhöhung der Temperatur der Schüttung entstehenden Pyrolysegase bewirkt.

Außerdem wird nach Erreichen der Zündtemperatur eine Verbrennung der organischen Bestandteile der Abfallstoffe bereits unmittelbar unterhalb der Begichtungsöffnung verur sacht.

Begünstigt wird dieser für die Verfahrenstechnik negative Effekt durch die Anzahl und Anordnung der Absaugvorrichtungen für das Rohgas, die in Verbindung mit der Chargie rungsart und daraus folgend mit dem Aufbau der Schüttungssäule im Ofenschacht ober halb der oberen Injektorebene durch Unterschiede bei der Materialart und -beschaf fenheit, wie beispielsweise durch die Stückgröße, zu Entmischungserscheinungen füh ren.

Dadurch bilden sich beim Vergasungs- und Schmelzprozeß lokale Strömungskanäle in der Schüttung aus, die wiederum das Einsacken vergleichsweise kalter Falschluft von oben nach unten und/oder das Aufsteigen von CO- und H₂-reichen Ofengasen von unten nach oben fördern.

Dies hat negative Wirkungen auf die Analyse und somit auf den unteren Heizwert des seitlich zwischen der Hochtemperaturzone H und der Reduzier-/Crackzone Z, d. h. zwi schen den Injektoren, abgezogenen Rohgases zur Folge. Diese Veränderungen der Rohgasparameter haben auch sehr negative Wirkungen auf die Wirtschaftlichkeit und Betriebssicherheit derartiger Schacht-Schmelz-Vergaser.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, einen mit geringem anla gen-, steuerungs- und sicherheitstechnischen Aufwand realisierbaren Schacht-Schmelz- Vergaser zur Synthesegasherstellung durch eine stoffliche und thermische Behandlung und Verwertung von Wasser und organische Komponenten enthaltenden festen Materia lien und ein Verfahren zum Betreiben dieses Schacht-Schmelz-Vergasers zu schaffen, die eine unkontrollierte Zufuhr von Falschluft über die Begichtungsöffnung und eine Zün dung der Pyrolysegase und somit eine Verbrennung der Materialien bereits unmittelbar unterhalb der Begichtungsöffnung sicher verhindern.

Die Aufgabe wird durch die technischen Merkmale der spezifischen Ausgestaltung des Schacht-Schmelz-Vergasers nach Anspruch 1 und durch das Verfahren zum Betreiben dieses Schacht-Schmelz-Vergasers gemäß den Ansprüchen 2, 3 und 4 gelöst.

Der erfindungsgemäße Schacht-Schmelz-Vergaser ist in der zugehörigen Zeichnung im Schnitt dargestellt.

Auf einer Bodenplatte 1 ist ein doppelwandiges zylindrisches Ofenschachtteil 2 mit An schlüssen 3 für eine Standwasserkühlung und der Absticheinrichtung 4 für Schlacke und Eisen sowie einem nicht dargestellten Mannloch installiert.

An das Ofenschachtteil 2 schließt sich ein doppelwandiges, sich konisch nach oben er weiterndes Ofenschachtteil 5 an, das mehrere, gleichmäßig über den Umfang verteilte Stutzen 6 zur Aufnahme nicht dargestellter, von mit Luft und Sauerstoffzuführungen komplettierten Injektoren mit in den Ofeninnenraum ragenden wassergekühlten Kupfer düsen hat. Am oberen Ende des Ofenschachtteiles 5 sind Stutzen 7 für die Verbindung mit dem darüber liegenden zylindrischen, doppelwandigen Ofenschachtteil 8 installiert. Abgeschlossen wird der Ofenschachtteil 8 am oberen Ende durch einen Flansch. Das Ofenschachtteil 8 ist ebenfalls am unteren Ende mit einem Flansch versehen und zur Aufnahme von Stabilisierungselementen 9 sowie zur Aufnahme von mehreren, regelmä ßig über den Umfang verteilten in das Ofeninnere ragenden Stutzen 10 für die Aufnahme von Schaulöchern und/oder Brenner- bzw. Gaszuführungs- und/oder Reinigungseinrich tungen und/oder Flüssigkeitszuführungseinrichtungen und/oder Feststoffzuführungseinrichtungen ausgelegt.

Es mündet in ein doppelwandiges, mit kleinerem Durchmesser ausgeführtes, zylindri sches Ofenschachtteil 11, das mehrere gleichmäßig über den Umfang verteilte, in zwei Ebenen übereinander angeordnete Stutzen 12; 13 zur Aufnahme nicht dargestellter, von mit Luft und Sauerstoffzuführungen komplettierten Injektoren mit in den Ofeninnenraum ragenden, wassergekühlten Kupferdüsen hat.

Am oberen Ende schließt das Ofenschachtteil 11 ebenfalls mit einem Flansch ab und ist weiter mit nicht dargestellten Rohrstutzen für eine Verbindung mit dem sich darüber an schließenden Ofenschachtteil 14 im Bereich 15 der Doppelwandigkeit ausgerüstet und hat im Ofeninneren vorzugsweise am Übergang von Ofenschachtteil 8 zum Ofenschacht teil 11 die Halterung für die ringförmige Ofeninnenkühlung 16.

Das am unteren Ende mit einem Flansch abgeschlossene, im Bereich 15 doppelwandig ausgeführte und sich konisch nach oben verjüngende Ofenschachtteil 14 ist mit dem Ofenschachtteil 11 verbunden. Das Ofenschachtteil 14 schließt am oberen Ende mit ei nem Flansch ab und ist am unteren Ende unmittelbar oberhalb des Flansches mit mehre ren gleichmäßig über den Umfang verteilten Stabilisierungselementen 17 zur Aufnahme einer nicht dargestellten Abhängeeinrichtung versehen und im Bereich der Doppelwan digkeit 15 über nicht dargestellte Rohrbögen und Flansche mit dem Doppelmantel des Ofenschachtteiles 11 verbunden.

Das sich daran anschließende und weiter konisch nach oben verjüngende Ofenschacht teil 18 ist doppelwandig mit darin enthaltener spiralförmig nach oben führender Zwangs führung 19 versehen, nach außen mit einer Isolation 20 ausgeführt, durch einen Flansch mit dem darunter liegenden Ofenschachtteil 14 verbunden, am unteren Ende mit einem Rohrstutzen mit Flansch 21 zur Aufnahme einer nicht dargestellten Heißwindzuführung und am oberen Ende mit einem Flansch und einem Rohrstutzen mit Flansch 22 zur Auf nahme einer nicht dargestellten Heißwindabführung sowie mit mehreren gleichmäßig über den Umfang verteilten Rohrstutzen 23 zur Aufnahme von in das Ofeninnere ragen den nicht dargestellten Zuführungseinrichtungen für Heißwind und/oder Brennereinrich tungen und/oder Heißgas und/oder Zuführung von flüssigen und/oder festen Materialien, mit einem Stutzen zur Aufnahme der Füllstandsanzeige 26 und unmittelbar unterhalb des oberen Flansches mit mehreren gleichmäßig über den Umfang verteilten, in den Dop pelmantel ragenden Rohrstutzen 24 zur Verbindung des darüber anschließenden quader förmig ausgeführten Ofenschachtteiles 25 versehen.

Das quaderförmige Ofenschachtteil 25 ist am unteren Ende mit einem Flansch und mit dem darunter liegenden Ofenschachtteil 18 verbunden und mit mehreren, im Inneren feuerfest isolierten Abgasabsaugstutzen 27 mit Aufnahmestutzen 28 für Schaulöcher und weiter mit nicht dargestellten Stutzen zur Anbindung von ebenfalls nicht dargestellten Gasleitungen und darüber hinaus mit mehreren Stutzen 29 zur Aufnahme von Stützbren nern und mit mehreren Aufnahmestutzen 30 zur Verbindung mit den Rohrstutzen 24 des Ofenschachtteiles 18 versehen und schließt am oberen Ende mit einem Flansch als Ver bindungselement für den darüber anschließenden Schieber 31 ab.

Oberhalb an das quaderförmige Ofenschachtteil 25 schließt ein Schieber 31 an, oberhalb des Schiebers 31 ist ein Ofenschachtteil 32 als ein sich nach oben verjüngender Pyra midenstumpf mit einem Stutzen 33 zur Aufnahme einer Füllstandsanzeige mittels eines Verbindungselementes angeordnet und daran anschließend ist ein Schieber 34 mit ei nem nicht dargestellten Einwurftrichter installiert.

Durch die geometrische Gestaltung der Ofenschachtteile 5; 8; 11 und der im Ofeninne ren am Übergang von Ofenschachtteil 8 zum Ofenschachtteil 11 liegenden Halterung mit der ringförmigen Ofeninnenkühlung 16 sowie durch mehrere am Übergangsbereich zwi schen Ofenschachtteil 8 und Ofenschachtteil 11 installierte Rohgasabsaugeinrichtungen 36 wird eine Absaugkammer 35 gebildet.

Am Übergangsbereich zwischen Ofenschachtteil 8 und 11 sind mehrere, gleichmäßig über den Umfang verteilte, senkrecht nach oben führende doppelwandige, durch Flan sche segmentierte Rohgasabsaugeinrichtungen 36 installiert, die in einen Rohgasab saugring 37 führen, der nicht dargestellte Übergabestutzen zur Verbindung mit der nicht dargestellten Rohrleitung der nicht dargestellten Gaswirtschaft und/oder Heißwinderzeu gung sowie in Achsrichtung der Rohgasabsaugeinrichtungen 36 oben angeordnete Stut zen 38 zur Aufnahme von nicht dargestellten Reinigungseinrichtungen und/oder Zuführ einrichtungen für flüssige, gasförmige Medien sowie Feststoffe hat.

Unterhalb der Bodenplatte 1 sind mehrere gleichmäßig über den Umfang verteilte Stütz einrichtungen 39 mit nicht dargestellten pneumatischen oder hydraulischen Druckeinrich tungen angeordnet, wobei die Stützeinrichtungen 39 auf einem Verfahrwagen 40 oder al ternativ direkt auf einem nicht dargestellten Fußboden angeordnet sind.

Die beiden Ofenschachtteile 2 und 5 enthalten im Inneren eine Feuerfestzustellung 41, die mit der Absaugkammer 35 im unteren Ofenbereich den Herd 42 bilden.

Die Halterung mit der Ofeninnenkühlung 16, das Ofenschachtteil 11 und das Ofen schachtteil 14 sind innen mit Feuerfestmaterial 43 versehen und bilden einen sich nach unten, zunächst konisch öffnenden und danach zylindrisch in den Bereich der Absaug kammer 35 ragenden hohlen Schacht.

Die Stabilisierungselemente 17 sind mit nicht dargestellten Zugankern mit dem nicht dar gestellten Stahlbau des Ofengerüstes verbunden und der untere Teil des Schacht- Schmelz-Vergasers bis zum Ofenschachtteil 14 ist als demontierbares Shuttle-System 44 ausgeführt.

Nach Gießereilexikon (Schiele & Schön, 1997, 17. Auflage, S. 753) werden Shuttle- Systeme bei Kupolöfen zum bedarfsweisen, einfachen Wechsel von Teilen des Ofen schachtes eingesetzt, die während des Betriebes einem besonders hohen Verschleiß unterliegenden.

Von der Synthesegasleitung zum Synthesegasverbraucher führt eine Bypassleitung zum Schacht-Schmelz-Vergaser zurück, die im Bereich der Stutzen 29 zur Aufnahme von Stützbrennern an den nicht dargestellten Stutzen zur Anbindung von Gasleitungen an schließt. In dieser Bypassleitung sowie im Bereich der Synthesegasleitung zwischen By passleitung und Synthesegasverbraucher ist je ein gasdicht schließendes Schnell schlussventil angeordnet.

Für die Funktionsfähigkeit und Betriebssicherheit des Schacht-Schmelz-Vergasers zur Synthesegasherstellung ist verfahrensgemäß von Bedeutung, dass nach dem Füllen des Schacht-Schmelz-Vergasers mit Füllkoks, dem Anbrennen des Füllkokses und dem Hochheizen auf Betriebsbedingungen, d. h. auf Weißglut, dem nachfolgenden zügigen Füllen des Schacht-Schmelz-Vergasers mit dem zum Einsatz kommenden Wasser und organische Komponenten enthaltenden festen Materialien zunächst der untere Schieber 31 geschlossen wird, danach das Ofenschachtteil 32 weiter mit dem zu verarbeitenden Material gefüllt wird und danach der obere Schieber 34 ebenfalls geschlossen wird. Vorteilhafterweise bilden dadurch die beiden Schieber 31; 34 und der Ofenschachtteil 32 eine gasdichte Schleuse, durch die eventuell unmittelbar im Bereich des unteren Schie bers 31 temperatur- und zeitabhängig gebildete Pyrolyseprodukte nicht in die Umgebung entweichen können. Abhängig von den durch die Füllstandskontrolle 26 überwachten Leistungsparametern des Schacht-Schmelz-Vergasers bewirkt das Absinken der Schüt tung im Ofen einen Schließ- und Öffnungsrhythmus der beiden Schieber 31 und 34, wo durch eine quasikontinuierliche Chargierung über eine Schleuse realisierbar wird. Der Füllungsgrad der Schleuse wird von der Füllstandsanzeige 33 überwacht.

Unterhalb des Schiebers 31 wird der dort im Aufnahmestutzen 29 installierte Stützbren ner ständig im Betrieb gehalten.

Bei Störungen des Ofenganges oder beim Anfahr- und beim Abfahrregime wird das aus der Schüttung nach oben entweichende Pyrolysegas vollständig nachverbrannt, und über den Abgasstutzen 27 werden nur vollständig ausgebrannte Abgase über einen in der Zeichnung nicht dargestellten Notkamin an die Umgebung abgegeben.

Die Zuführung von Heißwind aus dem doppelwandigen und mit Heißwind beaufschlagten Ofenschachtteil 18 in den Bereich der Stutzen 29 zur Aufnahme von Stützbrennern un terstützt diese Nachverbrennungsprozesse.

Durch den Rohrstutzen 23 können bei Bedarf flüssige, gasförmige oder feste Materialien direkt in den oberen Bereich der Schüttung eingebracht werden.

Durch Installation einer Verbrennungseinrichtung oder bei Zufuhr von Heißwind direkt in die Schüttung werden die Pyrolyseprozesse bereits im oberen Schachtbereich über das bekannte Maß der Wirkung dieses mit Heißwind beaufschlagten Ofenschachtteiles 18 hinaus unterstützt.

Von der durch die Schieber 34 und 31 und dem Ofenschachtteil 32 gebildeten Schleuse wird erreicht, dass die Begichtung des Schacht-Schmelz-Vergasers unabhängig von der Zuführungsart der Materialien zum oberhalb des Schiebers 34 angeordneten, in der Zeichnung nicht dargestellten Materialauffangtrichter durch eine Zentralbegichtung er folgt, die sicher die Entmischungserscheinungen in der Schüttung und dadurch die Aus bildung der Strömungskanäle verhindert und gleichzeitig so den unkontrollierten Falsch lufteinbruch über die Begichtung während des Vergasungs- und Schmelzprozesses mi nimiert. Daraus ergibt sich vorteilhafterweise, dass Zündungen unmittelbar unterhalb der Begichtung und ein Anbrennen des Materials ausgeschlossen sind, und weiter werden dadurch die negativen Wirkungen auf die Abnahmeparameter des Rohgases sicher aus geschlossen und die Einhaltung der relevanten Gesetzgebung auch im Dauerbetrieb ge währleistet.

Die Installation von zwei Injektordüsenreihen 12 und 13 oberhalb der Absaugkammer 35 führt darüber hinaus vorteilhafterweise dazu, dass die Umsetzungsprozesse der mit der Schüttung nach unten wandernden Materialien im Ofen verstärkt werden, so dass hier durch die Vergasungs- und Schmelzprozesse durch Erweiterung dieses oberen, durch die Injektordüsenreihen 12 und 13 gebildeten Umsatzraumes besser steuerbar sind und effektiver ablaufen. Damit wird die Bereitstellung eines Rohgases, respektive Synthese gases in festgelegter Qualität und Menge, an die Gaswirtschaft gesichert und führt somit zu einer höheren anlagentechnischen, verfahrenstechnischen und wirtschaftlichen Ak zeptanz. Die erforderliche Qualität und Quantität des Synthesegases werden im Dauer betrieb verfahrenstechnisch durch einen Steuer- und Regelalgorithmus garantiert. Während im Ofeninneren der Bereich, der in der Ebene durch die am doppelwandigen, sich konisch nach oben erweiternden Ofenschachtteil 5 angeordneten, gleichmäßig über den Umfang verteilten Stutzen 6 zur Aufnahme der nicht dargestellten, mit Luft und Sau erstoffzuführungen komplettierten Injektoren mit in den Ofeninnenraum ragenden was sergekühlten Kupferdüsen entsteht, als Reduzier-/Crackzone Z bezeichnet wird, wird der durch die oberen Injektordüsenreihen 12 und 13 gebildete Umsatzraum als Hochtempe raturzone H bezeichnet.

Die Wirkung der vergleichsweise großen Analyse- und Konsistenzschwankungen der Einsatzstoffe auf das Synthesegas wird durch in der Zeichnung nicht dargestellte unmit telbar vor dem Synthesegasverbraucher installierte Meß- und Regeltechnik zur Bestim mung der Parameter Druck, Temperatur, Volumenstrom und Analyse, respektive des unteren Heizwertes des Ofengases, erfaßt. Gleichzeitig ist von der Synthesegasleitung eine in der Zeichnung nicht dargestellte Bypassleitung zum Schacht-Schmelz-Vergaser an den nicht dargestellten Stutzen zur Anbindung von ebenfalls nicht dargestellten Gas leitungen im Bereich der Stutzen 29 zur Aufnahme von Stützbrennern geführt und in die se Bypassleitung sowie in den Bereich der Synthesegasleitung zwischen Bypassleitung und Synthesegasverbraucher je ein gasdicht schließendes Schnellschlussventil, z. B. ein Magnetventil, installiert.

Im Havariefall werden zunächst gleichzeitig die Sauerstoff und Luftversorgung der Injek tordüsen am Schacht-Schmelz-Vergaser unterbrochen und das Roots-Gebläse gestoppt. Roots-Gebläse sind spezielle Ausführungsformen von Kapselwerken (DUBBELs Ta schenbuch für den Maschinenbau, Springer-Verlag 1953, Bd. II, S. 235-236).

Die durch Eigengasung des Schacht-Schmelz-Vergasers entstehende Ofengasmenge wird während des Zeitraumes des sich daran anschließenden mechanischen Nachlau fens des Roots-Gebläses von der Druckseite des Förderorganes aus in den Schacht- Schmelz-Vergaser zurückgeführt, indem die beiden Magnetventile in der Zuführungslei tung für das Synthesegas zu den Gasmotoren bzw. in der Bypassleitung schlagartig schließen bzw. öffnen. Vorteilhafterweise erfolgt damit sicher die Umleitung dieses Syn thesegases in den Schacht-Schmelz-Vergaser.

Weiter entstehende, aber zeitabhängig abnehmende Ofengasmengen aus der Eigenga sung des Schacht-Schmelz-Vergasers werden nach Stillstand des Roots-Gebläses durch die Gasthermik im Schacht nach oben geführt und sicher durch die Stützbrenner 29 voll ständig verbrannt. Dadurch wird das Sicherheitsrisiko erheblich gemindert, und eine Ge fährdung der Umwelt wird ausgeschlossen.

Wenn die Feuerungsleistung des Schacht-Schmelz-Vergasers, durch Veränderungen der Konsistenz und Analytik der Einsatzstoffe bedingt, außerhalb zulässiger Schwankungen für den Gasverbraucher, bspw. für das Blockheizkraftwerk (BHKW) liegt, erfolgt durch Variation der Zuführung von Luft und Sauerstoff über die Injektoren 12, 13 und 6 eine Korrektur der Umsatzprozesse im Schacht-Schmelz-Vergaser, mit dem Ziel, den unteren Heizwert und damit die Schwankung der Feuerungsleistung zu minimieren. Vorteilhafter weise wird dadurch die Produktionssicherheit des Verfahrens erhöht.

Das Verfahren zum Betreiben des Schacht-Schmelz-Vergasers soll nachfolgend am Bei spiel der thermischen Behandlung und Verwertung von einer Gesamtmenge von 1 t/h Durchsatz Altholz mit Metallteilen, Bahnschwellen und Spanplatten erläutert werden. Der Schacht-Schmelz-Vergaser wird vor Prozessbeginn mit Füllkoks bis ca. 500 mm oberhalb der Injektoren 6 gefüllt. Jetzt erfolgt wie bei herkömmlichen klassischen Kupol öfen das Anbrennen mit natürlichem Zug, gegebenenfalls mit Unterstützung durch Zuga be von Sauerstoff mittels der Injektoren 12 und 13.

Nach dem Anbrennen, dies bedeutet, dass der Füllkoks durchgebrannt und weißglühend ist, erfolgt das Setzen der Beschickung, welche aus den Zuschlägen 0.04 t/h Koks und 0,04 t/h Kalk sowie aus 1 t/h Altholz mit Metallanteilen, Bahnschwellen und Spanplatten besteht, mittels der nicht dargestellten Begichtungseinrichtung über den nicht dargestell ten Begichtungstrichter zunächst bis kurz oberhalb der Füllstandskontrolle 26. Danach wird der Schieber 31 zugefahren und die Begichtung erfolgt weiter bis zur Füllstandskon trolle 33. Dann wird der Schieber 34 zugefahren. Die installierten Injektoren 6; 12 und 13 werden in Betrieb genommen. Zuvor wird die periphere Anlagentechnik von der Gaswirt schaft bis zu dem Synthesegasverbraucher, hier ein Blockheizkraftwerk, angefahren und entsprechend den Inbetriebnahmevorschriften in Reihenfolge gestartet. Durch die Injekto ren 6; 12 und 13 werden 273 m³/h Sauerstoff in den Ofenschacht eingeblasen.

In der Hochtemperaturzone reagieren die in den Abfallstoffen enthaltenen organischen Bestandteile mit dem eingedüsten Sauerstoff. Die mineralischen und metallischen Be standteile der Abfallstoffe schmelzen und fließen oder tropfen nach unten ab. Gleichzeitig werden die durch thermochemische Umsatzreaktionen entstehenden heißen gasförmigen Reaktionsprodukte mit den absinkenden, nicht oder nicht vollständig verbrannten organi schen Bestandteilen des Abfallstoffes durch die Rohgasabsaugeinrichtungen 36 im Gleichstrom in Richtung Herd 42 geführt und unterliegen einer pyrolytischen Zersetzung. Der sich während der Absetzzeit in der Reduzier-/Crackzone bildende Pyrolysekoks wird durch den von den Injektoren 6 eingebrachten Sauerstoff verbrannt, wobei sich Schlacke und Metall im Herd 42 sammeln.

Der von den Injektoren 9 eingebrachte Sauerstoff ist als eine wichtige Voraussetzung für den gesamten Prozess der Schmelzvergasung anzusehen. Mit der Verbrennung des Py rolysekokses kann der Energiebedarf des Systems dahingehend gesichert werden, dass die Fließfähigkeit von Metall und Schlacke bei normalem Einsatz von Satzkoks gewähr leistet ist und die für die Pyrolyse und die Reduktionsarbeit erforderlichen Temperaturen im Pyrolysekoksbett aufrecht erhalten werden. Dies schafft die Voraussetzungen dafür, dass eine vollständige thermische Zersetzung sowohl der eingebrachten als auch der während des Prozesses neu gebildeten temperaturbedingt, gasförmigen organischen Schadstoffe stattfindet.

Das Rohgas setzt sich aus den in der Hochtemperaturzone und der Reduzier-/Crackzone gebildeten gasförmigen Reaktionsprodukten zusammen. Es wird gleichzeitig im Gegen strom, im Gleichstrom und quer zu den Strömungsrichtungen der Ofengase seitlich zwi schen der Hochtemperaturzone und der Reduzier-/Crackzone abgesaugt.

Die Rohgasabsaugeinrichtungen 36, bspw. Quenche oder Sprühabsorber, fördern ca. 1600 Nm³/h Rohgas, das 334 l/h Wasser enthält, welches auskondensiert wird. Von einer nicht dargestellten Gasreinigung werden somit 1183 Nm³/h Brenngas mit einer Heizleistung von 2,99 MW und einem Heizwert von 2,5 kWh/m³ mit etwa 20% H₂, 54% CO, 9% CO₂ und ca. 17% N₂ erzeugt. Dieses Brenngas kann beispielsweise von einem Blockheizkraftwerk genutzt werden.

Der Umsatz der Einsatzstoffe in der Hochtemperaturzone H und der Reduzier- /Crackzone Z führt zu einem kontinuierlichen Absinken der Schüttsäule unterhalb der Füllstandsanzeige 26. Jetzt wird der Schieber 31 geöffnet und das Materialvolumen der Schleuse 31, 32, 34 rutscht zentral in Achsrichtung des Schacht-Schmelz-Vergasers in den Schachtbereich 18. Der Schieber 31 wird geschlossen, der Schieber 34 wird geöffnet und die Schleuse 31, 32, 34 wird bis zum Erreichen der Füllstandsanzeige 34 gefüllt. Da nach erfolgt das Schließen des Schiebers 34. Abhängig von der Leistung des Schacht- Schmelz-Vergasers, welche die Absinkgeschwindigkeit der Schüttung definiert, wird ein gegenseitiger Schließungs- und Öffnungsrhythmus der Schieber 31 und 34 eingestellt, der einerseits eine kontinuierliche Füllung des Schachtes gewährleistet und andererseits einen unkontrollierten Falschlufteinbruch verhindert.

Ca. 0.09 t/h metallische und ca. 0,07 t/h mineralische Komponenten der Abfallstoffe wer den durch die Abstichvorrichtungen 3 aus dem Schacht-Schmelz-Vergaser abgezogen. Alle rohgasförmigen Organika und Gaskomponenten werden vollständig zu CO, CO₂, H₂, H₂O sowie abhängig von der Analyse der eingesetzten Abfallstoffe zu Spurenkom ponenten wie CS₂, COS, SO₂, NO_x, H₂S und HCl reduziert.

Das entstandene Gas wird mit Temperaturen von mindestens 800°C aus der Schüttung abgesaugt und in eine Gaswirtschaft zur Weiterverarbeitung geleitet. Durch kontinuierli che online - Ermittlung der Parameter Temperatur, Druck, Volumenstrom und Analyse des nach der Gasanalyse und dem Roots-Gebläse den Gasmotoren des BHKW zur Ver fügung gestellten Synthesegases und deren interne rechentechnische Verarbeitung in nerhalb der Prozeßvisualisierung zur Überwachung aller relevanten Prozessdaten wird online die Feuerungsleistung des Schacht-Schmelz-Vergasers überwacht und bei Unter- bzw. Überschreitung der Grenzwerte, die durch untere Heizwerte zwischen 2,0 und 2,5 kWh/Nm³ Synthesegas definiert werden, wird über die rechentechnisch abgeleitete Ände rung des Verhältnisses der über die Injektoren 6, 12 und 13 eingebrachten Sauerstoff- und Heißwindmengen durch den Schacht-Schmelz-Vergaser auf diese Veränderungen reagiert.

Bezugszeichenliste

1

Bodenplatte

2

Ofenschachtteil

3

Anschlüsse

4

Absticheinrichtung

5

Ofenschachtteil

6

Stutzen

7

Stutzen für die Verbindung

8

Ofenschachtteil

9

Stabilisierungselemente

10

Stutzen

11

Ofenschachtteil

12

Stutzen

13

Stutzen

14

Ofenschachtteil

15

Bereich der Doppelwandigkeit

16

Halterung ringförmiger Ofeninnenkühlung

17

Stabilisierungselemente

18

Ofenschachtteil

19

Zwangsführung

20

Isolation

21

Rohrstutzen mit Flansch

22

Rohrstutzen mit Flansch

23

Rohrstutzen

24

Rohrstutzen

25

Ofenschachtteil, quaderförmig

26

Füllstandsanzeige

27

isolierter Abgasabsaugstutzen

28

Aufnahmestutzen für Schaulöcher

29

Stutzen

30

Aufnahmestutzen

31

Schieber

32

Ofenschachtteil

33

Stutzen zur Aufnahme einer Füllstandsanzeige

34

Schieber

35

Absaugkammer

36

Rohgasabsaugeinrichtungen

37

Rohgasabsaugring

38

Stutzen

39

Stützeinrichtungen

40

Verfahrwagen

41

Feuerfestzustellung

42

Herd

43

Feuerfestmaterial

44

demontierbares Shuttle-System
H Hochtemperaturzone
Z Reduzier-/Crackzone

Claims

1. Schacht-Schmelz-Vergaser zur Synthesegasherstellung durch eine stoffliche und thermische Behandlung und Verwertung von Wasser und organische Komponenten enthaltenden festen Materialien, bestehend aus einer Boden platte (1) und einem darauf aufgesetzten, den Herd (42) bildenden zylindrischen Ofenschachtteil (2) mit Abstichvorrichtungen (4) für Schlacke und Eisen und direkt anschließend mehreren verschiedenartig geometrisch gestalteten zylind rischen Ofenschachtteilen (5; 8; 11; 14; 18; 25) und dem als Ofenschachtteil fungierenden Pyramidenstumpf (32), wobei der konische Ofenschachtteil (11) in einen sich an den Ofenschachtteil (5) anschließenden schachterweiternden Ofenschachtteil (8) ragt und so einen schüttungsfreien Raum mit hierin liegen den Rohgasabsaugeinrichtungen (36) bildet und bei dem oberhalb des Herdes (42) und oberhalb des schüttungsfreien Raumes jeweils mehrere um den Um fang verteilte Stutzen (6; 12; 13) zur Aufnahme für Injektoren zur gemeinsamen Zuführung von Sauerstoff und Luft angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass das auf der Bodenplatte (1) installierte Ofenschachtteil (2), das mit An schlüssen (3) für eine Standwasserkühlung und mit einer Absticheinrichtung (4) für Schlacke und Eisen sowie einem Mannloch versehen ist, doppelwandig aus geführt ist,
sich an das doppelwandige zylindrische Ofenschachtteil (2) ein doppelwandiges, sich konisch nach oben erweiterndes Ofenschachtteil (5) anschließt, an dem mehrere, gleichmäßig über den Umfang verteilte Stutzen (6) zur Aufnahme der mit Luft und Sauerstoffzuführungen komplettierten Injektoren mit in den Ofenin nenraum ragenden wassergekühlten Düsen sowie am oberen Ende Stutzen (7) für die Verbindung mit dem darüber liegenden zylindrischen, doppelwandigen Ofenschachtteil (8) installiert sind, und das durch einen Flansch am oberen En de abgeschlossen ist,
der zylindrisch doppelwandig ausgeführte Ofenschachtteil (8) ebenfalls am unte ren Ende mit einem Flansch versehen und mit dem darunter liegenden koni schen nach oben erweiterten Ofenschachtteil (5) verbunden ist und zur Auf nahme von Stabilisierungselementen (9) sowie zur Aufnahme von mehreren, regelmäßig über den Umfang verteilten in das Ofeninnere ragenden Stutzen (10) für die Aufnahme von Schaulöchern und/oder Brenner- und/oder Gaszu führungs- und/oder Reinigungseinrichtungen und/oder Flüssigkeitszuführungs einrichtungen und/oder Feststoffzuführungseinrichtungen ausgeführt ist,
das Ofenschachtteil (8) in ein doppelwandiges, mit kleinerem Durchmesser aus geführtes, zylindrisches Ofenschachtteil (11) mündet, das mit mehreren gleich mäßig über den Umfang verteilten, in mindestens zwei Ebenen übereinander angeordneten, Stutzen (12; 13) zur Aufnahme der mit Luft und Sauerstoffzufüh rungen komplettierten Injektoren mit in den Ofeninnenraum ragenden wasser gekühlten Düsen versehen ist und das am oberen Ende mit einem Flansch ab schließt sowie weiter am oberen Ende mit Rohrstutzen für eine Verbindung mit dem sich darüber anschließenden Ofenschachtteil (14) im Bereich (15) der Doppelwandigkeit ausgerüstet ist und das im Ofeninneren am Übergang von Ofenschachtteil (8) zum Ofenschachtteil (11) die Halterung für die ringförmige Ofeninnenkühlung (16) hat,
das am unteren Ende mit einem Flansch abgeschlossene, im Bereich (15) dop pelwandig ausgeführte sich konisch nach oben verjüngende Ofenschachtteil (14) mit dem Ofenschachtteil (11) verbunden ist und am oberen Ende mit einem Flansch abschließt sowie am unteren Ende unmittelbar oberhalb des Flansches mehrere gleichmäßig über den Umfang verteilte Stabilisierungselemente (17) zur Aufnahme der Abhängeeinrichtung installiert sind und im Bereich (15) der Doppelwandigkeit über Rohrbögen und Flansche mit dem Doppelmantel des Ofenschachtteiles (11) verbunden ist,
das sich daran anschließende, sich weiter konisch nach oben verjüngende Ofenschachtteil (18), das doppelwandig mit darin enthaltener spiralförmig nach oben führender Zwangsführung (19) und nach außen mit einer Isolation (20) ausgeführt ist, durch einen Flansch mit dem darunter liegenden Ofenschachtteil (14) verbunden ist und am unteren Ende mit einem Rohrstutzen mit Flansch (21) zur Aufnahme einer Heißwindzuführung versehen ist und am oberen Ende mit einem Flansch und einem Rohrstutzen mit Flansch (22) zur Aufnahme einer Heißwindabführung sowie mit mehreren gleichmäßig über den Umfang verteil ten Rohrstutzen (23) zur Aufnahme von in das Ofeninnere ragenden Zufüh rungseinrichtungen für Heißwind und/oder Brennereinrichtungen und/oder Heißgas und/oder Zuführung von flüssigen und/oder festen Materialien und mit einem Stutzen zur Aufnahme der Füllstandsanzeige (26) sowie unmittelbar unterhalb des oberen Flansches mit mehreren gleichmäßig über den Umfang verteilten, in den Doppelmantel ragenden Rohrstutzen (24) zur Verbindung mit dem darüber anschließenden quaderförmig ausgeführten Ofenschachtteil (25) versehen ist,
das Ofenschachtteil (25) am unteren Ende mit einem Flansch und mit dem darunter liegenden Ofenschachtteil (18) verbunden ist und mit mehreren, im Inneren feuerfest isolierten Abgasabsaugstutzen (27) mit Aufnahmestutzen (28) für Schaulöcher und Stutzen zur Anbindung von Gasleitungen versehen ist so wie mit mehreren Stutzen (29) zur Aufnahme von Stützbrennern und mit mehre ren Aufnahmestutzen (30) zur Verbindung mit den Rohrstutzen (24) des Ofen schachtteiles (18) versehen ist und am oberen Ende mit einem Flansch als Verbindungselement für den darüber anschließenden Schieber (31) abschließt,
oberhalb des Schiebers (31) als Ofenschachtteil (32) ein sich nach oben verjün gender Pyramidenstumpf mit einem Stutzen (33) zur Aufnahme einer Füll standsanzeige mittels eines Verbindungselementes angeordnet ist,
daran fest verbunden und anschließend ein Schieber (34) mit Einwurftrichter in stalliert ist,
durch die geometrische Gestaltung der Ofenschachtteile (5; 8; 11) und der ringförmigen Ofeninnenkühlung (16) im Ofeninneren sowie durch mehrere am Übergangsbereich zwischen Ofenschachtteil (8) und Ofenschachtteil (11) instal lierte Rohgasabsaugeinrichtungen (36) eine Absaugkammer (35) ausgebildet ist,
die Rohgasabsaugeinrichtungen (36) am Übergangsbereich zwischen Ofen schachtteil (8) und (11) gleichmäßig über den Umfang verteilt sind sowie senk recht nach oben führend und doppelwandig durch Flansche segmentiert ausge führt sind,
die Rohgasabsaugeinrichtungen (36) in einen Rohgasabsaugring (37) führen, der Übergabestutzen zum Verbinden mit einer Rohrleitung der Gaswirtschaft und/oder Heißwinderzeugung hat, sowie in Achsrichtung der Rohgasabsaugein richtungen (36) Stutzen (38) zur Aufnahme von Reinigungseinrichtungen und/oder Zuführeinrichtungen für flüssige, gasförmige Medien sowie Feststoffe angeordnet sind,
unterhalb der Bodenplatte (1) mehrere gleichmäßig über den Umfang verteilte Stützeinrichtungen (39) mit pneumatischen oder hydraulischen Druckeinrichtun gen angeordnet sind,
die Stützeinrichtungen (39) auf einem Verfahrwagen (40) oder auf dem Fußbo den angeordnet sind,
die beiden Ofenschachtteile (2) und (5) im Inneren eine Feuerfestzustellung (41) enthalten, die mit der Absaugkammer (35) im unteren Ofenbereich den Herd (42) bilden,
die Ofeninnenkühlung (16) und die Ofenschachtteile (11; 14) innen mit Feuer festmaterial (43) versehen sind und einen sich nach unten, zunächst konisch öffnenden und danach zylindrisch in den Bereich der Absaugkammer (35) ragenden hohlen Schacht bilden,
die Stabilisierungselemente (17) mit Zugankern mit dem Stahlbau des Ofenge rüstes verbunden sind
der untere Teil des Schacht-Schmelz-Vergasers bis zum Ofenschachtteil (14) als demontierbares Shuttle-System (44) ausgeführt ist,
vor dem außerhalb des Schacht-Schmelz-Vergasers extern angeordneten Synthesegasverbraucher Mess- und Regeltechnik zur Erfassung der Parameter Druck, Temperatur, Volumenstrom und Analyse, insbesondere des unteren Heizwertes des Synthesegases, installiert ist,
von der Synthesegasleitung zum Synthesegasverbraucher eine Bypassleitung zum Schacht-Schmelz-Vergaser führt, die im Bereich der Stutzen (29) zur Auf nahme von Stützbrennern an den Stutzen zur Anbindung von Gasleitungen an schließt und dass in dieser Bypassleitung sowie in dem Bereich der Synthese gasleitung zwischen Bypassleitung und Synthesegasverbraucher je ein gasdicht schließendes Schnellschlussventil angeordnet ist.

2. Verfahren zum Betreiben des aus einer Bodenplatte (1), einem darauf aufge setzten Herdteil (2) und daran anschließenden mehreren verschiedenartig geo metrisch gestalteten Ofenschachtteilen (5, 8, 11, 14, 18, 25, 32) bestehenden Schacht-Schmelz-Vergasers nach Anspruch 1, bei dem das Rohgas gleichzeitig im Gegenstrom, im Gleichstrom und quer zu den Strömungsrichtungen der Ofengase seitlich zwischen der Hochtemperaturzone H und der Reduzier- /Crackzone Z abgesaugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass
nach dem Füllen des Schacht-Schmelz-Vergasers mit Füllkoks, dem Anbrennen des Füllkokses und dem Hochheizen auf Betriebsbedingungen, dies bedeutet auf Weißglut, dem nachfolgenden zügigen Füllen des Schacht-Schmelz- Vergasers mit dem zum Einsatz kommenden Wasser und organische Kompo nenten enthaltenden festen Materialien zunächst der untere Schieber (31) ober halb des quaderförmigen Ofenschachtteils (25) geschlossen wird, danach das als Pyramidenstumpf ausgebildete Ofenschachtteil (32) weiter mit dem zu ver arbeitenden Material gefüllt wird und danach der obere Schieber (34) am als Pyramidenstumpf ausgebildeten Ofenschachtteil (32) ebenfalls geschlossen wird,
abhängig von den Leistungsparametern des Schacht-Schmelz-Vergasers ein Schließ- und Öffnungsrhythmus der beiden Schieber (31) und (34) eingestellt wird,
der am Ofenschachtteil (25) im Aufnahmestutzen (29) installierte Stützbrenner ständig im Betrieb gehalten wird und
das ausgebrannte Gas der Stützbrenner (29) zur Vorwärmung der Schüttung im Pyrolyseschacht genutzt wird,
die Umsetzungsprozesse der mit der Schüttung nach unten wandernden Materialien im Ofen im oberen, durch die Injektordüsenreihen (12) und (13) ge bildeten Umsatzraum, verstärkt werden.

3. Verfahren zum Betreiben des Schacht-Schmelz-Vergasers nach dem Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass
unmittelbar an der Schnittstelle zu dem außerhalb des Schacht-Schmelz- Vergasers extern angeordneten Synthesegasverbraucher die Druck-, Temperatur- und Mengenmessung erfolgt,
je ein Magnetventil in der Zuführungsleitung für das Synthesegas zu dem au ßerhalb des Schacht-Schmelz-Vergasers extern angeordneten Synthesegas verbraucher und in einer Bypassleitung, die vor dem Magnetventil zwischen dem Roots-Gebläse, und dem Synthesegasverbraucher von der Synthesegas leitung abzweigt und in den oberen Schachtbereich des Schacht-Schmelz- Vergasers installiert ist, schaltet,
im Havariefall bei dem Synthegasverbraucher gleichzeitig die Sauerstoff- und Luftversorgung der Injektordüsen am Schacht-Schmelz-Vergaser unterbrochen und das Roots-Gebläse gestoppt werden,
die durch Eigengasung des Schacht-Schmelz-Vergasers entstehende Ofen gasmenge während des Zeitraumes des mechanischen Nachlaufens des Roots- Gebläses von der Druckseite des Roots-Gebläses aus in den oberen Schacht bereich des Schacht-Schmelz-Vergasers zurückgeführt wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizwert des Synthesgases durch Variation der Zuführung von Luft und Sauer stoff über die Injektoren (12, 13 und 6) des Schacht-Schmelz-Vergasers korri giert wird.