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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entfernung von im Rahmen der Pyrolyse von organische Verbindungen enthaltenden Stoffen gebildeten Teerverbindungen aus einem Pyrolysegas.
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Die Bildung von Teerverbindungen, d. h. im Wesentlichen hochmolekularen bzw. aromatischen Kohlenwasserstoffverbindungen, im Rahmen der Pyrolyse von organische Verbindungen enthaltenden oder aus solchen gebildeten Stoffen (kurz organische Stoffe), welche gemeinhin auch als Biomasse bezeichnet werden, ist bekannt.
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Bekannte Verfahren zur Pyrolyse von organischen Stoffen werden beispielsweise in Wirbelschichtreaktoren durchgeführt, in welchen bei Temperaturen zwischen 500 und 1000°C eine Pyrolyse der organischen Stoffe stattfindet, wobei sich neben den Produktgasen, wie beschrieben, auch Teerverbindungen bilden.
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Die sonach in den bei der Pyrolyse entstehenden Produktgasen enthaltenen Teerverbindungen führen regelmäßig zu, insbesondere auf Verstopfung bzw. Verschmutzung von Leitungen, Ventilen, Filtern sowie Druckverluste des Produktgases zurückzuführende, Problemen.
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Zur Entfernung von im Rahmen der Pyrolyse von organischen Stoffen gebildeten Teerverbindungen aus einem Pyrolysegas sind bis dato Separationsschritte, insbesondere über Gaswaschvorgänge, bzw. katalytische Prozesse, insbesondere über katalytische Reformierung des Produktgases, üblich, welche jedoch sowohl anlagen- als auch prozesstechnisch aufwändig sind.
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Problematisch ist dabei auch, dass hierbei regelmäßig der Energiegehalt bzw. Brennwert des ursprünglich energiereichen bzw. hochkalorischen Produktgases und somit die Effizienz des Gesamtprozesses reduziert wird.
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Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Entfernung von im Rahmen der Pyrolyse von organische Verbindungen enthaltenden Stoffen gebildeten Teerverbindungen aus einem Pyrolysegas anzugeben.
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Das Problem wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, welches sich durch die Schritte: a) Pyrolyse der organische Verbindungen enthaltenden Stoffe, wobei das Teerverbindungen enthaltende Pyrolysegas und Pyrolysereststoffe gebildet werden, b) thermische Zersetzung der in dem Pyrolysegas enthaltenen Teerverbindungen, wobei ein aus der thermischen Zersetzung der Teerverbindungen gebildete Zersetzungsprodukte enthaltendes Prozessgas erzeugt wird, c) Vergasung der Pyrolysereststoffe mit dem Prozessgas unter Ausbildung eines Produktgases, auszeichnet.
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Im Weiteren werden organische Verbindungen enthaltende Stoffe abgekürzt als organische Stoffe bezeichnet. Es handelt sich dabei um Stoffe oder Stoffgemische, welche zumindest zum Teil aus organischen Verbindungen gebildet sind oder solche umfassen. Beispiele für entsprechende organische Stoffe sind zerkleinerte Holzteile, so genannte Holzchips oder Holzschnitzel, Holzstäube, wie z. B. Sägemehl, organische Flüssigkeiten, wie z. B. Öle oder Schlämme, oder auch fossile Rohstoffe, wie z. B. Kohle oder Öl.
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Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf einem drei Schritte umfassenden Prozess, wobei in einem ersten Schritt eine Pyrolyse der organischen Stoffe, insbesondere unter Zufuhr von wenigstens einem Sauerstoff enthaltenden Gas und/oder Wasserdampf, erfolgt, wobei das Teerverbindungen enthaltende Pyrolysegas und Pyrolysereststoffe gebildet werden.
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Unter Pyrolysereststoffen sind sämtliche Stoffe zu verstehen, die bei der Pyrolyse der organischen Stoffe entstehen. Es handelt sich dabei in der Regel um Kohlenstoff, d. h. insbesondere Koks, und/oder organische Kohlenstoffverbindungen.
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Die in vorteilhafter Ausbildung der Erfindung vorgesehene Zufuhr eines Sauerstoff enthaltenden Gases, worunter z. B. reiner Sauerstoff oder ein mit Sauerstoff angereichertes Gas, insbesondere mit Sauerstoff angereicherte Luft, zu verstehen ist, bewirkt eine Reduzierung der Bildung von Stickstoffverbindungen in dem Pyrolysegas sowie im Weiteren in dem am Ende des Verfahrens erhaltenen Produktgas. Mithin liegt am Ende des Verfahrens ein hochenergiereiches bzw. hochkalorisches Produktgas vor, welches beispielsweise zur Energieerzeugung etwa in einer Gasturbine oder einem Gasmotor oder zur chemischen Synthese verwendet werden kann.
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Die Pyrolysereststoffe, welche im Wesentlichen in Form von Partikeln bzw. Stäuben vorliegen, werden nach der Pyrolyse z. B. in einen separaten Reaktorraum abgetrennt, so dass das Pyrolysegas frei oder zumindest weitgehend frei von Feststoffen ist.
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Wie beschrieben, kann in Schritt a), insbesondere neben der vorteilhaften Zufuhr wenigstens eines Sauerstoff enthaltenden Gases, auch Wasserdampf zugeführt werden. Die Zufuhr von Wasserdampf ermöglicht eine Begrenzung bzw. bedarfsgerechte Einstellung der Temperatur des Pyrolysegases. Über bestimmte Parameter, wie z. B. Menge, Temperatur und Druck, des zugeführten Wasserdampfs kann sonach eine bedarfsgerechte Einstellung der Temperatur des Pyrolysegases realisiert werden, welche insbesondere auch unterschiedlichen Zusammensetzungen der zu pyrolisierenden organischen Stoffe Rechnung trägt. Die Zufuhr von Wasserdampf bedingt eine Erhöhung des Anteils bzw. der Konzentration an Wasserdampf bzw. Wasserstoff in dem Pyrolysegas.
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Die Pyrolyse wird bevorzugt in einem Temperaturbereich von 500–950°C, insbesondere 600–900°C, durchgeführt. In diesem Temperaturbereich kann die Pyrolyse hocheffizient erfolgen. Andere Temperaturbereiche sind grundsätzlich auch möglich. Die konkrete Temperatur bzw. der konkrete Temperaturbereich, in dem die Pyrolyse durchgeführt wird, hängt insbesondere von der Zusammensetzung der zu pyrolisierenden organischen Stoffe ab. Eine Obergrenze der Temperatur kann durch den so genannten Ascheerweichungspunkt der organischen Stoffe definiert sein, welcher bei entsprechenden organischen Stoffen typischerweise im Bereich von 700–130°C liegt.
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Die übrigen während der Pyrolyse gegebenen Prozessparameter, wie z. B. Druck, Zufuhrgeschwindigkeit der organischen Stoffe, Strömungsgeschwindigkeit des Pyrolysegases etc., sind insbesondere in Abhängigkeit der konkreten Zusammensetzung der zu pyrolisierenden organischen Stoffe festzulegen.
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Zweckmäßig durchströmt das Pyrolysegas wenigstens eine Trennvorrichtung zur Abtrennung von gegebenenfalls in dem Pyrolysegas enthaltenen Feststoffen, wie z. B. in dem Pyrolysegas enthaltenen Pyrolysereststoffen. Als Trennvorrichtung kann beispielsweise eine elektrostatische, mit einer elektrischen Spannungsquelle verbundene Trennvorrichtung verwendet werden, welche eine elektrostatische Abtrennung von in dem Pyrolysegas enthaltenen Feststoffen ermöglicht.
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In dem zweiten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt eine thermische Zersetzung der in dem Pyrolysegas enthaltenen Teerverbindungen, insbesondere unter nochmaliger oder gegebenenfalls erstmaliger Zufuhr von wenigstens einem Sauerstoff enthaltenden Gas. Dabei wird ein aus der thermischen Zersetzung der Teerverbindungen gebildete, insbesondere niedermolekulare, organische, Zersetzungsprodukte enthaltendes Prozessgas erzeugt. In dem zweiten Schritt wird also im Wesentlichen eine thermische Zersetzung („thermal cracking“) der Teerverbindungen in entsprechende organische Zersetzungsprodukte durchgeführt. Mit anderen Worten werden die im Wesentlichen hochmolekularen Teerverbindungen thermisch in niedermolekulare Zersetzungsprodukte, wie z. B. niedermolekulare gasförmige Kohlenwasserstoffe, zersetzt bzw. abgebaut. Hierfür ist grundsätzlich eine höhere Temperatur als bei der Pyrolyse erforderlich, was z. B. durch die Zufuhr von Sauerstoff enthaltenden Gasen und/oder Wasserdampf realisiert wird. Das im zweiten Schritt erzeugte Prozessgas weist sonach aufgrund der in dem zweiten Schritt erforderlichen vergleichsweise hohen, d. h. im Vergleich zum ersten Schritt höheren Temperaturen eine hohe thermische Energie auf.
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Die im Zusammenhang mit dem ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens beschriebene Begrenzung der Temperatur durch den Ascheerweichungspunkt der organischen Stoffe ist im zweiten Schritt nicht mehr gegeben. Entsprechend wird die thermische Zersetzung der in dem Pyrolysegas enthaltenen Teerverbindungen vorteilhaft in einem Temperaturbereich von 900–1300°C, insbesondere 950–1200°C, durchgeführt.
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Die nach dem ersten Schritt erforderliche Temperaturerhöhung lässt sich, wie erwähnt, insbesondere durch die Zufuhr wenigstens eines Sauerstoff enthaltenden Gases und/oder Wasserdampf realisieren.
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In dem dritten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt eine, insbesondere thermisch bedingte, Vergasung der organischen Pyrolysereststoffe, d. h. insbesondere des nach der Pyrolyse der organischen Stoffe entstandenen Kokses, mit dem Prozessgas unter Ausbildung eines Produktgases. Ein typisches Produktgas enthält z. B. 25–50% Wasserstoff, 10–40% Kohlenmonoxid, 10–35% Kohlendioxid, wobei die Zusammensetzung derart ist, dass der Gesamtanteil der Verbindungen 100% nicht überschreitet.
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Die hohe thermische Energie des Prozessgases sowie der in dem ersten Schritt und/oder zweiten Schritt zugeführte Wasserdampfanteil wird hier dazu genutzt, eine Vergasung, d. h. insbesondere Wasserdampfvergasung, der Pyrolysereststoffe durchzuführen, wodurch das Produktgas gebildet wird. Das Produktgas ist dabei, wie im Wesentlichen auch das zu seiner Vergasung eingesetzte Prozessgas, frei oder zumindest weitgehend frei von Teerverbindungen.
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Bei der Wasserdampfvergasung der Pyrolysereststoffe handelt es sich um einen endothermen Vorgang, welcher eine Umwandlung der in dem heißen Prozessgas enthaltenen thermischen Energie in in dem Produktgas enthaltene chemische Energie ermöglicht. Mithin ist die Temperatur des durch Vergasung der Pyrolysereststoffe mit dem Prozessgas gebildeten Produktgases vergleichsweise niedrig. Über das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich sonach ein hoher Kaltgaswirkungsgrad, welcher sich aus dem Verhältnis der in den eingangs pyrolisierten organischen Stoffen gebundenen Energie und der in dem Produktgas gebundenen Energie ergibt, erreichen.
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Es ist ferner denkbar, dass die in dem dritten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens durchgeführte endotherme Vergasung der Pyrolysereststoffe thermodynamisch, d. h. insbesondere durch Einstellung einer bestimmten Temperatur, eine gezielte Bildung von kohlenwasserstoffhaltigen oder aus Kohlenwasserstoffen gebildeten Wertgasen, wie z. B. Methan, erlaubt. Enthält das Produktgas Kohlenwasserstoffe, wie z. B. Methan, ist es z. B. besonders für die nachfolgende Verwendung als Brenngas in einer Gasturbine geeignet.
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Wie erwähnt, ist das Produktgas hochenergiereich bzw. hochkalorisch und kann für unterschiedliche Zwecke, wie z. B. zur Energieerzeugung etwa in einer Gasturbine oder einem Gasmotor oder zur chemischen Synthese verwendet werden.
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Insgesamt eröffnet das erfindungsgemäße Verfahren sonach eine Möglichkeit, ausgehend von der Pyrolyse organischer Stoffe ein Produktgas zu erzeugen, welches frei oder zumindest weitgehend frei von Teerverbindungen oder sonstigen vergleichbaren hochmolekularen Kohlenwasserstoffen ist. Dies ist durch die in dem zweiten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehene thermische Zersetzung der in dem bei der Pyrolyse der organischen Stoffe entstandenen, in dem Pyrolysegas enthaltenen Teerverbindungen möglich.
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Die Erfindung betrifft ferner einen Reaktor zur Entfernung von im Rahmen der Pyrolyse von organische Verbindungen enthaltenden Stoffen gebildeten Teerverbindungen aus einem Pyrolysegas. Der Reaktor ist insbesondere zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens ausgebildet.
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Der Reaktor weist drei miteinander kommunizierende Reaktorräume auf. Dabei ist ein erster Reaktorraum zur Pyrolyse von organische Verbindungen enthaltenden Stoffen, insbesondere unter Zufuhr von wenigstens einem Sauerstoff enthaltenden Gas und/oder Wasserdampf, wobei ein Teerverbindungen enthaltendes Pyrolysegas und organische Pyrolysereststoffe gebildet werden, ausgebildet. Ein zweiter, dem ersten Reaktorraum folgender bzw. nachgeschalteter Reaktorraum ist zur thermischen Zersetzung der in dem Pyrolysegas enthaltenen Teerverbindungen, insbesondere unter Zufuhr von wenigstens einem Sauerstoff enthaltenden Gas und/oder Wasserdampf, wobei ein aus der thermischen Zersetzung der Teerverbindungen gebildete Zersetzungsprodukte enthaltendes Prozessgas erzeugt wird, ausgebildet. Ein dritter, dem zweiten Reaktorraum folgender bzw. nachgeschalteter Reaktorraum ist zur Vergasung der Pyrolysereststoffe mit dem Prozessgas unter Ausbildung eines Produktgases ausgebildet.
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Baulich können die Reaktorräume separate Bauteile oder Bauteilgruppen oder zumindest teilweise integral ausgeführt sein. Entscheidend ist, dass die dem jeweiligen Reaktorraum zukommende Funktion gewährleistet ist, d. h. also z. B. der erste Reaktorraum so konstruiert ist, dass in diesem die Pyrolyse von organische Verbindungen enthaltenden Stoffen, insbesondere unter Zufuhr von wenigstens einem Sauerstoff enthaltenden Gas und/oder Wasserdampf, durchführbar ist, so dass ein Teerverbindungen enthaltendes Pyrolysegas und Pyrolysereststoffe gebildet werden können. Dies gilt analog für den zweiten und dritten Reaktorraum.
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Die drei Reaktorräume kommunizieren derart miteinander, dass ein Gasstrom zwischen diesen gebildet werden kann. Insbesondere ist es also gewährleistet, dass das im Betrieb des Reaktors innerhalb des ersten Reaktorraums entstehende Pyrolysegas in den zweiten Reaktorraum und das dort gebildete Prozessgas in den dritten Reaktorraum strömen kann. Insbesondere kann zwischen Teilen des ersten und/oder zweiten Reaktorraums auch eine Verbindung zu dem dritten Reaktorraum vorgesehen sein, über welche beispielsweise in den in den ersten Reaktorraum zugeführten organischen Stoffen, in dem Pyrolysegas oder dem Prozessgas enthaltene organische Stoffe oder Pyrolysereststoffe in den dritten Reaktorraum geführt werden können.
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Grundsätzlich gelten für den erfindungsgemäßen Reaktor, insbesondere im Hinblick auf die in diesem stattfindenden Prozesse bzw. Verfahrensschritte sämtliche Ausführungen zu dem erfindungsgemäßen Verfahren analog.
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Konstruktiv weist der Reaktor z. B. eine zylindrische Form auf und ist beispielsweise als Hohlzylinder ausgebildet. Wesentlich für die Konstruktion des Reaktors ist, dass dieser einen Innenraum begrenzt, in welchem die drei vorgenannten, miteinander kommunizierenden Reaktorräume anordbar oder angeordnet sind.
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Vorteilhaft weist der erste Reaktorraum eine röhrenförmige, längliche Gestalt auf und durchsetzt den Reaktor axial, d. h. entlang oder im Bereich dessen Längsmittelachse. Die röhrenförmige Ausbildung des ersten Reaktorraums im Sinne eines so genannten „Risers“ erlaubt ferner Variationen der geometrischen Gestalt der in diesen zuzuführenden organischen Stoffe, so dass in diesen sowohl stückförmige Brennstoffe (z. B. Holzteile) oder staubförmige Brennstoffe (z. B. Sägemehl) als auch flüssige Brennstoffe (z. B. Öle, Schlämme) zugeführt werden können. Die axiale Erstreckung des ersten Reaktorraums reicht vorteilhaft bis über die Hälfte der Höhe des Reaktors, so dass der erste Reaktorraum vorteilhaft bis über die Hälfte in den Reaktor hineinreicht.
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Konstruktiv kann der Reaktor derart gestaltet sein, dass sich der dritte Reaktorraum zwischen dem ersten und dem zweiten Reaktorraum erstreckt, wobei sich der zweite Reaktorraum wenigstens teilweise entlang der Mantelfläche des Reaktors erstreckt. Der Vorteil dieser Reaktorkonstruktion liegt insbesondere darin, dass der zweite Reaktorraum hier bedingt durch die seitliche Anordnung im Bereich der inneren Mantelfläche oder Seitenwand des Reaktors gut zugänglich ist, so dass gegebenenfalls notwendige Service- oder vor allem Reinigungsarbeiten, welche aufgrund von aus z. B. an den Wänden des zweiten Reaktorraums anhaftenden, nicht zersetzten Teerverbindungen gebildeten Verschmutzungen erforderlich sein können.
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Alternativ kann der Reaktor z. B. derart gestaltet sein, dass sich der zweite Reaktorraum zwischen dem ersten und dem dritten Reaktorraum erstreckt, wobei sich der dritte Reaktorraum wenigstens teilweise entlang der Mantelfläche des Reaktors erstreckt. Der zweite Reaktorraum umgibt hierbei den röhrenförmigen ersten Reaktorraum vorteilhaft vollständig und ist sonach insbesondere ebenso in oder im Bereich der Längsmittelachse des Reaktors angeordnet. Derart ist ein Wärmeaustausch zwischen dem zweiten und dem ersten Reaktorraum möglich, so dass die im Rahmen der im Betrieb des Reaktors in dem zweiten Reaktorraum stattfindenden thermischen Zersetzung der Teerverbindungen entstehende thermische Energie teilweise zur Temperierung des ersten Reaktorraums verwendet werden kann.
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Bevorzugt ist der dritte Reaktorraum als Wirbelschichtreaktor ausgebildet. Wirbelschichtreaktoren dienen dazu, eine Schüttung von, insbesondere partikulären, Feststoffen aufzunehmen, wobei durch die Schüttung von Feststoffen eine aufwärtsgerichtete Strömung eines Gases geführt wird. Die vorliegend im Wesentlichen aus den Pyrolysereststoffen und einem Bettmaterial gebildete Schüttung wird im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens mit dem diese durchströmenden Prozessgas zu dem Produktgas umgesetzt bzw. vergast, so dass die Ausbildung des dritten Reaktorraums als Wirbelschichtreaktor zweckmäßig ist.
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Der erste Reaktorraum ist vorteilhaft mit einer Zufuhreinrichtung verbindbar oder verbunden, wobei die organische Verbindungen enthaltenden Stoffe und/oder ein Sauerstoff enthaltendes Gas und/oder Wasserdampf über die Zufuhreinrichtung in den ersten Reaktorraum zuführbar sind. Die Zufuhreinrichtung liegt insbesondere als Teil eines so genannten „Risers“ vor, über welchen organische Stoffe sowie gegebenenfalls weitere Stoffe, insbesondere druckbeaufschlagt, in den ersten Reaktorraum zugeführt, d. h. insbesondere geblasen, werden können.
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Um eine für den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens zweckmäßige bzw. notwendige Zufuhr von Sauerstoff enthaltenden Gasen und/oder Wasserdampf zu ermöglichen, weist der Reaktor wenigstens eine, insbesondere wenigstens zwei, Zufuhreinrichtungen zur Zufuhr von Sauerstoff enthaltenden Gasen und/oder Wasserdampf auf. Entsprechende Zufuhreinrichtungen sind insbesondere für den ersten und zweiten Reaktorraum vorgesehen, da in diesen diejenigen Schritte im Rahmen der Entfernung der Teerverbindungen aus dem Pyrolysegas stattfinden, welche der Zufuhr von Sauerstoff enthaltenden Gasen und/oder Wasserdampf bedürfen.
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In Weiterbildung der Erfindung ist wenigstens zwischen dem ersten und dem zweiten Reaktorraum wenigstens eine, insbesondere elektrostatische, Trennvorrichtung zum Abtrennen von in dem Prozessgas enthaltenen Feststoffen angeordnet. Als Trennvorrichtung kann beispielsweise eine elektrostatische, mit einer elektrischen Spannungsquelle verbundene Trennvorrichtung vorgesehen sein, welche eine elektrostatische Abtrennung von in dem Pyrolysegas enthaltenen Feststoffen ermöglicht.
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Schließlich weist der Reaktor wenigstens einen mit dem dritten Reaktorraum kommunizierenden Auslass für das Produktgas auf. Das über den Auslass aus dem Reaktor geführte Produktgas ist zu verschiedenen, insbesondere im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bereits genannten Zwecken weiter verwendbar.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:
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1 ein Blockdiagramm zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
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2 eine Prinzipdarstellung eines Reaktors gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung; und
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3 eine Prinzipdarstellung eines Reaktors gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung.
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1 zeigt ein Blockdiagramm zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Das erfindungsgemäße Verfahren beschreibt einen dreistufigen Prozess. In einem ersten, in Kasten a) dargestellten Schritt werden organische Verbindungen enthaltende Stoffen, kurz organische Stoffe oder Biomasse, bei Temperaturen im Bereich von 500–900°C pyrolisiert, wobei ein Teerverbindungen enthaltendes Pyrolysegas und Pyrolysereststoffe, wie insbesondere Koks, gebildet werden.
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Es ist dabei durch den Pfeil 1 angedeutet, dass die Pyrolyse unter Zufuhr von reinem Sauerstoff, welcher über gängige Verfahren zur Sauerstofferzeugung, wie z. B. Druckwechseladsorption, Membranverfahren oder kryogene Luftzerlegung, bereitgestellt wird, oder Sauerstoff enthaltenden Gasen, wie z. B. mit Sauerstoff angereicherter Luft, durchgeführt werden kann.
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Gleichermaßen kann die Pyrolyse unter, gegebenenfalls zusätzlicher, Zufuhr von Wasserdampf erfolgen.
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Die durch die Pyrolyse der organischen Stoffe entstandenen Pyrolysereststoffe, welche im Wesentlichen als Koks vorliegen, werden abgetrennt, die in dem Pyrolysegas enthaltenen Teerverbindungen werden in einem zweiten, in Kasten b) dargestellten Schritt thermisch zersetzt, d. h. die im Wesentlichen hochmolekularen Teerverbindungen werden unter Einfluss von Temperatur in niedermolekulare Zersetzungsprodukte zerlegt bzw. gespalten. Die für die Durchführung des zweiten Schritts erforderlichen Temperaturen liegen im Bereich von 900–1300°C, insbesondere 950–1200°C.
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Durch den Pfeil 2 ist dargestellt, dass auch im Rahmen der thermischen Zersetzung der in dem Pyrolysegas enthaltenen Teerverbindungen eine Zufuhr von reinem Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltenden Gasen, wie z. B. mit Sauerstoff angereicherter Luft, und/oder Wasserdampf erfolgen kann. Dies ist insbesondere zweckmäßig, um die für die thermische Zersetzung der Teerverbindungen notwendigen hohen Temperaturen zu erreichen bzw. einzustellen.
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Das in dem zweiten Schritt (vgl. Kasten b)) erzeugte, aus der thermischen Zersetzung der Teerverbindungen resultierende, insbesondere niedermolekulare organische, Zersetzungsprodukte enthaltende Prozessgas weist bedingt durch die für die thermische Zersetzung der Teerverbindungen erforderlichen hohen Temperaturen eine hohe thermische Energie auf und wird in dem durch Kasten c) dargestellten dritten Schritt zur Vergasung, d. h. insbesondere Wasserdampfvergasung, der zuvor abgetrennten Pyrolysereststoffe verwendet. Hierbei wird ein Produktgas, das gänzlich oder zumindest weitgehend frei von Teerverbindungen ist, erzeugt. Das Produktgas ist hochenergiereich bzw. hochkalorisch und kann beispielsweise zur Energieerzeugung etwa in einer Gasturbine oder einem Gasmotor oder zur chemischen Synthese verwendet werden.
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Ein typisches Produktgas enthält z. B. 25–50% Wasserstoff, 10–40% Kohlenmonoxid, 10–35% Kohlendioxid, wobei die Zusammensetzung derart ist, dass der Gesamtanteil der Verbindungen 100% nicht überschreitet.
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2 zeigt eine Prinzipdarstellung eines Reaktors 3 gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung. Der Reaktor 3 ist zur Durchführung des im Zusammenhang mit 1 beschriebenen Verfahrens ausgebildet.
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Der Reaktor 3 weist einen zylindrischen Grundkörper 4 auf, in welchem drei miteinander kommunizierende Reaktorräume 5, 6, 7 vorgesehen sind. Der erste, insbesondere röhrenförmige bzw. als so genannter „Riser“ ausgebildete, Reaktorraum 5 kann über eine Zufuhreinrichtung 8 mit den zu pyrolisierenden organischen Stoffen, wobei es sich beispielsweise um zerkleinerte Holzteile („Holzchips“), Holzstäube etc. handeln kann, sowie gegebenenfalls weiteren Stoffen, wie Sanden oder Schlämmen, beschickt werden. Die zu pyrolisierenden Stoffe werden druckbeaufschlagt mit einer bestimmten Strömungsgeschwindigkeit in den ersten Reaktorraum 5 geführt. Zudem kann über die Zufuhreinrichtung 8 Sauerstoff, mit Sauerstoff angereicherte Luft und Wasserdampf in den ersten Reaktorraum 5 zugeführt werden. Zudem können aus dem dritten Reaktionsraum 7 Teile des Bettmaterials der Wirbelschicht mitgerissen werden.
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In dem ersten Reaktorraum 5 werden die organischen Stoffe pyrolisiert, d. h. unter Einfluss von über geeignete Heizvorrichtungen oder durch das Bettmaterial der Wirbelschicht zugeführter thermischer Energie in ein Pyrolysegas umgesetzt. Im Rahmen der Pyrolyse der organischen Stoffe entstehen ferner Teerverbindungen, welche im Wesentlichen in dem Pyrolysegas enthalten sind, sowie Pyrolysereststoffe.
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Ersichtlich bedingt die Konstruktion des Reaktors 3 nach Austritt aus dem ersten Reaktorraum 5 eine Aufweitung des Reaktorraums, welche dazu führt, dass die Strömungsgeschwindigkeit des Pyrolysegases verringert wird, was zu einer Abtrennung von gegebenenfalls in dem Pyrolysegas enthaltenen Pyrolysereststoffen, wie insbesondere Koks, führt, welche bedingt durch die Schwerkraft in einen trichterförmigen bzw. hohlzylindrischen Siphon 9 fallen und von dort in den dritten Reaktorraum 7 gelangen.
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Der dritte Reaktorraum 7 ist als Wirbelschichtreaktor ausgebildet, so dass die, wie vorstehend beschrieben, aus dem Pyrolysegas abgetrennten Pyrolysereststoffe in dem dritten Reaktorraum 7 in einer Wirbelschicht vorliegen. Hierbei ist es möglich, die Pyrolysereststoffe zumindest teilweise, d. h. im Bereich des unteren, dem dritten Reaktorraum 7 zugewandten Endes des Siphons 9 mit einem Fluid zu durchströmen. Nicht gezeigt, jedoch gegebenenfalls zweckmäßig kann es sein, eine separate Zufuhreinrichtung zur Zufuhr von Koks oder ähnlichen, den Pyrolysereststoffen entsprechenden Stoffen in den dritten Reaktorraum 7 vorzusehen.
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Das aus dem ersten Reaktorraum 5 austretende Pyrolysegas kann nach Durchströmen einer elektrostatischen, mit einer externen Spannungsquelle verbundenen Trennvorrichtung 10, über welche in dem Pyrolysegas gegebenenfalls noch enthaltene Pyrolysereststoffe abgetrennt werden, seitlich in den zweiten Reaktorraum 6 eintreten (vgl. Pfeil 11).
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Über eine weitere Zufuhreinrichtung 12, welche aus porösem, keramischen Material gebildet ist oder solches umfassen kann, können bedarfsweise zusätzlich reiner Sauerstoff, Sauerstoff enthaltende Gase oder Wasserdampf zugeführt werden. Die Zugabe von reinem Sauerstoff, Sauerstoff enthaltenden Gasen und Wasserdampf führt zu einer Temperaturerhöhung in dem zweiten Reaktorraum 6. Die in dem zweiten Reaktorraum herrschenden Temperaturen liegen im Bereich von 950–1100°C, insbesondere um 1000°C, und bedingen eine thermische Zersetzung der in dem Pyrolysegas enthaltenen Teerverbindungen, welche derart in Zersetzungsprodukte, insbesondere in Form niedermolekularer Kohlenwasserstoffverbindungen, zersetzt bzw. gespalten werden.
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In dem zweiten Reaktorraum wird durch thermische Zersetzung der in dem Pyrolysegas enthaltenen Teerverbindungen sonach ein Prozessgas gebildet, welches die aus der Zersetzung der Teerverbindungen resultierenden Zersetzungsprodukte enthält. Das in dem zweiten Reaktorraum 6 gebildete Prozessgas ist sonach frei oder zumindest weitgehend frei von Teerverbindungen.
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Im unteren Bereich des zweiten Reaktorraums 6 ist eine weitere Zufuhreinrichtung 13 vorgesehen, über welche dem Prozessgas bedarfsweise Wasserdampf zugegeben werden kann, um eine gegebenenfalls erforderliche Einstellung der Temperatur des Prozessgases, d. h. insbesondere Abkühlung des Prozessgases, auf eine gewünschte Temperatur zu erreichen.
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Das aus dem zweiten Reaktorraum 6 austretende heiße Prozessgas gelangt in den dritten Reaktorraum 7, in welchem es mit den in einer Wirbelschicht vorliegenden Pyrolysereststoffen vergast, d. h. zu einem Produktgas umgesetzt wird. Die thermische Energie des aus dem zweiten Reaktorraum 6 austretenden Prozessgases wird also zu einer Vergasung der Pyrolysereststoffe genutzt. Die Vergasung der Pyrolysereststoffe ist ein endothermer Vorgang, so dass das schlussendlich aus dem dritten Reaktorraum 7 über einen Auslass 14 austretende Produktgas eine vergleichsweise niedrige Temperatur aufweist.
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Der Auslass 14 kann mit einem Regelventil (nicht gezeigt) versehen sein, über welches bestimmte Druckverhältnisse innerhalb des dritten Reaktorraums 7 und sonach innerhalb des Reaktors 3 ein- bzw. sichergestellt werden können.
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Grundsätzlich wird eine Rückströmung von Prozessgasen etwa aus dem dritten Reaktorraum 7 in den zweiten Reaktorraum 6 und weiter in den ersten Reaktorraum 5 dadurch vermieden, dass die zu pyrolisierenden organischen Stoffe über die Zufuhreinrichtung 8 unter hohem Druck in den ersten Reaktorraum 5 zugeführt werden. Insgesamt bietet der Reaktor 3 die Möglichkeit einer einfachen und sicheren Druckregelung, auch im Bereich hoher Drücke, d. h. insbesondere Drücken oberhalb 30 bar.
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Durch die hier nicht gezeigte zusätzliche Zufuhreinrichtung. über welche eine Zufuhr von reinem Sauerstoff, Sauerstoff enthaltenden Gasen und/oder Wasserdampf in den dritten Reaktorraum 7 möglich ist, kann die Thermodynamik der Vergasung der Pyrolysereststoffe und somit die Energiebilanz des erfindungsgemäßen Verfahrens gezielt beeinflusst werden.
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Es ist möglich, dass durch die im Vergleich zu einem in dem dritten Reaktorraum 7 befindlichen Bettmaterial der Wirbelschicht geringere Dichte der Pyrolysereststoffe, welche, wie erwähnt, im Wesentlichen als Koks vorliegen, die Pyrolysereststoffe als Barriere für Teerverbindungen wirken können, d. h. die Freisetzung von gegebenenfalls in den dritten Reaktorraum 7 gelangten Teerverbindungen, welche z. B. in dem zweiten Reaktorraum 6 nicht oder nicht vollständig zersetzt wurden, verhindern. Die Pyrolysereststoffe in dem dritten Reaktorraum 7 können sonach als eine Art Filter für Teerverbindungen wirken sowie gegebenenfalls katalytisch zur Umsetzung noch vorhandener Teerverbindungen beitragen. Durch eine hinreichend lange Verweilzeit der Teerverbindungen in dem dritten Reaktorraum 7 ist zusätzlich die Möglichkeit gegeben, diese möglicherweise in dem dritten Reaktorraum 7 thermisch in entsprechende Zersetzungsprodukte zu zersetzen.
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Es ist zweckmäßig, der in dem dritten Reaktorraum 7 vorhandenen Wirbelschicht eine weitere Trennvorrichtung (nicht gezeigt), insbesondere in Form eines Zyklons, nachzuschalten, um gegebenenfalls aus der Wirbelschicht austretende Feststoffe abzutrennen. Die abgetrennten Feststoffe können g in die Zufuhreinrichtung 8 (rück)geführt werden, so dass ein Verlust von Bettmaterial und Pyrolysereststoffen vermieden werden kann.
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Die Konstruktion des in 2 gezeigten Reaktors 3 ist ersichtlich derart, dass der röhrenförmige erste Reaktorraum 5 den Reaktor 3 axial im Bereich seiner Längsmittelachse teilweise durchsetzt. Der zweite Reaktorraum 6 ist im Bereich der Seitenwand des Reaktors 3 bzw. des Grundkörpers 4 angeordnet, d. h. der zweite Reaktorraum 6 erstreckt sich entlang der Mantelfläche des Reaktors 3 bzw. des Grundkörpers 4. Der dritte Reaktorraum 7 erstreckt sich zwischen dem ersten Reaktorraum 5 und dem zweiten Reaktorraum 6.
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Durch die in 2 gezeigte Konstruktion ist der zweite Reaktorraum 6 gut zugänglich, so dass gegebenenfalls notwendige Service- oder Reinigungsarbeiten, welche durch aufgrund von an den Wänden des zweiten Reaktorraums 6 anhaftenden, nicht zersetzten Teerverbindungen gebildeten Verschmutzungen erforderlich sein können, einfach durchführbar sind.
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3 zeigt eine Prinzipdarstellung eines Reaktors 3 gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung. Der wesentliche Unterschied zu der in 2 gezeigten beispielhaften Ausführungsform eines Reaktors 3 besteht in der Anordnung des zweiten Reaktorraums 6, welcher hier nicht entlang der Mantelfläche bzw. Seitenwand des Reaktors 3 bzw. des Grundkörpers 4, sondern den ersten Reaktorraum 5 unmittelbar umgebend angeordnet ist.
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Mithin erstreckt sich der zweite Reaktorraum 6 ebenso zentral innerhalb, d. h. im Bereich der Längsmittelachse des Reaktors 3 bzw. des Grundkörpers 4. Im Vergleich zu der in 2 gezeigten Ausführungsform erstreckt sich der zweite Reaktorraum 6 hier zwischen dem dritten Reaktorraum 7 und dem ersten Reaktorraum 5, was insofern vorteilhaft sein kann, als derart in dem zweiten Reaktorraum 6 während der thermischen Zersetzung der Teerverbindungen herrschende hohe Temperaturen von dem Grundkörper 4 des Reaktors 3 ferngehalten werden können. Der Grundkörper 4 kann für einen Betrieb bei hohen Drücken ausgelegt werden, wobei die Temperatur weit unterhalb der maximalen Prozesstemperatur in dem zweiten Reaktorraum 6 ist.
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Durch die in 3 gezeigte Konstruktion des Reaktors 3 ist ein Wärmeaustausch zwischen dem zweiten Reaktorraum 6 und dem ersten Reaktorraum 5 möglich, so dass die für die in dem ersten Reaktorraum 5 durchgeführte Pyrolyse erforderliche thermische Energie im Sinne einer Mantelheizung zumindest teilweise über den zweiten Reaktorraum 6 bereitgestellt werden kann.
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Sowohl in der in 2 als auch in der in 3 gezeigten Ausführungsform des Reaktors 3 ist es denkbar, die Außenwände des Grundkörpers 4 des Reaktors 3 thermisch zu isolieren, um insbesondere die Temperatur betreffende oder von dieser abhängige Prozessbedingungen innerhalb des Reaktors 3 zu kontrollieren sowie Wärmeverluste zu verhindern.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
