DE60026264T2

DE60026264T2 - Verfahren und Anlage für die Herstellung von brennbaren Gasen aus an organischen Materialien reichen Einsätzen

Info

Publication number: DE60026264T2
Application number: DE2000626264
Authority: DE
Inventors: Eric Marty; Gerard Martin; Etienne Lebas
Original assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Current assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Priority date: 1999-08-16
Filing date: 2000-07-20
Publication date: 2006-08-10
Anticipated expiration: 2020-07-21
Also published as: ES2259597T3; PL342026A1; JP2001098283A; FR2797642A1; CA2316674A1; DK1077248T3; PL190985B1; EP1077248B1; FR2797642B1; EP1077248A1; ATE318880T1; PT1077248E; DE60026264D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung von brennbarem Gas aus einer ersten Beschickung umfassend eine organische Fraktion, wie z.B. Biomasse, Haushaltsabfälle und/oder industrielle Abfälle, landwirtschaftliche Abfälle, Schlammen von Reinigungsstationen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein reiches brennbares Gas herzustellen, welches arm an schweren Stoffen, wie z.B. Teer ist, und arm an mineralischen Verunreinigungen, wie z.B. alkalischen Salzen. Ein solches brennbares reiches Gas kann mit Vorteil in Vorrichtungen oder Verfahren zur Energieerzeugung eingesetzt werden, wie z.B. in Gasmotoren, Gasturbinen, Wasserkesseln oder Brennern. Ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, kann das reiche brennbare Gas anschließend Veredelungsbehandlungen durchlaufen, wie z.B. eine Behandlung mittels Dampfreformation oder mittels partieller Oxidierung, um mit Wasserstoff angereichert zu werden.
Es gibt zwei Hauptwege für die Herstellung eines brennbaren Gases aus dem von einer festen Beschickung, welche eine organische Fraktion enthält: die Vergasung und die auch Pyrolyse genannte Thermolyse. Die Thermolyse oder Pyrolyse ist ein thermischer Degradierungsvorgang, welcher unter vollständigem Sauerstoffabschluss abläuft. Sie führt zu der Produktion eines Gases mit mittlerem oder starkem Brennwert und mit einer festen Phase, welche reich an Kohlenstoff ist, genannt Koks. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, die globale Energieausbeute der Reaktion zu verbessern, indem man den aus der Pyrolyse abgeleiteten an Kohlenstoff reichhaltigen festen Rückstand als Brennstoff verwendet, um den zur Pyrolyse dienenden Ofen aufzuheizen.
Auf der anderen Seite entspricht die Vergasung einer partiellen Oxidierung der Beschickung, wobei die Oxidierung eine Oxidierung ist, welche bei derartigen Bedingungen durchgeführt wird, dass sie kein Gas erzeugt. Im Gegenteil hat sie den Hauptnachteil, ein Gas mit geringem Brennwert zu erzeugen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es gleichermaßen möglich, mit dem Betrieb der Thermolyse der die Durchführung einer thermischen Spaltdestillation der Thermolysegase zu verknüpfen, um die schwersten Verbindungen, welche in den von der Thermolyse abgeleiteten Gasen enthalten sind, herauszulösen und schließlich ein Gas mit hohem Brennwert zu erhalten, und dabei gleichzeitig die Energieausbeute der Herstellung des brennbaren Gases zu verbessern.
Die Anlagen gemäß dem Stand der Technik, welche Vergasungsverfahren zur Umwandlung einer festen Beschickung in brennbare Gase einsetzen, haben Probleme verschiedener Art:

– Eine umfangreiche Vorbehandlung der Beschickung ist vor der Vergasung erforderlich; diese Vorbehandlung kann eine Feinzerkleinerung und/oder eine umfangreiche Trocknung sein.
– Es ist erforderlich, Behandlungsarbeitsgänge der produzierten Gase einzusetzen, um Rest der volatilen alkalischen Salze, wie z.B. Verbindungen auf Basis von Kalium und Natrium, herauszulösen; diese Behandlungen sind z.B. eine Filtrierung unter Hitze und/oder eine Reinigung der Gase.
– Der Brennwert der produzierten Gase ist niedrig aufgrund einer Verbrennung und wegen des Stickstoffvolumens, welches durch die Vergasungsluft eingeführt wird.

Es ist bereits, beispielsweise in der Patentanmeldung EP-A2-0864349, eine Vorrichtung, welche zur Durchführung eines Thermolysearbeitsschrittes und eines thermischen Spaltdestillationsschrittes geeignet ist, bekannt, wobei die thermische Spaltdestillation mit Hilfe der heißen Gase, welche bereits zum Aufheizen des Thermolyseofens gedient haben, durchgeführt wird. Es ist daher schwierig, unter diesen Bedingungen die Temperatur zu kontrollieren und genauer den Temperaturanstieg der thermischen Spaltdestillation; im Übrigen verbleiben die Temperaturen für die Spaltdestillation unterhalb von ungefähr 900°C, eine Temperatur, welche unzureichend ist, um die schweren Verbindungen, welche sich in den Thermolysegasen gewöhnlich befinden können, wirksam zu spaltdestillieren.
Es ist auch, aus dem Patent US-4.300.915, ein Verfahren für die Pyrolyse von Abfällen bekannt, in welchen die für die Spaltdestillation der Thermolysegase benötigte Wärme durch die direkte Vermischung eines Teils der besagten Thermolysegase mit den aus der Verbrennung des anderen Teils der besagten Thermolysegase abgeleiteten Rauchgasen geliefert wird. Auch der Brennwert des produzierten Endgases ist daher im gleichen Maße vermindert und liegt bezüglich des Wertes nahe an dem eines aus einem herkömmlichen Vergasungsapparat abgeleiteten Gases. Auf der anderen Seite ist die globale Energieausbeute der in diesem Patent beschriebenen Erfindung mittelmäßig, da die aus der Pyrolyse abgeleiteten, an Kohlenstoff reichen festen Feststoffe nicht verwendet werden.
Es versteht sich von selbst, dass all diese Probleme einen direkten Einfluss auf die Leistung der Anlagen sowie auf deren Kosten haben.
Wenn die Verwendung des festen Reststoffes des Thermolyseschrittes es ermöglicht, die Energieausbeute der ersten und der brennbaren Gase wesentlichen zu verbessern, ermöglicht es die anschließende Verknüpfung eines Thermolyseschrittes und eines Spaltdestillationsschrittes, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, gleichermaßen mit Vorteil, insbesondere die oben genannten Probleme zu lösen, mit den technischen Vorteilen, von denen einige wie folgt zum Ausdruck gebracht werden können:

– Der Brennwert des produzierten Thermolysegases erhöht sich, da er die beiden Schritte der Thermolyse und der thermischen Spaltdestillation unter totalem Luftabschluss durchgeführt werden. Der von dem Gas erreichte Brennwert liegt auf diese Weise 2 bis 4mal über dem eines aus einem Vergasungsvorgang abgeleiteten Gases; diese Gase sind deshalb leichter in Apparaten verwendbar, welche hohe Temperaturwerte benötigen.
– Eine größere Anpassungsfähigkeit an die Beschaffenheit der Beschickung bezüglich der Größe und Zusammensetzung, welche insbesondere mit der

Verwendung eines Trommelofens für die Thermolyse zusammenhängt. Als Folge daraus ist es unter Berücksichtigung der Transportart der festen Beschickung im Innern des drehenden Zylinders und unter Berücksichtigung der Verweilzeiten der festen Phase nicht erforderlich, gemahlene und/oder stufenweise sortierte Beschickungen zu verwenden, wie dies der Fall ist bei Vergasungsverfahren, welche Reaktoren vom Fließbetttyp oder Festbetttyp einsetzen, und bei denen die richtige Durchströmung der festen Beschickung die Verwendung von fein gemahlenen und/oder stufenweise sortierten Substanzen erfordert.

– Eine eingeschränkte Trocknung der Beschickung, um das richtige Verhältnis Wasser-Teer während des Spaltdestillationsschrittes zu erhalten.
– Das Nicht-Durchführen eines Verflüchtigungsverfahrens der mineralischen alkalischen Salze, wie z.B. Kalium und Natrium, aufgrund der begrenzten Temperatur in dem Thermolyseofen; dies hat eine schwächere organische Oberflächenverschmutzung und Korrosion der stromabwärts der Thermolyse angeordneten Ausrüstungsteile zur Folge.
– Die Nachbehandlungsarbeitsgänge der Gase werden wesentlich erleichtert, da die aus dem Spaltdestillator abgeleiteten Gase frei von schweren Substanzen sind und lediglich einen Filtrierschritt erfordern, welcher unter einfachen Bedingungen und unter Verwendung von erprobten Technologien durchgeführt werden kann.
– Das Volumen des zu behandelnden Gases ist kleiner, was zu einem weniger sperrigen Aufbau und zu geringeren Kosten führt.
– Eine thermische Spaltdestillation des im Verlaufen der Thermolyse unter Bildung von molekularem Stickstoff ausgeströmten NH₃ ist möglich; dies ermöglicht es, die Emission von Stickoxiden zu beschränken.

Mit Vorteil weist das mittels des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugte Gas nach Filtrierung Eigenschaften auf, welche es ermöglichen, das Gas auf einfachere Weise in zahlreichen energiebezogenen Anwendungen zu verwenden, ohne dass sich die oben angesprochenen Probleme, welche mit dem Vorhandensein von Teer und volatilen alkalischen Metallen verbunden sind, ergeben:

– Dieses Gas kann mit Hilfe eines mit einem Wärmeerzeugungsmittel verbundenen Brenners verbrannt werden.
– Dieses Gas kann verdichtet werden und in einem Gasmotor oder einer Gasturbine verwendet werden, um Elektrizität und/oder Wärme zu erzeugen.
– Es kann schließlich mittels Umwandlungsverfahren behandelt werden, wie z.B. einer Behandlung mittels Dampfreformieren oder mittels partieller Oxidierung, um es mit Wasserstoff anzureichern.

Auf diese Weise ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Herstellungsverfahren eines brennbaren Gases aus einer anorganischen substanzenreichen Beschickung, enthaltend mindestens eine Thermolyse der besagten Beschickung, gefolgt von einer thermischen Spaltdestillation der aus der Thermolyse stammenden Gase, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermolyse und die Spaltdestillation in zwei verschiedenen Mitteln durchgeführt werden, dass man die Temperatur der Thermolyse und die der thermischen Spaltdestillation unabhängig voneinander regelt, dass die festen Produkte der besagten Thermolyse in ein Verbrennungsmittel geschickt, dass durch die besagte Verbrennung erzeugte Wärme für die Durchführung der Thermolyse verwendet wird, dass die besagte Thermolyse in einen Temperaturbereich zwischen 300°C und 900°C unter einem Druck nahe dem Atmosphärendruck betrieben wird, und dass die besagte thermische Spaltdestillation der Gesamtheit des aus der Thermolyse stammenden Gases zwischen 800°C und 1200°C durchgeführt wird.
Im Einklang mit der Erfindung kann das Verfahren darüber hinaus einen Schritt der schnellen Abkühlung des aus der thermischen Spaltdestillation abgeleiteten Gases umfassen.
Ferner kann das Verfahren einen Schritt der Filtrierung des Gases der abgekühlten Spaltdestillation umfassen.
Insbesondere kann ein Teil der besagten abgekühlten und/oder gefilterten Gase der Spaltdestillation zu einem Energieerzeugungsmittel, wie z.B. einem Motor oder einer Turbine, geleitet werden.
Gemäß einem Merkmal der Erfindung kann ein Teil der abgekühlten und/oder gefilterten Gase der Spaltdestillation als Brennstoff zugeführt und verwendet werden, um ein Heizmittel, wie z.B. den Brenner eines thermischen Spaltdestillationsreaktors, zu speisen.
Darüber hinaus können von die von der Energieerzeugungsmitteln, wie z.B. einem Motor oder einer Gasturbine, abgeleiten Rauchgase einem Energierückgewinnungsmittel zugeleitet werden.
Mit Vorteil können die aus der Verbrennung der an Kohlenstoff reichen festen Feststoffe abgeleiteten Rauchgase nach Verwendung für die Erwärmung des Thermolysereaktors einer Energierückgewinnungsvorrichtung zugeleitet werden.
Außerdem kann das Verfahren eine Verdichtung der filtrierten Gase vor deren Einleitung in die Energieerzeugungsmittel umfassen.
Gemäß einem interessanten Merkmal der Erfindung bilden die Thermolysemittel und das Verbrennungsmittel eine kompakte Einheit.
Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Herstellung eines brennbaren Gases ausgehend von einer anorganischen Substanzen reichen Beschickung, umfassend Mittel zur Thermolyse der besagten Beschickung und Mittel für die thermische Spaltdestillation, welche hinter den Thermolysemitteln angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel, welche zur unabhängigen Regelung der Thermolysetemperatur und der Temperatur der thermischen Spaltdestillation ausgelegt sind, Mittel zur Verbrennung für die aus der besagten Thermolyse abgeleiteten festen Produkte umfassen, damit die durch die besagte Verbrennung erzeugte Wärme die besagte Thermolyse in einem Temperaturbereich zwischen 300°C und 900°C unter einem Druck nahe dem atmosphärischen Druck betreibt, und dass die Mittel zur Spaltdestillation der Art ausgelegt sind, dass die thermische Spaltdestillation der Gesamtheit des aus der Thermolyse abgeleiteten Gases zwischen 800°C und 1200°C durchgeführt wird.
Die Anlage kann ein Mittel für die schnelle Abkühlung der aus dem Mittel zur thermischen Spaltdestillation abgeleiteten Gase umfassen.
Die Anlage kann ein Filtriermittel für die abgekühlten Gase umfassen, welches am Ausgang der Abkühlungsmittel angeordnet ist.
Die Verbrennungsmittel können eine erste Zufuhr für die aus dem Thermolysemittel abgeleiteten Feststoffe und eine zweite Zufuhr für eventuell vorbeheizte Verbrennungsluft umfassen.
Die Anlage kann eine Vorrichtung für die Energieerzeugung, wie z.B. einen Motor oder eine Turbine, umfassen, welche die aus den Filtriermitteln abgeleiteten Gase oder die aus den Abkühlungsmitteln abgeleiteten Gase aufnimmt, wobei die besagte Vorrichtung die Erzeugung von Wärme und/oder Elektrizität ermöglicht.
Die Erwärmung für die thermische Spaltdestillation kann von Mitteln für die Verbrennung eines Teils der aus der Spaltdestillation abgeleiteten Gase, insbesondere von Brennern, durchgeführt werden.
Die Anlage kann ein Mittel zur Komprimierung der zu spaltdestillierenden Gase, abgekühlt und filtriert, umfassen, welches stromabwärts von dem Filtermittel und stromaufwärts von dem Energieerzeugungsmittel angeordnet ist.
Die Thermolysemittel können einen Trommelofen beinhalten, welcher einen drehbaren Behälter für die Beschickung umfasst, welcher von einem Raum für die Erwärmung des Trommelofens umgeben ist.
Die Verbrennungsmittel können einen Ausgang für die Verbrennungsrauchgase umfassen, wobei der besagte Ausgang mit einem Eingang der Thermolysemittel verbunden ist.
Die Verbrennungswärme und die von den Verbrennungsmitteln abgeleiteten Rauchgase können die Thermolysemittel unmittelbar erwärmen.
Die Mittel für die thermische Spaltdestillation können eine Zufuhr für die Thermolysegase, eine Anordnung von metallischen Rohren, in welchen die Thermolysegase umlaufen, eine Ummantelung aus hitzebeständigem Material, einen Ausgang für die Spalt destillierten Gase, eine Anordnung von mit Luft und brennbaren Gasen gespeisten und in die Einfassung einmündenden Brennern, wobei Mittel für die Regelung des Durchflusses jeder Speisung zusätzlich vorgesehen sind, und mindestens einen Ausgang für die Rauchgase der Brenner umfassen.
Weitere Vorteile, Einzelheiten, Merkmale der Erfindung werden bei der Lektüre der Beschreibung der nachfolgenden keineswegs einschränkenden Beispiele deutlicher werden, welche anhand der beigefügten Figuren veranschaulicht sind, bei denen:
die 1 ein im Wesentlichen funktionelles Schema einer Ausführungsform der Erfindung ist;
die 2 ein im Wesentlichen funktionelles Schema einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist;
die 3 ein Schema eines Mittels für die thermische Spaltdestillation gemäß der Erfindung ist; und
die 4 ein Schema eines anderen Mittels für die thermische Spaltdestillation im Einklang mit der Erfindung ist.
Die 1 ist demnach ein funktionelles Schema, welches Hauptbestandteile einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt. Die Erfindung wird nun sowohl auf funktioneller Ebene als auch auf konstruktiver Ebene beschrieben werden.
Das Verfahren gemäß der Erfindung ist bevorzugt zur Behandlung von Biomasse vorgesehen. Für die Thermolyse wird wegen dessen Eignung zur Behandlung von unterschiedlichen Beschickungen bezüglich sowohl Größe als auch Zusammensetzung bevorzugt ein Trommelofen 1 verwendet. Die Vielseitigkeit dieses Gerätes kann es daher ermöglichen, es mit einer Hauptbeschickung, wie z.B. Biomasse, aber gleichermaßen mit Gemischen von festen Beschickungen, welche organische Bestandteile enthalten, wie z.B. Küchenabfälle, beliebige industrielle Abfälle, Agrarabfälle oder Schlamm von Reinigungsstationen, zu beschicken.
Es kann erforderlich sein, die Rohbeschickung mit einer Thermolyse zu behandeln. Dieser Vorbehandlungsschritt hängt von der Beschaffenheit der Beschickung (Zusammensetzung, Korngrößenklassifizierung, Feuchtigkeit ...) ab und setzt herkömmliche Techniken ein: Grobmahlen, Trocknen, etc ... Das Ziel dieses Schrittes der Vorbehandlung ist es, die Beschickung an die Spezifikationen am Eingang des Trommelofens 1 anzupassen; d.h.:

– die größte Korngrößenklassifizierung der Beschickung liegt unter 30 cm und vorzugsweise unter 10 cm.
– die Feuchtigkeit der Beschickung liegt unterhalb von 60 % und vorzugsweise unterhalb von 20 Gew.-%. Die Feuchtigkeit der Beschickung beeinflusst effektiv die mögliche thermische Spaltdestillationsreaktion des Gases, welche der Thermolyse folgen kann. Die Spaltdestillationsausbeute hängt von der in den Gasen und dementsprechend von jener ursprünglich in der Beschickung vorhandenen Wassermenge ab.

Alle Vorteile des Verfahrens auszunutzen und im Falle einer nachträglichen Spaltdestillation der aus der Pyrolyse abgeleiteten gasförmigen Beschickung wird man bestrebt sein, Beschickungen zu behandeln, deren Feuchtigkeit es ermöglicht, in dem Fenster für die optimale Funktion des Spaltdestillationsschrittes zu arbeiten, und dieses ohne anfängliche Trocknung. Genauer gesagt wird man bestrebt sein, Beschickungen zu behandeln, deren anfängliche Feuchtigkeit der Art gewählt ist, dass das Massenverhältnis Wasser/Gas aus der Thermolyse sich zwischen 0,1 und 10 befindet. Man weiß, dass Wasserdampf eine positive Wirkung auf die Spaltdestillation hat, was die Verkoksung beschränken bzw. verhindern kann.
Im Anschluss an diesen möglichen Vorbehandlungsschritt wird die Biomasse in den Trommelofen 1 zur indirekten Erwärmung mit Hilfe einer Vorrichtung (nicht dargestellt), welche die Dichtigkeit des Ofens zur Umgebung sicherstellen kann und welche auf diese Weise jeden Lufteintritt in den Ofen verhindern kann, eingeleitet. Die Vorrichtung, welche diese Dichtigkeit erzielen kann, kann eine archimedische Schraube oder ebenso geeignet ein System zum Einlassen der Beschickung mittels gepressten Ballen sein.
Der Trommelofen, welcher hier für die Thermolyse verwendet wird, umfasst eine drehbare Einfassung, welche von einem ringförmigen Raum für die Erwärmung des Trommelofens umgeben ist.
Ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, kann ein Mittel für die Thermolyse, wie z.B. ein System mit sich vorwärts bewegendes Gitter, ein vibrierender Tisch ... ausgestattet mit einer indirekten Heizung vorgesehen sein.
Im Verlaufe von dessen Ausbreitung in dem drehbaren Behälter 1 und unter Einwirkung von Wärme wird die Beschickung von ihrer Restfeuchtigkeit entledigt, anschließend wird sie einer thermischen Degradation unter vollständigen Luftabschluss, d.h. einer Pyrolyse, unterzogen, welche sich unmittelbar an die Bildung einer Gasphase (Rohgas) und eines an Kohlenstoff (Koks) reichen festen Reststoffes anschließt.
Die Biomasse und die aus der thermischen Zersetzung abgeleiteten Gase zirkulieren hier beim gleichen Strom innerhalb des Ofens. Dieser Vorgang wird bei einer Temperatur durchgeführt, welche zwischen 300 und 900°C und bevorzugt zwischen 500 und 700°C und unter einem Druck nahe des Atmosphärendruck durchgeführt. Die Verweildauer der Feststoffe im Innern des Ofens ist ausreichend lang, um eine vollständige Degradation der organischen Bestandteile zu ermöglichen. Sie liegt zwischen 30 und 180 Minuten und genauer zwischen 45 und 90 Minuten. Unter diesen Bedingungen der Verweildauer und unter Berücksichtigung der Temperaturprofile in dem Trommelofen wird das Vorhandensein von Teer in der gasförmigen Phase minimiert.
Die Betriebsbedingungen für den Betrieb der Thermolyse sind bevorzugt so gewählt, dass die folgenden Kriterien gleichzeitig erfüllt sind:

– Die Erwärmungsgeschwindigkeit der Beschickung muss so sein, dass sie es ermöglicht, die Bildung von schweren Produkten vom Typ Teer zu minimieren; sie liegt zwischen 5 und 100°C/min.
– Die von der Beschickung erreichte Endtemperatur muss es möglich machen, die Gasausbeute auf Kosten der Ausbeute an festen Produkten und an schweren Produkten vom Typ Teer zu optimieren.
– Die Endtemperatur, welche von der ersten Phase erreicht wird, darf nicht oberhalb der Verdunstungstemperatur der hauptalkalinen Salze, wie z.B. der Kalium- und Natriumsalze, liegen.

Am Ausgang des Drehofens wird Koks mit Hilfe einer Vorrichtung, welche die Dichtigkeit bezüglich der Umgebung sicherstellt (Drehventil, Schleuse mit Absperrventilen oder jede andere nicht dargestellte äquivalente Vorrichtung, welche die Durchführung dieses Vorganges ermöglicht). Der Koks wird anschließend zu einer Verbrennungsvorrichtung 2 zielgeleitet, welche zum Ziel hat, die zur Erwärmung des Thermolyseofens 1, d.h. für die Arbeitsgänge der Trocknung und der Pyrolyse, welche in dem Behälter des drehbaren Ofens 1 ablaufen, erforderliche Energie zu erzeugen.
Die Verbrennungsvorrichtung 2 kann ein dichtes Fließbett, ein Festbett, ein Transportbett, ein Kessel mit Schneckenzuführung, eine Feuerung mit Rost oder jede andere Art von Vorrichtung sein, welche es ermöglicht, feste Brennstoffe zu verbrennen. Die Verbrennungsvorrichtung 2 wird über eine spezielle Leitung 20a mit Verbrennungsluft versorgt; die Luft kann möglicherweise vorgeheizt sein, um die Gesamtausbeute des Vorgangs zu verbessern. Ein Mittel 20 für die Regelung des Durchflusses der Luft kann zusätzlich in der Leitung 20a angeordnet sein, um die Verbrennungstemperatur des Koks in dem Mittel 2, also die Temperatur der Thermolyse, zu regeln.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung werden die von der Verbrennung des Koks erzeugten heißen Rauchgase über eine oder mehrere Rohrleitungen 5 mit einer Doppelummantelung 3, welche den drehbaren Behälter 1 umgibt, eingeleitet, in welcher sie umlaufen. Die Zirkulation der heißen Rauchgase in der Doppelummantelung 3 kann bei Gegenstrom oder bei Gleichstrom im Innern des Ofens 1 umlaufenden festen Beschickung durchgeführt werden, in der Abhängigkeit von den Bedingungen der Erwärmungsgrade und der gewünschten Endtemperatur. Die heißen Rauchgase, welche in der Doppelummantelung 3 umlaufen, haben eine Temperatur, welche zwischen 400 und 1200°C und vorzugsweise zwischen 600 und 1000°C liegt. Sie übertragen ihre Energie auf die Metallwand des Drehbehälters 1 mittels Strahlung und mittels Konvektion.
Auf der 1 ist die Verbindung für den Transport des Koks zwischen dem Thermolysemittel 1 und dem Verbrennungsmittel 2 mit 4 bezeichnet, wohingegen die Verbindung für den Transport der Rauchgase zwischen dem Verbrennungsmittel 2 und dem Thermolysemittel 1 mit 5 markiert ist.
Über der Verbindung 4 kann ein Zwischenspeichermittel 28, welches die Koksdurchflussregelung ermöglicht, vorgesehen sein. Ein Mittel 24, wie z.B. ein Drehventil, eine Archimedesschraube oder jedes andere äquivalente Mittel, welches die Regelung des Koksdurchflusses ermöglicht, kann außerdem über der Leitung zwischen dem Ausgang des Speichers 28 und dem Eingang des Verbrennungsmittels 2 installiert werden. Das Mittel 24 ermöglicht die Regelung des Brennstoffdurchflusses in dem Mittel 2, mithin die Verbrennungstemperatur des Koks und folglich die Temperatur der Thermolyse.
Die Pyrolysegase, welche aus den Thermolysemitteln 1 austreten und von der Zersetzung der an organischen Substanzen reichen Beschickung abgeleitet sind, haben gemäß diesem Ausführungsbeispiel eine Temperatur zwischen 300 und 900°C und vorzugsweise zwischen 500 und 700°C. Diese Gase sind aus einem Gemisch aus Wasserdampf und damit aus der Trocknung der Beschickung und in Pyrolysereaktionen, aus bei Umgebungstemperatur nicht kondensierbaren Gasen, wie z.B. CO, CO₂, H₂, CH₄, C₂H_x und C₃H_y, NH₃ und aus Dämpfen von schwereren Kohlenwasserstoffen, welche mindestens 4 Kohlenstoffatome umfassen, zusammengesetzt.
Diese Gase können gleichermaßen eine geringe Menge an säurehaltigen Gasen, wie z.B. HCl und H₂S, sowie gelöste Partikel enthalten. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann diese gasförmige Phase über eine Leitung 6 zu einem Reaktor 7 geleitet werden, in welchem ein thermischer Spaltdestillationsvorgang durchgeführt wird, dessen Ziel es ist, die Dämpfe aus deren Kohlenwasserstoffen in nicht kondensierbare Gase umzuwandeln.
Die thermische Spaltdestillationsreaktion wird bei einer Temperatur zwischen 800 und 1200°C und bevorzugt zwischen 900 und 1100°C durchgeführt.
Im Einlang mit der Erfindung wird die für die Durchführung dieses Spaltdestillationsvorgangs benötigte Energie mittels externer Brenner 8 zugeführt, welche mit einem Brennstoff gespeist werden, welcher eine Fraktion des Spalt destillierten und rückgewonnenen Gases sein kann.
Ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen, können die Brenner 8 mit einem traditionellen Brennstoff, wie z.B. Erdgas, Flüssiggas oder Anderem gespeist werden.
Ventile 25, 26 sind bevorzugt vorgesehen, um die besagten Brennstoffe zu regeln, wohingegen weitere Ventile 21, 22 auf den Luftzuführungen vorgesehen sein können, wobei der Aufbau es ermöglicht, die Temperatur der Spaltdestillation wie die Temperaturanstiegsrate zu regeln.
Die Spaltdestillation wird bei totalem Luftabschluss durchgeführt, und die Abgänge der Heizbrenner 8 für die Beschickung sind zu keinem Zeitpunkt in Kontakt mit der zu Spalt destillierenden Beschickung, wie an dieser Stelle in Verbindung mit den 3 und 4 erläutert werden wird.
Gemäß der 3 besteht der Spaltdestillationsreaktor 7 aus einer Ummantelung aus feuerfesten Materialien 29, welche mit metallischen Rohren 30 versehen sind, in welchen die zu spaltdestillierende Beschickung umläuft, welche über die Leitung 6 eintritt. Ein Brenner 8 wird in die Wand aus feuerfesten Materialien eingebaut und Erwärmen die Außenwand der Metallrohre 30. Die Anordnung der Rohre 30 und der Brenner 8 ist gewählt, um die Temperaturanstiegsrate und die Verweildauer zu erhalten, welche jeweils optimal sind, um die Gase mit den besten Umwandlungsraten zu spaltdestillieren.
Das beste Umwandlungsverhältnis erhält man, wenn die Gesamtheit der in der Beschickung vorhandenen schweren Kohlenwasserstoffe in leichte Gase umgewandelt wird. Die Profile Temperatur/Verweildauer der Beschickung ebenso wie der Wassergehalt werden daher gewählt, um die Umwandlung von Teer zu maximieren und dabei gleichzeitig die Bildung von Koks zu minimieren.
Mittel zur Regelung der Temperatur der Spaltdestillation sind bevorzugt vorgesehen, in Form von Ventilen: die einen, 33a, 33b, für die brennbaren Gase; andere 32a und 32b für die Verbrennungsluft.
Eine Verweildauer der Gase in dem Spaltdestillationsmittel gemäß der Erfindung liegt zwischen 0,1 und 10 s, vorzugsweise zwischen 1 und 5 s.
Eine zweite mögliche Anordnung des Reaktors 7 ist anhand der 4 veranschaulicht: der Reaktor 7 besteht hier aus einer Ummantelung 29 aus inerten feuerfesten Materialien, in welcher die zu spaltdestillierende Beschickung umläuft. Die Brenner 8 in die verkapselten Ummantelungen 31, welche in den Innenraum des Reaktors 7 eindringen. Die Ummantelungen 31 können aus Keramik oder aus Siliziumcarbid sein. Die Temperaturübertragung zwischen den Brennern und dem zu spaltdestillierenden Gas ist zurückzuführen auf die Abstrahlung der Rohre 31. Die Anordnung der Brenner 8 ist gewählt, um die optimale Temperaturanstiegsrate und optimale Verweildauer zum Spaltdestillieren der Gase mit dem besten Umwandlungsverhältnis zu erhalten.
Die Temperaturen der Spaltdestillation sowie die Temperaturanstiegsraten der Gase im Innern des Spaltdestillators 7 werden mit Hilfe der auf den Zufuhrleitungen der brennbaren Gase 34a, 34b und auf den Zufuhrleitungen 35a, 35b angeordneten Ventile geregelt.
Eines der im Spaltdestillationsreaktoren vorhandenen Probleme ist die Bildung von Koks. Die Bildung von Koks in zu großer Menge ist bezüglich der Wirkung der Art, dass die Vorheizbrenner für die Beschickung verkrustet werden und dass die thermischen Übertragungen eingeschränkt werden. Mit Bezug auf die Bildungsrate von Koks während des Schrittes der Spaltdestillation der Gase kann der Einsatz von zwei Reaktoren für die Spaltdestillation, welche parallel zueinander arbeiten, vorgesehen werden: während einer der zwei Reaktoren zum Spaltdestillieren der Gase verwendet wird, findet sich der zweite in einer Phase der Entkoksung. Dieser Vorgang der Entkoksung wird mit bekannten Mitteln, wie z.B. Einleitung von Luft und/oder Wasserdampf durchgeführt.
Eine andere Lösung, wie z.B. gemäß der Ausführungsform der 3 beschrieben, besteht in der Verwendung eines einzelnen Spaltdestillators 7, welcher mit mehreren Rohren ausgestattet ist, wobei ein einziges Rohr in einem gegebenen Zeitintervall in der Entkoksung befindlich ist.
In allen Fällen besteht am Ausgang des Spaltdestillators das Spalt destillierte Gas im Wesentlichen aus nicht kondensierbaren leichten Gasen, wie z.B. CO, CO₂, H₂, CH₄, C₂H_x und koksartigen in Suspension.
Das Spalt destillierte Gas wird vorzugsweise schnell abgekühlt auf eine Endtemperatur zwischen 100 und 500°C, und bevorzugt zwischen 200 und 300°C, um sämtliche chemische Reaktionen zu stoppen. Eine Leitung 9 ermöglicht es, die Spalt destillierten Gase zwischen dem Ausgangsreaktor 7 und dem Eingang des Abkühlungsmittels 10 zu bewegen.
Das abgekühlte Gas wird anschließend in einem geeigneten Mittel 11 gefiltert, um daraus die Kokspartikel in Suspension zu entfernen. Die Filtrierung in dem Mittel 11 wird bei einer Endtemperatur zwischen 100 und 500°C, und vorzugsweise zwischen 200 und 300°C, durchgeführt. Die Filtrierung wird mit allen Verfahren und Materialien, welche für sich genommen bekannt sind, wie z.B. Filter mit Metallkartuschen, Mantelfilter, ... durchgeführt. Der Filtrierschritt ermöglicht es daher, ein spaltdestilliertes Gas zu erhalten, welches von Staubniederschlag aus Koks bereinigt ist, und welches dementsprechend veredelt werden kann, da es einen erhöhten Brennwert hat.
Als nicht limitierendes Beispiel kann ein derartiges Gas in einem Dampfkessel, einem thermischen Motor oder einer Gasturbine verwendet werden.
Im Übrigen kann, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen, ein Verdichtungsmittel (nicht dargestellt) für das Gas am Ausgang des Filtriermittels 11 vorgesehen werden.
Am Ausgang des Filtriermittels 11 kann das Spalt destillierte Gas, abgekühlt und filtriert, in zwei Flüsse aufgeteilt werden: der eine zum Speisen der Brenner 8 des Mittels 7 für die thermische Spaltdestillation: eine Leitung 12 ist dementsprechend für diesen Zweck vorgesehen. Der zweite Gasfluss wird wie oben ausgeführt verwendet, um ein Mittel 13 zur Energieerzeugung zu speisen. Eine spezielle Leitung 14 ist hier erforderlich. Wie oben ausgeführt worden ist, können die Brenner 8 nicht mit dem Spalt destillierten Gas gespeist werden, sondern auch mit einem anderen geeigneten Brennstoff.
Das Mittel 13 für die Energieerzeugung wird im Übrigen über eine Leitung (nicht bezeichnet) gespeist, welche vorzugsweise mit einem Regelungsmittel 23 ausgestattet ist.
Eine Möglichkeit zur Optimierung des thermischen Wirkungsgrads kann außerdem darin bestehen, dass man die aus der Doppelummantelung 3 abgeleiteten Rauchgase zu einem Wärmerückgewinnungsmittel 17 leitet, mit Hilfe einer geeigneten Leitung 15.
Die aus dem Wärmerückgewinnungsmittel 17 abgeleiteten Rauchgase F werden anschließend über eine Leitung 18 beispielsweise über einen Schornstein (nicht dargestellt) abgeleitet.
Die Energie (Dampf, Heizwasser ...) aus dem Mittel 17 wird über geeignete Mittel 27 abgeleitet.
Im Übrigen kann eine Verbindung 16 zwischen den Abkühlungsmitteln 10 und dem Wärmerückgewinnungsmittel 17 (Kessel oder Anderes) vorgesehen sein, um Wärme an dem Mittel 10 zu dem Mittel 17 übertragen.
Auf der anderen Seite können die von dem Mittel 13 abgeleiteten Rauchgase über eine Leitung 19 zu dem Mittel 17 geleitet werden, um den thermischen Gesamtwirkungsgrad der Anlage zu erhöhen.
Die Anlage, welche soeben beschrieben worden ist, ermöglicht es somit mit Vorteil, die Temperatur der Thermolyse und die der thermischen Spaltdestillation unabhängig zu regeln.
Die 2 veranschaulicht eine Ausführungsform der Erfindung, welche sich von jener der 1 bezüglich der Thermolysemittel 1 und Verbrennungsmittel 2 unterscheidet.
Gemäß der zweiten Ausführungsform sind die Reaktoren für die Thermolyse und Verbrennung in einem einzigen Gerät zusammengefasst.
Das Verbrennungsmittel 2 kann z.B. vollständig oder teilweise unter das Thermolysemittel 1 erzielt werden. Es kann aus einem schmalen Führungsgrill oder einem mit Unterteilungen versehenen Flüssigkeitsdurchgang oder auch aus einer schraubbaren Schüssel bestehen. Die Regelung des thermischen Profils entlang der Achse des besagten Verbrennungsmittels 2 kann über die Schräge der Luftdurchflüsse der mit den besagten Verbrennungsmitteln 2 zusammenhängenden Reaktorbehälter erfolgen, um den örtlichen Energiebedürfnissen des Drehzylinders entgegen zu kommen. Dank dieser Anordnung der Verbrennungsmittel 2 gewinnt man Kompaktheit, man beschränkt die thermischen Verluste, und man vermeidet die Verbindungen zwischen dem Verbrennungsmittel 2 und dem Thermolyseur 1 und man verbessert den Energiewirkungsgrad, indem man bei geringerem Luftüberschuss arbeitet, da bekanntlich die Energieerzeugung mit der Verwendung gekoppelt ist.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines brennbaren Gases aus einer an organischen Substanzen reichen Beschickung, enthaltend mindestens eine Thermolyse der besagten Beschickung, gefolgt von einer thermischen Spaltdestillation der aus der Thermolyse stammenden Gase, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermolyse und die Spaltdestillation in zwei verschiedenen Mitteln (1, 7) durchgeführt werden, dass man die Temperatur der Thermolyse und die der thermischen Spaltdestillation unabhängig voneinander regelt, dass die festen Produkte der besagten Thermolyse in ein Verbrennungsmittel (2) geschickt werden, dass die durch die besagte Verbrennung erzeugte Wärme für die Durchführung der Thermolyse verwendet wird, dass die besagte Thermolyse in einem Temperaturbereich zwischen 300°C und 900°C unter einem Druck nahe dem Atmosphärendruck betrieben wird, und dass die besagte thermische Spaltdestillation der Gesamtheit des aus der Thermolyse stammenden Gases zwischen 800°C und 1200°C durchgeführt wird.
Verfahren nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es außerdem einen Schritt der schnellen Abkühlung des aus der thermischen Spaltdestillation abgeleiteten Gases umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es außerdem einen Schritt der Filtrierung des Gases der abgekühlten Spaltdestillation umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der besagten abgekühlten und/oder gefilterten Gase der Spaltdestillation zu einem Energieerzeugungsmittel (13), wie zum Beispiel einem Motor oder einer Turbine, geleitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der Gase der Spaltdestillation zugeleitet und als Brennstoff zum Betreiben der besagten thermischen Spaltdestillation verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die von den Energieerzeugungsmitteln (13) abgeleiteten Rauchgase einem Energierückgewinnungsmittel (17) zugeleitet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rauchgase der Verbrennung nach der Erwärmung für die Thermolyse einem Energierückgewinnungsmittel (17) zugeleitet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass es außerdem eine Verdichtung der filtrierten Gase vor deren Einleitung in die Energieerzeugungsmittel (13) umfasst.
Verfahren nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermolysemittel (1) und das Verbrenrungsmitel (2) eine kompakte Einheit bilden.
Anlage zur Herstellung eines brennbaren Gases ausgehend von einer an organischen Substanzen reichen Beschickung, umfassend Mittel (1) zur Thermolyse der besagten Beschickung und Mittel (7) für die thermische Spaltdestillation, welche hinter den Thermolysemitteln angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass sie Mittel (20 bis 26), welche zur unabhängigen Regelung der Thermolysetemperatur und der Temperatur der thermischen Spaltdestillation ausgelegt sind, und Verbrennungsmittel (2) für die aus der besagten Thermolyse abgeleiteten festen Produkte umfasst, damit die durch die besagte Verbrennung erzeugte Wärme die besagte Thermolyse in einem Temperaturbereich zwischen 300°C und 900°C unter einem Druck nahe dem atmosphärischen Druck betreibt, und dass die Mittel zur Spaltdestillation (7) derart ausgelegt sind, dass die thermische Spaltdestillation der Gesamtheit des aus der Thermolyse abgeleiteten Gases zwischen 800°C und 1200°C durchgeführt wird.
Anlage nach dem Anspruch 10, welche außerdem ein Mittel (10) für die schnelle Abkühlung der aus den Mitteln (7) zur thermischen Spaltdestillation abgeleiteten Gase umfasst.
Anlage nach dem Anspruch 11, welche außerdem ein Filtermittel (11) für die abgekühlten Gase umfasst, welches am Ausgang der Abkühlungsmittel (10) angeordnet ist.
Anlage nach einem der Gase 10 bis 12, bei welcher die besagten Verbrennungsmittel (2) eine erste Zufuhr (4) für die aus dem Thermolysemittel (1) abgeleiteten Feststoffe und eine zweite Zufuhr (20a) für eventuell vorbeheizte Verbrennungsluft umfassen.
Anlage nach einem der Ansprüche 12 oder 13, welche außerdem eine Vorrichtung (13) für die Energieerzeugung, wie zum Beispiel einen Motor oder eine Turbine, welche die aus dem Filtrier den Filtriermitteln (11) abgeleiteten Gase oder die aus den Abkühlungsmitteln abgeleiteten Gase aufnimmt, umfasst, wobei die besagte Vorrichtung (13) die Erzeugung von Wärme und/oder Elektrizität ermöglicht.
Anlage nach einem der Ansprüche 10 bis 14, bei welcher die Erwärmung für die thermische Spaltdestillation von Mitteln (8) für die Verbrennung eines Teils der aus der Spaltdestillation abgeleiteten Gase durchgeführt wird.
Anlage nach einem der Ansprüche 10 bis 15, welche außerdem ein Mittel zur Komprimierung der spaltdestillierten Gase, abgekühlt und filtriert, umfaßt, welches stromabwärts von dem Filtermittel und stromaufwärts von dem Energieerzeugungsmittel (13) angeordnet ist.
Anlage nach einem der Ansprüche 10 bis 16, bei welcher die Thermolysemittel (1, 3) einen Trommelofen beinhalten, welcher einen drehbaren Behälter (1) für die Beschickung umfasst, welcher von einem Raum (3) für die Erwärmung des Trommelofens umgeben ist.
Anlage nach einem der Ansprüche 10 bis 17, bei welcher die Verbrennungsmittel (2) einen Ausgang (5) für die Verbrennungsrauchgase umfassen, wobei der besagte Ausgang mit einem Eingang der Thermolysemittel (1, 3) verbunden ist.
Anlage nach einem der Ansprüche 10 bis 18, bei welcher die Verbrennungswärme und die von den Verbrennungsmitteln (2) abgeleiteten Rauchgase unmittelbar die Thermolysemittel (1) erwärmen.
Anlage nach einem der Ansprüche 10 bis 19, bei welcher die Mittel für die thermische Spaltdestillation (7) eine Zufuhr (6) für die Thermolysegase, eine Anordnung von metallischen Rohren (30), in welchen die Thermolysegase umlaufen, eine Ummantelung aus hitzebeständigem Material (29), einen Ausgang (9) für die spaltdestillierten Gase, eine Anordnung von mit Luft und brennbaren Gasen gespeisten und in die Einfassung (29) einmündenden Brennern (8), wobei Mittel (32a, 32b, 33a, 33b) für die Regelung des Durchflusses jeder Speisung zusätzlich vorgesehen sind, und einen Ausgang für die Rauchgase der Brenner umfassen.
Anlage nach einem der Ansprüche 10 bis 20, bei welcher die Mittel (7) für die thermische Spaltdestillation eine Zufuhr (6) für die Thermolyegase, eine Ummantelung (29) aus hitzebeständigem Material, einen Ausgang (9) für die spaltdestillierten Gase, eine Anordnung von jeweils in eine undurchlässige Ummantelung (31), welche über die Innenseite der Ummantelung (29) übersteht, einmündenden Brennern (8), wobei die Brenner (8) jeweils mit Luft und mit brennbarem Gas gespeist werden und wobei Mittel (34a, 34b, 35a, 35b) für die Durchflussregelung zusätzlich in jeder Zufuhr vorgesehen sind, und mindestens einen Ausgang für die Rauchgase der Brenner umfassen.