Ein derartiges Verfahren ist bekannt. Bei dem bekannten Ver- fahren wird dem Wirbelschichtbett Wasserdampf in einer Menge zugeführt, die ein molares Verhältnis von zugeführtem Wasser- dampf zu im Abfallstoff enthaltenem Kohlenstoff von 0,37 bis 0,62 ergibt (vgl. Scharpff, Jens-Tilo in :"Vergasung von Kunststoffen und backender Steinkohle in der Wirbelschicht", Berichte aus der Eisenhüttenkunde, Band 9/95, Rheinisch-West- falsche Technische Hochschule Aachen).

Bei den bekannten Verfahren wird die Wärmerückgewinnung aus Gründen der Hochtemperaturkorrosion nicht auf höchstem Tempe- raturniveau durchgeführt. Unter den bei der Vergasung herr- schenden reduzierenden Bedingungen werden bei Anwesenheit von Chlor und Schwefel im Reaktionsgas die hochtemperaturfesten, mit Nickel legierten Werkstoffe bei Wandtemperaturen über 540°C zerstört. Herkömmliche Verfahren nützen daher die hohe Temperatur der abströmenden Reaktionsgase zuerst zur Erzeugung von Sattdampf auf vergleichsweise niedrigem Temperaturniveau.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren der eingangs genannten Gattung anzugeben, bei dem die Nachteile des bekannten Verfahrens nicht auftreten, und die Wärmerück- gewinnung verbessert ist.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß mit einem Verfahren,

das die Merkmale des Anspruches 1 aufweist.

Bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können die mit hoher Tem- peratur aus dem Reaktionsraum austretenden Reaktionsgase (die- se können eine Temperatur im Bereich von 1000°C haben) dazu herangezogen werden, Wasserdampf zu überhitzen und/oder zu erzeugen. So kann der Gesamtenergiebedarf beim Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens in Grenzen gehalten werden, ob- wohl entgegen dem Stand der Technik mehr Wasserdampf zugeführt wird.

Das Überhitzen von Wasserdampf durch die heißen Reaktionsgase auf eine Temperatur über 540°C wird durch den beim erfindungs- gemäßen Verfahren niedrigen Druckunterschied von der einen zur anderen Seite der Wärmeaustauschfläche des Überhitzers unter- stützt. Bei dem erfindungsgemäßem Verfahren wird der Druck- unterschied klein gehalten, nämlich beispielsweise auf weniger als 1000 mbar, bevorzugt auf Werte unter 500 mbar. Neben der korrosionsmäßigen Beanspruchung treten nur geringe mechanische Beanspruchungen der Wärmeaustauschfläche auf. Durch die gerin- ge mechanische Beanspruchung ist die Verwendung von hochwarm- festen Werkstoffen, wie nickellegierte Stähle oder Nickelba- sislegierungen, nicht erforderlich und es können für die Wär- meaustauschfläche hitzefeste, korrosionsbeständige Werkstoffe, wie Cr-Mo-Stähle oder keramische Werkstoffe verwendet werden.

Nachteilig bei dem bekannten Verfahren ist es weiters, daß die Vergasung unvollständig ist und im Reaktionsgas höhere organi- sche Kohlenstoff-Verbindungen, wie Aromaten (Naphtalin), Phe- nole und Teer enthalten sind.

In Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens soll eine wirksame und vollständige Vergasung von Stoffen, wie Abfall- stoffen, beispielsweise aus Hausmüll ausgewähltem Sondermüll, Biomasse (Holz u. dgl.) oder schwefelhaltige Kohle, möglich sein. Dies kann in einer Ausführungsform der Erfindung-diese Ausführungsform kann auch bei einem Verfahren zum Vergasen von

Feststoffen verwirklicht werden, bei dem der im unabhängigen Anspruch 1 genannte Druckunterschied nicht klein ist-dadurch erreicht werden, daß das molare Verhältnis von dem Wirbel- schichtbett zugeführtem Wasserdampf zu im zu vergasenden Stoff enthaltenem Kohlenstoff auf wenigstens 2,1 eingestellt wird.

Dadurch, daß bei dem erfindungsgemäßen Verfahren Wasserdampf ein molares Verhältnis von zugeführtem Wasserdampf zu in den zu vergasenden Stoffen enthaltenem (elementarem oder chemisch gebundenem) Kohlenstoff oder gegebenenfalls zusätzlich zu- gegebenen Kohlenstoff von mindestens 2,1 eingehalten wird, rekombinieren die gecrackten Verbindungen des Abfallstoffes nicht mehr zu schweren Verbindungen und es entsteht ein, ver- glichen mit dem bekannten Verfahren, saubereres Reaktionsgas.

Das molare Verhältnis zwischen zugeführtem Wasserdampf und dem im zu vergasenden Stoff enthaltenen Kohlenstoff kann beim erfindungsgemäßen Verfahren bis auf 4,0, insbesondere bis auf 3,5 gesteigert werden.

Die beim erfindungsgemäßen Verfahren zugeführten, gegenüber bekannten Verfahren erhöhte Menge an Wasserdampf, ergibt ein sauberes Reaktionsgas, wobei der erhöhte Energieaufwand, der zum Erzeugen des Wasserdampfes benötigt wird, wenigstens zum Teil dadurch ausgeglichen werden kann, daß der Wärmeinhalt des zugeführten Wasserdampfes das Wirbelschichtbett auf einer Temperatur hält, die für das Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens vorteilhaft ist und den zu vergasenden Stoff auf diese Temperatur aufwärmt.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann Sauerstoff in Form von Luft, in Form von mit Sauerstoff angereicherter Luft oder in Form von technisch reinem Sauerstoff zugeführt werden.

Die Zustandsform des Wirbelschichtbettes ist bei dem erfin- dungsgemäßen Verfahren an sich beliebig. So können blasen- bildende oder zirkulierende Wirbelschichtbetten verwendet werden, wobei ein blasenbildendes Wirbelschichtbett bevorzugt ist, da dieses hinreichende Verweilzeiten erlaubt und nach- geschaltete Staubabscheider (Zyklone) entbehrlich sind.

In dem Reaktionsraum kann beim Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens Unteratmosphärendruck oder Oberdruck aufrecht er- halten werden. Der Unteratmosphärendruck liegt in der Regel zwischen 15 und 5 mbar, vorzugsweise bei 10 mbar. Überdruck wird für gewöhnlich auf einen Wert im Bereich 100 mbar bis 5' bar eingestellt.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des erfindungs- gemäßen Verfahrens ergeben sich aus der nachstehenden Be- schreibung von Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Verfahrens, in der auf die angeschlossene Zeichnung Bezug genommen wird.

Die Zeichnung zeigt schematisch eine Anlage, in der das erfin- dungsgemäße Verfahren ausgeführt werden kann.

In einem Wirbelschichtreaktor 1 ist unten ein, beispielsweise als Rohrverteiler ausgebildeter, Anströmboden 2 vorgesehen.

Durch den Anströmboden 2 münden in den Reaktor 1 eine Leitung 3 für das Zuführen von Sauerstoff und eine Leitung 4 für das Zuführen von überhitztem Wasserdampf. Über dem Anströmboden 2 befindet sich das Wirbelschichtbett 5. Die zu vergasenden Stoffe, beispielsweise Abfallstoffe oder schwefelhaltige Koh- le, werden über einen Aufgabebehälter 6, eine Zellenradschleu- se 7 und eine Förderschnecke 8 knapp oberhalb des Wirbel- schichtbettes 5, das vorzugsweise als blasenbildendes Wirbel- schichtbett 5 ausgebildet ist, in den Reaktor 1 aufgegeben.

In den Bereich 9 des Innenraums des Reaktors 1, der sich über dem Wirbelschichtbett 5 befindet, und in dem eine Nachverga- sung zugeführt wird, mündet eine Sauerstoffleitung 10, wobei der zugeführte Sauerstoff über in einer Ebene angeordnete Düsen 11 in den Raum 9 austritt.

Die den Reaktor 1 verlassenden Reaktionsgase, die beispiels- weise eine Temperatur von 1050° C haben, treten in eine Kammer 12 ein, in der ein Dampfüberhitzer 13 und ein Dampferzeuger 14 vorgesehen sind. Der Dampferzeuger 14 wird aus einer Dampf- trommel 15, in die über eine Leitung 16 Kesselspeisewasser

eingeleitet wird, über eine Leitung 17 mit Wasser versorgt. Im Dampferzeuger 14 erzeugter Dampf strömt über eine Leitung 18 in die Dampftrommel 15 zurück. Dampf aus der Dampftrommel 15 wird dem Dampfüberhitzer 13 über eine Leitung 19 zugeführt.

Der Ausgang des Dampfüberhitzers 13, aus dem Dampf mit einer Temperatur von beispielsweise 800° C austritt, ist an die Leitung 4 angeschlossen.

Reaktionsgas 21 tritt aus dem Raum 12 über eine Leitung 21 aus und kann über diese Leitung 21 weiterer Verwendung zugeführt werden.

Asche kann aus dem Reaktor 1 nach unten über eine Leitung 20 ausgeschleust werden..

Abfallstoffe aus Hausmüll oder aus ausgewähltem Sondermüll werden aufbereitet, wobei Metalle, Steine und Glas abgetrennt werden. Beim Aufbereiten erfolgt, soweit erforderlich, eine Stückgrößenvereinheitlichung auf fördergerechte Stückgrößen, vorzugsweise mit Abmessungen zwischen 6 mm und 60 mm, indem zu große Stücke zerkleinert und zu kleine Stücke agglomeriert werden.

Bevorzugt ist weiterhin eine thermische Behandlung der Abfall- stoffe, um diese zu trocknen und Wasserinhaltsstoffe der Ab- fallstoffe zu entfernen.

Bei der Vergasung von schwefelhaltiger Kohle erfolgt die Auf- bereitung durch Mahlen des Einsatzstoffs. Durch die langsamer ablaufende Vergasungsreaktion bei Kohle ist eine kleine Teil- chengröße erforderlich.

Die so stückig aufbereiteten, zu vergasenden Stoffe werden dem Wirbelschichtbett 5 beispielsweise über die Schleuse 7 und den Schneckenförderer 8 aufgegeben.

Soferne Abfallstoffe aus einer getrennten Sammlung von thermo- plastischen Kunststoffen stammen, kann die Aufbereitung zu Stückgut entfallen,'da thermoplastische Abfallstoffe verflüs- sigt und direkt in den Reaktor 1 eingepreßt werden können.

Die Vergasung erfolgt im Wirbelschichtbett 5 unter Zugabe von überhitztem Dampf und von Sauerstoff, wobei die Zugabe durch den Anströmboden 2 des Wirbelschichtbettes 5 erfolgt. Dabei kann so vorgegangen werden, daß Sauerstoff (oder Luft oder mit Sauerstoff angereichterte Luft) dem Wasserdampf noch in dessen Zufuhrleitung zugemischt wird. Im Wirbelschichtbett 5 wird eine Schüttung feinkörniger Teilchen durch das aufwärts strö- mende Gas (Sauerstoff und Wasserdampf) aufgelockert und in Schwebe gehalten. Vorteile eines Wirbelschichtbettes 5 sind unter anderem eine einheitliche Temperatur im Wirbelschicht- bett 5 als Folge der intensiven Feststoffdurchmischung und eine leichtere Handhabung der Feststoffe durch das flüssig- keitsähnliche Verhalten des Wirbelschichtbettes 5.

Das Wirbelschichtbett 5 besteht in der Regel aus inertem Quarzsand oder aus noch nicht vergasten Kohleteilchen bei der Vergasung von schwefelhaltiger Kohle.

Um das Einbinden von sauren Schwefel-und Chlorbestandteilen der Abfallstoffe in die Aschefraktion zu erreichen, kann dem Wirbelschichtbett 5 Kalkstein zugesetzt werden.

Nach dem Vergasen der Stoffe werden Asche und nicht verbrenn- bare Stoffe aus dem Wirbelschichtbett 5 am Anströmboden 2 ausgeschleust.

Wasserdampf wird dem Wirbelschichtbett 5 (bezogen auf den Kohlenstoffgehalt des zu vergasenden Stoffes) im Überschuß zugegeben und dient gleichzeitig als Fluidisierungsmittel des Wirbelschichtbettes 5. Sauerstoff wird unterstöchiometrisch (bezogen auf den Kohlenstoffgehalt des zu vergasenden Stoffes) zugegeben und zwar in einer Menge, die erforderlich ist,'um die gewünschte Temperatur im Wirbelschichtbett 5 zu erreichen.

Da es bevorzugt ist, daß stark überhitzter (Hochtemperatur-) Wasserdampf in großer Menge zugeführt wird, kann die Zugabe von Sauerstoff vergleichsweise klein gehalten werden.

Durch das Überangebot an Wasserdampf im Wirbelschichtbett 5 rekombinieren thermisch gecrackte Verbindungen der zu verga-

senden Stoffe nicht mehr zu schweren Verbindungen und es ent- steht ein sauberes Reaktionsgas.

Die maximal erreichbare Temperatur des Wirbelschichtbettes 5 wird durch Inhaltstoffe, vornehmlich anorganische Stoffe, der zu vergasenden Stoffe vorgegeben. Ab einer von der Art der Inhaltstoffe abhängigen, kritischen Temperatur erweichen diese Stoffe und führen zum Verkleben des Wirbelschichtbettes 5. Es wird daher beim erfindungsgemäßen Verfahren bevorzugt so ge- arbeitet, daß diese von der Art der Inhaltsstoffe abhängige, kritische Temperatur nicht erreicht wird.

Bei den im Wirbelschichtbett 5 erreichbaren Temperaturen wer- den sehr stabile, chemische Verbindungen, wie aromatische Verbindungen, und bestimmte Stickstoff-oder Halogenverbindun- gen, nicht oder nur teilweise zerstört (gecrackt). Deshalb wird das aus dem Wirbelschichtbett 5 austretende Gas einer Nachvergasungstufe zugeführt. Das Nachvergasen wird im Frei- raum 9 über dem Wirbelschichtbett 5 ausgeführt, indem zusatz- licher Sauerstoff eingegeben wird. Hiezu sind oberhalb des Wirbelschichtbettes 5 Düsen 11 angeordnet, durch die Sauer- stoff eingedüst wird. Durch das Zuführen zusätzlichen Sauer- stoffs wird die Reaktionstemperatur weiter erhöht und in Kom- bination mit einer ausreichenden Verweilzeit werden auch die erst bei höheren Temperaturen nicht mehr stabilen, chemischen Verbindungen zu leichteren, gasförmigen Verbindungen und zu elementarem Wasserstoff gecrackt.

Im Rahmen der Erfindung wird das Abkühlen des Reaktionsgases mit dem Erzeugen von überhitztem Wasserdampf, der für das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft ist, kombiniert. Auch während des Abkühlens der Reaktionsgase wirkt sich die Anwe- senheit von Überschußdampf im Reaktionsgas günstig aus, da leichte Crack-Produkte nicht oder nicht in nennenswertem Aus- maß zu schweren Verbindungen rekombinieren.

In der nachfolgenden Reinigung des Reaktionsgases wird Wasser- dampf durch Kondensation entfernt, wobei auch toxische In- haltsstoffe entfernt werden können, so daß das entstandene Reaktionsgas in einem Gasmotor oder einer Gasturbine verwendet

werden kann, wobei es möglich ist, vorgegebene Abgasgrenzwerte einzuhalten.

Bevorzugt wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der Wär- meinhalt der heißen Reaktionsgase benützt, um Dampf im Über- hitzer 13 auf hohe Temperaturen zu erhitzen, wobei der Wärme- austausch bei geringer Druckdifferenz von Dampf zu Reaktions- gasen stattfindet. Die Druckdifferenz wird niedrig, also auf einen Wert unter 1000 mbar, gehalten, indem der Dampf vom Überhitzer 13 direkt zum Wirbelschichtbett 5 geführt wird und die dort mit dem Dampf erzeugten Reaktionsgase direkt wieder zum Überhitzer 13 zurück geführt werden. Die Druckdifferenz von Dampf zu Reaktionsgasen im Überhitzer 13 entsteht daher nur aus den Strömungsdruckverlusten in der Leitung 4 ein- schließlich der Verteilung im Anströmboden 2, dem Strömung- druckverlust des Wirbelschichtbetts 5 und den Strömungsdruck- verlusten zurück zum Überhitzer 13 im Raum 9 und 12. Die ge- nannten, zur Druckdifferenz beitragenden Einrichtungen sind dabei konstruktiv bevorzugt so ausgelegt, daß insgesamt nur ein geringer Druckverlust auftritt.

Um sicherzustellen, daß im Überhitzer 13 eine nur geringe Druckdifferenz auftritt, wird der Druck des erzeugten Dampfes in der Leitung 19 vor seinem Eintritt in den Überhitzer 13 noch reduziert. Das Reduzieren des Drucks kann beispielsweise durch eine klein bemessene Rohrleitung 19, ein Regelventil oder eine Dampfturbine erreicht werden.

Beispiel : 15 Mg/h aufbereiteter Hausmüll mit einer durchschnittlichen Elementaranalyse von H2 6,4 Gewichts-% N2 0,2 Gewichts-% C 46, 0 Gewichts-% °2 34,4 Gewichts-% H2O 10,6 Gewichts-% S 0,2 Gewichts-% Cl2 (und andere Halogene) 0,4 Gewichts-%

Inerte anorg. Schadstoffe (Pb, Cd, T1, Cr, Cu, Ni, Hg, As, Sn, Zn) 1,7 Gewichts-% werden in das Wirbelschichtbett 5 aufgegeben.

Das Wirbelschichtbett 5 wird mit einer Dampfmenge von 22,2 Mg/h beaufschlagt, so daß in der Gasphase ein molares Verhält- nis von Wasserdampf zu im Hausmüll enthaltenem Kohlenstoff von 2,4 erreicht wird. Die zuzuführende Dampfmenge wurde im vor- liegenden Beispiel wie folgt berechnet : Molare Menge Kohlenstoff im Einsatz (Hausmüll) : 15 Mg/h x 46 %/12 g/mol = 0,575 Mmol/h.

Erforderliche Dampfmenge : 2,4 x 0,575 Mmol/h x 18,01 g/mol = 24,8 Mg/h.

Zuzuführende Dampfmenge = erforderliche Dampfmenge abzüglich Wasserdampfgehalt im Hausmüll : 24,8 Mg/h-15 Mg/h x 10,6 % = 22,2 Mg/h.

Die Temperatur des in das Wirbelschichtbett 5 eingeleiteten Wasserdampfes beträgt 800°C.

Die durchschnittliche Temperatur des Wirbelschichtbettes 5 beträgt 650°C. Diese Temperatur wird erreicht und aufrecht erhalten, indem 3,1 Mg/h Sauerstoff zugeführt werden.

Dem das Wirbelschichtbett 5 verlassende Reaktionsgas werden zum Nachvergasen über die Düsen 11 weitere 3,2 Mg/h Sauerstoff zugeführt, so daß sich in der Nachvergasungszone 9 eine Tempe- ratur des Reaktionsgases von 1050°C einstellt. Die Nachverga- sungszone 9 ist so groß dimensioniert, daß eine durchschnitt- liche Verweilzeit des Reaktionsgases bei der genannten Tempe- ratur von durchschnittlich 2 s eingehalten wird.

Der Druck der Reaktionsgase beim Austritt aus dem Wirbel- schichtbett 5 bzw. in der Nachverbrennungszone 9 beträgt 140 mbar. Vom Wirbelschichtbett 5 bis zum Eintritt in den Überhit-

zer 13 ist bei den Reaktionsgasen nur ein kaum merklicher Strömungsdruckverlust festzustellen, so daß auch im Überhitzer 13 der Druck etwa 140 mbar beträgt. Die Druckdifferenz über das Wirbelschichtbett 5 beträgt etwa 110 mbar und über der Dampfzuführungsleitung 4 einschließlich Verteilerboden 2 etwa 35 mbar. Die Druckdifferenz beträgt insgesamt somit 145 mbar bzw. der Druck des überhitzen Dampfs am Austritt des Oberhit- zers 13 beträgt 285 mbar.

Die im Wärmeaustausch stehende Wand des Oberhitzers 13 besteht aus keramischem Material oder aus einer nickelfreien Cr-Mo- Stahllegierung, die ausreichende Beständigkeit bei der vorlie- genden Hochtemperaturkorrosion und Festigkeit bei dem gegebe- nen Differenzdruck aufweist. Bei der Ausführung aus kerami- schem Material können durch poröse Materialverbindungen gerin- ge Leckagen von überhitztem Dampf in das Reaktionsgas auf- treten. Die Leckagen stellen jedoch für den Verfahrensablauf kein Problem dar.

Im anschließenden Dampferzeuger 14 wird das Reaktionsgas auf ca. 200°C abgekühlt. Der Dampferzeuger 14 ist entsprechend der niedrigen Korrosionsbelastung aus üblichen, niedrig legiertem Kesselbaustahl ausgeführt.

Die abschließende Kühlung auf 35°C erfolgt durch Einspritzen von kaltem Wasser. Der Großteil des im Reaktionsgas enthalte- nen Wasserdampfes einschließlich der entstehenden Schadstoff- verbindungen kondensiert dabei aus. Geringe, noch im Reak- tionsgas allenfalls verbleibende Schadstoffverbindungen können in einer anschließenden Wäsche mit Wasser bzw. Lauge ausge- waschen werden.

Das Reaktionsgas (Menge 23.400 Nm3/h) hat nach Abzug der Rest- feuchte die folgende durchschnittliche Menge und Zusammenset- zung : CO 30,64 vol% H2 40,01 vol% CH4 3,10 vol% andere Kohlenwasserstoffe 0,42 vol%

CO2 20,36 vol% N2 5,46 vol% Der Heizwert des Reaktionsgases beträgt 68,1 MW.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können feste Abfallstoffe, die Kohlenstoff oder Kohlenstoffverbindungen enthalten, wie aufbereiteter Hausmüll, Kunststoffabfälle, Industrieabfälle, Autoreifen, biogene Abfallstoffe, jeweils mit Schadstoffanteil vergast werden. Vorzugsweise liegt der Mindestheizwert der Abfallstoffe bei etwa 9 MJ/kg. Aber auch Abfallstoffe mit einem Mindestheizwert unter 9 MJ/kg können nach dem erfin- dungsgemäßen Verfahren vergast werden, wenn den Abfallstoffen Kohlenstoff in Form von Koks oder Kohle zugegeben wird.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann auch schwefelhaltige Kohle oder Biomasse vergast werden.

Zusammenfassend kann ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wie folgt beschrieben werden : Bei einem Verfahren zum Vergasen von festen Stoffen (Abfall- stoffe, Biomasse (Holz), schwefelhaltige Kohle) in einem Wir- belschichtbett 5 wird in das Wirbelschichtbett als Vergasungs- mittel Wasserdampf und Sauerstoff eingeblasen. Geringe energe- tische Verluste werden durch starke Überhitzung des Wasser- dampfs mit heißen Reaktionsgasen erzielt, wobei der Überhitzer bei nur geringer Differenzdruckbelastung arbeitet. Die das Wirbelschichtbett 5 verlassenden Reaktionsgase werden im Frei- raum 9 über dem Wirbelschichtbett 5 im Reaktor 1 unter Zufuhr zusätzlichen Sauerstoffs nachvergast. Dabei wird ein molares Verhältnis von zugeführtem Wasserdampf und im zu vergasenden Stoff enthaltenem Kohlenstoff von wenigstens 2,1 eingestellt.