Die Erfindung betrifft einen Pyrolysereaktor sowie ein Verfahren zur thermochemischen Umwandlung von kohlenstoffhaltigen Abfällen in hochwertige feststofffreie Pyrolysedämpfe.

In einem Pyrolysereaktor entstehen durch thermische Zersetzung von organischen Materialien unter Luftabschluss Pyrolyseöle und Pyrolysegase, die gegebenenfalls nach weiterer Bearbeitung als Rohstoffe wieder verwendet werden können. Hierzu weist ein Pyrolysereaktor in seinem Inneren eine Fördereinrichtung zum Transport von kohlenstoffhaltigen Abfällen sowie ein Heizmittel zur Erwärmung der kohlenstoffhaltigen Abfälle auf eine Pyrolysetemperatur auf. Weiterhin ist dieser Reaktor mit einer Filtration ausgestattet, in der die im Reaktor entstehenden Pyrolysedämpfe von Feststoffen befreit werden können.

Aus der EP 2 622 048 B1 ist ein solcher Pyrolysereaktor bekannt, der die Erzeugung von hochwertigen und partikelfreien Pyrolysegasen ermöglicht. Hierzu ist vertikal oberhalb eines Reaktors eine Filtration vorgesehen, die durch mehrere horizontal direkt in den Reaktor eingesetzte Filterkerzen gebildet wird. Die Filtration erstreckt sich dabei oberhalb der gesamten Prozesszone innerhalb des Reaktors, so dass die Filterelemente im Wärmestrahlungsbereich des Reaktors und im konvektiven Einflussbereich der während der Pyrolyse entstehenden heißen Gase angeordnet sind.

Ausgehend von diesem Stand der Technik stellt sich die vorliegende Erfindung die Aufgabe, einen Pyrolysereaktor sowie ein Verfahren zur thermochemischen Umwandlung von kohlenstoffhaltigen Abfällen bereitzustellen, bei dem die Erzeugung von hochwertigen Pyrolysegasen gezielt gesteuert werden kann. Diese Aufgabe wird mit einem Pyrolysereaktor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Der Erfindung liegt dabei der Gedanke zugrunde, dass die chemische Zusammensetzung der Pyrolysegase, beispielsweise die Kettenlängen der bei der Pyrolyse entstehenden Moleküle, unter anderem durch die Temperaturführung einstellen lässt. In einem erfindungsgemäßen Pyrolysereaktor der oben genannten Art ist zur Erzeugung von hochwertigen feststofffreien Pyrolysedämpfen aus kohlenstoffhaltigen Abfällen die Filtration von dem Reaktor beabstandet angeordnet und steht mit diesem über eine beheizbare Rohrleitung in Strömungsverbindung. Dabei dient die Filtration zur Abreinigung der Pyrolysedämpfe und -gase, um diese von Feinpartikeln aus Pyrolysekoks, festen Zuschlagstoffen und Abriebsand zu trennen. Die beheizbare Rohrleitung bewirkt zunächst, dass zwischen dem Reaktor und der Filtration besonders kalten Zonen (sogenannte Cold Spots) und/oder besonders heißen Zonen (sogenannte Hot Spots) vermieden werden können Zudem verbessert die beheizbare Rohrleitung die Kontrolle der chemischen Reaktionen deutlich, so dass hochwertigere, d.h. kürzere, leichtere und partikelfreiere, Kohlenwasserstoffe entstehen können. So kann die Selektivität hin zu den gewünschten Produkten erhöht werden, indem die Reaktionsbedingungen für die erforderlichen Reaktionen über die gesamte Reaktorlänge optimiert und gleichzeitig unerwünschten Reaktionen minimiert sind.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform bilden der Reaktor, die Filtration und die Rohrleitung eine gegenüber der Umgebung isolierte thermische Einheit. Mit anderen Worten können der Reaktor, die Rohrleitung und die Filtration von einer gemeinsamen Einhausung umgeben sein, die gegenüber der Umgebung thermisch isoliert ist. Dies trägt dazu bei, lokale Cold Spots oder Hot Spots zu vermeiden. Zudem wird der Gesamtenergieaufwand zur Temperierung in den einzelnen Bestandteilen des Pyrolysereaktors verringert.

Wenn in dem Pyrolysereaktor das wenigstens eine Heizmittel des Reaktors dazu eingerichtet ist, die Erwärmung mehrerer Heizzonen innerhalb des Reaktors individuell zu steuern, wird die Kontrolle der chemischen Reaktionen weiter verbessert, so dass hochwertigere, d.h. kürzere, leichtere und partikelfreiere, Kohlenwasserstoffe entstehen können. Die Aufteilung in Heizzonen des Reaktors kann beispielsweise derart erfolgen, dass wenigstens drei, insbesondere fünf oder mehr individuell über Heizkreise temperierbare Heizzonen in dem Reaktor ausgebildet sind, die die Stoffströme nacheinander durchlaufen können. So können in einer beispielhaften Ausführungsform mittels einer ersten Heizzone die kohlenstoffhaltigen Abfälle auf eine Temperatur von 80° C bis 150° C, z.B. über 100° C erhitzt werden. In einer zweiten Heizzone können die kohlenstoffhaltigen Abfälle beispielsweise auf eine Temperatur von 150° C bis 250° C, z.B. über 180° C erhitzt werden. In einer dritten Heizzone können die kohlenstoffhaltigen Abfälle beispielsweise auf eine Temperatur von 250° C bis 350° C, z.B. über 300° C erhitzt werden. In einer vierten Heizzone können die kohlenstoffhaltigen Abfälle beispielsweise auf eine Temperatur von 350° C bis 450° C, z.B. über 400° C erhitzt werden. In einer fünften Heizzone können die kohlenstoffhaltigen Abfälle beispielsweise auf eine Temperatur von 450° C bis 600 °C, z.B. über 500° C erhitzt werden. Hierzu können erfindungsgemäß mehr als fünf, beispielsweise acht, individuell ansteuerbare Heizkreise vorgesehen sein. Diese ermöglichen es, dass die gewünschte Endtemperatur erreicht werden kann. Das wenigstens eine Heizmittel kann dabei beispielsweise einen indirekt elektrisch beheizten Wärmetauscher aufweisen.

In dem erfindungsgemäßen Pyrolysereaktor kann die wenigstens eine Fördereinrichtung einen Doppelschneckenförderer aufweisen, der dazu eingerichtet ist, dass sich die Schneckenflügel der beiden Förderschnecken relativ zueinander gegenläufig bewegen. Dies kann ein Doppelschneckenwärmetauscher mit Selbstreinigung sein. Wenn sich die beiden Schnecken in die gleiche Richtung drehen, kann es vorteilhaft sein, dass diese sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegen und somit eine kontinuierliche gegenläufige Bewegung der Schneckenflügel gegeben ist.

Der erfindungsgemäße Pyrolysereaktor kann zusätzlich wenigstens eine der Fördereinrichtung vorgeschaltete Einrichtung zum Zudosieren von eines, vorzugsweise partikelförmigen, festen Wärmeleit- und/oder Reinigungsmediums, insbesondere Sand, zu den kohlenstoffhaltigen Abfällen aufweisen. Der Sand und/oder ein anderes Wärmeleitmedium wird dem gemischten Kunststoffabfall zugeführt und im kalten Zustand zugemischt. Durch diese Zugabe kann vermieden werden, dass sogenannte Anbackungen entstehen und sich am Boden des Reaktors und/oder des Doppelschneckenwärmetauschers festsetzen. Folglich kann durch diese Maßnahme ebenfalls einer abnehmende Wärmeübertragung entgegengewirkt werden. Das Wärmeleitmedium dienen somit ebenfalls zur Vermeidung eines Leistungsverlust des in dem Reaktor gebildeten Wärmetauschers. Weiter fungiert der Sand oder ein anderes Wärmeleitmedium als Wärmeüberträger. Dies hat den positiven Effekt, dass die Wärmeübertragung zwischen indirektem elektrisch beheiztem Wärmetauscher und kohlenstoffhaltigem Abfall einerseits durch einen erhöhten Wärmeübergangskoeffizient erhöht werden kann und anderseits die Verteilung der Wärme homogenisiert wird.

Ein Nachteil bekannter Pyrolysereaktoren besteht darin, dass die Temperaturführung der Pyrolysegase stark von den im Reaktor herrschenden Temperaturen bestimmt wird, wenn die Filtration im Reaktor selbst bzw. unmittelbar oberhalb des Reaktionsraums erfolgt. Daher wird es bei einem erfindungsgemäßen Pyrolysereaktor bevorzugt, wenn die Filtration neben dem Reaktor angeordnet ist. Mit anderen Worten ist die Filtration nicht unmittelbar oberhalb oder gar in dem Reaktor vorgesehen, sondern beabstandet zu diesem und über die beheizbare Rohrleitung beabstandet vorgesehen. Die Pyrolysegase lassen sich daher hinsichtlich der Temperaturführung erheblich besser kontrollieren und steuern, was zu hochwertigeren Pyrolysegasen führt.

Für die Filtration können vorzugsweise senkrecht von oben nach unten angebrachte Filterkerzen verwendet werden. Somit ist beispielsweise die über die Rohrleitung mit dem Reaktor verbundene Rohgasseite der Filtration unter den senkrecht angeordneten Filterkerzen angeordnet und die Reingasseite ist oberhalb der Filterkerzen angeordnet. Die Filtration dient hierbei zur Abreinigung der Pyrolysedämpfe bzw. -gase, um diese von Feinpartikeln aus beispielsweise Pyrolysekoks, festen Zuschlagstoffen und Abriebsand zu trennen. Durch die erfindungsgemäße separate Integration der Filtration in das Gesamtsystem, können hochwertigere, nämlich kürzere, leichtere und partikelfreiere, Dämpfe und Gase erzeugt werden.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann die Filtration wenigstens ein weiteres Heizmittel, das zur Temperatursteuerung der Pyrolysedämpfe eingerichtet ist, aufweisen. Die Temperaturführung der Pyrolysegase lässt sich damit weiter verbessern.

In einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Erzeugung von hochwertigen feststofffreien Pyrolysedämpfen aus kohlenstoffhaltigen Abfällen, beispielsweise mit einem Pyrolysereaktor der oben genannten Art, kann dem Reaktor mittels der wenigstens einen Fördereinrichtung ein Gemisch aus Sand und kohlenstoffhaltigen Abfällen zugeführt werden. Das Gemisch aus Sand und kohlenstoffhaltigen Abfällen kann in dem Reaktor mittels des wenigstens einen Heizmittels auf eine Pyrolysetemperatur der kohlenstoffhaltigen Abfälle erwärmt werden, wodurch sich Pyrolysedämpfe bilden, die aus dem Reaktor über die beheizbare Rohrleitung in die, beispielsweise seitlich neben dem Reaktor angeordnete, Filtration geleitet werden. In der Filtration werden die Pyrolysedämpfe vorzugsweise von unten nach oben durch senkrecht angeordneten Filterkerzen geleitet.

Vorzugsweise erfolgt die Erwärmung in dem Reaktor mittels des wenigstens einen Heizmittels innerhalb unterschiedlicher Heizzonen individuell, wobei die kohlenstoffhaltigen Abfälle in einer in Materialflussrichtung ersten Heizzone, d.h. in einer beispielsweise an eine Eintrittsschleuse anschließenden Heizzone, auf über 100° C erhitzt werden und in einer in Matenalflussrichtung letzten Heizzone, d.h. in einer beispielsweise einer Austrittsschleuse unmittelbar vorgeschalteten Heizzone, auf über 500° C erhitzt werden. Die Fördereinrichtung, beispielsweise ein Doppelschneckenwärmetauscher, fördert die kohlenstoffhaltigen Abfälle von der ersten Heizzone durch etwaige weitere Heizzonen zur letzten Heizzone. So können nach einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens wenigstens drei, beispielsweise fünf oder mehr, Heizzonen vorgesehen sein, die die kohlenstoffhaltigen Abfälle mittels der Fördereinrichtung nacheinander durchlaufen. In einer ersten Heizzone können die kohlenstoffhaltigen Abfälle auf eine Temperatur von 80° C bis 150° C, z.B. über 100° C erhitzt werden. In einer zweiten Heizzone können die kohlenstoffhaltigen Abfälle auf eine Temperatur von 150° C bis 250° C, z.B. über 180° C erhitzt werden. In einer dritten Heizzone können die kohlenstoffhaltigen Abfälle auf eine Temperatur von 250° C bis 350° C, z.B. über 300° C erhitzt werden. In einer vierten Heizzone können die kohlenstoffhaltigen Abfälle auf eine Temperatur von 350° C bis 450° C, z.B. über 400° C erhitzt werden. In einer fünften Heizzone können die kohlenstoffhaltigen Abfälle auf eine Temperatur von 450° C bis 600 °C, z.B. über 500° C erhitzt werden. In etwaigen weiteren Heizzonen wird die Temperatur vorzugsweise anschließend konstant gehalten.

Zusätzlich oder alternativ kann auch die Temperatur der Pyrolysedämpfe in der Filtration mittels des wenigstens einen weiteren Heizmittels gesteuert werden. Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehungen.

Es zeigen schematisch:

Figur 1 die Komponenten eines erfindungsgemäßen Pyrolysereaktors in Querschnittsansicht; und

Figur 2 die Komponenten eines erfindungsgemäßen Pyrolysereaktors in Längsschnittsansicht.

Der in den Figuren dargestellte Pyrolysereaktor 1 weist im Wesentlichen eine Reaktionseinheit 2 sowie eine Filtration 3 auf, die zusammen eine gegenüber der Umgebung isolierte thermische Einheit bilden, was in Figur 1 durch eine gestrichelt dargestellte thermische isolierende Einhausung 4 angedeutet ist (in Figur 2 nicht gezeigt). In der dargestellten Ausführungsform ist die Filtration 3 seitlich neben der Reaktionseinheit 2 angeordnet und mit diesem über eine Rohrleitung 5 strömungsverbunden.

In der Reaktionseinheit 2 ist ein Doppelschneckenwärmetauscher 6 mit zwei Förderschnecken 6A, 6B angeordnet, die sich beispielsweise im Betrieb mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten in die gleiche Richtung drehen können, so dass eine kontinuierliche gegenläufige Bewegung der Schneckenflügel entsteht. Jede der beiden Förderschnecken 6A, 6B kann hierzu mit einem Antrieb 7 versehen sein und in an sich bekannter Weise über Lagerungen 8 drehbar geführt sein. Zur Zufuhr von beispielsweise kohlenstoffhaltigen Abfällen in den Reaktor 2 kann diese mit einer Eintrittsschleuse 9 versehen sein. Über eine Austrittsschleuse 10 im Bereich des gegenüberliegenden Endes des Doppelschneckenwärmetauschers 6 können feste oder flüssige Pyrolyseprodukte aus dem Reaktor 2 ausgebracht werden. In einen Mischer 11 kann den kohlenstoffhaltigen Abfällen wenigstens ein, vorzugsweise partikelförmiges, Wärmeleit- und/oder Reinigungsmedium, wie beispielsweise Sand oder Metallpartikel, beigemischt werden, bevor diese über die Eintrittsschleuse 9 in einen Reaktionsraum 12 eingebracht werden, der den Doppelschneckenwärmetauscher 6 umgibt.

Der Reaktionsraum 12 kann über mehrere Heizmittel 13 temperiert werden. In der dargestellten Ausführungsform sind insgesamt vier Heizmittel 13 gezeigt, es können jedoch mehr als die dargestellten vier Heizmittel 13 vorgesehen sein, insbesondere können acht Heizkreise als Heizmittel vorgesehen sein. Durch diese vorzugsweise unterschiedlich temperierbaren Heizkreise werden in dem Reaktionsraum 12 unterschiedliche Heizzonen gebildet, die die kohlenstoffhaltigen Abfälle mittels des Doppelschneckenwärmetauschers 6 nacheinander durchlaufen, um dabei auf die für die Pyrolyse gewünschte Temperatur erwärmt zu werden. Beispielsweise können in einer ersten Heizzone die kohlenstoffhaltigen Abfälle auf eine Temperatur von 80° C bis 150° C, z.B. über 100° C erhitzt werden. In einer zweiten Heizzone können die kohlenstoffhaltigen Abfälle auf eine Temperatur von 150° C bis 250° C, z.B. über 180° C erhitzt werden. In einer dritten Heizzone können die kohlenstoffhaltigen Abfälle auf eine Temperatur von 250° C bis 350° C, z.B. über 300° C erhitzt werden. In einer vierten Heizzone können die kohlenstoffhaltigen Abfälle auf eine Temperatur von 350° C bis 450° C, z.B. über 400° C erhitzt werden. In einer fünften Heizzone können die kohlenstoffhaltigen Abfälle auf eine Temperatur von 450° C bis 600 °C, z.B. über 500° C erhitzt werden. In etwaigen weiteren Heizzonen wird die Temperatur vorzugsweise anschließend konstant gehalten. Die Heizmittel können beispielsweise elektrisch beheizte Wärmetauscher sein, die eine besonders gute Temperatursteuerung ermöglichen. Durch die Erhitzung der kunststoffhaltigen Abfälle innerhalb des Reaktionsraums 12 entstehen unter anderem Pyrolysedämpfe, die über die Rohrleitung 5 der Filtration 3 zugeleitet werden können, um die Pyrolysedämpfe von Feinpartikeln aus Pyrolysekoks, festen Zuschlagstoffen und Abriebsand zu reinigen. Hierzu sind in der Filtration mehrere Filterkerzen 14 angeordnet. In der dargestellten Ausführungsform sind die Filterkerzen 14 senkrecht ausgerichtet, wobei die Pyrolysedämpfe von unten nach oben durch die Filterkerzen 14 geleitet werden. In der in Figur 1 gezeigten Filtration 3 ist somit die Rohgasseite 15 unterhalb der Filterkerzen 14 ausgebildet und die Reingasseite 16 oberhalb der Filterkerzen 14. Auch die Rohrleitung 5 und/oder die Filtration 3 können mit Heizmitteln 17 versehen sein, um die Temperatur der Pyrolysedämpfe definiert zu steuern.

Mit dem beschriebenen Pyrolysereaktor 1 kann ein Pyrolyseverfahren zur thermischen Umwandlung von kohlenstoffhaltigen Abfällen in hochwertige feststofffreie Pyrolysedämpfe durchgeführt werden. Der beschriebene Aufbau mit dem in unterschiedlichen Heizzonen beheizbaren Reaktor 1 sowie der individuellen temperierbaren Kreis auch der Rohrleitung 5 und/oder der Filtration 3 ermöglichen es, die Kontrolle über die chemischen Reaktionen besser zu steuern. Hierdurch können in dem erfindungsgemäßen Pyrolysereaktor 1 definiert hochwertigere, nämlich kürzere, leichtere und partikelfreiere Dämpfe und Gase erzeugt werden.

Bezugszeichen

1 Pyrolysereaktor

2 Reaktionseinheit

3 Filtration

4 Einhausung

5 Rohrleitung

6 Doppelschneckenwärmetauscher

6A, 6B Förderschnecke

7 Antrieb

8 Lagerung

9 Eintrittsschleuse

10 Austrittsschleuse

11 Mischer

12 Reaktionsraum

13 Heizmittel

14 Filterkerze

15 Rohgasseite

16 Reingasseite

17 Heizmittel