Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vergasungsvorrichtung, um Ausgangsmaterial zu vergasen, welches kommunale, industrielle, bau- und landwirtschaftliche Abfallmaterialien und Nicht-Abfallmaterialien, wie Holz und Kohle, beinhaltet. Die vorliegende Erfindung vermindert das Deponievolumen fester Abfallmaterialien und produziert einen gasförmigen Brennstoff, der für die Benutzung in verschiedenen Anwendungsbereichen wiederverwendet werden kann. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung Verbesserungen für die kontrollierte Autothermo-Vergasung von Abfallmaterialien, wobei der Abfall Gegenstand einer Rezirkulation innerhalb einer Verbrennungseinheit ist. Als ein Resultat des Prozesses nach der vorliegenden Erfindung wird das Ausgangsmaterial im Volumen um wenigstens 90%, aber nicht begrenzt auf diesen Prozentwert der Reduktion, reduziert und ein sauberer gasförmiger Brennstoff wird produziert, ohne irgendwelche ungünstigen Effekte auf die Umwelt durch seine Benutzung zu erzeugen. Der augenblicklich bevorzugte Vergasungsprozeß wird in einen einzigen abgeflachten spheroidgeformten Vergasungsreaktor erreicht, wenngleich Abwandlungen von dieser Form benutzt werden können.

Die Entsorgung von Abfallmaterialien war immer und bleibt ein wesentliches Problem in unserer Gesellschaft. Die Menge von festem Abfall steigt ständig und Landflächen, die für konventionelle Deponien benötigt werden, verschwinden rapide. Deponien an sich sind problematisch. In Deponien abgelagerter Müll braucht oft über dreißig Jahre, um zu verrotten. Während dieser Zeit ergeben sich weitere ökologische Probleme. Verschmutzungen, die aus dem Müll in das Grundwasser versickern, führen zu signifikanten Bedenken, die Probleme von Gerüchen und atmosphärischer Verschmutzung sind vielseitig. Weiterhin bedenklich ist die Tatsache, daß die Entsorgung von festen Abfällen in einer Deponie oft zu unerwarteten langfristigen Gefahren durch die Bodenverschmutzung, welche durch die Art des Abfalles bedingt war, sowie durch die ungleichmäßige Absackung der Deponieanlage, lange nachdem die Deponie zu anderen Benutzungsarten konvertiert wurde, geführt hat.

Die am weitesten verbreitete Alternative zur Deponie-Müllentsorgung ist die Einäscherung an offener Luft oder in zwangsbelüfteten Verbrennungsanlagen. Konventionell wird während der Einäscherung die Verbrennung des Mülls in einer Verbrennungskammer vorgenommen, in welche Luft zum Zwecke der Verbrennung eingeleitet wird. Als Teil der Einäscherung müssen die organischen Materialien aus den Abfallmaterialien in Materialien umgewandelt werden, die gleichmäßig in der Verbrennungskammer brennen. Feste Abfallstoffe variieren so stark in ihrer Zusammensetzung und ihrem Feuchtigkeitsgehalt, daß die Verbrennungsreaktion nicht adäquat kontrolliert und aufrechterhalten werden kann. Unvollständige Verbrennung des Abfalls ist üblich mit dem Ergebnis, daß große Mengen von Rauch und Verschmutzung in die Atmosphäre abgegeben werden. Obwohl es wünschenswert ist, festen Abfall einzuäschern oder zu verbrennen, um sein Volumen zu reduzieren, sind weder die Verbrennung an offener Luft noch die zwangsbelüftete Einäscherung wegen der prozeßinherenten Abluftverschmutzungsprobleme umweltfreundlich. Es sind zahlreiche Systeme für die Pyrolyse und Vergasung von Abfallmaterialien vorgeschlagen worden. Während Pyrolyse-Techniken eine Reihe von theoretischen Vorteilen bieten, haben Pyrolyse-Systeme zum Umgang mit üblichen Abfällen erst gerade begonnen, eine signifikante kommerzielle Benutzung zu erreichen. Diese Evolution der Pyrolyse-Technologie beginnt einen akzeptierten Status im Feld der Entsorgung von kommunalen festen Abfällen (Municipal Solid Waste ("MSW")) zu erzielen. Ältere Vergasungsmethoden beinhalten wenigstens zum Teil Hitzeübertragungsprobleme, die durch die große Varianz in Zusammensetzung und Feuchtigkeitsgehalt der Abfälle entstehen.

Aufgrund der Varianz in der Zusammensetzung und dem Feuchtigkeitsgehalt von kommunalem Abfall, ist es schwierig, die Temperatur für eine ordentliche Pyrolyse des Abfalls zu kontrollieren, ohne lokalisierte Anstiege in der Temperatur, die in einer Schlackenbildung resultieren, zu vermeiden. Beispielsweise wurden, um einen relativen Gleichgewichtsbetrieb bei der Vergasung üblicher MSWs zu erzielen, Temperaturen in den älteren Systemen benutzt, die die Temperaturen erreichen, bei welchen die Verschlackung von anorganischen Materialien auftritt. Die anorganischen Bestandteile der MSWs schmelzen, um einen zäh haftenden Schlackenbelag auf allen Oberflächen, die dem Abfall ausgesetzt sind, zu bilden.

Es wurden Systeme vorgeschlagen, um feste Abfallmaterialien durch Hochtemperaturvergasung in gasförmige Brennstoffe, die auch Produzentengase genannt werden, zu konvertieren. Derartige Systeme bestehen üblicherweise aus einer vertikal ausgerichteten Kammer, welche nacheinander angeordnete trocknende, destillierende, oxidierende und reduzierende Reaktionszonen aufweist. Wiederum waren aufgrund der großen Varianz in der Zusammensetzung von kommunalen Abfällen sowie den Feuchtigkeitsinhalten der Abfälle die Vergasungssysteme einer adäquaten Regelung, so wie sie für diese verschiedenen Ausgangsmaterialien notwendig ist, nicht zugänglich. Frühere Systeme waren von Betriebsproblemen genauso wie von ernsthaften Verschmutzungsproblemen geplagt, die daher rührten, daß es nicht möglich war, unerwünschte Bestandteile und Elemente aus dem Gasstrom zu entfernen und ihrer letztlichen Abgabe in die Atmosphäre durch die Benutzung des Brennstoffgases.

Die meisten bekannten Vergasungssysteme vermeiden Ausgangsmaterialbrennstoffe, die einen sehr hohen Schwefelanteil aufweisen, wie beispielsweise Gummi. Experimentelle Untersuchungen zeigen, daß die Vergasung eines 90%-igen Gummiabfallstromes mit einem 10%-igen O₂-Überschuß, Abgasstrombedingungen erzeugt, welche 1100 ppm SO₂ ergeben. Eine Verringerung des überschüssigen O₂ auf 3.9% reduziert das SO₂ um eine proportionale Menge. Die Anwesenheit von überschüssigem O₂ kann auf Gasblasen im Brennstoffbett zurückgeführt werden.

Umweltüberlegungen rechtfertigen die Entfernung von SO₂ im Abgas eines jeden Verbrennungsprozesses kommerzieller Größenordnung. Dies ist ein großes Anliegen jedes Verbrennungsprozesses und von großem Belang beim Entwurf der Ausrüstung. Je größer das Auftreten von SO₂ dem Ausgang des Vergasers ist, um so größer und teurer wird die benötigte Ausrüstung, um es zu entfernen. Demzufolge werden, um Kosten zu reduzieren, hochschwefelige Brennstoffe vermieden.

Der Kohlenstoffgehalt des Ascheanteils ist ebenfalls eine wichtige Überlegung beim Entwurf und Betrieb eines Vergasungssystems. Während ehemals 20 bis 50% Kohlenstoff in der Asche üblich waren, sind nun 3 bis 5% Kohlenstoff in der Asche wünschenswert. Jede Form der indirekten Pyrolyse läßt große Prozentsätze von Kohlenstoff in der Asche zurück, primär wegen eines nicht ausreichenden Anteiles von molekularem Sauerstoff, um die Umwandlung von Kohlenstoff in ein bestimmtes stabiles Gas zu erreichen. Demzufolge ist die Pyrolyse nicht wünschenswert, außer daß es eine wirtschaftlich sinnvolle Benutzung für die Kohle gibt. Ohne eine wirtschaftlich sinnvolle Benutzung der Kohle bedeutet der hohe Kohlenstoffanteil in der Asche einen Verlust von Effizienz des Systems. Es wäre ein Fortschritt auf dem Gebiet, wenn es möglich wäre, den Kohlenstoffanteil der Asche zu kontrollieren.

Um einen ausufernden Kohlenstoffanteil in der Asche zu vermeiden, muß ausreichend Sauerstoff in Form von Luft, reinem gasförmigen Sauerstoff oder in Form eines sauerstoffreichen Feststoffes in die Reaktionskammer eingebracht werden. Um effektiv zu sein, müssen gasförmige Oxidationsmittel in innigem Kontakt mit dem Kohlenstoffanteil des Brennstoffes ausreichend Zeit haben, um zu ermöglichen, daß die Reaktion stattfindet.

Wenn das Brennstoffbett optimale Dimensionen aufweist und die Pfadlänge durch den Reaktor ausreichend für die volle Reaktion des Oxidationsmittels ist, besteht weiter das Problem von Gasblasen oder Kanälen niedrigen Widerstands durch das Bett, außer wenn das Oxidationsmittel in kleinen differentialen Drücken (niedrige Geschwindigkeit) über das Brennstoffbett zugegeben wird. Diese niedrigen Geschwindigkeiten machen es sehr schwer, die Reaktion bei optimalen Temperaturen zu halten und sie reduzieren den Brennstoffdurchsatz und die Gasabgabe für eine bestimmte Reaktorgröße. Auch wenn befriedigende Ergebnisse anfänglich erreicht werden, verschlechtert sich die Situation mit der Zeit rapide, weil das Oxidationsmittel direkt durch das Brennstoffbett in den Abgasstrom wechseln kann, ohne mit dem Brennstoff zu reagieren.

Aus dem Vorangegangenen ist zu erkennen, daß ein fixes Bett keine gute Wahl für die gegenströmende Reduktion von kommunalen Abfällen darstellt wegen des Vorhandenseins von überschüssigem Sauerstoff, welcher die Bildung von SO₂ fördert.

Dies ist unmittelbar beeinflußt durch die Schwierigkeit, eine gleichförmige Brennstoffpartikelgröße zu erzielen. Ein Ansatz war, das Bett mit einem Paddel oder einer Reihe von Paddeln oder Armen zu bewegen. Dieses bewegt immer nur einen Teil des Brennstoffbettes zu jeder Zeit und benötigt weiterhin ein durchlässiges Brennstoffbett.

Wenn während der Reduktion der Brennstoff zu einer sehr feinen Asche wird, die einen ausufernden Rückdruck auf den Oxidationsmittelfluß ausübt, dann benimmt sich das gerührte Bett wie ein fixes Bett, welches anfällig ist für die Bildung von Gasblasen.

Eine Abwandlung des gerührten Bettes ist die Benutzung eines rotierenden Tisches oder Düsensystems unterhalb des Bettes. Allerdings bietet eine rotierende Düse nur eine minimale Brennstoffbewegung in den höheren Zonen und erlaubt es, feineren Brennstoff- und Flugstoffpartikeln sich zu sammeln und die gesamte Durchlässigkeit des Bettes störend zu beeinflussen. wenn die Durchlässigkeit sinkt, steigt der Rückdruck auf die Oxidationsmittelversorgung, bis es seinen Weg durch das Bett zwingt. So beginnt das Bett Nieder-Widerstandskanäle durch das Bett aufzuweisen mit dem charakteristischen hohen SO₂-Auslaß.

Die oben beschriebenen Methoden zur Bewegung erlauben keine Variation in der Brennstoffgröße oder Konsistenz, die ökonomisch mit festen Abfallmaterialien erreicht werden kann. Um einen variablen Ausgangsbrennstoff, wie kommunale, industrielle, bau- und landwirtschaftliche Abfälle zu vergasen, muß die Vorrichtung fähig sein, die Betriebskondition über einen weiteren Bereich der Regelung einzustellen, als bei Systemen notwendig ist, die zur Benutzung mit einem homogenen Ausgangsmaterial entworfen wurden. Die Durchlässigkeit des Brennstoffbettes stellt sich als primäre Wichtigkeit dar und wird gegenteilig durch Änderungen in den Brennstoffbestandteilen beeinflußt, die durch ein flüssiges Stadium gehen, wenn sie mit der Temperatur innerhalb des Vergasers in Kontakt kommen.

Aus dem vorbeschriebenen Hintergrund könnte man erwarten, daß "verflüssigende" Bedingungen in der Lage wären, einen kontrollierten innigen Kontakt mit einer solchen variablen Brennstoffstruktur zu erlauben. Unglücklicherweise bieten konventionelle verflüssigende Bedingungen einen Sauerstoffüberschuß, welcher wegen der SO₂-Produktion nicht tolerierbar ist.

Ein weiteres signifikantes Problem mit konventionellen Vergasungsgeräten ist die Unfähigkeit, die breite Varianz in der Zusammensetzung des Ausgangsmaterials genauso wie in der Varianz des Flüssigkeitsinhaltes des Abfalles zu berücksichtigen. Ausgangsmaterial mit hohem Wassergehalt kann die Betriebstemperatur des Vergasers signifikant reduzieren. Ein weiterer Mitwirkender zu diesem "Quench-Vorgang" sind Materialien, die in großen Prozentwerten im Ausgangsstrom die Möglichkeit haben, durch eine flüssige Phase zu gehen. Eine breite Varianz in der Betriebstemperatur macht es schwierig, die Verbrennung des Ausgangsmaterials zu kontrollieren und beeinflußt den Materialdurchsatz und die nachfolgende Abgabe.

Die folgenden sind einige der Gründe, warum konventionelle Vorrichtungen zur Vergasung von festen Brennstoffen (Holz und Kohle) nicht gänzlich kommunalen Abfall vergasen:

• (a) Geringe Brennstoffbettdurchlässigkeit oder die Varianz in der Durchlässigkeit.
• (b) Hohe Tendenz, Kanäle durch die Brennstoffbettstruktur zu formen.
• (c) Brennstoff-Feinteile entweder im Ausgangsbrennstoff oder durch Entstehung im Verlauf des Prozesses, die zu Flugpartikeln im Abgasstrom und zur Durchlässigkeit beitragen.
• (d) Ein hoher Prozentsatz von Flüssigphasen-Materialien und die Varianz im Prozentsatz dieser Materialien.
• (e) Ein hoher Feuchtigkeitsinhalt des Brennstoffes.
• (f) Geringe thermische Gasgeschwindigkeiten, die verhindern, daß Partikel und große kondensierende Zusammenballungen mitgerissen werden.

Konventionelle Vergaser berücksichtigen diese Parameter, die auf einer sich kontinuierlichen ändernden Basis berücksichtigt werden müssen, nicht adäquat.

FR-361 127 bietet eine Vergasungsvorrichtung, welche aber ebenfalls eine ausreichende Regelung des Oxidationsgases vermissen läßt, um das Ausgangsmaterial unter der vollen Bandbreite von Bedingungen, die in der Praxis auftreten, zu vergasen und riskiert, daß einige Materialien dem Oxidationsgas nicht ausreichend ausgesetzt werden.

WO-8102/581 stellt eine Vergasungsvorrichtung zur Verfügung, in welcher die Reaktionsgasversorgung Pulsationen ausgesetzt wird. Allerdings wird keine Kreislaufführung der Gase ermöglicht, der Vorrichtung fehlen wesentliche weitere Merkmale der Anspruchsstruktur und als Resultat ergeben sich hier Probleme, die Regelung und effiziente Vergasung zu sichern. Demzufolge wäre es ein wesentlicher Fortschritt auf dem Gebiet, eine verbesserte Vorrichtung zur Vergasung von Ausgangsbrennstoffmaterialien zur Verfügung zu stellen. Eine derartige Vorrichtung, um Ausgangsmaterialien zu vergasen, wird hier offenbart und beansprucht.

Die vorliegende Erfindung stellt ein umweltverträgliches Verfahren und eine Vorrichtung zur Vergasung von Ausgangsmaterialien, wie kommunalen, industriellen, bau- und landwirtschaftlichen Abfällen, zur Verfügung. Die vorliegende Erfindung kann zur Vergasung konventioneller fester Vergasungsbrennstoffe, wie Kohle und Holz, angepaßt werden. Eine bevorzugte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung stellt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Vergasung fester Abfallmaterialien zur Verfügung, welches die Emission von Rauch und anderen Verschmutzungen in die Atmosphäre verhindert.

Das organische Material im Ausgangsprodukt wird in relativ sauberes Produzentengas sowie Asche konvertiert. Die Asche hat ein Volumen von üblicherweise weniger als 10% des Volumens des Ausgangsabfallmateriales. Das resultierende feste Aschematerial ist steril und umweltunschädlich. Das Produzentengas und feste Aschematerial können für unterschiedliche kommerzielle Zwecke benutzt werden. Beispielsweise kann die Asche als ein Bodenverbesserungsmittel zur Entfernung von Eis auf Autobahnen, als ein Betonzusatzstoff, als ein Straßenbelagszusatzstoff benutzt werden und das Produzentengas kann als ein sauberer Verbrennungsbrennstoff benutzt werden, alternativ kann das Gas einfach verbrannt und die Asche in herkömmlicher Weise auf einer Deponie vergraben werden.

Eine gegenwärtig bevorzugte Vorrichtung für die Ausgangsmaterialvergasung nach der vorliegenden Erfindung beinhaltet eine einzelne Vergasungskammer in Form eines abgeflachten Spheroiden. Ein gegenwärtig bevorzugter Spheroid ist ein geodesischer Spheroid (GOS). Ausgangsmaterial wird in die Vergasungskammer unter Benutzung einer Speiseeinrichtung eingebracht. Es ist wichtig, daß das ausgewählte Speiseeinrichtungsdesign in der Lage ist, Ausgangsmaterialien in eine unter Druck stehende Vergasungskammer einzubringen. Das Speiseeinrichtungsdesign kann abhängig von dem zu vergasenden Ausgangsmaterial variieren. Beispielsweise können benutzte Reifen unter Benutzung einer Kompressionsspeiseeinrichtung erfolgreich in die Reaktion eingespeist werden. Die Art der Speiseeinrichtung ermöglicht eine genaue Ausgangsmaterialeinspeiseregelung und erlaubt es den Reifen, in eine unter Druck stehende Vergasungskammer eingebracht zu werden. Weitere konventionelle Speiseventile sind nützlich, um getrocknete oder teilweise getrocknete Ausgangsabfallmaterialien in die unter Druck stehende Vergasungskammer einzubringen. Beispiele für konische Speiseventile sind in dem US-Patent Nr. 5 484 465, herausgegeben am 16.01.1996, offenbart.

Zentral um den inneren Rand der Vergasungskammer sind eine oder mehrere Kreislaufventurirohre angeordnet. Die genaue Anzahl der Kreislaufventurirohre kann abhängig von der Größe der Vergasungskammer und der Art des zu vergasenden Abfallmateriales variieren. Jedes Venturirohr beinhaltet einen Kreislaufgaseinlaß, einen Kreislaufkanal, eine Engstelle und einen Venturigasauslaß, der in Richtung der Vergasungszone ausgerichtet ist. Die Engstelle beinhaltet einen Einlaß für gasförmige Oxidationsmittel und eine Mehrzahl von Öffnungen, welche das gasförmige Oxidationsmittel durch jedes Venturirohr leiten und Bewegungsenergie dem Gaskreislauf zufügen.

Das gasförmige Oxidationsmittel ist vorzugsweise Luft, kann aber auch Sauerstoff, mit Sauerstoff angereicherte Luft oder andere gasförmige Oxidationsmittel enthalten. Andere reaktive Gase können ebenfalls in die Engstelle eingebracht und mit dem Kreislauf gemischt werden, um die gewünschten chemischen Reaktionen innerhalb der Vergasungskammer zu bewirken. Ungefähr 50% des gasförmigen Oxidationsmittels werden vorzugsweise in die Vergasungskammer durch die Engstellen-/Venturigaseinlässe eingebracht. Diese Menge kann variiert werden abhängig von der Zusammensetzung der Ausgangsmaterialien und den gewünschten Vergasungsprodukten. Das durch die Venturirohre in die Vergasungskammer eingebrachte gasförmige Oxidationsmittel beeinflußt den resultierenden gasförmigen Kreislauffluß und die Anzahl der Male, die die sich verflüchtigenden Ausgangsmaterialien durch die Vergasungszone durchtreten.

Die Vergasungskammer beinhaltet bevorzugt Einlässe für das gasförmige Oxidationsmittel an zwei weiteren bestimmten Orten innerhalb der Vergasungskammer. Eine oder mehrere Luftkanonen sind unterhalb der Venturigasauslässe und eine Mehrzahl von gasförmigen Oxidationsmitteleinlässen sind unterhalb der Vergasungszone in dem Aschesammelbereich angeordnet. Luftkanonen können optional in der Aschesammelzone angeordnet sein.

Die Luftkanonen sind in Richtung der Vergasungszone ausgerichtet, um einen pulsierenden Luftstrom in die Vergasungszone zur Verfügung zu stellen, welcher das Abfallmaterialbett bewegt und fluidisiert. Die Bewegung wird durch die Betriebsfrequenz und von mit den Luftkanonen verbundenen Pulsventilen geregelt. Die Benutzung von Luftkanonen und Pulsventilen erlaubt die Vermeidung von allen inneren mechanisch bewegten Teilen. Die sinuswellenförmigen Pulse der Luftkanonen sichern die vollständige Bewegung alles noch nicht reagierten Materials, welches noch nicht vollständig vergast wurde und regelt die zur Vergasung nötige Oxidationsmittelbalance.

Die im Aschesammelbereich angeordneten Einlässe für gasförmiges Oxidationsmittel werden benutzt, um den Kohlenstoffinhalt der übrig bleibenden Asche zu regeln. Größere Mengen von Oxidationsmittel werden für eine komplette Verbrennung von kohlenstoffhaltigen Abfallmaterialien sorgen. Ein Aschekohlenstoffanteil unter 5% des Gewichtes kann erreicht werden. Alternativ wird wenig oder kein Oxidationsmittel innerhalb des Aschesammelbereiches in einer unvollständigen Verbrennung des Ausgangsmateriales resultieren, was der Bereitung von Hochkohlenstoffasche, wie beispielsweise Ruß, dienen kann.

Chemische Reaktanten können in die Vergasungskammer eingebracht werden, um mit dem Ausgangsmaterial oder seinen Nebenprodukten zu reagieren. Der Kreislaufbetrieb der Vergasung erlaubt eine längere Verweilzeit und Reaktionszeit der chemischen Reaktanten. Ein Beispiel für einen typischen chemischen Reaktanten innerhalb des Bereiches der vorliegenden Erfindung ist eine chemische Verbindung zur Trockenreinigung, um unerwünschte Schwefeloxide (SO_x) oder andere unerwünschte Verbindungen zu kontrollieren. Verschiedene bekannte und neue chemische Reinigungsverbindungen können mit der vorliegenden Erfindung benutzt werden, beinhaltend, aber nicht beschränkt auf Kalzium, Kalkstein, Kalk und Ölschiefer. Die chemischen Reaktanten werden der Vergasungskammer bevorzugt durch den Ausgangsmaterialspeiseeinlaß zugeführt, obwohl ein separater Einlaß für derartige Verbindungen zur Verfügung gestellt werden kann.

1 ist eine perspektivische Ansicht einer geodesischen abgeflachten Spheroid-Abfallvergasungsvorrichtung im Rahmen der vorliegenden Erfindung.

2 ist eine Querschnittsansicht gemäß Linie 2-2 in 1, die das Innere der Abfallvergasungsvorrichtung zeigt.

3 ist eine Querschnittsansicht gemäß Linie 3-3 der 1, die das Innere der Abfallvergasungsvorrichtung zeigt.

4 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht der Engstelle innerhalb des Kreislaufventurirohres in 2.

5 ist eine Querschnittsansicht einer Pulsventilrotorgruppe.

6 ist eine weitere Querschnittsansicht des Pulsventils, die Mittel zur Anbringung des Ventils an konventionellen Gasleitungen zeigt.

Die vorliegende Erfindung richtet sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Vergasung von verschiedenen Ausgangsmaterialien. Die Erfindung wird mit größerem Detail unter Bezugnahme auf ihre gegenwärtige bevorzugte Ausgestaltung, wie in den Figuren illustriert, beschrieben werden.

Unter Bezugnahme auf 1 ist ein gegenwärtig bevorzugtes Vergasungssystem allgemein mit 10 bezeichnet. Das Vergasungssystem 10 nach der vorliegenden Erfindung, wie in 1 dargestellt, beinhaltet eine geodesisch abgeflachte spheroidisch geformte Vergasungskammer 12. Die Vergasungskammer 12 beinhaltet einen Ausgangsmaterialeinlaß 14. Wie in den 1 bis 3 dargestellt, ist der Ausgangsmaterialeinlaß 14 bevorzugt in einem oberen Bereich der Vergasungskammer 12 angeordnet. Ein Verbrennungsgasauslaß 16 erlaubt die Entfernung von Verbrennungsgas aus der Vergasungskammer 12. Die Verbrennungsgase beinhalten typischerweise eine Mischung von kondensierbaren Hydrocarbonverbindungen und Brennstoffgasen, welche für ihren Brennstoff oder Rohmaterialwert gewonnen werden können. Eine Mehrzahl von Einlässen 18, 20 und 22 für gasförmiges Oxidationsmittel erlaubt das Einbringen von gasförmigem Oxidationsmittel in verschiedene innerne Bereiche innerhalb der Vergasungskammer 12. Die Einlässe 18, 20 und 22 für gasförmiges Oxidationsmittel sind bevorzugt mit Ventilen (nicht gezeigt) verbunden, um den Druck und die Flußrate des gasförmigen Oxidationsmittels, das durch die Einlässe fließt, zu kontrollieren. Ein Ascheauslaß 24 erlaubt die Entfernung des Ascheproduktes des vergasten Ausgangsmateriales. Der Ascheauslaß 24 kann bekannte oder neue Aschetore (nicht gezeigt) oder ähnliche Vorrichtungen zur Entfernung der Asche bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung des Druckes innerhalb der Vergasungskammer 12 beinhalten. Ein Einlaß für gasförmigen Brennstoff 26 erlaubt, zusätzlichen Brennstoff in die Vergasungskammer während des Startens des Vergasungsprozesses einzubringen, um die Vergasungskammer auf eine gewünschte Betriebstemperatur zu bringen. Der zusätzliche Brennstoff kann außerdem in die Vergasungskammer eingebracht werden, wenn er zur weiteren Regelung des Vergasungsprozesses nötig ist.

Die 2 und 3 zeigen die interne Konfiguration der Vergasungskammer 12. Ein Ausgangsmaterialkanal 28, aufgebaut aus einem Draht- oder Netzmaterial, befördert Ausgangsmaterial vom Ausgangsmaterialeinlaß 14 in eine Verdampfungszone 30. Wie dargestellt, hat die Verdampfungszone 30 eine generell nach unten divergierende Form, welche sich in eine Vergasungszone 32 öffnet. Ausgangsmaterial, das in die Verdampfungszone eintritt, wird teilweise verdampft. Verflüchtigte Anteile und leichte Partikel werden nach oben mitgerissen, wie detaillierter unten beschrieben wird, während die schweren, nicht verdampften Ausgangsmaterialteile in die Vergasungszone 32 absinken. Die Vergasungszone stellt den oberen Teil einer Vergasungssäule, die sich durch die zentrale Achse der Vergasungskammer 12 erstreckt, dar. Wie dargestellt, verengt sich die Vergasungszone 32 graduell, um eine Aschesammelbereich 34 zu bilden, um die Asche, die durch die Vergasung des Ausgangsmaterials entsteht, zu sammeln.

Die Vergasungskammer beinhaltet einen oder mehrere Kreislaufventurirohre 35. Jedes Venturirohr beinhaltet einen Kreislaufgaseinlaß 36, der oberhalb der Vergasungszone 30 angeordnet ist, einen Kreislaufkanal 38, eine Engstelle 40 und einen auf die Vergasungszone 32 ausgerichteten Venturigasauslaß 42. Wie am besten in 4 gezeigt, begrenzt die Engstelle eine ringförmige Kammer 44. Der Einlaß 18 für das gasförmige Oxidationsmittel und der Einlaß 26 für den gasförmigen Brennstoff führen in die ringförmige Kammer 44. Die Engstelle 40 hat einen inneren Ring 46, welcher durch den Venturiraum 35 divergiert. Der Engstellenring 46 beinhaltet eine Mehrzahl von Öffnungen 48. Die Öffnungen 48 erlauben es, gasförmigen Oxidationsmitteln oder anderen reaktiven Gasen, von der Engstelle in das Venturirohr 35 zu kommen. Die Öffnungen 48 sind bevorzugt nach unten gerichtet. Diese erlauben es dem gasförmigen Oxidationsmittel, vom gasförmigen Oxidationsmitteleinlaß 18 und optionalem Brennstoff von dem gasförmigen Brennstoffeinlaß 26 nach unten durch das Venturirohr 35 in Richtung des Venturirohrausganges 42 geleitet zu werden.

Wie in 4 dargestellt, verengt sich der Kreislaufkanal 38 derart, daß die querschnittliche Öffnung etwa gleich der Größe des inneren Ringes 46 ist. Die querschnittliche Fläche des Venturirohres 35 vergrößert sich graduell zwischen der Engstelle 40 und dem Venturigasauslaß 42.

Das Venturirohr 35 ist bevorzugt aus einem hitzebeständigen Material, welches in der Lage ist, hohen Temperaturen zu widerstehen, hergestellt. Ein hitzebeständiges Material wird gegenwärtig gegenüber konventionellem Stahl zur Konstruktion des Venturirohres 35 bevorzugt, weil es in der Lage ist, den hohen Temperaturen unmittelbar hinter der Engstelle 40 zu widerstehen. Selbstverständlich können Stahl oder andere Konstruktionsmaterialien benutzt werden, aber diese sind generell nicht so haltbar, wie hitzebeständige Materialien. Die Wandstärke des Venturirohres 35 ist bevorzugt in der Nähe der Engstelle 40 dicker, um weiter zu helfen, den hohen Temperaturen zu widerstehen. Der Teil des Kreislaufkanales 38, der am nächsten zur Engstelle 40 ist, wird ebenfalls bevorzugt aus einem hitzebeständigen Material hergestellt, während der Rest des Kreislaufkanals 30 vorzugsweise aus Stahl hergestellt wird. Die Engstelle 40 kann vorzugsweise aus Stahl hergestellt werden, so daß sie maschinell bearbeitet werden kann, um die Öffnungen 48 und die ringförmige Kammer 44 zu beinhalten.

Die Einlässe 20 für gasförmige Oxidationsmittel werden vorzugsweise mit Luftpulsventilen 50 verbunden, um Pulse von gasförmigem Oxidationsmittel bei verschiedenen Frequenzen und Drücken zur Verfügung zu stellen. Die mit den Pulsventilen 50 verbundenen Oxidationsmitteleinlässe 20 werden im folgenden als Luftkanonen bezeichnet, weil sie in der Lage sind, periodische Schübe von Oxidationsmittel in die Vergasungskammer 12 und spezieller in die Vergasungszone 32 einzubringen. Die Luftkanonen bieten vorzugsweise sinusförmige Luftpulse in einem Frequenzbereich von 20 Hz bis 3 KHz und bei einem Druck, der ausreichend ist, um das Materialbett zu bewegen. Der Betriebsdruck kann abhängig von der Größe der Vergasungskammer 12 und dem zu vergasenden Material variieren. Die Drücke können von 6,9 kPa bis 6,9 Mpa (1 bis 1000 psi) reichen, wobei die typischen Betriebsdrücke von 6,9 kPa bis mehr als 621 kPa (1 psi bis mehr als 90 psi) reichen.

Der hier benutzte Begriff "Luft", wie er mit Luftkanone, Luftpuls und Luftpulsventil verwendet wird, ist gemeint, weitere Arten von Oxidationsmitteln zusätzlich zu atmosphärischer Luft zu beinhalten. Es ist ebenfalls in Erwägung gezogen, daß weitere reaktive Gase in die Vergasungskammer eingebracht werden können, um mit den Verbrennungsgasen zu reagieren. Beispiele solcher Reaktionsgase beinhaltend sind, aber nicht auf diese begrenzt, Kohlendioxid, Methan, Propan, superheißer Dampf usw.

Die 5 und 6 zeigen eine geschnittene Ansicht eines der gegenwärtigen Pulsventile 50 nach der vorliegenden Erfindung. Wie in den 5 und 6 gezeigt, ist ein Rotor 54 innerhalb eines Gehäuses 56 enthalten. Der Rotor 54 rotiert um eine Axialachse 58, die mit einem Motor verbunden ist (nicht gezeigt). Durch das Zentrum des Rotors 54 führt eine modifizierte, diamantförmige Bohrung 60. Ein Paar von Schlitzen 62 ist an gegenüberliegenden Seiten des Gehäuses 56 so angeordnet, daß wenn die Bohrung 60 und die Schlitze 62 aneinander ausgerichtet sind, eine gasdurchlässige Passiermöglichkeit durch das Pulsventil 50 gebildet wird. Ein Luftabgabeflansch und -rohr 64 ist mit dem Gehäuse 56 verbunden, um zu ermöglichen, daß das Pulsventil 50 mit dem Einlaß 20 für gasförmiges Oxidationsmittel verbunden wird.

Wenn der Rotor 54 innerhalb des Gehäuses 56 rotiert, erzeugt die Interaktion zwischen der geometrischen Form der modifizierten diamantförmigen Bohrung 60 und der Schlitze 62 in Verbindung mit dem Hochdruckgas innerhalb des gasförmigen Oxidationsmitteleinlasses 20 die sinusförmigen Gasdruckpulse, wie oben beschrieben.

Die gasförmigen Oxidationsmitteleinlässe 22, welche gasförmiges Oxidationsmittel in den Aschesammelbereich 34 leiten, werden benutzt, um den Kohlenstoffinhalt der übrig gebliebenen Asche zu regulieren. Höhere Mengen von Oxidationsmittel sorgen für eine vollkommenere Verbrennung von kohlenstoffhaltigen Ausgangsmaterialien. Mit überschüssigem Oxidationsmittel ist ein Aschekohlenstoffinhalt unter 5% des Gewichtes erreichbar. Kein oder nur wenig Oxidationsmittel innerhalb des Aschesammelbereiches sorgt für eine unvollkommene Verbrennung des Ausgangsmateriales, was in der Erzeugung von Ruß resultiert.

Die vorliegende Erfindung richtet sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren mit einem weiten Bereich von Anwendungen zur Vergasung von Ausgangsmaterialien inklusive Abfallmaterialien. Die hier benutzten Ausgangsmaterialen beinhalten, sind aber nicht hierauf beschränkt, kommunalen, festen Abfall (inklusive Reifen), industrielle, bau- und landwirtschaftliche Abfälle und selbst Nicht-Abfallmaterialien, wie Kohle und Holz. Die gegenwärtig bevorzugte Vergasungsvorrichtung ist eine einzelne Vergasungskammer in Form eines geodesischen abgeflachten Spheroiden, aber ist nicht auf diese Designform beschränkt, mit einem festen Materialbett mit einer konischen Querschnittsform und einer Gegenstromkonstruktion, welche sich immer erhöhende Oxidationsbedingungen erzeugt, wenn das Ausgangsmaterial in Richtung der Aschesammelregion herabsinkt. Die Höhe der Vergasungskammer kann verändert werden, um die reaktive Weglänge durch die Vergasungsvorrichtung zu erhöhen oder zu erniedrigen und die Verdampfungszone zu verändern.

Nachfolgend wird ein Verfahren zur Vergasung von Ausgangsmaterialien in einer abgeflachten spheroiden Vergasungskammer, wie hier beschrieben, erklärt. In dieser Diskussion werden als Ausgangsmaterialien benutzte Reifen verwandt, aber es sollte klar werden, daß die folgende Diskussion auch für andere Ausgangsmaterialien inklusive Abfall- und Nicht-Abfallmaterialien angewandt werden kann.

Die benutzten Reifen werden vorzugsweise durch eine Speiseeinrichtung des Extrusionstyps in die Vergasungskammer eingebracht, unter Benutzung eines Druckes, der ausreichend ist, Gummi von den Reifen in den Ausgangsmaterialeinlaß 14 zu extrudieren. Das Hochdruckextrusionssystem dient einem zweiten Zweck, eine Abdichtung für die Atmosphäre innerhalb des Einlasses 14 zu bieten. Es ist wichtig, daß der gewählte Speiseeinrichtungsentwurf in der Lage ist, Ausgangsmaterialien in eine unter Druck stehende Vergasungskammer einzubringen. Verschiedene Speiseeinrichtungsentwürfe können abhängig von dem zu vergasenden Ausgangsmaterial benutzt werden. Beispielsweise sind konische Speiseventile, wie die in dem US-Patent Nr. 5 484 465 offenbarten nützlich, um getrocknete Abfallmaterialien in die unter Druck stehende Vergasungskammer einzubringen.

Wenn das Ausgangsmaterial in die Verdampfungszone 30 eintritt, wird das Ausgangsmaterial teilweise von der Hitze der Vergasungszone 32 verdampft. Die festen, flüssigen und verdampften Materialien trennen sich. Die Dämpfe und leichten Partikel werden nach oben in Richtung der Kreislaufventurirohreinlässe 36 gezogen und die schweren Feststoffe und Flüssigkeiten fallen weiter nach unten in Richtung der Vergasungszone 32 und bilden letztlich ein Ausgangsmaterialbett innerhalb der Vergasungszone 32 und dem Aschesammelbereich 34.

Die Vergasungskammer 12 benutzt ein oder mehrere Kreislaufventurirohre 35, um verdampftes Material knapp oberhalb der Vergasungszone 32, welches die am höchsten oxidierte Zone und der heißeste Teil der Vergasungskammer 12 ist, abzuziehen. Wenn sich die Feststoffe nach unten in die Vergasungszone 32 bewegen, wird zusätzlich festes und flüssiges Material verdampft und durch den Kreislauffluß der Venturirohre 35 mitgerissen, welche die Dämpfe und leichten Partikel zurück in die Vergasungszone 32 bringen. Feste und verdampfte Materialien werden graduell in einen nicht kondensierbaren, stabilen, gasförmigen Brennstoff reduziert.

Wie oben beschrieben, erlauben die Einlässe 18, 20 und 22 für die gasförmigen Oxidationsmittel die Regelung der Verbrennungs- und Verdampfungsreaktionen und des Kreislaufflusses innerhalb der Vergasungskammer, so daß ein stabiles gasförmiges Produkt entsteht. Das gasförmige Produkt wird durch den Verbrennungsgasauslaß 16 aus der Vergasungskammer 12 abgezogen. Um aus dem Gasauslaß 16 auszutreten, muß das gasförmige Produkt in die Freibordregion 68 innerhalb der Vergasungskammer 12 eintreten. Es herrscht eine niedrige Gasgeschwindigkeit innerhalb der Freibordregion 68, was es den mitgerissenen Partikeln erlaubt, sich zurück in die Vergasungszone 32 abzusetzen. Dies trägt zu dem geringen Partikelanteil im gasförmigen Produkt bei.

Die Benutzung von Pulsventilen 50 und Luftkanonen in Verbindung mit den Oxidiermitteleinlässen 20 erzeugt die Bewegung für eine konsistente Durchlässigkeit innerhalb des Ausgangsmaterialbettes. Die Partikel im verdampfenden Material haben die Möglichkeit, durch den Kreislauffluß innerhalb der Venturirohre 35 durch das Ausgangsmaterialbett gefiltert zu werden, was für eine längere Verweilzeit im Bereich der höchsten Temperaturen in der Vergasungskammer 12 sorgt. Auf gleiche Weise werden mitgerissene Partikel kontinuierlich aus dem Ausgangsmaterialbett entfernt, was für ein gasförmiges Produkt mit niedrigem Partikelgehalt sorgt. Wenn chemische Reaktanten benutzt werden, wie beispielsweise chemische Reinigungsverbindungen, sorgt der Kreislauffluß für eine Erhöhung der Verweilzeit zum Kontakt mit den heißen Verbrennungsgasen, wodurch die Entfernung von SO_x-Verbindungen erlaubt wird oder die gewünschte chemische Reaktion erreicht wird. Die Benutzung von chemischen Reinigungsverbindungen innerhalb der Vergasungskammer eliminiert die Notwendigkeit für die chemische Reinigung im Anschluß an den Vergaser.

Die Luftpulsventile 50 können in einer synchronen oder nicht-synchronen Art und weise betrieben werden, um eine sinusförmige Wellenform zu erreichen, welche das Ausgangsmaterialbett bewegt. Wie oben erwähnt, können die Pulsfrequenzen im Bereich von 20 Hz bis zu 3 KHz variieren, abhängig von der Geschwindigkeit der Ventile. Die Pulsamplitude kann durch Änderungen des Gasdruckes verändert werden, wobei typische Betriebsdrücke im Bereich von 6,9 kPa bis etwa 1000 kPa (1 psi bis zu einigen 100 psi) variieren. Veränderungen im Oxidationsmitteleinlaß und Kreislaufflußraten ermöglichen die Regelung des Vergasungsprozesses und erlauben eine Vielfalt von unterschiedlichen Ausgangsmaterialien.

Die Vergasungskammer 12 kann unterhalb von Temperaturen betrieben werden, welche die meiste Verschlackung von organischen Materialien erzeugen. Typische Betriebstemperaturen innerhalb der Vergasungszone sind im Bereich von ungefähr 180°C bis 1180°C (350°F bis 2150°F). Die kondensierbaren Stoffe im Gasstrom treten als verdampfte Materialien aus, wo eine Reduktion der latenten Wärme ein Abzug dieser Materialien erlauben würde. Die Temperatur, bei welcher der Vergaser betrieben wird, bestimmt die Anwesenheit von kondensierbaren Stoffen im Ausgangsstrom und die Produktion von nicht kondensierbarem, gasförmigen Brennstoff.

Ein gasförmiges Oxidationsmittel wird bevorzugt in die Aschesammelzone mittels der Einlässe 22 eingebracht, um den Kohlenstoffanteil der Asche bei unter 5% des Gewichtes zu regeln oder, falls gewünscht, können die Oxidationsmitteleinlässe 22 geschlossen werden, um Asche mit hohem Kohlenstoffinhalt zu erzeugen, wie z. B. Ruß.