Die vorliegende Erfindung betri f ft ein Verfahren zur Gewinnung von Methan aus heißem Prozessgas unter Umsetzung von kohlenstof fhaltigen Altstof fen, insbesondere Hol zschnitzel , Biomasse , Müll fraktionen, Altkunststof fe , Altlösungsmittel , Shredder-Leichtfraktion, Althol z , Altrei fen und dergleichen, sowie eine Vorrichtung zum Verwerten von Prozessgas unter Umsetzung von Altstof fen und Bildung von Synthesegas , insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens .

Mithil fe erneuerbarer Energieträger lassen sich bedeutende Mengen Wasserstof f durch Elektrolyse von Wasser als klimaneutraler Brennstof f gewinnen, wobei sich j edoch die Verwertung des Wasserstof fs und dessen Speicherung problematisch darstellen . Insbesondere kann Wasserstof f aufgrund seiner auf metallische Gasleitungen versprödenden Wirkung nicht in bestehende Gasleitungsnetze eingespeist werden, was j edoch die günstigste Verwertung des Wasserstof fs und einen wesentlichen Beitrag zur Überwindung von Abhängigkeiten von diversen Rohstof flieferanten darstellen würde . Die Methanisierung von Wasserstof f gerät im Zusammenhang mit der Nutzung erneuerbarer Energieträger wie insbesondere Windkraft und der insbesondere der Windkraft inhärenten Problematik der Speicherung der durch Windkraft gewonnen Energie daher zunehmend in den Fokus privater und kommunaler Energieversorger .

Gleichzeitig stellen chemisch belastete Feststof fe wie Stäube , Trockenschlämme und Schlämme aus der chemischen Industrie , der Metallurgie , der Landwirtschaft , der kommunalen und industriellen Entsorgungswirtschaft etc . und insbesondere Verbrennungsstäube , Schlei f stäube , Stahlwerksstäube , Klärschlamm, Tiermehl , Shredder-Leichtfraktion, Althol z , Altrei fen Batterieschrott , Altplastik, Altlösungsmittel und dergleichen, aufgrund des hohen anorganischen und organischen Schadstof f gehalts sowie der großen spezi fischen Oberfläche und des hohen chemischen Reaktionspotentials mit der Umwelt ein großes umweltrelevantes Problem dar . Die Aufarbeitung der kleinen Feststof fpartikel ist Gegenstand verschiedenster Technologien . Die Anmelderin der vorliegenden Erfindung hat hierzu kürzlich in der österreichischen Patentanmeldung A 0010/2021 eine Vorrichtung sowie ein Verfahren vorgeschlagen, um derartige Altstof fe zu Synthesegas umzusetzen . Synthesegas besteht aus CO und H2 und würde sich daher grundsätzlich für eine Umsetzung zu Methan eignen .

Die katalytische Methanisierung von Wasserstof f nach Sabatier ist im Stand der Technik schon seit geraumer Zeit bekannt . Die Methanisierung erfolgt hierbei nach den Reaktionsgleichungen

CO + 3H ₂ -> CH ₄ + H ₂ O beziehungsweise

CO ₂ + 4H ₂ -> CH ₄ + 2 H ₂ O .

Es ist aus diesen Reaktionsgleichungen ersichtlich, dass die Methanisierung neben Kohlenmonoxid oder Kohlendioxid einen hohen Anteil an Wasserstof f erfordert . Gleichzeitig erfordern diese zwar exothermen Reaktionen dennoch Temperaturen von 300 ° C bis 700 ° C, um die notwendige Aktivierungsenergie bereitzustellen . Die Umsetzung von Synthesegas zu Methan und Wasser im Sinne der oben beschriebenen und im Stand der Technik bekannten Methanisierung nach Sabatier scheitert nun daran, dass das Verhältnis von Kohlenstof f zu Wasserstof f im Synthesegas zu groß ist ( C : H = 1 : 2 ) und die Reaktion daher auch bei optimaler Katalyse aus stöchiometrischen Gründen in einer Weise stattfindet , dass CO2 in bedeutenden Mengen gebildet wird . Das CO2 ist j edoch schwer von H2 abzutrennen, was die Wirtschaftlichkeit der Methanisierung in Frage stellt . Die einfache Zugabe von Wasserstof f zum Synthesegas würde hier zwar Abhil fe schaf fen, erscheint aber aufgrund des hohen Wasserstof f einsatzes nicht sinnvoll .

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren anzugeben, mit dem die Methanisierung von Synthesegas aus der Pyrolyse der genannten Altstof fe durch heißes Prozessgas ohne die Zugabe prozess fremden Wasserstof fs gelingt und bei dem insgesamt ein optimaler Einsatz der Ausgangsstof fe erreicht wird .

Zur Lösung dieser Aufgabe umfasst ein Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß zumindest die folgenden Schritte :

Pyrolyse und gegebenenfalls Teilvergasung der kohlenstof fhaltigen Altstof fe mit heißem Prozessgas zur Bildung von Synthesegas enthaltend CO und H2 , wobei die kohlenstof fhaltigen Altstof fe in einer Menge zugegeben werden, die zur Bildung von Ruß führt , katalytische Methanisierung des Synthesegases zur Bildung von Methan .

Die Zugabe der Altstof fe in einer Menge , die zur Bildung von Ruß führt , bedeutet im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung, dass das Prozessgas im Vergleich zu den Altstof fen nur in einer Menge zugegeben wird, bei der bei der Pyrolyse und Teilvergasung der Altstof fe kein freier Sauerstof f und kein CO2 mehr im entstehenden Synthesegas vorhanden ist . Mit anderen Worten wird das Prozessgas somit in Bezug auf die Umsetzung zu Synthesegas unterstöchiometrisch zugegeben . Die Bildung von Ruß erfolgt bevorzugt in einem Ausmaß , dass der Kohlenstof f der kohlenstof fhaltigen Altstof fe in einem Ausmaß zwischen mindestens 30% und 70% , bevorzugt zwischen 40% und 60% und besonders bevorzugt zwischen 45% und 55% als Ruß anfällt .

Die im Rahmen der vorliegenden Erfindung anzustrebende Rußbildung wird aufgrund der nicht immer genau bekannten Zusammensetzung der beim erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzten kohlenstof fhaltigen Altstof fe und aufgrund der ebenso wechselnden Zusammensetzung des eingesetzten Prozessgases regelungstechnisch eingestellt . Die Zielgröße ist hierbei das gewünschte Verhältnis von CO zu H2 , um in der Folge die Methanisierung nach der Formel

CO + 3H ₂ -> CH ₄ + H ₂ O durchzuführen .

Dadurch, dass die Zugabe der kohlenstof fhaltigen Altstof fe im Übermaß erfolgt , woraus eine unsaubere Pyrolyse der kohlenstof fhaltigen Altstof fe resultiert , wird Ruß gebildet . Hierdurch fällt Kohlenstof f als Feststof f aus der Gasphase , wird dadurch verhältnismäßig abgereichert , sodass der Wasserstof f anteil im Synthesegas gegenüber dem gas förmigen Kohlenstof f anteil ansteigt . Die Rußbildung kann auf diese Weise das Verhältnis von Kohlenstof f zu Wasserstof f in der Gasphase auf bis zu 1 : 4 ( C : H =1 : 4 ) und sogar darunter verringern, sodass die stöchiometrischen Voraussetzungen für die Sabatier-Reaktion ohne die Zugabe von prozess fremdem Wasserstof f gegeben sind . Gleichzeitig kann die Exergie von Prozessgasen verschiedenster Herkunft zur Verwertung und Entsorgung problematischer Altstof fe genutzt werden . Es ergibt sich insgesamt ein Verfahren, bei dem wertvolle Wärme aus Abgasen genutzt , Altstof fe entsorgt und wertvolles Brenngas in Form von für die Verwendung in Gasleitungsnetzen geeignetem Methan gebildet werden . Dadurch, dass Synthesegas zur Methanisierung herangezogen werden kann, kann auf die zusätzliche elektrolytische Herstellung von Wasserstof f verzichtet werden, was gegenüber der herkömmlichen Synthese von Methan eine enorme Einsparung an elektrischer Energie mit sich bringt . Selbstverständlich kann dem Synthesegas dennoch Wasserstof f aus der Hydrolyse von Wasser unter Aufwendung erneuerbarer Energieträger zugesetzt werden . Darüber hinaus geht die herkömmliche Methanisierung ausgehend von Synthesegas von H2 und CO2 und/oder CO aus , wobei CO2 und/oder CO im Überschuss vorliegt . Folglich muss im Stand der Technik das entstehende Gasgemisch aus CH4 , CO2 und H2O aufwendig getrennt werden, um CH4 in reiner Form zu erhalten . Das erfindungsgemäße Verfahren arbeitet ohne überschüssige gas förmige Kohlenstof f spezies , da der überschüssige Kohlenstof f anteil als Ruß aus der Gasphase aus fällt und abgeschieden wird .

Durch geeignete Einstellung der Prozessparameter hinsichtlich des C/H-Verhältnisses kann das erfindungsgemäße Verfahren auch zur Herstellung eines Gasgemisches aus CH4 und H2 eingesetzt werden . Weiters sind auch Homologe von CH4 wie beispielsweise Ethan oder Propan sowie Ethylen und Acetylen darstellbar . Für die Darstellung von Ethan oder Propan sowie Ethylen und Acetylen sowie anderen höherkettigen Kohlenwasserstof fen ist es auch denkbar, O2 zur Einstellung der Prozessparameter einzusetzen. Dies führt zur Bildung von CO auf Kosten des Rußanteils, sodass auch höherkettige Kohlenwasserstoffe wie beispielsweise Ethan, Ethin, Ethan beziehungsweise Vorprodukte zur Methanol Synthese oder auch Vorprodukte zu Fischer - Tropsch Synthese zugänglich werden. Bevorzugt kann die Bildung von Methan auch unter einem erhöhten Druck von bevorzugt 2 bar bis 5 bar erfolgen.

Die Parameter der Pyrolyse sind erfindungsgemäß so gewählt, dass das heiße Prozessgas bei Temperaturen von 1800°C bis 2400°C, bevorzugt 1900°C bis 2300°C, weiter bevorzugt 2000°C bis 2200°C und insbesondere bevorzugt 2100°C zur Pyrolyse der kohlenstoffhaltigen Altstoffe herangezogen wird und die überstöchiometrische Zugabe der kohlenstoffhaltigen Altstoffe in einem Ausmaß erfolgt, dass das Synthesegas bei der Pyrolyse und ggf. Teilvergasung bei Temperaturen von 450°C bis 800°C anfällt. Auf diese Weise werden bei Temperaturen des heißen Prozessgases von 1800°C bis 2400°C die Altstoffe zuverlässig pyrolysiert und teilvergast sowie umweltschädliche

(organische) Kontaminanten eliminiert und bei Zugabe einer Menge an kohlenstoffhaltigen Altstoffen, die zu einer Senkung der Temperatur bei der Bildung des Synthesegases bei der Pyrolyse auf Temperaturen von 450°C bis 800°C führt, der Kohlenstoff anteil der kohlenstoffhaltigen Altstoffe zu einem bedeutenden Teil zu Ruß umgesetzt, sodass ein Synthesegas mit einem Verhältnis von C:H von mindestens 1:4 erhalten wird. Der Fachmann versteht, dass der Kohlenstoff im Synthesegas als CO vorliegt. Für die katalytische Methanisierung wird das durch die Rußbildung mit Wasserstoff angereicherte Synthesegas gegebenenfalls gekühlt. Bevorzugt wird das Synthesegas einem Trocknungsschritt zur Entfernung von Wasserdampf unterzogen, um die unerwünschte Rückreaktion

CH ₄ + H ₂ O -> CO + 3 H ₂ hintanzuhalten . Dies kann gemäß einer bevorzugten Aus führungs form der vorliegenden Erfindung durch Kondensation überschüssigen Wasserdampfes erfolgen, in besonders bevorzugter Weise erfolgt der Trocknungsschritt j edoch durch Inkontaktbringen des Synthesegases mit Branntkalk ( CaO) . Überschüssiger Wasserdampf wird hierbei im Sinne einer Chemiesorption nach der Reaktionsgleichung

CaO + H ₂ O -> Ca ( OH) ₂ aus dem Synthesegas entfernt , wobei der gebildete Löschkalk ( Ca ( OH) ₂ ) auch allenfalls im Synthesegas vorhandene Schwefelspezies (H ₂ S , COS , SO ₂ ) chemisch neutralisiert und bindet . Dies gilt ebenfalls für Halogene und Halogenide , die im Synthesegas enthalten sein können .

Gemäß einer bevorzugten Aus führungs form der vorliegenden Erfindung erfolgt die katalytische Methanisierung des Synthesegases in einer Wirbelschicht aus nickelhaltigem Stahlwerksstaub, bevorzugt bei Temperaturen von 300 ° C bis 500 ° C, weiter bevorzugt bei einer Temperatur von 400 ° C . Die Katalyse der Sabatier-Reaktion zur Bildung von Methan aus CO und H ₂ erfolgt standardmäßig mit Nickelkatalysatoren, die Verwendung von nickelhaltigen Stahlwerksstäuben, insbesondere aus der Edelstahlproduktion, ist hierbei als besonders vorteilhaft anzusehen, da diese Stäube eine enorme Oberfläche aufweisen, wodurch eine optimale Katalyse erzielt wird . Der gebildete Ruß muss zur Erfüllung diverser gesetzlicher Vorgaben auf gefangen werden . Hierbei wird im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung bevorzugt so vorgegangen, dass der bei der Pyrolyse gebildete Ruß in einem Filter, z . B . Tiefbettfilter, mit einer Filtersäule aus Graphit- , Koks- , und/oder Stahlkörpern, insbesondere -kugeln abgetrennt wird .

Der Filter wird im Verlauf des erfindungsgemäßen Verfahrens zunehmend mit Ruß beladen, sodass zu gegebener Zeit eine Regeneration des Filters erfolgen muss . Hierbei wird gemäß einer bevorzugten Aus führungs form der vorliegenden Erfindung der Ruß im Filter durch bevorzugt induktives Erhitzen der Filtersäule unter Zugabe von Wasserdampf zu Wassergas enthaltend CO2 und H2 umgesetzt . Hierdurch wird der Filter von dem feststof flichen Ruß befreit und somit für die weitere Abtrennung von Ruß ( carbon black) bereit gemacht .

Eine besonders vorteilhafte Verfahrens führung ergibt sich bei einer bevorzugten Aus führungs form der vorliegenden Erfindung dann, wenn nach einer Wassergas-Shi f t-Reaktion CO2 durch alkalische Wäsche von H2 getrennt und abgetrenntes H2 dem Synthesegas zur Methanisierung hinzugefügt wird . Auf diese Weise wird durch die einfache Zugabe von Wasserdampf zu der erhitzten Filtersäule wertvoller Wasserstof f gebildet , der wiederum zur Erhöhung des relativen Wasserstof f gehalts des Synthesegases für die katalytische Methanisierung herangezogen werden kann .

Für die Eliminierung feststof flicher Anteile aus dem Strom des bei der Pyrolyse und gegebenenfalls der Teilvergasung gebildeten Synthesegases beziehungsweise aus dem gebildeten Methan ist das erfindungsgemäße Verfahren bevorzugt dahingehend weitergebildet , dass feststof fliche Anteile mittels eines an die Wirbelschicht anschließenden Gas zyklons und/oder Schlauchfilters abgetrennt und bevorzugt der Wirbelschicht rückgeführt werden .

Beim Einsatz halogenierter Edukte , wie beispielsweise PVC ( Polyvinylchlorid) , entstehen im Synthesegas die entsprechenden Säureanhydride , die ein umwelttechnisches Problem darstellen . Aus diesem Grund werden gemäß einer bevorzugten Aus führungs form der vorliegenden Erfindung den kohlenstof fhaltigen Altstof fen zur Abtrennung von Halogenen Alkalien und/oder Erdalkalien zugegeben . Halogene , wie beispielsweise Bromide , finden sich in den kohlenstof fhaltigen Altstof fen häufig als flammhemmende Zusätze in Kunststof fen und dergleichen und werden durch die Zugabe von Alkalien und/oder Erdalkalien neutralisiert und können als Feststof fe abgeschieden werden . Schwefelverbindungen wie H2S oder COS werden durch den Zink-Gehalt der für die Katalyse bevorzugt eingesetzten Stahlwerksstäube restlos gebunden . Der Einsatz von Altrei fen als Altstof f ist in diesem Zusammenhang als vorteilhaft anzusehen, da Altrei fen ZnO als Vulkanisationsbeschleuniger enthalten .

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Verwerten von Prozessgas unter Umsetzung von Altstof fen und Bildung von Synthesegas und zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst zumindest : ein entlang einer axialen Richtung ausgebildetes und vertikal angeordnetes Steigrohr, eine in das Steigrohr mündende Zuleitung für das Prozessgas und ein an das Steigrohr anschließendes Abgasaufbereitungssystem für das Synthesegas sowie eine Aufgabevorrichtung für die Altstof fe mit zumindest einem über eine definierte Länge in das Steigrohr ragenden Förderrohr, wobei das zumindest eine Förderrohr ein sich in das Steigrohr eröffnendes offenes Ende aufweist und die Zuleitung in axialer Richtung unterhalb des offenen Endes in das Steigrohr mündet, sodass das zumindest eine Förderrohr von von der Zuleitung in das Steigrohr eintretendem Prozessgas umströmbar ist, und ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass das Abgasaufbereitungssystem zumindest einen Filter zum Abscheiden von Ruß aus dem Synthesegas aufweist, wobei der zumindest eine Filter mit einer Zuleitung für Wasserdampf in Verbindung steht und beheizbar ist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung gestattet es auf diese Weise, umzusetzende, beziehungsweise zu verwertende Altstoffe, insbesondere Holzschnitzel, Biomasse, Müllfraktionen, Altreifen, Alt-Lösungsmittel, Speisereste, Altöle, Altkunststoffe, Shredder-Leichtfraktion, Altholz, Altreifen und dergleichen, mit heißem Prozessgas durch Umströmen zu erhitzen, wodurch eine Pyrolyse und je nach Intensität der Erhitzung bereits eine teilweise Zersetzung der Altstoffe zu Synthesegas in dem zumindest einen Förderrohr stattfindet. Die definierte Länge des zumindest einen Förderrohrs beträgt je nach der weiter unten beschriebenen, spezifischen Ausgestaltung zwischen 40 cm und 200 cm. Durch die Pyrolyse bilden sich im Förderrohr aus den Altstoffen Gase, die dazu führen, dass die durch die Aufgabevorrichtung eingebrachten Altstoffe aufgelockert und explosionsartig aus dem Förderrohr hinaus und in das Steigrohr geschleudert werden. Die derart zerkleinerten Altstoffe geraten dadurch feinteilig mit einer Stückgröße von unter 1,5 mm Effektivdurchmesser und mit relativ großer Oberfläche in den Gasstrom des Prozessgases im Steigrohr, der das zumindest eine Förderrohr von unten mit hoher Geschwindigkeit umströmt und im Steigrohr weiter nach oben strömt und die zerkleinerten Altstoffe mitreißt. Hierdurch und durch die großen Wärmemengen, die vom Prozessgas zur Verfügung gestellt werden, werden die Altstof fe pyrolysiert und gegebenenfalls teilvergast . Auf diese Weise werden aus Abgas ( Prozessgas ) und Altstof fen Wasserstof f und Kohlenmonoxid (Wassergas , auch bekannt als Synthesegas ) gebildet , wodurch Altstof fe gewinnbringend entsorgt werden können und gleichzeitig die Abwärme verschiedenster Verbrennungsprozesse genutzt werden kann . Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Zugabe der Altstof fe in einer Menge , die zur Bildung von Ruß führt , sodass es nicht zu einer vollständigen Umsetzung zu Synthesegas kommt . Das Prozessgas wird somit in Bezug auf die Umsetzung zu Synthesegas unterstöchiometrisch zugegeben . Hierdurch bildet sich aus dem im Übermaß zugegebenen Kohlenstof f der Altstof fe Ruß , wodurch es zu einer relativen Anreicherung von Wasserstof f gegenüber Kohlenstof f im Synthesegas kommt . Dies wiederum ermöglicht in einem späteren Schritt die Sabatier- Reaktion zur Bildung von Methan aus Kohlenmonoxid und Wasserstof f . Wesentlich ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung, dass das Abgasaufbereitungssystem zumindest einen Filter zum Abscheiden von Ruß aus dem Synthesegas aufweist , wobei der zumindest eine Filter mit einer Zuleitung für Wasserdampf in Verbindung steht und behei zbar ist . Hierdurch gelingt die Abscheidung von Ruß aus dem Synthesegasstrom .

Durch die Möglichkeit der Zugabe von Wasserdampf und durch die Behei zbarkeit des Filters kann der Filter regeneriert werden, indem der Ruß durch eine Wassergas-Shi f t-Reaktion zu Wassergas enthaltend CO2 und H2 umgesetzt wird . Der dabei in einfacher Weise gewonnene Wasserstof f kann, wie bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erwähnt , wiederum zur positiven Beeinflussung des C : H-Verhältnisses im Synthesegas zur Methanisierung von Wasserstof f zum Einsatz gelangen . Eine geeignete und vorteilhafte Konfiguration des Filters hinsichtlich der Regeneration des Filters ergibt sich dann, wenn der zumindest eine Filter von einer Filtersäule aus Graphit- , Koks- , Stahlkörpern, insbesondere -kugeln, und/oder Stahlvlies gebildet ist und eine Induktionsvorrichtung die Filtersäule umgebend angeordnet ist , wie dies einer bevorzugten Aus führungs form der vorliegenden Erfindung entspricht . Die genannten Komponenten der Filtersäule können in bekannt ef fektiver Weise an ein Induktions feld ankoppeln und die Filtersäule dadurch relativ gleichmäßig bis in ihr Inneres erhitzt werden, um den Ruß , zusammen mit dem zugegebenen Wasserdampf zu CO und H2 umzusetzen . In der anschließenden Wassergas-Shi f t-Reaktion bildet sich CO2 und H2 mit einem wiederum erhöhten Wasserstof f gehalt , da hierbei aus CO und H2O durch Umlagerung CO2 und H2 gebildet werden .

Um den Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung beziehungsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens trotz der Notwendigkeit der Regeneration des Filters unterbrechungs frei aufrecht erhalten zu können, ist die Erfindung gemäß einer bevorzugten Aus führungs form dahingehend weitergebildet , dass zumindest zwei Filter parallel zueinander angeordnet und alternierend mit Synthesegas durchströmbar sind . Dies gestattet es , immer einen Filter im Filterbetrieb zu belassen und den j eweils anderen Filter durch bevorzugt induktives Erhitzen der Filtersäule und unter Zugabe von Wasserdampf von Ruß zu befreien und dabei CO2 und H2 frei zusetzen . Wie bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben, kann das CO2 mittels einer alkalischen Wäsche aus dem Strom aus CO2 und H2 ausgewaschen werden, um möglichst reinen Wasserstof f zu erhalten, mit dem das C/H-Verhältnis des Synthesegases weiter in Richtung des Wasserstof fs verschoben werden kann, um die Sabatier-Reaktion zur Bildung von Methan zu fördern .

Während es grundsätzlich möglich erscheint , das Synthesegas und den darin suspendierten Ruß mit einer einzelnen Abgasleitung aus dem Steigrohr abzuleiten und durch beispielsweise ein Dreiwege-Ventil alternierend auf die zumindest zwei Filter auf zugeben, ist es gemäß einer bevorzugten Aus führungs form der vorliegenden Erfindung vorgesehen, dass am axial oberen Ende des Steigrohrs zumindest zwei Abgasleitungen ausmünden, die j eweils mit einem Filter verbunden sind und die durch zumindest ein Absperrorgan einzeln absperrbar sind, wobei bevorzugt zwei Abgasleitungen ausmünden, die durch ein gemeinsames Absperrorgan alternierend absperrbar sind . Dies bedeutet , dass aus dem Steigrohr für j eweils einen Filter j eweils eine eigene Abgasleitung vorgesehen ist . Eine solche Abgasleitung ist mit einem dem Durchmesser einer solchen Abgasleitung entsprechenden Absperrorgan absperrbar, wodurch kleinbauende Ventile und damit Verstopfungen der Ventile mit Ruß vermieden werden . Wenn, wie es bevorzugt vorgesehen ist , zwei Abgasleitungen ausmünden, die durch ein gemeinsames Absperrorgan alternierend absperrbar sind, kann das Absperrorgan als Klappe ausgebildet sein, die lediglich zwischen den Ausleitungen der Abgasleitungen hin und her bewegt werden muss , um j eweils eine Abgasleitung abzusperren und den Strom des Synthesegases zur j eweils anderen Abgasleitung umzuleiten .

Zur weiteren Förderung der Sabatier-Reaktion aus dem mit Wasserstof f angereicherten Synthesegas ist die vorliegende Erfindung bevorzugt dahingehend weitergebildet , dass an den zumindest einen Filter ein Reaktor gasdicht anschließt , in dem das Synthesegas mit nickelhaltigem Stahlwerksstaub eine Wirbelschicht ausbildet , bevorzugt bei Temperaturen von 300 ° C bis 500 ° C, weiter bevorzugt bei einer Temperatur von 400 ° C . Die Katalyse der Sabatier-Reaktion zur Bildung von Methan aus CO und H2 erfolgt standardmäßig mit Nickelkatalysatoren, die Verwendung von nickelhaltigen Stahlwerksstäuben, insbesondere aus der Edelstahlproduktion, ist hierbei als besonders vorteilhaft anzusehen, da diese Stäube eine enorme Oberfläche aufweisen, wodurch eine optimale Katalyse erzielt wird .

Um die Wirbelschicht zu vereinheitlichen und um die Reaktanden in möglichst engen räumlichen Kontakt miteinander zu bringen, ist die vorliegende Erfindung gemäß einer bevorzugten Aus führungs form der vorliegenden Erfindung dahingehend weitergebildet , dass der Reaktor axial zumindest teilweise von einem Rotor mit mehreren radial gerichteten Stangen durchsetzt ist und das Synthesegas durch die Stangen einbringbar ist .

Bevorzugt weist der Reaktor zwischen den Stangen des Rotors radial nach innen durch eine Wand des Reaktors ragende Kühlrippen auf , die von einem Kühlmedium durchströmbar sind, bevorzugt Wasser, Thermalöl , ionische Flüssigkeiten und/oder Zinnschmel ze , um überschüssige Wärme der exothermen Sabatier- Reaktion aus dem Reaktor ableiten zu können .

Gemäß einer bevorzugten Aus führungs form der vorliegenden Erfindung weist der Reaktor einen Abzug für in der Wirbelschicht gebildetes Methan auf , wobei bevorzugt der Abzug zum Abtrennen von Staub in einen Zyklonabscheider mündet .

In vorteilhafter Weise kann die Erfindung auch dahingehend weitergebildet sein, dass die Vorrichtung eine Mehrzahl von Reaktoren in Serie aufweist , um das Reaktionsgleichgewicht in Richtung der Methan-Ausbeute zu verschieben und die unerwünschte Rückreaktion

CH ₄ + H ₂ O -> CO + 3 H ₂ hintanzuhalten . Hierbei erfolgt bevorzugt zwischen den in Serie angeordneten Reaktoren eine Kondensation überschüssigen Wasserdampfes , in besonders bevorzugter Weise erfolgt eine Entfernung überschüssigen Wasserdampfes j edoch durch Inkontaktbringen des Synthesegases mit Branntkalk ( CaO) . Überschüssiger Wasserdampf wird hierbei im Sinne einer Chemiesorption nach der Reaktionsgleichung

CaO + H ₂ O -> Ca ( OH) ₂ aus dem Synthesegas entfernt , wobei der gebildete Löschkalk ( Ca ( OH) ₂ ) auch allenfalls im Synthesegas vorhandene Schwefelspezies (H ₂ S , COS , SO ₂ ) chemisch neutralisiert und bindet . Dies gilt ebenfalls für Halogene und Halogenide , die im Synthesegas enthalten sein können .

Um für eine besonders ef fi ziente Wärmeübertragung in der Aufgabevorrichtung zu sorgen, ist die Aufgabevorrichtung bevorzugt von einer Mehrzahl von radial oder tangential in das Steigrohr ragenden Förderrohren gebildet , wobei die Förderrohre bevorzugt in Bezug auf die axiale Richtung schräg nach oben gerichtet sind . Gemäß dieser bevorzugten

Aus führungs form ist somit als Aufgabevorrichtung eine Mehrzahl von Förderrohren vorgesehen, sodass sich bei einem bestimmten Durchsatz an Altstof fen geringere Mengen der Altstof fe in j edem einzelnen Förderrohr der Aufgabevorrichtung befinden . Dies führt zu einer schnelleren und intensiveren Erhitzung und damit zu einer sehr ef fi zienten Pyrolyse und Teilvergasung der Altstof fe und gleichzeitig zu einer ef fi zienteren Kühlung des

Gasstroms . Durch die bevorzugte Ausrichtung der Förderrohre schräg nach oben wird eine in Bezug auf die Strömungsrichtung des Prozessgases im Steigrohr vorteilhafte Einbringung der pyrolysierten und teilweise vergasen Altstof fe in das Steigrohr bewirkt , indem das Auftreten von Turbulenzen im Steigrohr gefördert wird, wodurch es zu einem intensiven Wärme- und Stof f austausch im Steigrohr kommt . Die definierte Länge der Förderrohre beträgt bei dieser bevorzugten Aus führungs form zwischen 40 cm und 120 cm .

Gemäß einer bevorzugten, alternativen Aus führungs form der vorliegenden Erfindung ist die Aufgabevorrichtung von einem an einem unteren Ende des Steigrohrs in axialer Richtung, insbesondere konzentrisch, in das Steigrohr ragenden Förderrohr gebildet . Diese Aus führungs form ist hinsichtlich der platzsparenden Bauform ohne von der Seite in das Steigrohr mündende Förderrohre und hinsichtlich der strömungsgünstigen Einbringung der pyrolysierten Altstof fe in das Steigrohr als vorteilhaft anzusehen . Darüber hinaus kann bei einem gewissen Durchmesser des Steigrohrs die definierte Länge , über die das Förderrohr in das Steigrohr ragt , länger als bei der vorbeschriebenen radialen oder tangentialen Konfiguration der Förderrohre sein, sodass wiederum eine sehr wirksame Wärmeübertragung auf die Altstof fe im Förderrohr erfolgt . Die definierte Länge der Förderrohre beträgt bei dieser bevorzugten Aus führungs form zwischen 40 cm und 200 cm . Das Förderrohr weist mit seinem of fenen Ende bei dieser Aus führungs form direkt in die Richtung der Achse des Steigrohrs , sodass die aus dem Förderrohr ausgeworfenen, pyrolysierten Altstof fe zur teilweisen Vergasung in die Strömungsrichtung des Gasstroms des Prozessgases geworfen werden . Die Förderung der Altstof fe durch das zumindest eine Förderrohr wird gemäß einer bevorzugten Aus führungs form der vorliegenden Erfindung in apparativer Hinsicht dadurch bewerkstelligt , dass das zumindest eine Förderrohr an einem dem of fenen Ende abgewandten Ende eine Fördervorrichtung aufweist , bevorzugt in Form einer in dem Förderrohr angeordneten Förderschnecke , eines Kolbenschiebers und/oder einer Dickstrompumpe . Die Art der Fördervorrichtung kann j e nach der Art der Ausgangsstof fe gewählt werden, wobei es bevorzugt auch vorgesehen sein kann, dass die Fördervorrichtung an dem dem of fenen Ende abgewandten Ende abnehmbar festgelegt ist , wodurch die Fördervorrichtung bei einer Änderung der zu verwertenden Altstof fe abgenommen und ausgetauscht werden kann .

Bevorzugt ist es j edoch, dass das zumindest eine Förderrohr an einem dem of fenen Ende abgewandten Ende eine Fördervorrichtung in Form einer in dem Förderrohr angeordneten Förderschnecke aufweist , wobei die Förderschnecke eine zentrale Welle aufweist , die zur Einleitung von Inertgas in die Förderschnecke hohl ausgebildet und von Prozessgas , Wasserstof f und/oder Methan durchströmbar ist . Methan, welches sich in dem im Steigrohr vorherrschenden Milieu inert verhält , sowie andere in diesem Milieu sowie in Bezug auf die zu fördernde Sabatier-Reaktion zuträgliche und/oder inerte Gase wie H2 , CO und N2 sind zur Förderung der Altstof fe gut geeignet . Das Einbringen von Wasserstof f erhöht wiederum den Anteil von Wasserstof f im gebildeten Synthesegas , wie dies Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist . Andererseits können die Altstof fe durch Einleitung von heißem Prozessgas bereits in der Förderschnecke pyrolysiert werden, was die Förderarbeit zum Betrieb der Schnecke wesentlich reduziert . Weiters ermöglicht es diese bevorzugte Ausführungsform, die

Förderschnecke in gewissen Zeitabständen durch Einblasen von heißem Prozessgas und ohne die Förderung von Altstoffen gleichsam auszubrennen, wodurch über die Zeit entstandene Anbackungen entfernt werden können.

Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand der Modellsubstanz Polyethylen als Altstoff bilanziert.

Beispiel 1 :

Als Prozessgas wird Bio-Erdgas gemäß folgender Reaktionsgleichung verbrannt:

CH ₄ + 2 0 ₂ -> C0 ₂ + 2 H ₂ 0 (bei Lambda = 1)

Bei Einsatz von 1 kg Methan und 4 kg O2 bilden sich auf diese Weise 2,75 kg bzw. 62,5 Mol CO2 + 2,25 kg bzw. 125 Mol H2O als Prozessgas mit einer Temperatur von ungefähr 2000°C. Mit diesem Prozessgas werden nun etwa 3,4 kg Polyethylen (Modellsubstanz) pyrolysiert und teilvergast, wobei ungefähr 2,92 kg Kohlenstoff als Ruß anfallen. Aus der verbleibenden Gasphase können im Reaktor ungefähr 1,92 kg Methan gebildet werden. Somit entstehen aus 1 kg Bio-Methan ungefähr 2 kg synthetisches Methan. Aus den 2,92 kg Ruß können durch Regeneration unter Einsatz von 9,07 kg H2O wiederum 1,09 kg H2 gebildet werden:

C + H ₂ O -> CO + H ₂ CO + H ₂ O -> CO ₂ + H ₂

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In dieser zeigen Figur 1 eine Schnittansicht eines axial unteren Bereichs einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens , Figur 2 eine Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Absperrorgan, Figur 3 eine Filteranordnung im Sinne der vorliegenden Erfindung und Figur 4 einen Reaktor der erfindungsgemäßen Vorrichtung .

In Figur 1 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung mit dem Bezugs zeichen 1 bezeichnet . Die Vorrichtung 1 umfasst ein entlang einer axialen Richtung beziehungsweise Strömungsrichtung 2 ausgebildetes und vertikal angeordnetes Steigrohr 3 . Die axiale Erstreckung ist auch durch die mit dem Bezugs zeichen 4 bezeichnete Längsachse versinnbildlicht . Das Steigrohr 3 ist an der Innenseite mit einem Feuerfestmaterial , bevorzugt aus Graphit , Magcarbon (beispielsweise Magcarbon R 94A1 Horn & Co . Group ) und/oder SiC ausgekleidet . Mit 5 ist eine in das Steigrohr 3 mündende Zuleitung für das Prozessgas bezeichnet . Die Altstof fe werden dem Förderrohr 9 über eine Aufgabevorrichtung 7 auf gegeben . Die Aufgabevorrichtung 7 ist in der in Figur 1 dargestellten Aus führungs form von einer im Förderrohr auf genommenen Förderschnecke 6 gebildet , der die zur Produktion des Synthesegases vorgesehenen Altstof fe von der Aufgabevorrichtung 7 seitlich zugeführt werden . Die Förderschnecke 6 rotiert um eine hohle Welle 8 , über die Prozessgas , Wasserstof f , Wasserdampf und/oder Methan in die Förderschnecke 6 eingebracht werden kann . Das Förderrohr 9 ist entlang der Strecke L von dem Prozessgas , das über die Zuleitung 5 eingestoßen wird, umströmt . Die Länge L kann j e nach den Anforderungen an die Pyrolyse der Altstof fe zwischen 40 cm und 200 cm betragen . Die Bezeichnung „E/R" in Figur 1 steht für die Zuführung von Edukt/Reaktant . Die Bezeichnung „M/H2 /PG" steht für die Zuführung von Methan, Wasserstof f und/oder Prozessgas . Die Bezeichnung „PG 1800/2400" steht für die Zuführung von Prozessgas bei Temperaturen von 1800 ° C bis 2400 ° C .

In Figur 2 und den weiteren Figuren sind gleiche oder einander entsprechende Elemente mit gleichen Bezugs zeichen versehen . In Figur 2 ist wiederum das Steigrohr 3 sowie das sich darin erstreckende Förderrohr 9 zu erkennen . Die Aufgabevorrichtung 7 ist in Figur 2 vereinfacht dargestellt . Am axial oberen Ende 3a des Förderrohrs 9 münden zwei Abgasleitungen 10 und 11 aus dem Förderrohr 9 aus , wobei die beiden Abgasleitungen 10 und 11 j eweils mit einem in Figur 2 nicht dargestellten Filter zum Abscheiden von Ruß verbunden sind . Die Abgasleitungen 10 und 11 sind über eine Klappe 12 , die ein Absperrorgan bildet , alternierend verschließbar beziehungsweise öf fenbar, indem die Klappe 12 im Sinne des Doppelpfeils 13 hin und her geschwenkt werden kann . Auf diese Weise können die Abgasleitungen 10 und 11 und somit die nachfolgenden Filter alternierend mit Synthesegas und darin suspendiertem Ruß beaufschlagt werden, um den Ruß aus dem Gas abzuscheiden . Bereits an den Positionen 14 kann dem aus dem Steigrohr 3 austretenden Synthesegas Wasserdampf zur Regeneration des nachfolgenden Filters zugegeben werden . Die Bezeichnung „E/R" in Figur 2 steht ebenfalls für die Zuführung von Edukt/Reaktant .

In Figur 3 sind nun zwei zueinander parallel angeordnete Filter 15a und 15b dargestellt , die über die Abgasleitung 16 und das Dreiwege-Ventil 17 oder aber auch über die Abgasleitungen 10 und 11 aus Figur 2 alternierend mit Ruß enthaltendem Synthesegas beaufschlagt werden können . Das Filtrieren und Regenerieren der Filter 15a und 15b erfolgt dergestalt , dass in einer ersten Phase der Filter 15b vom Ruß enthaltenden Synthesegas zur Abscheidung von Ruß durchströmt wird, wofür die Induktionsvorrichtung 18b ausgeschaltet ist .

Auf diese Weise sammelt sich der Ruß im Filter 15b an, der bevorzugt im Wesentlichen aus einer Filtersäule 19b aus Graphit- , Koks- , Stahlkugeln und/oder Stahlvlies in einem Gehäuse 20b gebildet ist . Am Filterauslass 21b wird von Ruß gereinigtes Synthesegas enthaltend Kohlenmonoxid und angereicherten Wasserstof f erhalten, das für die Sabatier- Reaktion zur Bildung von Methan herangezogen wird . In dieser Phase ist das Wasserdampf-Ventil 22 geschlossen . Gleichzeitig ist der Filter 15a durch Schließen des Abgasventils 23 vom Synthesegas-Strom abgetrennt . Die Induktionsvorrichtung 18a ist aktiviert , um die Filtersäule 19a zu erhitzen, wodurch durch die gleichzeitige Zugabe von Wasserdampf durch das Wasserdampf-Ventil 24 Kohlenmonoxid und Wasserstof f erhalten wird . Wenn die Regeneration des Filter 15a abgeschlossen und der Filter 15b mit Ruß gesättigt ist , wird der Filter 15b in der gleichen Weise mit Wasserdampf durch das Wasserdampfventil 22 und die Wirkung der Induktionsvorrichtung 18b regeneriert und der Filter 15a zum Filtern herangezogen .

Der Reaktor zur Durchführung der Sabatier-Reaktion ist in Figur 4 mit dem Bezugs zeichen 26 versehen . Der Reaktor 26 ist an die beiden Filter 15a und 15b gasdicht angeschlossen und enthält eine Wirbelschicht 27 aus Synthesegas mit nickelhaltigem Stahlwerksstaub bei Temperaturen von 300 ° C bis 500 ° C . Bei den durch die relative Anreicherung von Wasserstof f vorherrschenden stöchiometrischen Verhältnissen bildet sich in einer exothermen Reaktion Methan nach einer der weiter oben angeführten Reaktionsgleichungen . Das Synthesegas wird über die gelochten Stangen 28 , gegebenenfalls mit verstellbaren Gasdüsen, des Rotors 33 eingebracht . Zur Kühlung des Reaktors

26 und zur Stabilisierung und Durchmischung der Wirbelschicht

27 weist der Reaktor 26 weiters Kühlrippen 29 auf , die die Wand 30 des Reaktors 26 durchsetzen und von einem Kühlmedium wie beispielsweise Wasser, Thermalöl , ionische Flüssigkeiten und/oder Zinnschmel ze durchströmt werden . An einem axial oberen Ende schlagen Paddel 31 Nickelstaub-Partikel nieder . Am Abzug 32 des Reaktors 26 werden Methan und Wasserdampf abgezogen . An einem axial unteren Ende 34 des Reaktors 26 sammelt sich nickelhältiger Katalysatorstaub und kann von dort in die Wirbelschicht 27 rückgeführt werden . Wenn der Katalysatorstaub beispielsweise durch Schwefelbeladung inaktiviert ist , wird dieser abgezogen und durch frischen beziehungsweise regenerierten Staub ergänzt ersetzt oder ergänzt . Die Bezeichnung „SG" in Figur 4 steht für die Zuführung von Synthesegas .