AT404181B

AT404181B - Verfahren zum abbau insbesondere vollständige verbrennung

Info

Publication number: AT404181B
Application number: AT0056494A
Authority: AT
Inventors: Alfred Dipl Ing Glasner; Kurt Dipl Ing Kaufmann
Original assignee: Austrian Energy & Environment
Priority date: 1994-03-17
Filing date: 1994-03-17
Publication date: 1998-09-25
Also published as: ATA56494A; ES2109815T3; EP0750731B1; WO1995025248A1; FI963664A0; EP0750731A1; FI963664L; CZ272096A3; DE59500810D1; FI111987B

Description

AT 404 181 B

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur vollständigen Verbrennung von Kohlenstoffverbindungen, wie z. B. Kunststoffen, Kohlenwasserstoffen, unbeschichtetem oder beschichtetem Papier, Klärschlamm und mit halogenhältigem Material, wie PVC, vermischten Holzabfällen, in einer Wirbelschichtbrennkammer in Anwesenheit von Fluidisierungsmittel in festem und gasförmigem Zustand, wie z. B. Sand und Wasserdampf, wobei die Kohlenstoffverbindungen zuerst in einer Vorstufe teilweise zersetzt, sowie anschließend die noch brennbaren Reste verbrannt werden und die in der Vorstufe erzeugten gasförmigen Reaktionsprodukte mit dem Abgas der Wirbelschichtbrennkammer verbrannt werden.

Es ist bekannt, daß Kunststoffabfälle rasch unter Rußbildung verbrennen, wobei sich eine schlackenartige schwerbrennbare Schmelze ergibt, die relativ große Kohlenwasserstoffmoleküle, Ruß aber auch Dioxinbausteine durch Kondensation enthält und einen Heizwertverlust durch Unverbranntes verursacht. Es ist ferner bekannt, daß durch zu hohe Bettemperaturen der zur Fluidisierung verwendete Sand aufschmilzt und durch Korngrößenveränderungen im Wirbelbett Anlaß zu Schwierigkeiten gibt. Die Bildung von Ruß und hochmolekularen Kohlenwasserstoffen führt zu erhöhten CO-Werten im Rauchgas und erhöht den organischen Kohlenstoffgehalt im Abgas der Verbrennungsanlage. Hohe Brennkammertemperaturen verbessern den Ausbrand. In einer Wirbelschicht ist jedoch die Temperatur der Brennkammer durch den Ascheerweichungspunkt begrenzt.

Aus der DE- 25 32 994 A1 ist ein Verfahren zur Trocknung und gegebenenfalls Pyrolysierung von Produkten bekannt, wobei dem zu verbrennenden Material Wasser und/oder noch verwertbare Produkte durch ein Wärmebehandlungsverfahren entzogen wird. Es ist aber keine zweistufige Verbrennung geoffen-bart. Die PCT 93/11388 zeigt ein ähnliches Verfahren zur Trocknung von zu verbrennenden Substanzen, wodurch im Gegensatz zu unserer Erfindung die Verbrennung intensiviert wird und damit bei organischen Stoffen die Verklumpung und die nur teilweise Verbrennung gefördert wird. Aus der DE- 20 38 545 A1 ist eine Anlage zum Vernichten von Festmüll in einer Verbrennungseinrichtung unter Druck und unter Einbindung einer Gasturbine bekannt, deren Abgase zur Behandlung des zu verbrennenden Festmülls dienen, der nach seiner Verkokung und vor seiner Verbrennung noch zur Abwasserreinigung eingesetzt wird, wobei Wassergas erzeugt wird.

Die DE 37 26 643 A1 offenbart ein Verfahren und eine Einrichtung zur Trocknung und Verbrennung von Brenn- und Abfallstoffen, insbesondere feuchter Rohbraunkohle, in einer zirkulierenden Wirbelschichtfeuerung bei Anwendung einer Dampfwirbelschicht für den Trocknungsprozeß. Hiezu wird der Wirbelschichtfeuerung eine Dampfwirbelschicht vorgeschaltet, in der die Brennstofftrocknung erfolgt.

Die JP 56-42 008 A offenbart eine Verbrennungsanlage für festen Müll in Form einer zweistufigen fluidisierten Verbrennung, wobei die Verbrennungsanlage in einen Pyrolyse- und in einen Brennbereich geteilt ist. im Pyrolysebereich ist keine Wasserdampfzuführung vorgesehen, wodurch die endotherme Wassergasreaktion nicht stattfinden kann, der zu crackende Kunststoff nicht gekühlt wird und Teerbildung einsetzt, die die Fluidisierung durch Verklebung des Feststoffes verschlechtert.

Die Erfindung hat es sich zur Aufgabe gestellt, die angeführten Nachteile zu beheben und die hiezu benötigte Anlage zu vereinfachen, wobei die Verbrennung der Kohlenstoffverbindungen so gesteuert wird, daß die Schlackenbildung unterbleibt und der brennbare Teil vollständig in Wärme umgesetzt wird, und die Fluidisierungseigenschaft des Sandes nicht durch Komvergröberung beeinflußt wird.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung wird in der Möglichkeit der Beseitigung von Klärschlamm gesehen, der zuerst unter Unterdruckbedingungen und Dampfbildung getrocknet und dann entgast und verbrannt wird.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung der Bildung von hochmolekularen Kondensationsprodukten die Umsetzung des Kohlenstoffes in zwei Stufen erfolgt, wobei die zu verbrennenden Kohlenstoffverbindungen mit mindestens der 30fachen Gewichtsmenge an heißem Sand aus der Rezirkulation als Wärmeträger in sauerstoffarmer Atmosphäre in eine turbulente, durch Wasserdampfzufuhr fluidisierte Wirbelschicht der Vorstufe oder der Randzone der Wirbelschichtbrennkammer eingebracht und die Kohlenstoffverbindungen in Wasserdampfatmosphäre unter Bildung von Wassergas und leicht flüchtigen niedermolekularen Kohlenwasserstoffen gespalten werden, wobei die ablaufenden Zersetzungsreaktionen der bei der Vergasung durch Schmelzung bzw. Spaltung der Kohienstoffverbindungen gebildeten leicht flüchtigen niedermolekularen Kohlenwasserstoffe in wasserdampfhältiger Atmosphäre bei Temperaturen über 400 * C erfolgen und die gasförmigen Reaktionsprodukte, wie Wassergas und leicht flüchtige niedermolekulare Kohlenwasserstoffe, von Sand und dem restlichen festen bzw. schwer flüchtigen Anteil der Kohlenstoffverbindungen getrennt werden und daß in der eigentlichen Wirbelschichtbrennkammer unter oxidierender Atmosphäre der restliche feste bzw. schwer flüchtige Anteil der Kohlenstoffverbindungen, wie Kohlenwasserstoffe und gebildeter Kohlenstoff, mit weiteren Brennstoffen, wie Kohle und/oder den erzeugten Gasen aus der Vergasungsreaktion, im Luftübershuß unter Erhitzung des Sandes verbrannt werden.

Wesentliche Ausgestaltung der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2-16 angegeben. 2

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Die Erfindung ist in den angeschlossenen Fig. 1 und 2 beispielsweise und schematisch dargestellt.

Fig. 1 zeigt eine Verbrennung nach dem Prinzip einer zirkulierenden Wirbelschicht. Bei einer zirkulierenden Wirbelschicht ist die Wirbeischichtbrennkammer (1) im wesentlichen von einem turbulenten Gasfeststoffgemisch gefüllt, welches in einem nachgeschalteten Zyklon (2) in eine gasförmige und eine Feststofffraktion getrennt wird. Der Feststoff wird über die Leitung (3,4) wieder in die Wirbelschichtbrennkammer (1) eingebracht, wobei er mit Brennstoff über die Leitung (11) angereichert wird. Als Feststoff dient in den meisten Fällen Sand, der in seiner feinkörnigen Form ein Fluidisierungsmittel für den Brennstoff darstellt. Das Brennstoffsandgemisch wird in der Wirbelschichtbrennkammer (1) durch Lufteinblasung (12) fluidisiert, wobei die Verbrennung durch Zufuhr von Sekundärluft (5) und der Tertiärluft (6) zu Erreichung einer vollständigen Verbrennung gesteuert wird. Entstehende Asche wird in der Leitung (3 bzw. 4) ausgeschieden. Im Falle der Verbrennung von Kohlenstoffverbindungen, wie z. B. Kunststoffen oder auch Kohlenwasserstoffen, unbeschichtetes oder beschichtetes Papier, Klärschlammen und auch von Holzabfällen mit oder ohne PVC-Beschichtungen, kurz Müll bezeichnet, entstehen insbesondere infolge der raschen Verbrennung der Kunststoffe örtlich hohe Temperaturen, die das Brennmaterial schmelzen und schlackenartige Rückstände bilden sowie den weiteren Abbrand der zu verbrennenden Substanzen erschweren und Klumpen bilden, die bei der Fluidisierung im Wirbelbett Schwierigkeiten bereiten und Unverbranntes erschließen. Es ist daher für den vollständigen Abbau dieser Kohlenstoffverbindungen eine Vorstufe (7) in Form einer mit Wasserdampf fluidisierten Wirbelschichtkammer vorgesehen in der die leichtflüchtigen Substanzen in Wasserdampfatmosphäre von den Kohlenstoffverbindungen abgespalten werden, wobei eine endotherme Umwandlung des Wasserdampfes in Wasserstoff und des flüchtigen Kohlenstoffes in Kohlenmonoxyd erfolgt. Durch diese Maßnahme wird der Heizwert der Kohlenstoffverbindungen reduziert, sodaß bei der eigentlichen Verbrennung in der Wirbelschichtbrennkammer (1) eine niedrigere Brennkammertemperatur erreicht wird, bei der eine Schlackenbildung nicht mehr möglich ist. Der Umsatz der Kunststoffe in Wasserdampfatmosphäre erfolgt nicht quantitativ zu CO, CO2 und H2. Es verbleibt ein Teil der Kohlenwasserstoffe in Form von aliphatischen CxHy-Verbindungen. Die Bildung von Aromaten wird unterdrückt, da sie erst bei sehr niedrigen Sauerstoffpartialdrücken gebildet werden. Bei höherer Temperatur erfolgt die Aromatenbildung bereits bei höherem Sauerstoffpartialdruck und ist daher schwieriger zu unterdrücken. Die Bildung von Ruß und Aromaten ist unerwünscht und führt zu den Prekursoren von Dioxinen. Also indirekt zur Bildung von Dioxinen.

Durch die Vorstufe (7) wird heißer als Wärmeträger dienender Sand geleitet, der durch den Schmelz-und Vergasungsprozeß und die endotherme Wassergasbildung abgekühlt wird. In diesem Sinne ist die Wirbelbettverbrennung zweckmäßig als zirkulierende Wirbelschicht ausgebildet, wobei der zirkulierende Feststoff Sand und/oder Asche ist, in welchem zu spaltende Kohlenstoffverbindungen über eine Dampfzufuhr (13) eingebracht werden, wobei die Kohlenstoffverbindungen infolge der hohen Temperatur des Sandes schmelzen aber infolge von Sauerstoffmangel nicht verbrennen können und sich im Sand verteilen. Die flüchtigen gasförmigen Bestandteile reagieren mit dem Wasserdampf zur wärmeverbrauchenden Wassergasreaktion und es bildet sich Wasserstoff und Kohlenmonoxid. Wesentlich ist, daß die gasbildende Reaktion in einer stark turbulenten Zone, also in einem Wirbelbett, erfolgt, sodaß die aufgeschmolzenen zum Teil sich zersetzenden Substanzen sich gleichmäßig im Sand verteilen, und eine Tropfenbildung unterbleibt. Zweckmäßig ist die Sandmenge gewichtsmäßig mehr als 30-fach größer als jener der abzubauenden Kohlenstoffverbindungen.

Diese Brennstoff-Sandmischung wird nun unter Luftzufuhr in der eigentlichen Wirbelbettverbrennung ausgebrannt, sodaß im Zyklon (2) praktisch ausgebrannter Sand und Verbrennungsabgas getrennt wird. Dieses Abgas kann nun in einer weiteren Brennkammer (8) mit den in der Vorstufe (7) gebildeten Wassergas vermischt werden, wodurch infolge der entstehenden Verbrennung die Temperatur des Abgases noch weiter ansteigt, welches dann in den angeschlossenen Wärmetauschern (9 und 10) nutzbringend unter Bildung von Wasserdampf, insbesondere zur Gewinnung von elektrischer Energie, abgekühlt werden kann.

Damit das Gas nicht unerwünschte Bestandteile wie z. B. Salzsäure oder auch Schwefelwasserstoff in die Brennkammer (8) einträgt, kann dieses in einer Trockenabsorptionskammer (14) von den unerwünschten Gasbestandteilen gereinigt werden und das den Wärmetauscher (10) verlassende Abgas ist arm an Schadstoff. Ein Teil dieses Gases kann zur Verbesserung der Fluidisierung, bzw. Temperaturregelung des Wirbelbettes wieder in die Wirbelschicht der Wirbelschichtbrennkammer (1) eingebracht werden.

Insbesondere bei der Klärschlammverbrennung ist es sinnvoll, die Vorstufe (7) mit Unterdrück zu betreiben, wobei der benötigte Dampf durch Vakuumverdampfung in einem Entgaser (15) erzeugt wird und der Klärschlamm dadurch entwässert bzw die vom Klärschlamm abgetrennte Flüssigkeit verdampft wird.

Wesentlich ist, daß die Verteilung, Schmelzung und Zersetzung des Brennstoffes in Wasserdampfatmosphäre erfolgt und die entstehenden gasförmigen Produkte anschließend mit Luftüberschuß verbrannt werden, wobei der Temperaturanstieg bei der Verbrennung der nun vereinfachten Kohlenwasserstoffverbin- 3

Claims

ΑΤ 404 181 Β düngen zu keiner erhöhten Aromatenbildung und damit auch zu keiner Dioxinbiidung bzw. Bildung der Dioxinpräkursoren führt. Die CO und H2-Bildung (Wassergasreaktion) senkt damit die Temperatur bei der Zersetzung des Brennstoffes ohne daß aromatische Verbindungen und/oder Ruß gebildet werden. Im Rahmen der Erfindung kann, wie Fig. 2 zeigt, auch eine stationäre Wirbelschicht verwendet werden bzw. kann das erzeugte Gas auch in das Wirbelbett eingeblasen werden und so die Schaltung vereinfacht werden. Gegebenenfalls kann auch zwischen der Wirbelschicht und der Einblasung des Entgasungsgases einer der beiden Wärmetauscher (9 und 10) angeordnet werden. Die letztere Maßnahme ist besonders wirkungsvoll wenn das Gas oberhalb der stationären Wirbelschicht eingeblasen wird. In einer vereinfachten Ausführung wird der Brennstoff in das Wirbelbett (Plenum 20) über die Leitung (11) unter Dampfzufuhr (13) in die Wirbelschichtbrennkammer 1' eingebracht, wobei die Randzone (18) des Fließbettes in der Wirbelschichtbrennkammer 1' mit Dampf fluidisiert wird, während der Sauerstoffeintrag für die Verbrennung über die Lufteinblasung (12) bzw. Rezirkulationsgaseinblasung erfolgt. Dadurch wird die eigentliche Verbrennung im Zentrum (19) des Rießbettes erzielt und kann einfach durch Luftzufuhr geregelt werden, während der Brennstoff durch Wärmezufuhr des absinkenden Sandes (Pfeil 17') in der Randzone (18) vergast und teilweise den fluidisierenden Wasserdampf in Wasserstoff aufspaltet, wobei der freiwerdende Sauerstoff durch den heißen Kohlenstoff unter CO-Bildung abgebunden wird. Diese gasförmigen Vergasungspunkte steigen im Wirbelbett auf (Reil 17) und verbrennen durch Primär- und Sekundärluftzufuhr (16) oberhalb der Brennstoffeinleitung. Dadurch kommt es zu einer Zirkulation des Sandes (Reil 17 und 17*) im Wirbelbett, welcher im Zentrum nach aufwärts und in der Randzone nach abwärts strömt. Somit wird der Vergasung in der Randzone (18) ständig heißer Sand zugeführt, der in dieser abgekühlt und an der Verbrennungszone im Zentrum (19) während seines Ansteigens wieder erhitzt wird. Patentansprüche 1. Verfahren zur vollständigen Verbrennung von Kohlenstoffverbindungen, wie z. B. Kunststoffen, Kohlenwasserstoffen, unbeschichtetem oder beschichtetem Papier, Klärschlamm und mit halogenhältigem Material, wie PVC, vermischten Holzabfällen, in einer Wirbelschichtbrennkammer in Anwesenheit von Fluidisierungsmittel in festem und gasförmigem Zustand, wie z. B. Sand und Wasserdampf, wobei die Kohlenstoffverbindungen zuerst in einer Vorstufe teilweise zersetzt, sowie anschließend die noch brennbaren Reste verbrannt werden und die in der Vorstufe erzeugten gasförmigen Reaktionsprodukte mit dem Abgas der Wirbelschichtbrennkammer verbrannt werden, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung der Bildung von hochmolekularen Kondensationsprodukten die Umsetzung des Kohlenstoffes in zwei Stufen erfolgt, wobei die zu verbrennenden Kohlenstoffverbindungen mit mindestens der 30fachen Gewichtsmenge an heißem Sand aus der Rezirkulation als Wärmeträger in sauerstoffarmer Atmosphäre in eine turbulente, durch Wasserdampfzufuhr fluidisierte Wirbelschicht der Vorstufe oder der Randzone der Wirbelschichtbrennkammer eingebracht und die Kohlenstoffverbindungen in Wasserdampfatmosphäre unter Bildung von Wassergas und leicht flüchtigen niedermolekularen Kohlenwasserstoffen gespalten werden, wobei die ablaufenden Zersetzungsreaktionen der bei der Vergasung durch Schmelzung bzw. Spaltung der Kohlenstoffverbindungen gebildeten leicht flüchtigen niedermolekularen Kohlenwasserstoffe in wasserdampfhältiger Atmosphäre bei Temperaturen über 400 *C erfolgen und die gasförmigen Reaktionsprodukte, wie Wassergas und leicht flüchtige niedermolekulare Kohlenwasserstoffe, von Sand und dem restlichen festen bzw. schwer flüchtigen Anteil der Kohlenstoffverbindungen getrennt werden und daß in der eigentlichen Wirbelschichtbrennkammer unter oxidierender Atmosphäre der restliche feste bzw. schwer flüchtige Anteil der Kohlenstoffverbindungen, wie Kohlenwasserstoffe und gebildeter Kohlenstoff, mit weiteren Brennstoffen, wie Kohle und/oder den erzeugten Gasen aus der Vergasungsreaktion, im Luftüberschuß unter Erhitzung des Sandes verbrannt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zum Teil ausgegasten Substanzen im Wirbelbett der Vorstufe mit dem rezirkulierten Sand innig durchmischt und gleichmäßig verteilt werden, wobei die Ausgasung bei sinkender Sandtemperatur geführt wird und die leicht flüchtigen Bestandteile in der Wasserdampfatmosphäre unter Energieverbrauch vorzugsweise zu Wasserstoff und Kohlenmonoxid reagieren, und die zurückgebliebenen im Sand fein verteilten noch brennbaren Feststoffe zusammen mit dem Sand in der nachgeschalteten Wirbelschichtbrennkammer unter Sauerstoffzufuhr verbrannt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Vorstufe zusätzlich zur Dampfeinleitung auch geregelt Sauerstoff, insbesondere in Form von Luft oder Rezirkulationsgas zugeführt wird, 4 AT 404 181 B sodaß die Temperatur des austretenden teilweise ausgegasten Substanzen-Sandgemisches nur geringförmig absinkend unterhalb der Temperatur des eintretenden heißen Sandes, insbesondere zwischen 450 * C und 700 · C gehalten wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennung in einer zirkulierenden Wirbelschicht durchgeführt wird und die Vergasung in der Vorstufe im Feststoffkreislauf eingebunden ist.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zu verbrennenden Substanzen mit mehr als 600 * C heißem aus der Wirbelschichtbrennkammer abgezogenen Sand in einer Zone mit Wasserdampf gemischt und zumindest teilweise vergast werden, wobei der heiße Sand, welcher als Wärmeträger in die Vorstufe eingebracht wird, die für die Wasserstoffbildung notwendige Energie liefert.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Wasser, Wasserdampf und Luft oder Sauerstoff zur Temperaturregelung in die Vorstufe eingebracht wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das bei der Vergasung erzeugte Gas nach dem Verlassen der Vorstufe einer Gasreinigung zugeführt wird, in welcher gebildete Salzsäure und andere Halogenverbindungen sowie gegebenenfalls auch Schwefelwasserstoff entfernt werden.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgase der Wirbelschichtverbrennung, insbesondere mit dem in der Vorstufe erzeugten Gasgemisch, einer nachgeschalteten Brennkammer zugeführt werden.
9. Verfahren nach Anspruch 1 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgase der Wirbelschichtverbrennung, insbesondere nach ihrer vollständigen Verbrennung unter Energiegewinnung abgekühlt werden.
10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aus der Vergasungszone ausgetragenen Feststoffe durch Sauerstoffzufuhr auf über 600* C erwärmt und danach wieder in eine wasser-dampfhaltige Atmosphäre zur weiteren Entgasung durch Abspaltung gebracht werden.
11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck während der Vergasung in der Vorstufe auf unter 1 bar absolut gehalten wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilung des in der Vorstufe gebildeten Brenngases in der Wirbelschichtbrennkammer über Injektoren erfolgt, die als Treibmedium Luft oder Rezirkulationsgas mit höherem Druck oder Wasserdampf verwenden.
13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet daß der erforderliche Wasserdampf für die Vorstufe aus Abkühlung heißer Abwässer durch Erzeugung von Unterdrück in einem Vakuumentgaser mit Dampfstrahlapparaten gewonnen wird.
14. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Entgasung und Verbrennung in einem Wirbelbett durchgeführt wird, wobei der Brennstoff in einer Vergasungszone durch Mischung mit Wasserdampf und heißem Sand in sauerstoffarmer Atmosphäre verflüchtigt wird, daß die Entgasungsgase nach oben aus der Vergasungszone abgeführt werden und mit Rezirkulationsgas und/oder Primärluft örtlich oberhalb der Vergasungszone verbrannt werden und daß die schwerflüchtigen Brennstoffanteile und festen Rückstände mit dem Sand in eine nachgeschaltete Verbrennungszone seitlich oder unterhalb der Entgasungszone geführt werden und nachfolgend mit Luft und/oder Rezirkulationsgas verbrannt werden.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoffeintrag in die Wirbelschicht mit Wasserdampf erfolgt.
16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff und Dampf mit niedrigem Druck, vorzugsweise Unterdrück vorgemischt wird und dann in einem Injektor durch 5 AT 404 181 B Wasserdampf mit höherem Druck in die Wirbelschicht eingebiasen wird. Hiezu 2 Blatt Zeichnungen 6