Verfahren zur Verbrennung von Klärschlamm unter Verwendung eines Wirbelschichtofens Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbren nung von Klärschlamm und sieht hierzu die Verwendung eines sogenannten Wirbelschichtofens vor.
Unter der Be zeichnung Klärschlamm werden dabei neben den städt- tischen Abwasserschlämmen auch wasserhaltige Indu- strie-Schlämme, wie öl-Wasser-Emulsionen, Fett-Wasser- Emulsionen, Faserstoff-Wasser-Gemenge usw. verstan den.
Bei dem erfindungsgemässen Verfahren geht es da rum, Klärschlamm auf einfache und nicht aufwendige Weise zu vernichten. Hierzu wird der z. B. durch ein Filter oder eine Filterpresse vorentwässerte Klärschlamm in einen Wirbelschichtofen eingegeben und dieser der artig betrieben, dass die Verbrennung des Gutes ausser- halb des Wirbelbettes stattfindet. Das Wirbelbett selbst kann unterstützt durch seine turbulente Bewegung, vor zugsweise als Trocknungs- und Aufbereitungszone die nen.
Dies lässt sich durch Aufeinanderabstimmung eini ger Faktoren, die nachfolgend noch beschrieben werden, insbesondere der Grösse des Wirbelbettes, dem Luftzu strom unterhalb und oberhalb des Bettes sowie durch entsprechende Vorwärmung der unteren Luft erreichen. Bei dem selbst nach der Vorentwässerung noch relativ hohen Anteil an Wasser ist die Einhaltung eines bestimm- ten Verbrennungsablaufes im Ofen wichtig und letzten Endes für die Ofenleistung entscheidend.
Es ist ferner zweckmässig, wenn der Verbrennungsablauf des im Wir belbett getrockneten und durch die turbulente Bewegung desselben aufgeschlossenen und zerkleinerten Gutes vor zugsweise unmittelbar oberhalb des Bettes einsetzt, da mit ein gewisser Teil der dabei entstehenden Wärme in das Bett strömt und die Trocknung fördert. Beim An fahren des Ofens oder gegebenenfalls auch bei geringe rem Heizwert kann die Einströmung von Wärme in das Bett durch einen Ölbrenner, der vorzugsweise in seiner Flamme auf das Bett gerichtet ist, gefördert werden.
Bei einer Wirkung des Wirbelbettes nur als Trocknungs- und Aufbereitungszone (zerkleinern und mit Luft durchmi schen) - im Gegensatz zu den bekannten Verfahren, bei denen die Wirbelzone als Verbrennungszone dient wird, wie festgestellt wurde, bei vollständigem Ausbrand der brennbaren Schlammteilchen und einem Maximum an Grundflächenleistung, ein Minimum an Luft und Zu satzbrennstoff benötigt.
In Weiterverfolgung des Erfindungsgedankens kann durch Anordnung einer gesonderten Brennkammer ober halb oder neben dem Wirbelschichtofen die Verbrennung auch in dieser getrennt vom Wirbelschichtofen erfolgen. Dabei dient in erster Linie die Trocknungsluft, die zweck- mässigerweise vor dem Einblasen in das Wirbelbett vor gewärmt wird, als Fördermedium zu einer weiter entfernt stehenden Brennkammer, z. B. die eines Dampfkessels. In diese Brennkammer können dann auch mehrere Schlamm.
staubleitungen aus mehreren Wirbelschichtöfen gemein sam einmünden, womit sich die Kombination eines Dampfkessels mit mehreren Wirbelschichtöfen ergibt.
Bei der Verwirklichung des Erfindungsgedanken ist anhand von Versuchen festgestellt worden, dass eine be stimmte Aufteilung der dem Ofen zugeführten Luft be sondere Vorteile bringt. So kann es zweckmässig sein, wenn etwa die Hälfte der im Ofen zur einwandfreien Verbrennung notwendigen Luft dem Wirbelbett von un ten zugeführt wird, während die restliche Luftmenge durch Düsen, die oberhalb des Wirbelbettes in den Ofen einmünden, in diesen eingeblasen wird; vorteilhaft kann der Unterwind-Luftanteil nur etwa 20 bis 30% der Ge- samtluftmenge betragen.
Diese an sich geringe Luft menge, die durch das Wirbelbett strömt, dient dabei nur zur Trocknung, Aufbereitung und Vorzündung des feuch ten, zusammengebackenen Schlammes, der in Staubform aufgelöst wird. Dabei werden die flüchtigen Gase aus getrieben. In dieses oberhalb des eigentlichen Wirbel bettes sich befindende Gemisch aus Staub und Gasen wird dann der Hauptteil der Luftmenge mit vorzugsweise hoher Geschwindigkeit eingeblasen und dadurch die eigentliche Verbrennung erreicht. In diesem Bereich des Ofens kann die Temperatur über 800 C betragen, d. h. sie liegt oberhalb der Riechgrenze, womit eine Geruchs belästigung einwandfrei ausgeschaltet wird. Die Tempe ratur des Wirbelbettes kann bei etwa 500 C liegen.
Beispielsweise können 20-30% der Gesamtluft im Wirbelbett von unten mit einer Pressung von 450-600 mm WS zugeführt und 80-70% der Gesamtluft oberhalb des Wirbelbettes mit einer Pressung von 200-300 mm WS eingeblasen werden.
Eine derartige Aufteilung der Luftmenge ergibt nicht nur hinsichtlich des erforderlichen Kraftbedarfes - es sind nur verhältnismässig geringe Luftmengen mit einem höheren Druck einzublasen - Vorteile, sondern vor al lem auch bezüglich des gesamten Verfahrensablaufes. Abgesehen von einer möglichen Verringerung der iner- ten Wirbelmasse (Wirbelbett) hat dieses Verfahren einen weiteren, besonderen Vorteil.
So ist die durch das Wir belbett strömende Luftmenge in der angegebenen Grösse völlig unabhängig von dem Heizwert, Aschegehalt und Wassergehalt, d. h. diese Luftmenge kann ohne Berück sichtigung einer etwaigen Heizwertänderung konstant Ge halten werden. Heizwertänderungen oder Änderungen des Wassergehaltes werden ausschliesslich durch Ände rung der oberen Lufteinblasung berücksichtigt und aus geglichen. Damit kann die Regelung und Steuerung nur auf die obere Lufteinblasung beschränkt werden, wobei die untere immer konstant bleibt.
Dadurch wird das Grundproblem der Wirbelschichtverbrennung für Klär schlamm gelöst, welches bisher in erster Linie dadurch Schwierigkeiten bereitete, dass der Klärschlamm sehr schwankende Heizwerte hat und daher bei zwangsläufig zu ändernden Luftmengen im Bett sich der fluidisierende Zustand nicht immer einwandfrei aufrecht erhalten liess. Bleibt die Luftmenge, die das Bett durchströmt, konstant und wird die notwendige Luftmenge nur oberhalb des Bettes geregelt, so bleibt auch die Fluidisierung normal und einwandfrei. Damit ist es gleichzeitig auch nicht mehr erforderlich, die Menge des eingegebenen Klär schlammes genau zu dosieren. Es kann auch eine höhere Grundflächen- und Volumenbelastung als bisher erreicht werden.
Sofern durch besonders hohen Wassergehalt des Klärschlammes oder durch einen geringen Gehalt an Brennbarem die Verbrennungstemperatur oberhalb des Bettes unter 800 sinken sollte, was durch Temperatur fühler leicht festzustellen ist, kann gemäss einer weiteren Ausbildung der Erfindung eine Temperaturerhöhung durch einen zusätzlichen, temperaturgesteuerten Ölbren ner erfolgen.
Gemäss einer weiteren Ausführungsform der Erfin dung können die unterhalb des Wirbelbettes zum Eintritt der Luft in das Bett vorgesehenen Düsen in ihrem Aus trittsquerschnitt unterschiedlich ausgeführt werden, ins besondere dargestellt, dass der Austrittsquerschnitt zu den Rändern des Bettes hin kleiner wird.
So können beispielsweise drei Stufen von Düsen, je weils etwa ringförmig im Wirbelbettboden verteilt sein, wobei der grösste Austrittsquerschnitt jeder Düse in der Mitte oder am innersten Ring gegeben ist und der Quer schnitt von Ring zu Ring nach aussen abnimmt. Die Dü sen selbst können als Lochdüsen oder Schlitzdüsen aus geführt werden.
Wird nun nur eine kleine Luftmenge im Reaktor benötigt, so strömt entsprechend der Düsenaus legung die Luft nur durch die Düse oder die Düsen mit dem grossen Austrittsquerschnitt bzw. dem niedrigsten Eigendruckverlust. Hierdurch wird nur ein Teil des Bet tes, d. h. nur der Bereich des Bettes über dieser Düse oder den Düsen fluidisiert und Luft- und Schlammenge können ins stöchiometrische Bestwertverhältnis gebracht werden.
Wird mehr Schlamm aufgegeben oder steigt der Heizwert des Schlammes, so dass der Luftbedarf grösser wird, so wird vom Gebläse für die Luftzufuhr mehr Luft gefördert, die sich entsprechend den Eigendruckverlusten der Düsen auf mehrere verteilt, d.h. durch die grössere Luftmenge werden von innen nach aussen immer mehr Düsen durchströmt. Wenn zuvor beispielsweise nur der innerste Düsenring durchströmt wurde, so wird bei einer entsprechenden Steigerung der Luftzufuhr auch noch der zweite Ring oder gegebenenfalls noch weitere zum Luft durchtritt herangezogen.
Entsprechend der Erweiterung des Luftdurchtritts vergrössert sich im Ofen auch die Grösse des fluidisierenden Bettes. Fluidisiert das Bett bei einer Luftzufuhr allein durch den innersten Ring nur in diesem Bereich, so vergrössert sich diese Fläche um den entsprechenden Betrag, sofern zusammen mit dem innersten Ring infolge grösserer Luftzufuhr auch noch der nächste durchströmt wird. Das Gebläse für den Luft zustrom zum Ofen kann in bekannter Weise durch eine C02- oder OZ-Steuerung der Abgase geregelt werden.
Anstelle der selbsttätigen Steuerung des Luftdurch- tritts durch die Düsen infolge ihrer Eigenwiderstände kann natürlich auch eine Klappensteuerung vorgesehen werden, die von aussen automatisch oder von Hand zu bedienen ist. Am besten regelbar ist jedoch die vorher beschriebene, selbsttätige Steuerung durch die Eigen widerstände der Düsen in Verbindung mit einer Klap- pensteuerung. Damit wird die notwendige Verbrennungs luft dem Wirbelbett in einer feinen Abstufung entspre chend den Erfordernissen zugeteilt und gleichzeitig auch die Fluidisierungszone entsprechend geregelt.
Als Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemässe Verfahren wird folgendes angeführt: Ein Klärschlammwirbelschichtofen wird beschickt mit 1000 kg/h Klärschlamm folgender Zusammensetzung: Wassergehalt 65 % Aschegehalt <B>16,3%</B> Brennbares 18,7 Q/, Unterer Heizwert 710 kcal/kg Dabei werden dem Wirbelbett 3400 m3/h Luft von etwa 370 C zugeführt, wodurch das Wirbelbett in Flui- disation gebracht wird. Der in das Wirbelbett eingeführte Klärschlamm trocknet aus, zerfällt und wird von der durch das Bett strömenden Luft aus dem Bett in Staub form ausgetragen.
Die Luft strömt durch das Bett mit einer Geschwindigkeit von ca. lm/sec, wodurch sämtliche Staubteilchen kleiner als 0,25 mm Durchmesser mitge rissen werden. Teilchen die grösser als etwa 0,25 mm sind, bleiben noch so lange im heissen Bett, bis sie durch die ständige Einwirkung der heissen Bettkörner, Abrieb, Aufplatzen bei der Trocknung usw. die entsprechende Grösse erhalten haben. Oberhalb des Bettes erfolgt dann die eigentliche Verbrennung des Schlamm-Luft-Gas-Ge- misches, wobei in der Brennkammer eine Flammentem peratur von etwa 850 C entsteht.
Die Flamme strahlt von oben in das Wirbelbett und hält dieses zusammen mit der von der Verbrennungsluft eingebrachten Wärme auf einer Temperatur von etwa 500 . Die vorstehend angegebenen Werte gelten natürlich nur für einen Schlamm entsprechend der angegebenen Zusammenset zung. Sie differieren nach oben und unten je nach Art des Schlammes. Ausführungsbeispiele einer Vorrichtung zur Durch führung des Verfahrens sind in der Zeichnung im Schnitt schematisch dargestellt.
Es zeigt: Fig. 1 einen Wirbelschichtofen mit senkrechter Schlammeingabe; Fig. 2 einen Wirbelschichtofen mit seitlicher Eingabe, und Fig. 3 eine besondere Ausführung eines Wirbelbettes. Der Wirbelschichtofen (Fig. _1) besteht aus einer zy lindrischen, keramisch ausgemauerten Brennkammer 1 mit einem lichten Durchmesser von etwa 1,20 m und ca. 1,70 m Länge, welche nach unten zu einem Zylinder 2 mit einem lichten Durchmesser von 0,8 m und etwa 80 cm Länge eingezogen ist.
Der Boden 3 des unteren Zylinders 2 ist als Düsenboden mit besonderen Luftdü sen 4 versehen, durch welche vorgewärmte (etwa 370 C) Verbrennungsluft aus einer Leitung 5 einströmt. Auf dem Düsenboden 4 ruht eine 30-80 cm hohe, lose aufgeschüt tete Schicht 6 keramischer Körner, die durch die Ver brennungsluft im Schwebe- oder Wirbelzustand gebracht und gehalten wird. Die Verbrennungsluft wird unter Druck den Düsen 4 zugeführt, wobei die Luftmenge den Schwebe- oder Wirbelzustand (Fluidisation) bestimmt.
Auf Grund des einer kochenden Flüssigkeit ähnlichen Wirbelzustandes herrschen im Wirbelbett 6 die Verhält nisse, die zum intensiven Stoff- und Wärmeaustausch, d. h. zur Trocknung und Zerkleinerung des Klärschlam mes und zur Mischung mit Verbrennungsluft notwendig sind.
Zur Vorwärmung des Reaktors 1, 2 und des Wirbel bettes 6 sowie der Wirbelluft ist ein Ölzünd- und Stütz brenner 7 in der unteren Kammer 2 und ein solcher Brenner 8 in der oberen Kammer 1 angeordnet.
Der Klärschlamm wird mit einer Schnecke 9 aus einem nicht dargestellten Schlammbunker oberhalb des Reaktors abgezogen und in ein Fallrohr 10 gefördert, das in der Reaktorbrennkammer 1 hängt und etwa 1,0 m oberhalb des Wirbelbettes 6 mündet. Der Klärschlamm fällt durch das Fallrohr 10 in das heisse, fluidisierende Wirbelbett 6, wo er durch die intensive Wirbelbewegung der keramischen Körner und der heissen Wirbelluft ge trocknet, auf Staubfeinheit zerkleinert sowie innig mit Luft gemischt und entzündet wird. Oberhalb des Wir belbettes 6 entsteht eine gasartige Flamme, die eine mitt lere Flammentemperatur von 800-950 C besitzt. Diese Flamme strahlt in das Wirbelbett ein und heizt dieses von oben auf. Die ausgebrannten Rauchgase strömen durch den Gaskanal 11 ab.
Der Wirbelbett 6 strömt, wie Fig. 2 deutlicher zeigt, von unten aus dem Raum 12 durch den Düsenboden 3 etwa 20a/, der Gesamtluftmenge durch die Leitung 5 zu. Die restliche Luftmenge von etwa 807, gelangt durch die Düsen 13 unmittelbar in den Reaktor 1 oberhalb des Wirbelbettes 6. Eine an die regelbare Zuleitung 14 ange schlossene Ringleitung 15 versorgt die einzelnen Düsen 13 mit Luft. Die am oberen Ende des Reaktors 1 vorge sehene Ableitung 11 dient zum Abzug der Rauchgase. Die Temperatur innerhalb des oberen Bereichs des Reak tors 1 wird durch entsprechende Dosierung der Luftzu fuhr durch die Düsen 13 und durch gegebenenfalls er folgende Zusatzheizung durch den Ölbrenner 16 auf über 800 C gehalten. Die Temperatur im Wirbelbett beträgt dabei etwa 500 .
Die Schlammeingabe 10 ist hier seit lich angedeutet.
In dem Boden 3 des Wirbelbettes 6 nach Fig. 3 sind unterschiedlich grosse Düsen A, B und C angeordnet. Die Düse A sitzt zentrisch in der Mitte, während die Düsen B einen Ring in einem kleineren Abstand und die Düsen C einen solchen in einem grösseren Abstand von der Düse A bilden. Mit grösserem Abstand von der Düse A nimmt der Durchmesser ab und der Eigenwider stand der Düsen zu.
Bei einem Luftzustrom nur durch die Düse A erfolgt eine Fluidisierung des Bettes nur in dem Bereich 6a. Steigt der Luftzustrom zur Kammer 12, so erfolgt ein Luftdurchtritt sowohl durch die Düse A als auch durch die Düsen B. Die Fluidisierung erfasst dann auch den Bereich 6b. Die Steigerung des Luftzustromes kann da bei entsprechend der geforderten Leistung des Ofens so gross werden, bis auch ein Durchtritt durch die Düsen C eintritt und dann das Bett in seinem ganzen Bereich 6a, 6b und 6c fluidisiert ist.