Verfahren und Vorrichtung zur Trocknung von Abwasserschlämmen mittels eines heissen gasförmigen Mediums
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Trocknung von Abwasserschlämmen mittels eines heissen gasförmigen Mediums.
Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens und auf eine Anwendung des Verfahrens in einer Verbrennungsanlage für Abfallstoffe.
Die hygienische und gleichwohl rationelle Vernichtung von Abwasserschlämmen stellt heute, ebenso wie die Vernichtung von gesundheitsschädlichen festen Abfallstoffen, namentlich Stadtmüll, angesichts der heute anfallenden und noch immer mehr anwachsenden Mengen ein besonderes Problem dar.
Die Praxis hat gezeigt, dass die Vernichtung der Abwasserschlämme durch Verbrennung sich sowohl in hygienischer als auch in wirtschaftlicher Hinsicht als das wohl empfehlenswerteste Verfahren anbietet.
Die einwandfreie Verbrennung von Abwasserschlämmen setzt aber eine wirksame, intensive Trocknung derselben voraus. Es ist bereits vorgeschlagen worden, Abwasserschlämme dadurch zu trocknen, dass der Schlamm als frei fallender Schlammregen im Gegenstrom zu den in einem Schacht aufsteigenden heissen Verbrennungsgasen aus einer mit einem hochwertigen Brennstoff, beispielsweise Heizöl, Kohlenstaub oder Gas, betriebenen Feuerung geführt und ihm dadurch die Feuchtigkeit entzogen wird. Dieses Verfahren ist jedoch, abgesehen von dem ständigen Verbrauch eines teuren hochwertigen Brennstoffs, deshalb unbefriedigend, weil trotz Verwen- dung sehr hoher Trocknungsschächte der Grad der Trocknung des Abwasserschlammes unzureichend ist.
Die bekannte Trocknung von Abwasserschlämmen mittels heisser Müllverbrennungsgase hat sich bei Einsparung hochwertiger Brennstoffe trotz Anwendung der verschiedensten Trocknungsverfahren ebenfalls als noch unbefriedigend erwiesen.
Zweck der Erfindung ist, die zuvor genannten Nachteile zu beheben.
Demgemäss betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Trocknung von Abwasserschlämmen mittels eines heissen gasförmigen Mediums, welches Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass aus einer aus losem Schüttgut bestehenden, der Wärmeübertragung dienenden Trägermasse eine dünne Schicht gebildet und diese unter Mitwirkung der Schwerkraft gleichmässig und regelbar durch einen ersten Wärmeübertragungsraum hindurchgeführt wird, dass das heisse gasförmige Medium zur Erhitzung der Trägermasse durch die in diesem Wärme übertragungsraum nach unten wandernde Schicht der Trägermasse unter Wärmeabgabe im Kreuzstrom zu dieser Schicht hindurchgeführt wird und dass daraufhin die so erhitzte Trägermasse durch einen zweiten Wärme übertragungsraum hindurchgeführt,
in diesem mit dem zu trocknenden Schlamm besprüht und dadurch das Wasser des Schlammes spontan verdampft wird und dass die aus dem Schlammwasserdampf bestehenden Brüden aus dem zweiten Wärmeübertragungsraum abgeführt werden, während der getrocknete Schlamm aus dem zweiten Wärmeübertragungsraum zusammen mit der Trägermasse herausgeführt und anschliessend von dieser durch Sieben bzw. Sichten getrennt wird, worauf die Trägermasse zu ihrer erneuten Erhitzung wieder in den ersten Wärmeübertragungsraum zurückgeleitet wird.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass zwei Begrenzungswände des ersten Wärmeübertragungsraumes einen engen Schacht bilden und für das wärmeabgebende, heisse gasförmige Medium durchlässig gestaltet sind und dass mindestens eine regelbare Abzugseinrichtung für die Trägermasse vorgesehen ist.
Die Anwendung des Verfahrens ist gemäss der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass die Trägermasse im ersten Wärmeübertragungsraum durch die Verbrennungsgase der Feuerung der Verbrennungsanlage erhitzt und der Schlammwasserdampf in den heissen Rauchgasstrom der Verbrennungsanlage geleitet wird, während der von der Trägermasse getrennte Trockenschlamm der Feuerung zugeführt wird.
In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der erfindungsgemässen Vorrichtung, die auch das ebenfalls erfindungsgemässe Verfahren zur Trocknung von Abwasserschlämmen sowie eine erfindungsgemässe Anwendung des Verfahrens veranschaulichen, schematisch dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 eine in eine Müllverbrennungsanlage mit Dampfkessel eingebaute Trocknungsvorrichtung für Abwasserschlamm, mit dem als stationärer Trockenraum ausgebildeten zweiten Wärmeübertragungsraum, in einem vertikalen Schnitt, und
Fig. 2 einen als rotierender Trockenraum ausgebilde- ten zweiten Wärmeübertragungsraum für die Trocknungsvorrichtung der Fig. 1, in einem vertikalen Längsschnitt.
In Fig. 1 sind zwei mit 132' und 147' bezeichnete Wandpartien von zwei Kesselzügen 132 und 147 einer im übrigen nicht dargestellten Müllverbrennungsanlage mit Dampfkessel gezeigt. Zwei einander parallele vertikale, gasdurchlässige Wände 134 bilden eine Trennwand zwischen den beiden Kesselzügen 132 und 147 und begrenzen einen ersten oberen Wärmeübertragungsraum 133, der als enger Schacht ausgebildet ist. Eine aus Metallku- geln, z.B. Stahlkugeln von ca. 25 mm Durchmesser, bestehende Trägermasse wandert in Form einer dünnen Schicht unter Mitwirkung ihrer Schwerkraft gleichmässig und regelbar in Pfeilrichtung durch den Wärmeübertragungsraum 133.
Die heissen Verbrennungsgase, die bei der Verbrennung des Mülls im Feuerraum der Müllverbrennungsanlage entstehen, treten aus dem Feuerraum in den ersten Kesselzug 132 über, dessen rechts gelegene Wand zugleich als Wand des ersten Wärmeübertragungsraumes 133 ausgebildet ist, und werden durch die im Wärmeübertragungsraum 133 stetig nach unten wandern- de Schicht der Trägermasse im Kreuzstrom zu dieser Schicht hindurchgeführt, wobei sie einen erheblichen Teil ihrer Wärme an die Trägermasse abgeben und diese dadurch erhitzen. Die Verbrennungsgase gelangen nach Durchquerung des Wärmeübertragungsraumes 133 in den zweiten Kesselzug 147, in welchem sie ihre Restwärme an die dort angeordneten Nachschaltheizflächen des Dampfkessels, wie z.B. Speisewasservorwärmer und Vorverdampfer, abgeben.
Die beiden gasdurchlässigen Wände 134 können aus übereinander angeordneten Platten gebildet sein, welche nach Art einer Jalousie schräg gestellt sind, wie dies in Fig. 1 angedeutet ist. Diese Platten bestehen aus Stahl und sind zu ihrer Versteifung und Kühlung auf nicht gezeigten Rohren festgeschweisst. Diese Rohre und Platten können zugleich Heizflächen des Dampfkessels sein, z.B. Verdampfer- oder Überhitzerheizflächen. Beispiels- weise können die Rohre als Träger der Platten von Dampf durchströmt und als Dampfüberhitzer ausgebildet sein. Bei höheren Temperaturen können die Platten aus keramischem Material bestehen und, ähnlich wie Dachziegel, auf die Rohre aufgesetzt sein.
Verschiedene Ausführungsformen solcher aus Rohren und Platten bestehenden gasdurchlässigen Begrenzungswände für den ersten Wärmeübertragungsraum sind in der Schweizerischen Patentschrift Nr. 493 790 anhand von Zeichnungsfiguren ausführlich beschrieben.
Die erhitzte Trägermasse wird mittels einer regelbaren Zellenwalze 161 aus dem ersten Wärmeübertragungs raum 133 abgezogen und in einen zweiten Wärmeübertragungsraum 162 geleitet. Im Wärmeübertragungsraum 162 befindet sich eine schräge Rutsche 163, über welche die heisse Trägermasse geführt und zugleich mit Schlamm besprüht wird. Hierfür sind Sprühdüsen 164 vorgesehen, denen der Schlamm über eine Leitung 165 zugeführt wird. Der Schlamm wird auf der heissen Trägermasse spontan getrocknet und zusammen mit dieser durch eine regelbare Zellenwalze 166 aus dem Wärmeübertragungsraum 162 abgezogen, wonach er mittels eines Vibrationssiebes 167 von der Trägermasse getrennt wird. Der getrocknete Schlamm sammelt sich in einem Behälter 168, von dem er pneumatisch zur Feuerung der Müllverbrennungsanlage gefördert und dort verbrannt werden kann.
Die bei der Trocknung des Schlammes anfallenden, aus Wasserdampf bestehenden Brüden werden aus dem zweiten, unteren Wärmeübertragungsraum 162 durch eine Leitung 169 abgeführt und in die heissen Abgase der Feuerung geleitet, um Geruchsstoffe zu vernichten. Ein durch eine Leitung 170 eingeführter und aus Abgasen der Dampfkesselfeuerungsanlage bestehender Gasstrom sorgt für eine ständige Spülung des unteren Wärmeübertragungsraumes 162.
Die über das Vibrationssieb 167 laufende abgekühlte Trägermasse gelangt in einen Elevator 171, der sie, gegebenenfalls über einen vorgeschalteten Bunker, zum ersten oberen Wärmeübertragungsraum 133 zurückbefördert, in welchem sie wieder durch die heissen Müllverbrennungsgase erhitzt wird, so dass also die Trägermasse in einem in sich geschlossenen Kreislauf umgewälzt wird.
Manche Abwasserschlämme bilden bei ihrer Trocknung eine feste Kruste auf den als Trägermasse dienenden Stahlkugeln und platzen dann teilweise bei ihrem Transport und auf dem Vibrationssieb 167 von den Stahlkugeln als feste Schalen ab. Diese Schalen, die zusammen mit den Stahlkugeln in den Elevator 171 gelangen, stören an sich den Betrieb nicht und werden bei ihrem Umlauf zusammen mit den Stahlkugeln allmählich zerkleinert, wonach sie schliesslich durch das Vibrationssieb 167 hindurchfallen und in den Behälter 168 gelangen, von wo sie zur Feuerung der Müllverbrennungsanlage gefördert und in dieser verbrannt werden.
Bei sehr harten Schlammschalen ist es jedoch zweckmässiger, eine andere Ausführungsform der Vorrichtung zur Trocknung des Schlammes zu benutzen, die im folgenden beschrieben werden soll.
Fig. 2 zeigt eine derartige Vorrichtung. Hier wird zur Erhitzung der Trägermasse ein erster Wärmeübertragungsraum verwendet, wie er in Fig. 1 dargestellt und zuvor beschrieben worden ist. Deshalb ist dieser erste Wärmeübertragungsraum in Fig. 2 nicht dargestellt. Hier wird die von der Zellenwalze 161 aus dem ersten Wärmeübertragungsraum abgezogene heisse Trägermasse durch eine Leitung 181 in eine als zweiter Wärmeübertragungsraum dienende rotierende Trommel 182 geführt, in die der zu trocknende Schlamm über eine Leitung 183 und durch eine Düse 184 eingesprüht wird. Leisten 185, die schraubenlinienförmig verlaufen und an der inneren Wandung der Drehtrommel 182 befestigt sind, sorgen für einen geregelten Transport der Trägermasse durch die Trommel 182.
Infolge der durch die rotierende Trommel 182 bewirkten Bewegung der Trägermasse werden die sich auf den Massekörpern der Trägermasse bildenden, aus Trockenschlamm bestehenden Schalen bereits während ihrer Entstehung durch die gegenseitige Reibung der Massekörper sowie auch durch die Reibung zwischen den Massekörpern der Trägermasse und der Wand der Trommel 182 zu Staub vermahlen, der dann nach seiner Separation von der Trägermasse in die Feuerung der Müllverbrennungsanlage geleitet werden kann. Spülgase können durch eine Leitung 186 in die Leitung 181 und damit in die Drehtrommel 182 eingeführt werden, um die bei der Trocknung des Schlammes entstehenden Brüden beschleunigt abzuleiten.
Die beiden zuvor anhand der Fig. 1 und 2 beschriebe- nen beispielsweisen Ausführungsformen der Trocknungsvorrichtung zeigen deutlich, dass namentlich der als eigentlicher Schlammtrocknungsraum dienende zweite Wärmeübertragungsraum den jeweiligen Gegebenheiten weitgehend angepasst werden kann, und dass es möglich ist, diesen zweiten Wärmeübertragungsraum derart zu gestalten, dass zugleich mit der Wärmeübertragung, abgesehen von der Schlammtrocknung, auch noch andere physikalische Prozesse durchgeführt werden können, wie dies bei der zuletzt beschriebenen Ausführung nach Fig. 2 zutrifft, bei welcher der Vorgang des Trocknens mit dem des Mahlens verbunden ist.
Die Stärke der von den Müllverbrennungsgasen durchströmten Schicht der Trägermasse ist infolge des grossen Durchströmquerschnitts nur relativ gering, so dass der Druckverlust der Verbrennungsgase nur wenige mm WS beträgt.
Die Verbrennungsgase weisen bei ihrem Austritt aus der Schicht der Trägermasse eine in deren Abflussrichtung ansteigende Temperatur auf. Dies ist jedoch in bezug auf den Wärmehaushalt ohne Belang, weil die Verbrennungsgase den ihnen noch verbliebenen Wärmeinhalt an die im zweiten Kesselzug 147 angeordneten Nachschaltheizflächen des Dampfkessels nutzbringend abgeben.
Dem zuvor beschriebenen Verfahren bzw. der Vorrichtung zu seiner Ausführung liegen die folgenden auf physikalischen Gesetzmässigkeiten beruhenden Überle- gungen zugrunde:
Die Wärmeübertragung auf eine Schicht von losen Schüttstoffen ist abhängig von der Wärmedurchgangs- zahl, der spezifischen Oberfläche und dem Volumen der Schicht der Trägermasse. Die spezifische Oberfläche von Schüttstoffen ist sehr gross und in weiten Grenzen durch deren Korngrösse bzw. durch die Grösse der Massekör- per der Trägermasse beeinflussbar. Deshalb ist bei einer aus Schüttstoffen gebildeten Schicht eine grosse Wärme übertragungsfläche bei kleinstem Raume erreichbar, was einen eminenten Vorteil dieser Wärmeübertragungsart darstellt.
Nun müsste aber die im Gegenstrom zu den heissen gasförmigen Medien, in den Ausführungsbeispielen der Fig. 1 und 2 sind es Müllverbrennungsgase, geführte Trägermasse eine recht grosse Schichthöhe aufweisen, wenn die für die gleichmässige Wärmeübertragung erforderliche gleichmässige Verteilung des gasförmigen Mediums über den ganzen Durchströmquerschnitt der Schicht gewährleistet sein soll. Diese grosse Schichthöhe bedingt andererseits aber einen entsprechend hohen Druckverlust bei den durch die Schicht im Gegenstrom hindurchgeführten gasförmigen Medien, der meist gar nicht tragbar ist.
Da der Druckverlust eines gasförmigen Mediums, welches eine von Schüttstoffen gebildete Schicht durchströmt, innerhalb dieser Schicht einerseits linear mit seinem Durchströmweg und andererseits quadratisch mit seiner Durchströmgeschwindigkeit zunimmt, liesse sich unter Beibehaltung des gleichen Schüttstoff-Volumens die Durchströmgeschwindigkeit und damit auch der Druckverlust durch eine Vergrösserung des Durchströmquerschnitts der Schicht und eine entsprechende Verkürzung des Durchströmweges innerhalb der Schicht an sich beliebig weit verringern.
Nun lässt es sich aber praktisch kaum realisieren, eine dünne Schicht bei grossem Durchströmquerschnitt, d.h.
von grosser Ausdehnung im Gegenstrom zu einem gasförmigen Medium zu führen, was also letztlich offenbar den Grund dafür bildet, dass sich Wärmeaustauscher mit Trägermasse trotz ihrer eingangs genannten Vorteile in der Praxis bisher nicht allgemein durchsetzen konnten und somit auch für die Trocknung von Abwasserschläm- men bisher noch nicht benutzt wurden. Beide, die hohe schlanke Schichtsäule wegen des beim Gegenstrom durch die hohe Schichthöhe bedingten grossen Druckverlustes und die flache breite Schichtscheibe wegen der Unmöglichkeit, mit ihr das Gegenstromprinzip zu realisieren, haben offenbar dazu geführt, dass Wärmeaustauscher mit im Gegenstrom geführter Trägermasse bisher allgemein in der Praxis keinen nennenswerten Eingang gefunden haben.
Dieses Problem wird aber nun bei dem neuen Verfahren zur Schlammtrocknung auf einfache Weise dadurch gelöst, dass die heissen gasförmigen Medien durch die Schicht der Trägermasse im Kreuzstrom zu dieser geführt werden. Mit diesem Prinzip wird der Bau von Vorrichtungen zur Trocknung von Abwasserschlämmen ermöglicht, in denen die Trägermasse in einer extrem dünnen Schicht bei grossem Durchströmquerschnitt geführt werden kann, so dass, abgesehen von den grossen Vorteilen einer gleichmässigen Wärmeübertragung bei grosser Wärmeübertragungsfläche und kleinstem Raum, nun auch der Druckverlust des durch die Schicht der Trägermasse hindurchströmenden gasförmigen Mediums sehr klein, d.h. praktisch bedeutungslos wird.
Damit wird also erreicht, dass, wenn die Schlammtrocknung mit einem Müllverbrennungsofen kombiniert wird, wie dies zuvor anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert wurde, der Zugverlust der Müllrauchgase durch ihre Hindurchführung durch die dünne Schicht der Trägermasse praktisch nicht ins Gewicht fällt.
Zwar hat an sich der Kreuzstrom bei der Wärmeüber- tragung gegenüber dem Gegenstrom den Nachteil, dass das unmittelbar aus der Schicht der Trägermasse austretende gasförmige Medium eine in Vorschubrichtung der Trägermasse, d.h. also nach unten, ansteigende Temperatur aufweist, jedoch ist dieser Nachteil praktisch bedeutungslos. da die nach Durchquerung der Schicht der Trägermasse im gasförmigen Medium noch vorhandene verwertbare Wärme, wenn es sich um eine Schlammtrocknung in einer Feuerungsanlage mit Dampfkessel handelt, in dessen Nachschaltheizflächen ausgenutzt wird.
In denjenigen Fällen jedoch, in denen dieser Nachteil die Wirtschaftlichkeit infolge des Verlustes an Wärme durch höhere Abgastemperaturen herabsetzen würde, kann diesem Nachteil aber ebenfalls, und zwar hier durch Unterteilung des ersten schachtförmigen Wärmeübertragungsraumes in zwei oder mehr Stufen begegnet werden, wobei diese Stufen durch Kanäle ausserhalb der gasdurchlässigen Begrenzungswände des übertragungsrau mes gebildet werden und so geführt sind, dass das in die Schicht eingeleitete gasförmige Medium nacheinander jede Stufe der Schicht der Trägermasse im Kreuzstrom durchquert.
Diese Unterteilung des ersten Wärmeübertragungsraumes, aus der eine Kombination von Kreuz- und Gegenstrom resultiert, gewährleistet, dass die mittlere Temperatur des gasförmigen Mediums beim Austritt aus der letzten Stufe nicht höher ist als beim reinen Gegen strom. Diese Unterteilung lässt sich auf einfachste Weise, d.h. ohne Inkaufnahme irgendwelcher baulicher Schwierigkeiten bzw. ohne erhebliche Kosten, realisieren, wie dies in der Schweizer Patentschrift Nr. 493 790 anhand von Zeichnungsfiguren mehr im einzelnen erläutert ist.
Für den zeitlich und örtlich gleichmässigen Abzug der Trägermasse aus dem zweiten Wärmeübertragungsraum kann jede geeignete Einrichtung bekannter Bauart verwendet werden. Je nach Form des Schachtquerschnittes können hierfür Zellenräder, Zellenwalzen, Abstreifer oder Verdränger-Vorrichtungen und dgl. benutzt werden.
Auch für die Förderung der Trägermasse im Kreislauf ist jede geeignete Fördervorrichtung bekannter Bauart, z.B.
ein Becherwerk, verwendbar.
Beispiel
Zur weiteren Erläuterung des zuvor anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele beschriebenen Verfahrens samt zugehöriger Vorrichtung soll im folgenden die Trocknung von Abwasserschlämmen in Verbindung mit der Müllverbrennung auch zahlenmässig näher betrachtet werden.
In einer Müllverbrennungsanlage soll eine Vorrichtung zur Schlammtrocknung, wie sie Fig. 1 zeigt, eingebaut werden.
In einer Stadt mit 140000 Einwohnern fallen täglich ca. 95 m3 Schlamm mit einem Wassergehalt von 80% an. Somit enthält dieser Schlamm ca. 19 t wasserfreie Feststoffe. Die Trocknung dieses Schlammes auf einen Rest-Wassergehalt von einigen Prozent erfordert eine Wärmemenge von 2,2 = 106 kcal/h, die durch die Trägermasse zuzuführen ist. Die Trägermasse besteht aus Stahlkugeln von 25 mm Durchmesser und wird in dem in der Müllverbrennungsanlage vorgesehenen Wärmeübertragungsraum auf 4500C erhitzt. Die heisse Trägermasse gibt dann im Trockenraum die zur Schlammtrocknung erforderliche Wärme an den in diesen Raum eingesprühten Schlamm ab und wird dann aus diesem Raum zusammen mit ca. 800 kg/h Trockenschlamm mit einer Temperatur von ca. 1500C abgezogen.
Hierbei sind insgesamt 5,3 t Trägermasse im Umlauf, die stündlich 10 mal umgewälzt wird. Der Trockenschlamm wird nach seiner Abtrennung von der Trägermasse in die Feuerung geführt und dort verbrannt. Die Brüden aus der Schlammtrocknung werden in den Strom der heissen Verbrennungsgase der Feuerung geleitet. Eine Menge von ca. 23 000 Nm3 Abgase aus der Müll- und Trockenschlammverbrennung sowie Brüden strömen stündlich mit einer Geschwindigkeit von ca. 1 m/s durch den ersten Wärmeübertragungsraum, wobei ihre Eintrittstemperatur von ca. 7500C auf eine mittlere Austrittstemperatur von ca. 5000C absinkt. Der Druckverlust dieser Abgase in der ca. 50mm starken Schicht der Trägermasse beträgt nur 2 mm WS. Die Restwärme der Abgase wird von den nachgeschalteten Kesselheizflächen aufgenommen.