CH678321A5

CH678321A5 -

Info

Publication number: CH678321A5
Application number: CH360/89A
Authority: CH
Inventors: Ihsan Prof Dr Barin; Michael Dr Lemperle; Wolfgang Dr Grigel; Fritz Dr Rodenhaeuser; Eberhard Steinbiss; Martin Dr Deussner
Original assignee: Kloeckner Humboldt Deutz Ag
Priority date: 1988-03-04
Filing date: 1989-02-02
Publication date: 1991-08-30
Also published as: DE3840858A1

Description

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur thermischen Entsorgung von feinkörnigen Abfallstoffen, insbesondere Klärschlamm, mit Verwertung des Abfallstoffes bei der Herstellung von Zementklinker. Ausserdem betrifft die Erfindung eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens.

Bekannt ist die thermische Entsorgung von Abfallstoffen durch deren Verbrennung. Abgase der Ab-fallverbrennung, insbesondere Klärschlammverbrennung, enthalten Schadstoffe wie SOx, HCl, HF, NOx usw. sowie in der Regel immer Schwermetalle insbesondere Hg und/oder Hg-Verbindungen, die eine Abgasreinigung erforderlich machen, um die Emissionswerte, wie in der Technischen Anleitung «TA-Luft» gefordert, sicher einhalten zu können. Ausserdem erfordern die bei der Verbrennung anfallenden Rückstände Deponieplätze.

Man hat daher schon versucht, Klärschlamm zu verbrennen und diesen gleichzeitig bei der Herstellung von Zementklinker zu verwerten (Publikation Recycling International, 1984, EF-Verlag für Energie-und Umwelttechnik, Berlin, Seiten 526 bis 531, insbesondere 530). Nachteilig bei dem bekannten Verfahren ist, dass der getrocknete Klärschlamm direkt in der Zementklinkerproduktionslinie verbrannt wird, mit der Folge, dass die dabei entstehenden flüchtigen Komponenten des Klärschlammes, wie z.B. auch Quecksilber, in die Zementklinkerproduktionslinie und in deren Abgas gelangen. Aufgrund der hohen Verdünnung des Hg-Dampfes im vermischten Abgasstrom (starke Untersättigung, niedriger Partial-druck des Hg) kommt es zu keiner Kondensation von Hg oder seinen flüchtigen Verbindungen, so dass der Grenzemissionswert von 0,2 mg Hg/Nm3 Abgas nicht erreicht wird und Quecksilber in die Atmosphäre gelangt. Die Menge der gemeinsamen Abgase aus Schlammverbrennungsanlage und Zementklinkerproduktionslinie ist so gross und die Konzentration des darin enthaltenen Hg ist so klein, dass eine wirtschaftliche Abtrennung des Hg aus dem Abgas nicht möglich ist. Dies gilt ausser für Hg auch für andere im Abgas enthaltene Schadstoffe.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, feinkörnige Abfallstoffe, insbesondere mineralische Bestandteile enthaltende feinkörnige Abfallstoffe wie Klärschlamm derart zu entsorgen und dabei gleichzeitig bei der Herstellung von Zementklinker zu verwerten, dass die mit dem Klärschlamm eingebrachten Schadstoffe wie Quecksilber wirtschaftlich aus dem Prozess abgezogen werden können, derart, dass der jeweils vorgeschriebene Grenzemissionswert nicht überschritten wird.

Diese Aufgabe wird gemäss der Erfindung mit einem Verfahren und mit einer Anlage gelöst, die in den Ansprüchen 1 bzw. 10 gekennzeichnet sind.

Beim erfindungsgemässen Verfahren wird der feinkörnige Abfallstoff wie z.B. der Klärschlamm nicht innerhalb einer Zementklinkerproduktionslinie verbrannt, sondern der Schlamm wird ausserhalb der Ze-mentklinkerproduktionslinie getrocknet und auch ausserhalb verbrannt. Das Abgas der Klärschlammverbrennung wird nicht in die Zementklinkerproduktionslinie eingeführt, so dass deren eigenes Abgas frei von schwierig abzutrennenden Schadstoffen wie Quecksilber bleibt, sondern das Abgas der Klärschlammverbrennung wird, getrennt vom Abgas einer konventionellen Zementklinkerproduktionslinie, in einer eigenen Abgasreinigung mit Abtrennung des im Abgas enthaltenen Schadstoffes wie Quecksilber gereinigt, wobei in diesem Falle die Schadstoffabtrennung wirtschaftlich durchführbar ist, weil die Konzentration z.B. von Quecksilber im Abgas der Klärschlammverbrennung nicht durch die grosse Abgasmenge der Zementklinkerproduktionslinie verdünnt wird. Durch das erfindungsgemässe Verfahren ist gewährleistet, dass die in der «Technischen Anleitung Luft» jeweils geforderten Emissionswerte ohne grossen Aufwand sicher eingehalten werden können.

Vorzugsweise wird der zu verbrennende Klärschlamm unter Zusatz von Kalksteinmehl und/oder Ze-mentrohmehl als Calziumträger verbrannt, und zwar in einem solchen Mischungsverhältnis, dass nach der Verbrennung bei hoher Temperatur aus dem Verbrennungsabgas ein Verbrennungsrückstand abgeschieden wird, der die Qualität eines ggf. vollständig kalzinierten Zementheissmehles zur Herstellung von Zementklinker aufweist. Die Verbrennung des Klärschlamms wird vorzugsweise in einem Flugstromreaktor bzw. Gleichstromsuspensionsreaktor durchgeführt, in dem die Feststoffe mit vorerhitzter Brennluft, insbesondere Klinkerkühlerabluft, suspendiert werden. Dabei hat die zugeführte Brennluft eine Temperatur von wenigstens etwa 800°C nicht nur mit Rücksicht auf die Calzinierung des eingeführten Calziumträgers, sondern auch im Hinblick auf die Desodorierung der geruchsbelästigenden Abgase der thermischen Klärschlammbehandlung. Die Verbrennung des Klärschlammes und des ggf. zugesetzten Calziumträgers wäre anstatt in einem Flugstromreaktor auch in einem Wirbelschichtreaktor oder in einem anderen Suspensionsreaktor möglich.

Vorzugsweise wird wenigstens ein Teil des in die Klärschlamm-Verbrennungsstufe eingeführten Calziumträgers wie Kalksteinmehl und/oder Zementrohmehl in einem Zyklonschwebegas-Wärmetauschersy-stem vorerhitzt, der vom heissen Abgas der Verbrennungsstufe zur Ausnutzung der Wärmeenergie dieses Abgases betrieben wird.

Ferner wird das aus dem Abgas der Klärschlamm-Verbrennungsstufe abgetrennte Heissmehl vorzugsweise zusammen mit kalziniertem Heissmehl einer konventionellen Zementrohmehl-Vorerhitzungs-und ggf. -Calziniereinrichtung in den Drehrohrofen zur Herstellung von Zementklinker eingeführt. Das heisst apparativ ausgedrückt, dass die erfindungsgemässe Anlage zur thermischen Entsorgung von Klärschlamm einer konventionellen Zementklinkerproduktionslinie mit Zementrohmehl-Vorerhitzer und

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ggf. -Calzinator parallelgeschaltet sein kann, wobei die Klärschlammverbrennungslinie und die Zementklinkerproduktionslinie Abgas-seitig voneinander völlig getrennt sind, jedoch Heissmehl-seitig über den gemeinsamen Drehrohrofen miteinander verbunden sind. Beim Betrieb einer solchen erfindungsgemäs-sen Zwillingsanlage ist es möglich, eventuell vorhandene Defizite oder Überschüsse an der Kalkkompo-5 nente, Tonkomponente oder dgl. im Heissmehl, welches von der Klärschlammverbrennungslinie kommt, auszugleichen durch die Zusammensetzung des Heissmehles, welches aus der konventionellen Zementklinkerproduktionslinie stammt, und umgekehrt.

Das Abgas der Klärschlamm-Verbrennungslinie wird erfindungsgemäss nach Abkühlung auf etwa 150°C und nach Entstaubung durch eine nasse oder trockene Gaswäsche von Schadstoffen wie z.B. 10 Quecksilber befreit. Bei der nassen Gaswäsche wird das im Abgas enthaltene Hg in einer sauren wässri-gen Lösung, insbesondere in chlorsaurer oder schwefelsaurer Lösung konzentriert, aus der nach Neutralisation durch Zugabe eines Fällungsmittels das Hg ausfällt, wobei der verbleibende quecksilberangereicherte Schlamm nach seiner Entwässerung deponiert werden kann. Es besteht auch die Möglichkeit, durch eine trockene Gaswäsche das im Abgas enthaltene Hg an einem Feststoff-Sorbens zu binden. 15 Die Erfindung und deren weitere Merkmale und Vorteile werden anhand des in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.

Nach dem Fliessbild der Zeichnung wird getrockneter Klärschlamm (10) mit einer Restfeuchte von ca. 5 bis 10 Gewichts-% in das untere Ende eines als Steigrohr mit Rohrschleife ausgebildeten Flugstromreaktors (12) eingeführt und dort unter Zusatz von Kalksteinmehl und/oder Zementrohmehl (11) mit z.B. auf 20 850°C vorerhitzter Brennluft (13), die zweckmässigerweise Kühlerabluft des dem Drehrohrofen (14) nachgeschalteten nicht dargestellten Klinkerkühlers ist, verbrannt. Die Temperatur im Flugstromreaktor (12) ist in jedem Fall so hoch, dass die Geruchsstoffe der aus der thermischen Klärschlammbehandlung entstehenden Abgase mit Sicherheit zerstört werden. Bei einer Verbrennungstemperatur im Flugstromreaktor (12) von wenigstens 1250°C werden toxische Verbindungen wie z.B. Dioxine restlos zersetzt. 25 Das Mischungsverhältnis zwischen dem mineralische Bestandteile enthaltenden Klärschlamm (10) und dem Calziumträger (11) kann so eingestellt werden, dass nach der Verbrennung im Flugstromreaktor (12) aus dem Verbrennungsabgas (17) in einem Zyklonabscheider (15) ein Verbrennungsrückstand abgeschieden wird, der die Qualität eines Heissmehles (16) zur Herstellung von Zementklinker aufweist. Das aus dem Zyklonabscheider (15) abgezogene Abgas (17a) hat eine Temperatur von z.B. 870°C, so dass 30 gewährleistet ist, dass das Heissmehl (16) mit einer Temperatur von mindestens 800°C gewonnen werden kann, so dass das Heissmehl (16) bereits weitgehend kalziniert der Einlaufkammer (18) des Drehrohrofens (14) zur Herstellung von Zementklinker zugeleitet werden kann. Auf diese Weise werden die Klärschlamm-Verbrennungsrückstände samt darin enthaltener Schadstoffe problemlos in den Zementklinker eingebaut.

35 Der in die Klärschlamm-Verbrennungsstufe (12) zusätzlich eingeführte Calziumträger (11) ist in einem Zyklonschwebegas-Wärmetauschersystem vorerhitzt worden, das im Ausführungsbeispiel die Zyklone (19) und (20) aufweist und das vom Abgas (17a) der Verbrennungsstufe betrieben wird. Auf diese Weise wird die Wärmeenergie des z.B. 870°C heissen Abgases (17) ausgenutzt zur Vorwärmung und Vorerhitzung von Kalksteinmehl und/oder Zementrohmehl (21), das mit einer Temperatur von z.B. 25°C in das Zy-40 klonschwebegas-Wärmetauschersystem eintritt und über die Leitung (11) dem Flugstromreaktor (12) zugeführt wird. Das das Zyklonschwebegas-Wärmetauschersystem mit einer Temperatur von etwa 350°C verlassende Abgas (22) wird zusammen mit den flüchtigen Komponenten, darunter Hg, in einem Abgaskühler (23) auf eine Temperatur von etwa 150°C abgekühlt. Das abgekühlte Abgas wird dann in einer Ent-staubungseinrichtung (24), insbesondere Gewebefilter, entstaubt und einer Gaswäsche (25) zugeleitet. 45 Bei der nassen Gaswäsche (25) wird das im Abgas enthaltene Hg in einer sauren wässrigen Lösung, insbesondere in chlorsaurer oder schwefelsaurer Lösung konzentriert, die Lösung wird neutralisiert und dann wird durch Zugabe eines Fällungsmittels das Hg ausgefällt (26), wobei der verbleibende quecksilberangereicherte Schlamm nach seiner Entwässerung deponiert wird. Das Abgas (27), bei dem der Grenzemissionswert 0,2 mg Hg/Nm3 Abgas mit Sicherheit unterschritten ist, wird ggf. nach Wiederauf-50 heizung dem Schornstein zugeleitet.

Die oben beschriebene Anlage zur thermischen Entsorgung von Klärschlamm mit Verwertung des Klärschlammes bei der Herstellung von Zementklinker ist im Ausführungsbeispiel der Zeichnung einer konventionellen Zementklinkerproduktionslinie parallel geschaltet, die ein mehrstufiges Zyklonschwebe-gas-Wärmetauschersystem 128) zur Vorerhitzung und ggf. vollständigen Kalzinierung von Zementroh-55 mehl (29) aufweist, wobei das kalzinierte Heissmehl (30) zusammen mit dem Heissmehl (16) in die Einlaufkammer (18) des Drehrohrofens (14) eingeführt wird. Charakteristisch für die zeichnerisch dargestellte sogenannte Zwillingsanlage ist also, dass die Klärschlammverbrennungslinie (links) und die Zementklinkerproduktionslinie (rechts) Abgas-seitig voneinander völlig getrennt sind, jedoch Heissmehl-seitig über den gemeinsamen Drehrohrofen (14) miteinander verbunden sind. Gemäss der gestrichelt gezeich-60 neten Leitung (31) kann wenigstens ein Teilstrom des Abgases des Drehrohrofens (14) (sogenanntes Bypassgas) zur Nutzung von dessen Energieinhalt und auch als Fördergas in das untere Ende des Flugstromreaktors (12) eingeführt werden. Der gestrichelte Pfeil (32) soll andeuten, dass auch die Möglichkeit bestünde, wenigstens einen Teilstrom von Zementrohmehl aus der Zementklinkerproduktionslinie abzuzweigen und an geeigneter Stelle in das Zyklonschwebegas-Wärmetauschersystem der Klärschlamm-65 verbrennungslinie einzuführen.

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Es besteht auch die Möglichkeit, dem Flugstromreaktor (12) bei (10) nicht einen trockenen, sondern einen mechanisch vorentwässerten feuchten Klärschlamm mit z.B. 60 Gewichts-% HaO, d.h. mit einer Trockensubstanz TS von 40% aufzugeben und diesen Klärschlamm im Reaktor (12) zu trocknen und zu verbrennen. Vor Einbringen in den Flugstromreaktor (12) kann der feuchte Klärschlamm in einem nicht dargestellten Mischer mit einem Calziumträger wie Kalksteinmehl und/oder Zementrohmehl vorvermischt werden, wodurch einerseits der Klärschlamm bereits eine Vortrocknung erfährt und andererseits die Dispergierung des Klärschlamms im Gleichstromsuspensionsreaktor (12) erleichtert werden kann.

Es folgen zwei Zahlenbeispiele der Erfindung mit a) Einsatz getrockneten Klärschlamms (10) mit Restfeuchte 10 Masse-% H2O,

b) Einsatz mechanisch vorentwässerten Klärschlamms (10) mit Feuchte 60 Masse-% H2O.

zu a): Stoffbilanz EINTRAG:

—Heissluft (13):

2.623 m3 (i.N.), 900°C, 79 VoL-% N2, 21 Vol.-% O -Klärschlamm (10):

1.111 kg, 25°C, 10 Masse-% H20,90 Masse-% TS Hu = 8,8 MJ/kg TS, 8 mg Hg/kg TS

—Zementrohmehl (21):

6.600 kg, 25°C

AUSTRAG:

- Abgas (22):

4.350 m3 (Î.N.), 237°C, 16,9 VoL-% H20, Hg : 0,206 vpm *1,84 mg Hg/m3 (i.N.)

— Heissmehl (16):

5.563 kg, 850°C

zu b): Stoff- und Energiebilanz

Eintrag:

— Heissluft (13):

2,896 m3 (i.N), 850°C, 79% N2,21% 02 (vol.)

- Klärschlamm (10):

2.500 kg, 25°G, 60,0% H20 (40% TS)

Hu = 8,8 MJ/kg TS

7,5% AI2Q3 22,0% C

4,0% Fe2Oà 3,5% H 4,5% MgO 2,0% N 16,0%0 8,0%P40IO 8 mg Hg/kg TS

10,0% CaO 0,1% Cl

0,001% Cd 1,5% S

21,0%SiO2

Kalksteinmehl eingeführt: zusammen mit Klärschlamm (10): 837 kg, 25°C,

90,0% CaC03 5,0% SÌO2 5,0% AI2O3 + Fe203

Kalksteinmehl (21): 1.644 kg, 25°C,+

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Austrag:

- Abgas (22):

5.570 m3 (I.N.), 350°C, 16,3% CO2

Heissmehl (16): 2.050 kg, 870°C,SiQ2:

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40,5% H2O (vol.)

41,5% N2

1,8% 02

Hg:

0,08 vpm = 0,71 mg Hg/m3 (i.N.)

HgCfe:

0,08 vpm

NO:

29 vpm

Cd:

0,29 vpm

SO2:

18 vpm

FeCl3 + CaCl2:

0,16 vpm

19,0%

AI2O3:

7,7%

Fe2C>3:

5,5%

CaO:

67,8%

25

Energiebilanz:

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H (Eintrag) = -4,0540 x 1010 Joule AH = Haus — Hein

H (Austrag) = -4,0585 x 1010 Joule -4,5 x107 Joule

Wärmeverluste im Flugstromreaktor und Zyklonwärmetauschersystem

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur thermischen Entsorgung von feinkörnigen Abfallstoffen, insbesondere Klärschlamm, mit Verwertung des Abfallstoffes bei der Herstellung von Zementklinker, dadurch gekennzeichnet, dass der Abfallstoff (10) ausserhalb der Zementklinkerproduktionslinie verbrannt (12) wird, dass das Abgas (17a) der Abfallstoffverbrennung, für sich getrennt, in einer eigenen Abgasreinigung mit Abtrennung der im Abgas enthaltenen Schadstoffe gereinigt wird und dass das aus dem Abgas abgetrennte Heissmehl (16) in einen Drehrohrofen (14) zur Herstellung von Zementklinker eingeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zu verbrennende Abfallstoff, wie Klärschlamm (10), unter Zusatz von Kalksteinmehl und/oder Zementrohmehl verbrannt wird, und zwar in einem solchen Mischungsverhältnis, dass nach der Verbrennung aus dem Verbrennungsabgas (17, 17a) ein Verbrennungsrückstand abgeschieden wird, der die Qualität eines ggf. vollständig kalzinierten Heissmehles (16) zur Herstellung von Zementklinker aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennung des Abfallstoffes, wie Klärschlamm (10), in einem Flugstromreaktor (12) durchgeführt wird, in dem die Feststoffe mit vorerhitzter Brennluft (13), insbesondere Klinkerkühlerabluft, suspendiert werden.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das in die Abfallstoff-Verbrennungsstufe eingeführte Kalksteinmehl und/oder Zementrohmehl wenigstens zum Teil in einem Zyklonschwebe-gas-Wärmetauschersystem vorerhitzt worden ist, das vom Abgas (17a) der Verbrennungsstufe betrieben wird.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das aus dem Abgas der Abfallstoffverbrennung abgetrennte Heissmehl (16) zusammen mit kalziniertem Heissmehl von einer Zementroh-mehl-Vorerhitzungs- und gegebenenfalls Kalziniereinrichtung (28) in den Drehrohrofen (14) zur Herstellung von Zementklinker eingeführt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgas (22) der Abfallstoffverbrennung nach Abkühlung (23) auf etwa 150°C und nach Entstaubung (24) durch eine nasse oder trockene Gaswäsche von Quecksilber (Hg) befreit wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei der nassen Gaswäsche (25) das im Abgas enthaltene Hg in einer sauren wässrigen Lösung, insbesondere in chlorsaurer oder schwefelsaurer Lösung, konzentriert wird, die Lösung neutralisiert wird und dann durch Zugabe eines Fällungsmit-

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tels das Hg ausgefällt (26) wird, wobei der verbleibende quecksilber-angereicherte Schlamm nach seiner Entwässerung deponiert wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei der trockenen Gaswäsche das im Abgas enthaltene Hg an einem Feststoff-Sorbens gebunden wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass noch feuchter Klärschlamm (10), gegebenenfalls nach Vorvermischung mit einem Calziumträger, wie Kalksteinmehl und/oder f Zementrohmehl, in einen Flugstromreaktor (12) eingebracht und dort getrocknet und verbrannt wird.

10. Anlage zur thermischen Entsorgung von feinkörnigen Abfallstoffen, insbesondere Klärschlamm,

mit Verwertung des Abfallstoffes bei der Herstellung von Zementklinker, zur Durchführung des Ver- ?

fahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch einen Flugstromreaktor (12) zur Verbrennung des Abfallstoffes (10) und einen dem Reaktor nachgeschalteten Abscheidezyklon (15), dessen Abgasleitung (17a) zu einer eigenen Abgasreinigungseinrichtung einschliesslich mit Quecksilberabtrennung (25, 26) führt und dessen Feststoffaustrag (16) zum Austrag der Verbrennungsrückstände zum Einlauf eines Drehrohrofens (14) zur Herstellung von Zementklinker geführt ist.

11. Anlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie einer Zementklinkerproduktionslinie mit Zementrohmehl-Vorerhitzer und ggf. -Kalzinator (28) parallelgeschaltet ist und dass die Abfallstoff-Verbrennungslinie und die Zementklinkerproduktionslinie Abgas-seitig voneinander völlig getrennt sind,

jedoch Heissmehl-seitig über den gemeinsamen Drehrohrofen (14) miteinander verbunden sind.

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