CH690790A5 - Verfahren zur thermischen Behandlung von Abfallmaterial. - Google Patents

Description

  
 



  Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur thermischen Behandlung von Abfallmaterial unter Gewinnung thermischer Energie gemäss dem Oberbegriff des Anspruches 1. 



  Die Entgasung als ein thermisches Verfahren zur Energiegewinnung aus Abfall, auch Pyrolyse, Schwelung oder Verkokung genannt, ist bekannt (vgl. dazu Fachzeitschrift Müll und Abfall 12/1978 oder Schweizer Patent Nr. 688 871. Bei allen auf Entgasung basierenden Verfahren wird der Abfall unter Sauerstoffausschluss durch direkte oder auch indirekte Wärmezufuhr erhitzt. Dabei werden die organischen Verbindungen im Abfall instabil; die flüchtigen Bestandteile entweichen, und die nicht flüchtigen werden in Koks umgewandelt. 



  Die bei der Entgasung entstehenden Schwelgase haben einen hohen Heizwert. Bei einer direkten Verbrennung dieser Schwelgase in den herkömmlichen Nachbrennkammern mit Sauerstoff oder sauerstoffangereicherter Luft entstehen sehr hohe, schwer beherrschbare Temperaturen von über 2000 DEG C. 



  Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, das eine Beherrschung des Temperaturprofils bei der Verbrennung ermöglicht. 



  Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die im Kennzeichen des Anspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst. 



  Aus der DE-OS 3 307 848 ist es bekannt, brennbare Bestandteile enthaltende Prozessabgase aus der Metallurgie in einer zirkulierenden Wirbelschicht nachzuverbrennen und zu reinigen, wobei die Prozessabgase und sauerstoffhaltige Gase getrennt in den Wirbelschichtreaktor eingeleitet werden, und darin in Gegenwart von Gasreinigungsmittel enthaltendem Feststoff nachverbrannt und gleichzeitig gereinigt werden. Die eingesetzten Prozessabgase haben einen niedrigen Heizwert. 



  Beim erfindungsgemässen Verfahren handelt es sich um Pyrolyse von Abfall, insbesondere Müll, bei welcher, wie bereits erwähnt, bei der Verbrennung der Schwelgase mit Sauerstoff sehr hohe Temperaturen entstehen; durch die erfindungsgemässe Verbrennung in einer zirkulierenden Wirbelschicht werden optimale und einheitliche Reaktionsbedingungen für die Verbrennung geschaffen, da eine sehr homogene Temperaturverteilung erreicht wird. Gleichzeitig wird eine sehr effiziente Kühlung der heissen Schwelgase erzielt. Die in der Wirbelschicht vorhandene Gas-Feststoffströmung ergibt einen sehr guten Wärmeübergang, was zu einer Verkleinerung der Wärmeübertragungsflächen und damit auch des Kessel-Bauvolumens führt.

   Auch die durch die Verbrennung mit Sauerstoff erreichte Rauchgasmengenreduktion bewirkt eine Verkleinerung des Bauvolumens des Wirbelschichtreaktors und der nachgeschalteten Aggregate, eine Vergrösserung des Kesselwirkungsgrades, eine Aufwandreduktion für Gasreinigung und eine Herabsetzung der Korrosionsgefahr der Wärmeübertragungsflächen. 



  Ein Problem bei thermischer Behandlung von Abfall ist die Entstehung von Stickoxiden. Diese können aus Gründen des Umweltschutzes nicht frei an die Umgebung abgegeben werden. Es sind bereits mehrere Verfahren bekannt, so  z.B. das SNCR-Verfahren (Selective Noncatalytic Reduction Process), siehe US-PS 3 970 739, bei welchem Stickoxide in Rauchgasen durch Einsprühen einer Ammoniaklösung oder anderer geeigneter Reduktionsmittel, in Gegenwart des ohnehin vorhandenen Sauerstoffs, zu Stickstoff reduziert werden. Das Ammoniak wird dazu üblicherweise an geeigneter Stelle in den Rauchgasstrom eingeleitet. Dabei spielt die Rauchgastemperatur an der Einleitstelle eine grosse Rolle. Sie muss zwischen 700 DEG  und 1100 DEG C liegen. Bei zu niedriger Rauchgastemperatur wird ein grosser Ammoniaküberschuss benötigt.

   Das nichtreagierte Ammoniak im Rauchgas wird als Schlupf bezeichnet und stellt eine Umweltbelastung dar. Bei zu hoher Temperatur verbrennt ein Teil des Ammoniaks. In beiden Fällen ist die benötigte Ammoniakmenge unnötig hoch. Entlang des Rauchgasweges durch Nachbrennkammer und Kessel nimmt die Temperatur der Rauchgase kontinuierlich ab. Das Ammoniak wird an der Stelle optimaler Rauchgastemperatur eingeleitet. Dabei stellt sich jedoch das Problem, dass das Rauchgastemperaturprofil vom Betriebszustand der Anlage und vom verbrannten Abfallmaterial abhängt. Das bedeutet, dass auch die Lage der optimalen Einleitstelle vom Betriebszustand der Feuerung abhängt. 



  Die Ausgestaltung der Brennkammer als zirkulierende Wirbelschicht ermöglicht eine Lösung des Problems der Wahl der Ammoniak-Einleitstelle für die Rauchgasentwicklung. Die zirkulierende Wirbelschicht zeichnet sich neben der Temperaturkonstanz auch durch ein gutes Temperaturregelverhalten aus. So kann z.B. der in den Fliessbettkühler umgeleitete Feststoffmengenstrom geregelt werden. Dies erlaubt eine Regelung des aus der Brennkammer abgeführten Wärmestroms und damit eine genaue Regelung der Temperatur in der Brennkammer unabhängig vom Betriebszustand in der  Pyrolysekammer. Dadurch kann eine feste Ammoniak-Einleitstelle gewählt werden, da das Rauchgastemperaturprofil in Brennkammer und Kessel nicht mehr vom Betriebszustand der Feuerung abhängt.

   Dies ermöglicht zudem eine Minimierung des Ammoniakverbrauchs zur Stickoxidminderung durch Wahl einer optimalen Temperatur in der Brennkammer und dies unabhängig vom Betriebszustand in der Pyrolysekammer. 



  Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung näher erläutert. Drei Varianten des erfindungsgemässen Verfahrens sind in der Zeichnung dargestellt und im Folgenden näher beschrieben. 



  Es zeigen: 
 
   Fig. 1 ein Fliessschema einer ersten Verfahrensvariante; 
   Fig. 2 ein Fliessschema einer zweiten Verfahrensvariante; 
   Fig. 3 ein Fliessschema einer dritten Verfahrensvariante. 
 



  Gemäss Fig. 1 werden Abfallstoffe in einer an sich bekannten und nicht näher dargestellten Weise in einer Pyrolysekammer 2 einer Entgasung unterzogen. Die Abfallzufuhr ist mit einem Pfeil 1 bezeichnet. Die Abfallzufuhr und die Entgasung kann beispielsweise in der im Schweizer Patent Nr. 688 871 beschriebenen Art und Weise erfolgen. Bei der Entgasung entstehende Schwelgase treten in eine Brennkammer 4a  ein (der Übergang von Pyrolysekammer 2 zur Brennkammer 4a ist mit einem Pfeil 3 bezeichnet), die erfindungsgemäss als ein Wirbelschichtreaktor ausgebildet ist. In der Brennkammer 4a werden die als Fluidisierungsgase eingesetzten Schwelgase unter Sauerstoffzufuhr (in Fig. 1 mit Pfeil 5 angedeutet) nachverbrannt.

   Als Wirbelschicht-Feststoff kann Kalk, Sand und andere Materialien verwendet werden; in einer bevorzugten Weise kann auch der bei der Pyrolyse anfallende Müllkoks - von Inertstoffen befreit und fein aufgemahlen - in Partikelform in die Wirbelschicht eingetragen und dort mitverbrannt werden. 



  Die Wände der Brennkammer 4a sind als Kühl- bzw. Wärmeübertragungsflächen ausgestaltet; allenfalls können weitere Wärmeübertragungsflächen direkt in der Wirbelschicht angeordnet werden. Diese Wärmeübertragungsflächen sind in Fig. 1 symbolisch mit 6 bezeichnet. 



  Der Wirbelschichtreaktor wird mit einer derart grossen Gasgeschwindigkeit betrieben, dass zumindest ein Teil der Feststoffpartikel zusammen mit dem Rauchgasstrom aus der Brennkammer 4a ausgetragen wird. Über eine Leitung 7 in einem Staubabscheider 8 angelangt, wird der Feststoff vom Rauchgasstrom getrennt. Der Staubabscheider 8 kann z.B. als ein Zyklon, ein Staubfilter oder als ein Elektrofilter ausgebildet werden. Der abgeschiedene Feststoff wird über eine Leitung 9 in die Brennkammer 4a zurückgeführt, sodass eine zirkulierende Wirbelschicht entsteht. Die vom Feststoff befreiten und gekühlten Rauchgase strömen über eine Leitung 10 zu weiteren, nicht dargestellten Rauchgasreinigungs- bzw. Rauchgaskühlungseinrichtungen, bevor sie in die Atmosphäre gelangen. 



  Gemäss Fig. 2, in der die aus Fig. 1 bekannten und gleich bleibenden Teile des Fliessschemas mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind, ist die zirkulierende Wirbelschicht um einen externen Fliessbettkühler 12 erweitert. Dieser erlaubt, einen Teil der Wärmeabfuhr aus der Brennkammer 4b auszulagern. Ein Teil des im Staubabscheider 8 abgesonderten Feststoffes wird über Leitung 13 in den Fliessbettkühler 12 umgeleitet, wo er in einer stationären Wirbelschicht (Fliessbett) durch direkten oder indirekten Wärmeübergang abgekühlt wird (entsprechende Wärmeübertragungsflächen des Fliessbettkühlers 12 sind mit 15 symbolisch bezeichnet) und danach über eine Leitung 14 erneut in die Brennkammer 4b gelangt. In der Brennkammer 4b nimmt dieser Feststoff die Wärme aus den heissen Schwelgasen auf und erwärmt sich auf die in der Brennkammer 4b herrschende Mischtemperatur.

   Bei dieser Variante kann auf die zusätzlichen Kühlungsflächen in der Brennkammer 4b verzichtet werden, da der rezirkulierte, im Fliessbettkühler 12 gekühlte Teil des Feststoffes die Kühlungsfunktion übernimmt. 



  Ein für den Betrieb des Fliessbettkühlers 12 benötigtes Fluidisierungsgas wird dem Fliessbettkühler 12 über eine Leitung 16 zugeführt und oberhalb des Fliessbettes zu einer weiteren Verwendung wieder abgezogen (Leitung 17). 



  Bei der in Fig. 3 dargestellten Variante wird der gesamte, vom Rauchgasstrom im Staubabscheider 8 abgesonderte Feststoff durch den Fliessbettkühler 12 geleitet und gekühlt in die Wirbelschicht der Brennkammer 4c rezirkuliert. 



  Durch die Verlagerung der ansonsten am stärksten von Korrosionserscheinungen betroffenen Wärmeübertragungsflächen in den Fliessbettkühler 12 (Fig. 2 und 3) wird eine starke Verminderung der Kesselkorrosion erreicht. Im Fliessbettkühler 12 werden die Wärmeübertragungsflächen 15 weniger der Korrosion ausgesetzt, da hier die stark korrosiv wirkenden Rauchgase gar nicht zum Einsatz kommen. 



  Bei den in Fig. 2 und 3 dargestellten Verfahrungsvarianten wird eine grosse Menge gekühlten Feststoffes in die Wirbelschicht eingetragen, damit die Verbrennung der Schwelgase auf niedrigem Temperaturniveau von ca. 900 DEG C durchgeführt werden kann; die mittlere Suspensionsdichte liegt mindestens bei 20-50 kg/Nm<3>. Wird auf den Fliessbettkühler 12 verzichtet (Variante nach Fig. 1), so muss die Suspensionsdichte der Gas-Feststoffmischung noch wesentlich höher gewählt werden, z.B. 50-100 kg/Nm<3>, um einen genügenden Wärmeübergang an die als Kessel ausgestalteten Wände des Wirbelschichtreaktors zu gewährleisten. 



  Bei den in Fig. 2 und 3 dargestellten Verfahrensvarianten kann die Temperatur in der Brennkammer 4b bzw. 4c unabhängig vom Betriebszustand in der Pyrolysekammer 2 genau geregelt werden, indem der Eintrag des im Fliessbettkühler 12 gekühlten Feststoffes geregelt wird. Dies ermöglicht, dass Ammoniak als Reduktionsmittel zur Stickoxidabscheidung in die Brennkammer 4b bzw. 4c oder in den Staubabscheider 8 bzw. Zyklon optimal eingeleitet werden kann, und dass die Temperatur so gewählt wird, dass die Stickoxidabscheidung mit minimalem Ammoniakverbrauch durchgeführt werden kann. Vorzugsweise wird der Ammoniak in den Zykloneinlauf eingeleitet. 

Claims (10)

1. Verfahren zur thermischen Behandlung von Abfallmaterial unter Gewinnung thermischer Energie, wobei das Abfallmaterial unter Wärmeeinwirkung entgast wird und als festes Entgasungsprodukt brennbarer Koks und als flüchtiges Entgasungsprodukt brennbare Gase, die anschliessend zur Wärmegewinnung verbrannt werden, erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die brennbaren Gase in einer zirkulierenden Wirbelschicht unter Sauerstoffzufuhr verbrannt werden, wobei der aus der Wirbelschicht ausgetragene Feststoff vom Rauchgas abgetrennt (8) erneut in die Verbrennung (4a bzw. 4b bzw. 4c) zurückgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil des aus der Verbrennung (5) ausgetragenen Feststoffes in einem externen Fliessbettkühler (12) unter Wärmerückgewinnung abgekühlt und zurück in die Verbrennung geleitet wird.

3.

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Suspensionsdichte der Gas-Feststoffmischung in der Wirbelschicht mindestens 50-100 kg/Nm<3> beträgt.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Suspensionsdichte der Gas-Feststoffmischung in der Wirbelschicht mindestens 20-50 kg/Nm<3> beträgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Müllkoks als Entgasungsprodukt von Inertstoffen befreit und fein zu Partikelgrösse gemahlen in der Wirbelschicht mitverbrannt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in die Verbrennung (4a bzw. 4b bzw. 4c) zur Stickoxidentfernung Reduktionsmittel, vorzugsweise Ammoniak, eingeleitet werden.

7.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Entfernung der Feststoffe (8) nach der Verbrennung zur Stickoxidentfernung Reduktionsmittel, vorzugsweise Ammoniak, eingeleitet werden.

8. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einer Pyrolysekammer (2) und einer an die Pyrolysekammer (2) angeschlossenen Brennkammer (4a bzw. 4b bzw. 4c), dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer (4a bzw. 4b bzw. 4c) als ein Wirbelschichtreaktor ausgebildet ist, dem ein Staubabscheider (8) nachgeschaltet ist, wobei eine Rückverbindung (9) des Staubabscheiders (8) mit der Brennkammer (4a bzw. 4b bzw. 4c) vorhanden ist zum Rezirkulieren des im Staubabscheider (9) abgeschiedenen Feststoffes.

9.

Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wände des Wirbelschichtreaktors als Wärmeübertragungsflächen (6) ausgestaltet sind.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zum Rezirkulieren des im Staubabscheider (8) abgeschiedenen Feststoffes eine über einen externen Fliessbettkühler (12) zur Brennkammer (4b bzw. 4c) führende Rückverbindung (13, 14) vorhanden ist.