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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Meerwasserentsalzung durch
Einsatz biogener Stoffe und eine Vorrichtung zur Durchführung eines
derartigen Verfahrens. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren für die Aufbereitung
von Brack- oder Sickerwasser und eine Vorrichtung zur Durchführung eines
derartigen Verfahrens.
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Verfahren
und Vorrichtungen zur Meerwasserentsalzung sind bereits bekannt.
Stand der Technik sind netzbetriebene Umkehrosmose-Einheiten oder „dual-purpose-Anlagen"; hier wird im Regelfall mit
einer Gas- und Dampfturbinenanlage Strom erzeugt, und die Abwärme wird
zur thermischen Meerwasserentsalzung genutzt.
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Aus
der
DE 39 41 431 A1 ist
ein Verfahren zur Deponiegas- und Sickerwasserentsorgung von Mülldeponien
bekannt, bei dem Sickerwasser aus einer Hausmülldeponie gereinigt wird, beispielsweise durch
ein Membranfiltrationsverfahren, insbesondere ein Umkehrosmoseverfahren.
Die dafür
erforderliche Energie stammt aus einem Abhitzekessel, dem verbranntes
Deponiegas zugeführt
wird.
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Die
DE 27 11 907 A1 offenbart
eine Vorrichtung zur Erstellung einer Miete aus Müll bzw. Müll-Klärschlammgemischen
in zerkleinerter und aufbereiteter Form zur Kompostierung durch
thermische Rotte, die ein Belüftungsgerüst für die Kompostmiete
aufweist. Das Müllgut
kann bis zu einem Feuchtigkeitsgrad von 20 bis 25% getrocknet werden,
der für
die Verfeuerung durch Verbrennung ausreichend ist, ohne weitere
Brennstoffe in den Brennprozeß mit
hineinbringen zu müssen.
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Aus
der
DE 198 32 269
A1 ist ein geschlossener Behälter zur Kompostierung von
Rottegut bekannt.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein vorteilhaftes Verfahren und eine vorteilhafte
Vorrichtung zur Meerwasserentsalzung und/oder zur Aufbereitung von
Brack- oder Sickerwasser zu schaffen.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe bei einem Verfahren zur Meerwasserentsalzung und/oder zur
Aufbereitung von Brack- oder Sickerwasser durch Einsatz biogener
Stoffe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
handelt es sich um ein Verfahren, bei dem biogene Stoffe biologisch
oder biologisch-mechanisch aufbereitet werden, indem die biogenen Stoffe
unter Zwangsbelüftung
in einem Behälter
kompostiert werden, bei dem die derart aufbereiteten biogenen Stoffe
in Energie umgewandelt werden und bei dem durch die derart erzeugte
Energie Meerwasser entsalzt und/oder Brack- oder Sickerwasser aufbereitet
wird. Die Energiezufuhr kann teilweise, überwiegend oder vollständig durch
die biogenen Stoffe erfolgen. Bei dem Behälter kann es sich um einen
geschlossenen Behälter
handeln. Die Energieumwandlung erfolgt durch Verbrennung, Vergasung
und/oder Entgasung. Insbesondere kann die Energieumwandlung in einer
Gasturbine oder einem oder mehreren Gasmotoren erfolgen, in der
ein Pyrolysegas aus Trockenstabilat® thermisch
verwertet wird. Durch die Energieumwandlung wird eine Hochdruckpumpe
angetrieben, die ihrerseits eine Umkehrosmoseeinheit antreibt. Durch
die Umkehrosmoseeinheit wird Meerwasser entsalzt und/oder Brack-
oder Sickerwasser aufbereitet. Die Hochdruckpumpe wird direkt durch Rotationsenergie
der Welle einer Antriebsvorrichtung angetrieben.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den
Unteransprüchen beschrieben.
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Die
biogenen Stoffe bzw. die Stoffe und/oder Stoffgemische, die biogene
Stoffe enthalten, können unter
Zwangsbelüftung
kompostiert werden. Dies geschieht vorzugsweise in einem Behälter, bei
dem es sich vorzugsweise um einen geschlosse nen Behälter handelt,
der eine Einrichtung zur Zwangsbelüftung aufweist. Dabei ist es
vorteilhaft, wenn die biogenen Stoffe bei der Aufbereitung bzw.
Kompostierung auf einen Restfeuchtegehalt von höchstens 15% getrocknet werden.
Ein derartiges Aufbereitungsprodukt ist unter dem Markennamen Trockenstabilat® bekannt.
Vorzugsweise wird das Verfahren derart durchgeführt, daß die Kompostierung durch Trocknung
zum Stillstand gebracht wird, nachdem die biologisch leicht abbaubaren
Bestandteile der biogenen Stoffe abgebaut worden sind.
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Eine
weitere vorteilhafte Weiterbildung ist dadurch gekennzeichnet, daß durch
die Energieumwandlung ein Energieträger erzeugt wird. Dabei kann es
sich um Synthesegas, heißes
Rauchgas, Dampf, Heißwasser,
elektrischen Strom oder vorzugsweise Rotationsenergie handeln, aber
auch um weitere Energieträger.
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Vorteilhaft
ist es, wenn der Energieinhalt des Konzentrats aus der Umkehrosmoseeinheit
rückgewonnen
wird. Die Energierückgewinnung
erfolgt entweder durch einen Drucktauscher – bekannt aus
DE 44 05 365 A1 – oder eine
Expansionsturbine, die direkt die Hochdruckpumpe mit antreibt. Es
wird hier vorgeschlagen, beide Energierückgewinnungssysteme gegebenenfalls
parallel zu betreiben. Bei direktem Antrieb der Hochdruckpumpe mit
Rotationsenergie wird die Expansionsturbine zur Stromerzeugung genutzt,
um die gesamte Anlage mit elektrischer Energie zu versorgen (Energieautarkie).
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Die
Wärme,
die bei der Energiewandlung der biogenen Stoffe freigesetzt wird,
kann zur Meerwasserentsalzung genutzt werden. Es kann also über ein thermisches
Meerwasserentsalzungsverfahren zusätzlich Frischwasser erzeugt
werden (Frischwasser = Produktwasser).
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Das
geschilderte Verfahren gilt sinngemäß auch für die Aufbereitung von Brack- oder Sickerwasser.
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Bei
einer Vorrichtung zur Meerwasserentsalzung und/oder Aufbereitung
von Brack- oder
Sickerwasser durch Einsatz biogener Stoffe, insbesondere zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens,
wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe nach einem ersten
Vorschlag durch die Merkmale des Anspruchs 8 gelöst. Die erfindungsgemäße Vorrichtung
umfaßt
eine Aufbereitungseinrichtung für biogene
Stoffe, die einen Behälter
mit einer Einrichtung zur Zwangsbelüftung zum Kompostieren der
biogenen Stoffe umfaßt,
eine Energieumwandlungseinrichtung für die aufbereiteten biogenen
Stoffe und eine Meerwasserentsalzungseinrichtung und/oder eine Einrichtung
für die
Aufbereitung von Brack- oder Sickerwasser, wobei die Energieumwandlungseinrichtung
eine Pyrolyseeinrichtung und/oder eine Vergasungseinrichtung und/oder
eine Verbrennungseinrichtung und/oder eine Dampfturbine und/oder
eine Gasturbine und/oder einen oder mehrere Gasmotoren umfaßt. Bei
dem Behälter
kann es sich um einen geschlossenen Behälter handeln. Ferner umfaßt die erfindungsgemäße Vorrichtung
eine Hochdruckpumpe zum Antrieb einer Umkehrosmoseeinheit, die direkt
durch Rotationsenergie der Welle der Antriebsvorrichtung angetrieben
wird.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen sind in den weiteren Unteransprüchen beschrieben.
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Vorzugsweise
umfaßt
die Vorrichtung eine Energierückgewinnungseinrichtung,
insbesondere einen Drucktauscher und/oder eine Expansionsturbine
zum Rückgewinnen
der Energie des Konzentrats.
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Vorteilhaft
ist es, wenn die Vorrichtung eine thermische Meerwasserentsalzungseinheit
umfaßt.
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Als
biogene Stoffe kommen insbesondere Hausmüll oder hausmüllähnliche
Abfälle
in Betracht sowie Stoffe oder Stoffgemische, die Hausmüll oder hausmüllähnliche
Abfälle
enthalten oder daraus bestehen. Allerdings sind auch andere biogene
Stoffe zur Durchführung
des Verfahrens geeignet, beispielsweise biogene Reststoffe oder
sonstige Biomassen.
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Die
biogenen Stoffe werden insbesondere biologisch aufbereitet. Zusätzlich ist
auch eine mechanische Aufbereitung möglich. Beispielsweise kann zunächst eine mechanische
Aufbereitung durchgeführt
werden, an die sich dann eine biologische Aufbereitung anschließt.
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Die
aufbereiteten biogenen Stoffe werden anschließend zumindest teilweise in
Energie umgewandelt. Bei dieser Energiewandlung kann ein „Energieträger" entstehen. Durch
die derart erzeugte Energie wird Meerwasser entsalzt.
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Gemäß der Erfindung
wird erstmals der chemische Energieinhalt von biogenen Stoffen genutzt, um
damit im unmittelbaren Anlagenverbund eine Meerwasserentsalzung
durchzuführen.
Aus dem chemischen Energieinhalt der biogenen Stoffe kann insbesondere
mindestens ein Energieträger „erzeugt" werden, mit dessen
Hilfe Meerwasser entsalzt werden kann bzw. eine Anlage zur Meerwasserentsalzung
betrieben werden kann.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen im
einzelnen erläutert.
In der Zeichnung zeigt
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1 eine
Anlage zur Meerwasserentsalzung in einer schematischen Darstellung,
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2 eine
Abwandlung der in 1 gezeigten Anlage,
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3 eine
Abwandlung der Anlage mit einer integrierten Pyrolyse und Verbrennung
und
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4 eine
Abwandlung der Anlage gemäß 3.
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Bei
der in 1 gezeigten Anlage wird das Ausgangsprodukt 1,
das biogene Stoffe enthält,
beispielsweise Abfall und/oder Biomasse und/oder biogene Reststoffe,
als Brennstoff 2 in einer Aufbereitungsstufe 3 aufbereitet.
Der aufbereitete Brennstoff 4 wird einer thermischen Verwertung 5 zugeführt. Die dort
entstehende Wärme 6 wird
einer thermischen Entsalzungseinrichtung 7 zugeführt.
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In
der thermischen Verwertungseinrichtung 5 wird Antriebsenergie 8 erzeugt,
die sowohl der thermischen Entsalzungseinrichtung 7 als
auch einer Antriebsvorrichtung 9 zugeführt wird.
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Die
Antriebsvorrichtung 9 treibt über eine Welle 10 eine
Hochdruckpumpe 11 an. Der Hochdruckpumpe 11 wird
Meerwasser 12 über
eine Zuleitung 13 zugeführt.
Sie fördert
das Meerwasser über eine
Druckleitung 14 zu einer Umkehrosmoseeinrichtung 15,
in der die Meerwasserentsalzung stattfindet. Das entsalzte Meerwasser,
also das Frischwasser 16, wird abgeführt. Es kann gespeichert werden.
Das Konzentrat 17 aus der Umkehrosmoseeinrichtung 15 wird
einer Energierückgewinnungseinrichtung 18 zugeführt.
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In
der thermischen Entsalzungseinrichtung 7 wird Meerwasser 12 entsalzt.
Das Frischwasser 16 kann gespeichert werden. Das in der
thermischen Entsalzung entstehende Konzentrat 19 wird abgeführt.
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In
der Energierückgewinnungseinrichtung 18 wird
mechanische Energie erzeugt, die über eine Welle 20 der
Hockdruckpumpe 11 zugeführt
wird. Hierdurch wird der Bedarf an Antriebsenergie aus der Antriebsvorrichtung 9 vermindert.
Alternativ oder parallel kann hier eine Stromerzeugung erfolgen,
um die anderen Anlagenkomponenten gegebenenfalls mit elektrischer
Energie zu versorgen.
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Wie
aus 1 ersichtlich erfolgt gemäß der Erfindung nach einer
wie auch immer beschaffenen Aufbereitung 3 die Energiewandlung
des biogenen Einsatzstoffes 1; dies kann eine Verbrennung,
Vergasung, Entgasung etc. sein. Die dabei auftretenden Energieträger sind
je nach Verfahren: Synthesegas, heißes Rauchgas, Dampf, Heißwasser,
elektrischer Strom, Rotationsenergie einer Antriebswelle etc. Ein geeigneter
Energieträger,
vorzugsweise elektrischer Strom oder Rotationsenergie, wird genutzt,
um über eine
Antriebsvorrichtung 9, z. B. einen Elektromotor oder eine
Dampfturbine, eine Hochdruckpumpe 11 anzutreiben. Diese
Hochdruckpumpe 11 bringt Meerwasser 12 auf einen
so hohen Druck (rund 6 MPa und mehr), daß in einer nachgeschalteten
Umkehrosmoseeinheit 15 über
eine Membrantrennstufe eine Meerwasserentsalzung erfolgt. Der Energieinhalt
des Konzentrats 17 aus der Membrantrennstufe 15 wird über eine
Vorrichtung zur Energierückgewinnung 18 genutzt,
um den Energiebedarf zum Pumpenantrieb 11 zu reduzieren,
oder gegebenenfalls Strom zu erzeugen.
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Die
bei der Energiewandlung des biogenen Stoffes 1 unweigerlich
freigesetzte Wärme 6 wird
genutzt, um über
ein thermisches Meerwasserentsalzungsverfahren 7 zusätzlich Frischwasser 16 zu
erzeugen. Die hierbei erforderlichen Antriebsleistungen verschiedener
Aggregate können
durch entsprechende Energieträger,
die bei der Energiewandlung des biogenen Stoffes erzeugt werden,
abgedeckt werden. Denkbar ist aber auch, daß eine kleine Stromerzeugungsanlage
vorgesehen werden muß, wenn
z. B. eine Dampfturbine direkt die Hockdruckpumpe antreibt. Es ist
kaum vorstellbar, daß alle
Antriebe als Dampfantriebe gestaltet werden können.
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2 zeigt
eine Abwandlung der Anlage gemäß 1,
in der gleiche Teile mit gleichem Bezugszeichen versehen sind, so
daß sie
nicht erneut beschrieben werden müssen. Bei der Anlage gemäß 2 wird
in der Aufbereitung 3' Trockenstabilat® erzeugt.
Die Aufbereitungsvorrichtung ist in diesem Fall vorzugsweise ein
geschlossener Behälter
mit einer Einrichtung zur Zwangsbelüftung. In dem Behälter kann
ein Lochboden vorhanden sein, auf dem die biogenen Stoffe, insbesondere
Hausmüll
oder hausmüllähnliche
Abfälle
oder ein Gemisch, das Hausmüll oder
hausmüllähnliche
Abfälle
enthält,
in einer Schüttung
aufliegen. Dem Raum unter dem Lochboden wird Luft oder ein anderes
sauerstoffhaltiges Gas zugeführt,
insbesondere durch ein Gebläse.
Die Luft durchströmt
die Löcher
des Lochbodens und die darauf aufliegende Schüttung der biogenen Stoffe von unten
nach oben. Über
den biogenen Stoffen wird die Abluft abgezogen. Sie wird vorzugsweise
im Kreislauf geführt,
also den biogenen Stoffen ganz oder teilweise wieder zugeführt. In
dem Umluftkreis kann ein Wärmetauscher
vorgesehen sein, der der Umluft Wärme entzieht. Vorteilhaft ist
es, wenn die in der Umluft enthaltene Feuchtigkeit auskondensiert
wird, vorzugsweise in einem Wärmetauscher.
Das Verfahren wird derart ausgeführt,
daß das
Endprodukt einen Feuchtegehalt von höchstens 15% aufweist.
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Das
erzeugte Trockenstabilat® 4' wird einer energetischen Verwertungsanlage 5' zugeführt. Der in
der energetischen Verwertungsanlage 5' erzeugte Dampf 8' (Heißdampf)
wird einer Dampfturbine 9' zugeleitet
und dort unter Energieerzeugung entspannt. Der entspannte, abgekühlte Dampf 8'' wird zur energetischen Verwertungsanlage 5' zurückgeführt. Die Dampfturbine 9' treibt über eine
Welle 10 die Hochdruckpumpe 11 an. In der energetischen
Verwertungsanlage 5' werden
Wärme 6 und
elektrischer Strom 8''' erzeugt.
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Die
Energierückgewinnung
aus dem Konzentrat 17 der Umkehrosmoseeinrichtung 15 erfolgt in
einem Drucktauscher 18'.
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Bei
der Ausführungsform
nach 2 wird Trockenstabilat® 4' erzeugt und
in einer energetischen Verwertungsanlage (EVA) 5' verwertet.
Die Dampfturbine 9' treibt
direkt die Hockdruckpumpe 11 an. Eine Stromerzeugung ist
erforderlich (darstellerisch in die energetische Verwertungsanlage 5' integriert;
die Stromerzeugung kann aber auch alternativ durch eine Entspannung
des Konzentrats 17 aus der Umkehrosmoseeinrichtung 15 erzeugt
werden; vgl. 3). Ein Teil des Frischwassers 16 wird
als Speisewasser 21 genutzt, um Verluste im Wasser-/Dampfkreislauf 8', 8'' auszugleichen.
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3 zeigt
eine Abwandlung der Ausführungsformen
gemäß 1 und 2 mit
einer integrierten Pyrolyse und Verbrennung. Das Trockenstabilat® 4' aus der Trockenstabilat®-Erzeugung 3' wird in der
integrierten Pyrolyse- und Verbrennungseinrichtung 5'' pyrolisiert (IPV-Verfahren). Das
dabei entstehende Synthesegas 22 wird auf Brennkammerdruck
verdichtet (in der Zeichnung nicht dargestellt) und in einer Gasturbine 9'' oder – in der Zeichnung nicht dargestellt – in einem
oder mehreren Gasmotoren eingesetzt. Die Gasturbine 9'' treibt direkt die Hochdruckpumpe 11 an.
Die in der integrierten Pyrolyse- und Verbrennungseinrichtung 5'' und in der Gasturbine 9'' entstehende Abwärme 6 wird
der thermischen Entsalzungseinrichtung 7 zugeführt und
genutzt, um diese zu betreiben. Der elektrische Strom 23 zum
Antrieb von Hilfsantrieben wird separat durch Verstromung von Synthesegas 22 (in
der Zeichnung nicht dargestellt) oder durch Expansion des Konzentrats 17 aus
der Umkehrosmoseeinrichtung 15 in einer Turbine (Expansionsturbine)
mit Generator 18'' erzeugt.
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Die
thermische Entsalzungseinrichtung 7 ist nicht zwingend,
sondern optional. Wenn sie nicht vorhanden ist, wird die Abwärme 6 an
die Umgebung abgeführt.
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Die 4 zeigt
eine Abwandlung der Ausführungsform
gemäß 3.
Hier wird ein Teil 17' des Konzentrats
aus der Umkehrosmoseeinrichtung 15 einer Turbine/Generator-Einheit 23 zugeführt, die eine
Turbine 24 und einen Generator 25 umfaßt. Der erzeugte
elektrische Strom 26 wird in der Trockenstabilat®-Erzeugung 3', der integrierten
Pyrolyse- und Verbrennungseinrichtung 5'' und
in der thermischen Entsalzungseinrichtung 7 oder anderen
Anlagenkomponenten verwendet.
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Der
verbleibende Teil 17 des Konzentrats aus der Umkehrosmoseeinrichtung 15 wird
einem Drucktauscher 27 zugeführt. Im Drucktauscher 27 wird
der Energieinhalt des Konzentrats auf einen Teil des Meerwassers 12 übertragen.
Das Konzentrat aus dem Drucktauscher 27 wird abgeführt.
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Durch
die Erfindung werden ein Verfahren und eine Vorrichtung für die gleichzeitige
mechanische und thermische Meerwasserentsalzung geschaffen. Die
thermische Meerwasserentsalzung ist allerdings nicht zwingend erforderlich.
Sie ist in bestimmten Anwendungsfällen allerdings vorteilhaft.
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Das
erfindungsgemäß Verfahren
und die erfindungsgemäße Vorrichtung
können
in völliger
Energieautarkie realisiert werden. Ein Strombezug aus fremden Quellen,
beispielsweise einem Stromnetz oder sonstigen Quellen, ist nicht
erforderlich. Auch ein Bezug sonstiger fossiler Energieträger ist
nicht nötig.
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Die
Erfindung ermöglicht
den direkten Antrieb der Hauptpumpe der Umkehrosmoseeinrichtung
durch eine Gasturbine, Dampfturbine, Gasmotor, etc.
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Gemäß der Erfindung
kann das Konzentrat aus der Umkehrosmoseeinrichtung zur Energierückgewinnung
derart genutzt werden, daß ein
Teil über einen
Drucktauscher zusätzlich
Meerwasser auf den für
die Membrantrennung erforderlichen Druck bringt und so den Durchsatz
der Anlage erhöht,
wodurch wiederum der spezifische Energiebedarf abgesenkt wird (dies
ist in 4 dargestellt), und daß der andere Teil über eine
Expansionsturbine zur Stromerzeugung genutzt wird, um die gesamte
Anlage mit elektrischer Energie zu versorgen (auch dies ist in 4 dargestellt).
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Ein
weiterer mit der Erfindung verbundener Vorteil besteht darin, daß sich der
Einsatzstoff, vorzugsweise Trockenstabilat®, und
das Endprodukt, vorzugsweise Trinkwasser, beliebig speichern lassen.
Bei der energetischen Verwertung von Trockenstabilat® nach
dem Stand der Technik ist dies nicht der Fall, da Strom und Wärme erzeugt
werden, die nicht oder nur äußerst eingeschränkt speicherbar sind.
Bei der bekannten Meerwasserentsalzung ist dies ebenfalls nicht
möglich,
da als Einsatzenergie Strom oder Wärme verwendet werden.