DE10130853B4

DE10130853B4 - Verfahren zur Aufbereitung von Reststoffgemengen

Info

Publication number: DE10130853B4
Application number: DE10130853A
Authority: DE
Inventors: Guenther Hirschmann
Original assignee: Hirschmann Guenther Dr
Current assignee: Hirschmann Guenther Dr
Priority date: 2001-06-28
Filing date: 2001-06-28
Publication date: 2005-11-24
Anticipated expiration: 2021-06-29
Also published as: DE10130853A1

Abstract

Verfahren zur Aufbereitung von Reststoffgemengen und zur Konvertierung von kohlenstoffhaltigen Rest- und Rohstoffen in den Reststoffgemengen, wobei die in den Reststoffgemengen enthaltenen kohlenstoffhaltigen Rest- oder Rohstoffe als Prozessmaterial von anorganischen und/oder metallischen Bestandteilen getrennt werden, feste Bestandteile des Prozessmaterials nach einer Trennung aus einer wässrigen Phase pelletiert und anschließend in einem Druckreaktor in ein im wesentlichen Wasserstoff enthaltendes Prozessgas zur Erzeugung von Energie umgewandelt werden und aus der wässrigen Phase die Bestandteile des Prozessmaterials durch Fermentation Biogas zur Erzeugung von Energie gewonnen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die nach der Fermentation erhaltene wässrige Phase aufbereitet wird (16) und das bei dieser Aufbereitung erhaltene Wasser als Prozesswasser dem Verfahren wieder zugeführt wird, und zwar vorzugsweise als Prozesswasser für den Druckreaktor oder Steamreformer (17), und dass bei einer Aufbereitung des Prozessmaterials und/oder bei einer Entnahme der festen Bestandteile in diesem Material vorhandener Kunststoff während einer Sink-Schwimm-Trennung für eine weitere Aufbereitung separiert wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß Oberbegriff Patentanspruch 1.

Ein derartiges Verfahren ist Gegenstand der DE 198 09 400 C1 . In der DE 44 02 559 C2 werden weiterhin ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung zur Konversion pflanzlich gebundener Sonnenenergie und von biologischem Material offenbart. Hierbei werden verschiedene Verfahrenslinien beschrieben, die abhängig vom biologischen Ausgangsmaterial spezifisch die Umwandlung zu wieder verwendbaren Endprodukten gestatten. Insbesondere ist auch eine Vergärungsstufe mit Alkoholdestillation des organischen Materialbreis vorgesehen. Der während der Vergärungsstufe anfallende Alkohol wird nach der Lehre der DE 44 02 559 C2 von den übrigen Vergärungsprodukten abgetrennt, wobei die übrigen Vergärungsprodukte, z. B. Gas, Fuselöle und Schlempe, einem Blockheizkraftwerk zugeführt werden.

Zwar unterliegt das in der DE 44 02 559 C2 vorgeschlagene Verfahren einer strikten Beachtung des Kreislaufprinzips, doch weisen die dort offenbarten Verfahren den Nachteil auf, dass nur ein suboptimaler Wirkungsgrad, bezogen auf die in den Rest- und Abfallstoffen gespeicherte chemische Energie, erzielt wird. Auch ist das Problem der vom Blockheizkraftwerk ausgestoßenen Abgase nicht befriedigend gelöst. Ferner sind stets mehrere Verfahrenslinien zur Behandlung verschiedener organischer Ausgangsstoffe erforderlich.

Bekannt ist weiterhin ein Verfahren zur Vergasung von Klärschlamm u. a. kohlenstoffhaltigen Abfällen in einem Wirbelschicht-Vergaser ( DE 36 03 054 A1 ).

Bekannt ist ferner ein Verfahren zur Gewinnung von Rohstoffen und Energie aus Biomasse ( DE 44 40 750 C1 ). Bei diesem Verfahren, bei dem die Biomasse einer anaeroben Umsetzung, beispielsweise Gärung oder Kompostierung unterzogen wird, wird Überschusswasser aus der anaeroben Gärung u. a. in einer Vergasungsanlage wieder verwendet.

Bekannt ist weiterhin ( US 4,289,625 ) eine Abtrennung von Reststoffen in einer Biogasanlage und die Rückführung des überschüssigen Prozesswassers an einen anaeroben Fermenter dieser Anlage.

Bekannt ist schließlich auch die Konvertierung von biologischem Material in einen Energieträger, wie Wasserstoffgas, Methanol, elektrischen Strom und in Dünger ohne Anwendung von Pyrolyse und/oder Verbrennung ( DE 198 57 870 A1 ), wobei bei diesem bekannten Verfahren ein Aufbereiten des Materials und Ausscheiden von flüssigen Bestandteilen und anschließendes Fermentieren der flüssigen Bestandteile sowie Umwandeln der verbliebenen festen Bestandteile zu Gasen und Düngemitteln erfolgen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, unter strenger Berücksichtigung des Kreislaufprinzips den Wirkungsgrad bei der Verwertung von kohlenstoffhaltigen Rest- und/oder Rohstoffen noch weiter zu verbessern, die sich aus der Verfahrensdurchführung ergebenden ökologischen Belastungen auf ein Minimum zu reduzieren und zugleich ein einfaches vom organischen Prozessmaterial unabhängiges Verfahren zur Verfügung zu stellen.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Verfahren entsprechend dem Patentanspruch 1 ausgebildet.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine Sink-Schwimm-Trennung vor der Pelletierung und der Verarbeitung in dem Druckreaktor bzw. Steamreformer von großem Vorteil ist, um insbesondere im Prozessmaterial vorhandene Kunststoffe zu entfernen und somit auch ein Ausscheiden oder zumindest Reduzieren des PVC-Anteils zu ermöglichen, so dass eine lange Lebensdauer für die zum Durchführen des Verfahrens verwendete Anlage und insbesondere für den Steamreformer oder Druckreaktor zu gewährleist ist.

Besonderheiten dieses erfindungsgemäßen Verfahrens bestehen unter anderem darin, dass das Prozesswasser aus dem Verfahren zurückgewonnen wird, was einen wesentlichen Beitrag zur Verwirklichung eines geschlossenen Kreislaufprinzips darstellt und zu einer weiteren wesentlichen Umweltentlastung führt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Trennen der festen und flüssigen Bestandteile des im Prozess befindlichen Materials, bzw. des Prozessmaterials in einer Sink-Schwimm-Trennung, in der zugleich auch die Umwandlung kohlenstoffhaltiger Bestandteile des Prozessmaterials, insbesondere der flüssigen Phase in Biogas erfolgt. Dies stellt eine wesentliche Vereinfachung des gesamten Verfahrensablaufs dar.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen:
1 ein schematisches Blockschaltbild einer Anlage zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens;
2 und 3 in sehr vereinfachter schematischer Darstellung eine Beckenanordnung zur Verwendung bei der Anlage der 1.
Die 1 zeigt in einem vereinfachten Blockschaltbild die Elemente bzw. Verfahrensschritte einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei wesentliche Bestandteile dieser Ausführungsform des Verfahrens unter anderem die in Becken durchgeführte Sink-Schwimm-Trennung, die Pelletierung der durch Abscheiden z.B. über Rechen aus den Becken entfernten schwimmenden Festbestandteile nach einem Feinschreddern und einer Kunststoffabscheidung oder – klassifizierung, die Pelletierung der in den Becken abgeschiedenen Sink-Fraktion nach einem Feinschreddern und Schrägsortieren, die Verarbeitung des gewonnenen Biogases in wenigstens einer Turbine, die Umwandlung der pelletierten Festbestandteile in wenigstens einem Steamreformer in ein Prozessgas mit hohem Wasserstoffanteil, die Umwandlung des Wasserstoffs mittels wenigstens einer Brennstoffzelle in elektrischen Strom sowie die Verwendung der übrigen Gasbestandteile des im Steamreformer gewonnenen Prozessgases in der Turbine.
Im einzelnen lässt sich das in der 1 dargestellte Verfahren, wie folgt, beschreiben.
In einer Vorsortierung (1) erfolgt zunächst eine Trennung des Eingangsmaterials, welches ein kohlenstoffhaltiges Rest- und/oder rohstoffenthaltendes Stoffgemenge unterschiedlichster Art sein kann, beispielsweise Müll, auch Hausmüll, Abfälle aus landwirtschaftlicher Produktion oder aus der Nahrungsmittelherstellung (auch Schlachtabfälle, Essenreste), Holzabfälle, Grünabfälle sowie Biomasse jeglicher Art, in die kohlenstoffhaltigen Rest- und Rohstoffkomponente (Prozessmaterial) und in nicht verwertbaren Komponenten, insbesondere solche anorganischer, auch metallischer Konsistenz. Hierfür weist die Vorsortierung (1) entsprechende Funktionselemente auf, beispielsweise einen oder mehrere Walzmagnete zum Ausscheiden von Metallteilen, Mittel zum Entfernen grober Störstoffe, insbesondere Steine, Glas, Keramik oder andere anorganische oder metallische Bestandteile.
Nach der Vorsortierung wird das Material einem Schredder (2) zugeführt, der ein Aufreißen und Zerkleinern des bei der Vorsortierung nicht ausgeschiedenen Prozessmaterials (Hauptfraktion) bewirkt. Die beim Zerkleinern anfallenden Partikel besitzen dann eine vorgegebene maximale Größe, beispielsweise eine Größe von weniger als 500 mm, vorzugsweise von weniger als 250 bis 300 mm. Bei dem Schredder erfolgt weiterhin auch eine intensive Durchmischung.
Nach dem Schreddern erfolgt bei der dargestellten Ausführungsform nochmals eine Magnetabscheidung (3) zum Abscheiden von Metallen sowie anschließend beispielsweise ein Windsichten (4) zum Ausscheiden von leichten Bestandteilen, die dann beispielsweise direkt weiterverarbeitet werden, während die übrige Fraktion nochmals beispielsweise in einer Hammermühle (5) verkleinert bzw. geschreddert und anschließend über ein Sieb (6) einer Sink-Schwimm-Trennung (7) zugeführt wird. Die bei der Windsichtung (4) gewonnene Leichtfraktion wird beispielsweise unter Umgehung der Hammermühle (5) und der Siebung direkt der Sink-Schwimm-Trennung (7) zugeführt.
Wie insbesondere die 2 und 3 zeigen, erfolgt die Sink-Schwimm-Trennung (7) bei der dargestellten Ausführungsform in drei Becken 7¹ , 7² und 7³ .
Im Becken 7¹ werden u.a. mit Hilfe geeigneter Rechenanordnungen die schwimmenden Festbestandteile aus dem Prozessmaterial entfernt und über einen Feinschredder (8) und über eine Kunststoffausscheidung oder -klassifizierung (9) einer Pelletierung (10) zugeführt. Die Sink-Fraktion wird am Boden der Becken 7¹ , 7² , 7³ durch dort vorgesehene Austragselemente, beispielsweise Schnecken S entnommen und ebenfalls über einen Feinschredder (11) und einen Sortierer (12), beispielsweise Schrägsortierer der Pelletierung (10) zugeführt. Das Becken 7² ist mit einer Einhausung versehen. In diesem Becken erfolgt beispielsweise durch das dem Fachmann bekannte BIOCOS-Verfahren das Abscheiden des weitaus größten Teils, beispielsweise bis zu 85% der im Prozessmaterial vorhandenen Kohlenstoffverbindungen in Gasform. Unter Zugabe eines geeigneten Bioaktivators kann dieser Prozess in ca. 36 Stunden durchgeführt werden. Das gewonnene Biogas (in der Hauptsache Methan-Gas) wird gefiltert (13) und in einem Gasspeicher (14) gespeichert und steht damit für den Betrieb einer Turbine (15) zur Erzeugung von elektrischem Strom zur Verfügung. Anstelle der Turbine könnte grundsätzlich auch ein Blockheizkraftwerk verwendet werden, allerdings mit den Nachteilen, die mit einem solchen Blockheizkraftwerk verbunden sind.
Bei der Kunststoffausscheidung (9) oder bei einem hieran anschließenden Verfahrensschritt, beispielsweise in einem Schweb-Sink-Verfahren, werden die Kunststoffe klassifiziert und der PVC-Anteil weitestgehend ausgeschieden, während der übrige Kunststoff mit einem Anteil an PVC kleiner als ein Volumenprozent dosiert (beispielsweise maximal 15 Volumenprozent) der Pelletierung (10) zugeführt wird.
Aus dem Becken 7³ wird die flüssige Phase des Prozessmaterials (in der Hauptsache Wasser) entnommen und einer Aufbereitung (16) zugeführt. Das hierbei rückgewonnene Wasser wird zumindest zum großen Teil als Prozesswasser in dem Verfahren wieder verwendet.
Die einen hohen Anteil an Kohlenstoff enthaltenden, bei der Pelletierung (10) gewonnenen Pellets werden in einem Druckreaktor oder Steamreformer (17) durch chemische Reaktion mit Wasserdampf unter Oxidation des in den Pellets vorhandenen Kohlenstoffs zu einem Gasgemisch umgewandelt, das im wesentlichen aus Wasserstoff, zu geringen Teilen auch aus Kohlenmonoxyd und Kohlendioxyd sowie anderen gasförmigen Bestandteilen besteht. Der Anteil an Wasserstoff in diesem Gasgemisch beträgt mehr als 50%. Der hierbei zur Vergasung verwendete Wasserdampf kann sich aus unterschiedlichsten Quellen speisen, beispielsweise aus extern zugeführtem Brauchwasser und/oder aus einem Verbrennungsprodukt eines Teils des wasserstoffreichen Produktgases und/oder aus im Verfahren angefallenen Kondensat und/oder aus dem in der Aufbereitung (16) gewonnenen Wasser.
Als Systemreformer (17) eignet sich beispielsweise ein Wirbelschichtvergaser, wie er in der DE 198 09 400 C1 beschrieben ist. Bevorzugt wird aber ein kombinierter Festbett-Wirbelschichtvergaser verwendet.
Das im Steamreformer (17) erzeugte, fein entstaubte und wasserstoffreiche Prozessgas wird dann in einem Gasfilter (18) gereinigt, so dass am Ausgang dieses Gasfilters reiner oder nahezu reiner Wasserstoff zur Verfügung steht, dessen chemische Energie dann in einer oder mehreren Brennstoffzellen direkt in elektrischen Strom umgesetzt werden kann. Im Steamreformer (17) anfallende Asche wird ausgeschieden.
Das im Gasfilter (18) anfallende weitere Gasgemisch, welches im wesentlichen auch Kohlenmonoxyd enthält, wird ebenfalls zum Betrieb der Turbine (15) verwendet, anfallendes Kondensat wird z. B. der Aufbereitung (16) zugeführt. Anfallende Festbestandteile, insbesondere Asche und Schwefel werden getrennt ausgeschieden.
Bereits bei der Materialaufbereitung, z. B. bei der Vorsortierung oder aber bei der späteren Aufbereitung werden bevorzugt nicht nur anorganische Bestandteile, wie Metall oder Inertstoffe (z. B. Glas, Keramik, Steine, Erden usw.) ausgeschieden, sondern zugleich auch Kunststoffbestandteile, die dann z. B. mittels eines Schweb-Sink-Verfahrens (20) aufbereitet und klassifiziert werden. Hierbei geht es im wesentlichen wiederum darum, den Anteil an PVC in der Prozessmasse unter 0,1 Volumenprozent zu halten, um so insbesondere den Steamreformer (17) von einer übermäßigen Belastung durch Salzsäure zu schützen, die beim Vergasen von PVC entsteht. Der bei der Aufbereitung (20) separierte Kunststoff geht ebenso wie der bei (9) ausgeschiedene und klassifizierte Kunststoff dosiert (maximal 15 Volumenprozent) an die Pelletierung (10).
Um Geruchsbelästigungen in der Umgebung einer Anlage vorzubeugen, erfolgen die Vorsortierung und Materialaufbereitung in gegenüber der Umgebung abgeschlossenen Räumlichkeiten mit Unterdruck.
Die Aufbereitung (16) des Prozesswassers erfolgt bevorzugt in einem Plasmaresonator. Bei diesem, dem Fachmann bekannten Verfahren erfolgt eine nahezu hundertprozentige Trennung eines mit Schwebstoffen belasteten Wassers in die Feststoffe und in Wasser. Das hierbei anfallende Wasser wird dem Steamreformer als Prozesswasser zugeführt. Die anfallenden Feststoffe werden in den Vergaserprozess eingespeist, und zwar beispielsweise über die Pelletierung (10).
Die in der Verstromung des Biogases in der Turbine (15) anfallenden Abgase werden einer Abgasbehandlung (21) unterzogen. Hierbei wird unter Verwendung von Titanoxid, d. h. beispielsweise mit Hilfe von Platten, die mit Titanoxid beschichtet sind, hochgiftiges Stickoxyd unter Sonneneinstrahlung in Sauerstoff und Stickstoff umgewandelt. Nachgeschaltet ist ein Biofilter (22), welches im wesentlichen aus Holzschnitzeln besteht. Diese werden dann im steten Wechsel in der Pelletierung (10) wieder dem Steamreformer (17) zugeführt. Über Shifter wird vorhandenes Kohlenmonoxyd zu Kohlendioxyd transformiert.
Die Erfindung wurde voranstehend an einem Ausführungsbeispiel beschrieben. Es versteht sich, dass zahlreiche Abwandlungen möglich sind, ohne dass dadurch der der Erfindung zugrundeliegende Erfindungsgedanke verlassen wird.

Claims

Verfahren zur Aufbereitung von Reststoffgemengen und zur Konvertierung von kohlenstoffhaltigen Rest- und Rohstoffen in den Reststoffgemengen, wobei die in den Reststoffgemengen enthaltenen kohlenstoffhaltigen Rest- oder Rohstoffe als Prozessmaterial von anorganischen und/oder metallischen Bestandteilen getrennt werden, feste Bestandteile des Prozessmaterials nach einer Trennung aus einer wässrigen Phase pelletiert und anschließend in einem Druckreaktor in ein im wesentlichen Wasserstoff enthaltendes Prozessgas zur Erzeugung von Energie umgewandelt werden und aus der wässrigen Phase die Bestandteile des Prozessmaterials durch Fermentation Biogas zur Erzeugung von Energie gewonnen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die nach der Fermentation erhaltene wässrige Phase aufbereitet wird (16) und das bei dieser Aufbereitung erhaltene Wasser als Prozesswasser dem Verfahren wieder zugeführt wird, und zwar vorzugsweise als Prozesswasser für den Druckreaktor oder Steamreformer (17), und dass bei einer Aufbereitung des Prozessmaterials und/oder bei einer Entnahme der festen Bestandteile in diesem Material vorhandener Kunststoff während einer Sink-Schwimm-Trennung für eine weitere Aufbereitung separiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff nach dem Separieren klassifiziert wird, und zwar insbesondere zum Ausscheiden von PVC-Anteil.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der separierte Kunststoff nach dem Ausscheiden oder Reduzieren des PVC-Anteils der Pelletierung oder dem Strangpressen (10) oder dem Druckreaktor (17) zugeführt wird, und zwar vorzugsweise dosiert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Sink-Schwimm-Trennung aus der wässrigen Phase des Prozessmaterials schwimmende Bestandteile sowie eine Sink-Fraktion ausgetragen und einer Pelletierung oder Strangpresse zugeführt werden, und dass bei der Sink-Schwimm-Trennung zugleich die Gewinnung des Biogases durch Fermentation folgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Aufbereitung der wässrigen Phase ein Plasmaresonator verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Druckreaktor ein Festbett-Wirbelschicht-Vergaser verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sink-Schwimm-Trennung in wenigstens zwei Becken (7¹ , 7² , 7³ ) erfolgt, die im Verfahrensablauf aufeinander folgen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Biogas in wenigstens einer Turbine verstromt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Stickstoffoxyd, welches in dem bei der Verstromung des Biogases anfallenden Abgas enthalten ist, mittels Titanoxid und Sonnenstrahlung in Sauerstoff und Stickstoff umgewandelt wird.