DE102004017975A1

DE102004017975A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Aufschluss von organischem Material in einem fließfähigen Stoffsystem

Info

Publication number: DE102004017975A1
Application number: DE200410017975
Authority: DE
Inventors: Volker Dr. Kühn; Rainer Dr. Tietze; Matthias Barth
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2004-04-06
Filing date: 2004-04-06
Publication date: 2005-11-03

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum explosionsartigen Aufschluss von organischem Material in einem fließfähigen Stoffsystem, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass ein Gemisch aus einem entzündbaren Fluid und einem fluiden Oxidationsmittel explosionsartig zur Reaktion gebracht werden und dass das fluide Reaktionsgemisch Druck- und Stoßwellen erzeugend in das fließfähige Stoffsystem eingeleitet wird, wodurch ein erhöhter Aufschluss der organischen Materialien erfolgt. DOLLAR A Die Erfindung wird durch eine Vorrichtung zum explosionsartigen Aufschluss von organischem Material in einem fließfähigen Stoffsystem realisiert, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass eine Explosionskammer (3) mit Anschlüssen (4, 4a, 4b) für ein entzündbares Fluid und ein fluides Oxidationsmittel oder ein Gemisch daraus sowie eine Zündvorrichtung (8) zur Einleitung der Reaktion des entzündbaren Fluidgemischs vorgesehen sind und dass weiterhin mindestens ein Strömungsleitelement (7) zur Beschleunigung des Stoffsystems oder des Reaktionsgemischs vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Aufschluss von organischem Material in einem fließfähigen Stoffsystem.
Derartige fließfähige Stoffsysteme mit organischem Material stellen beispielweise organische Schlämme aus der Abwasserbehandlung dar. Weiterhin ist dieses Verfahren für die Wasseraufbereitung von mehr oder minder stark mit organischem Material belasteten Abwässern und für den Aufschluss von Zellsuspensionen einsetzbar.
Fließfähige wasserhaltige Stoffsysteme mit organischem Material fallen in vielen Prozessen und Verfahren an, in denen organische Stoffe verarbeitet, eliminiert oder umgesetzt werden. Beispiele hierfür sind der Klärschlamm aus der Abwasserbehandlung, organische Abfälle aus der Verarbeitung von landwirtschaftlichen Produkten und Nahrungsmitteln, Abfälle aus biotechnischen Fermentationsprozessen und Schlämme aus der Zellstoff- und Papierindustrie.
Der organische Anteil dieser Stoffsysteme, die im Weiteren kurz als Schlämme bezeichnet werden, kann beispielsweise mithilfe anaerober biologischer Verfahren abgebaut und umgesetzt werden. Dabei wird der Anteil der abbaubaren organischen Produkte im Schlamm vermindert. Daneben entsteht häufig auch ein hygienisch unbedenkliches und für die Ablagerung inertes Endprodukt Restschlamm.
Der Schlamm mit organischem Anteil stellt zugleich auch einen Wertstoff dar, denn es kann beim anaeroben Abbau des Schlammes Biogas gewonnen und nutzbar gemacht werden. Unter Biogas wird im Weiteren ein Gemisch aus Methan und Kohlendioxid mit Spuren weiterer Gase verstanden.
Im anaeroben Verfahren wird jedoch nur jener Anteil der Schlämme zu Biogas umgesetzt, der für die Mikroorganismen verfügbar ist. Durch bekannte Verfahren zum Aufschließen von organischen Schlämmen wird der für den mikrobiellen Umsatz verfügbare organische Anteil erhöht, so dass anschließend weniger Restschlamm und mehr Biogas anfällt.
Im Stand der Technik sind verschiedene Verfahren zum Aufschließen organischer Schlämme bekannt. Eine erste Gruppe von Verfahren zum Aufschließen von organischen Schlämmen sind die sogenannten mechanischen Desintegrationsverfahren. In Mühlen, Hochdruckhomogenisatoren, Zentrifugen mit Schlagrad oder Ultraschallanlagen wird der Schlamm hohen Scher- und Druckwechselbeanspruchungen bis zur Kavitation ausgesetzt. Dabei werden die Zellverbände aufgelöst und die Zellmembranen zerstört. Vermutlich werden auch weitere chemische und biochemische Reaktionen ausgelöst, so dass der im anaeroben Verfahren bioverfügbare Anteil der Schlämme ansteigt.
Eine weitere Gruppe von Behandlungsverfahren stellen die thermischen Verfahren dar. Thermische Verfahren zum Aufschließen organischer Schlämme als zweiter Gruppe von Aufschlussverfahren erhöhen den bioverfügbaren Anteil – je nach Temperatur, Druck und Prozessdauer – durch Schädigen bzw. Abtöten zunächst widerstandsfähiger Mikroorganismen und durch das Auflösen der Zellverbände und das Zerstören der Zellmembran sowie durch chemische und biochemische Reaktionen im erwärmten Schlamm. In diesen Verfahren wird der Schlamm in Wärmeübertragern durch Warmwasser, Dampf bzw. Rauchgas oder durch Zugabe von Dampf bis zur erforderlichen Temperatur erhitzt und anschließend eine Zeit bei dieser Temperatur gehalten.
In chemischen Verfahren zum Aufschließen organischer Schlämme als dritter Gruppe erfolgt eine Behandlung des Schlammes mit Säuren bzw. Laugen unter anschließender Neutralisation oder durch Einsatz starker Oxidationsmittel, zum Beispiel Ozon. Dabei werden Anteile der organischen Substanz, die vorher nicht bioverfügbar waren, durch chemische Reaktionen in bioverfügbare Stoffe umgesetzt, so dass im anschließenden anaeroben Verfahren ein erhöhter Abbau möglich ist.
Den im Stand der Technik bekannten Verfahren zum Aufschließen von fließfähigen wasserhaltigen Stoffsystemen mit organischem Material haften neben spezifischen Vorteilen der einzelnen Verfahren aber auch signifikante Nachteile an.
Die Wirksamkeit der mechanischen Verfahren beispielsweise ist nur dann hoch, wenn der Schlamm zum großen Teil aus Mikroorganismen besteht, so dass eine mechanische Zerstörung der Zellverbände und Zellen den Zellinhalt als bioverfügbare organische Substanz freisetzt. Erhebliche Anteile der übrigen organischen Substanz sind auch nach der mechanischen Desintegration biologisch inert. Ein gesicherter hygienischer Status ist im so aufgeschlossenen Schlamm nicht erreichbar. In einer Ökobilanz schlägt zudem die gesamte Verfahrenskette der Stromerzeugung als Aufwand zum Betreiben der mechanisch wirkenden Vorrichtungen zu Buche.
Der technische Aufwand für die Installation der Mühlen, Hochdruckhomogenisatoren oder Ultraschallanlagen ist hoch, neben dem Verbrauch von Elektronenergie verursacht Verschleiß und Wartung erhebliche Kosten. Der Schlamm wird zudem nur wenig erwärmt, so dass beim Betrieb einer Faulung zur Biogaserzeugung zusätzlich Heizkessel und Wärmeübertrager erforderlich sind, die in der Regel mit Biogas aus der Faulung versorgt werden müssen.
Thermische Verfahren erreichen ähnliche Aufschlussgrade wie die mechanischen Verfahren, sie können für das Erreichen eines geforderten hygienischen Status genutzt werden und weisen im Falle einer Abwärmenutzung eine günstigere Ökobilanz auf als die mechanischen Verfahren. Nachteilig sind jedoch der begrenzte Aufschlussgrad und der erhebliche Bedarf an maschinentechnischer Ausrüstung für die Wärmeübertragung. Der Umsatz mechanischer Energie ist bei diesen Verfahren gering, so dass Reserven für einen noch höheren Aufschluss nicht genutzt werden.
Gegenüber den mechanischen und thermischen Verfahren werden beim chemischen Aufschluss höhere Aufschlussgrade erzielt. Zusätzliche chemische Reaktionen, die durch gleichzeitiges Erhitzen verstärkt werden können, lassen höhere Aufschlussgrade zu als allein durch das Aufbrechen der Zellwände zu erwarten sind. Bei saurem oder basischem Aufschluss durch einen osmotischen Schock werden der hohe Chemikalienverbrauch und die damit verbundene Aufsalzung als nachteilig angesehen. Der Einsatz von starken Oxidationsmitteln, wie zum Beispiel Ozon, ist durch die erforderliche technische Ausrüstung kostspielig. Ähnlich wie bei den thermischen Verfahren ist auch bei den chemischen Verfahren der Eintrag mechanischer Energie und der damit erreichbare Aufschluss gering.
Die Chemikalienzugabe sowie zugehörige Dosier- und Überwachungstechnik oder Ozongeneratoren sind kostspielig in der Anschaffung und im Betrieb. Die Chemikalienzugabe allein führt in der Regel ebenfalls nicht zur erforderlichen Erwärmung des Schlammes, wofür in der Regel zusätzlich ein Kessel oder eine BHKW-Anlage mit Biogasbetrieb vorgesehen wird.

Ein kombiniertes Einwirken von mechanischen, thermischen und chemischen Aufschlusseffekten auf den Schlamm wird durch gepulste Hochspannungsentladungen erreicht. Nach der DE 197 52 371 A1 ist ein Verfahren zur Behandlung und Konditionierung von biologischen Schlämmen durch Stoßspannungsentladung bekannt. Dieses Verfahren schließt die biologische Zellsubstanz auf und tötet diese gleichzeitig ab. Erreicht wird dies durch die Behandlung bzw. Konditionierung des biologischen Schlammes durch das Einleiten von Stoßspannungsentladungen in den fließfähigen/flüssigen Schlamm. Bei der Einleitung der Spannungsimpulse über flächige Elektroden entstehen hohe elektrische Feldstärken bei niedriger Frequenz.

Durch gepulste Hochspannungsentladungen werden thermische und chemische Wirkungen erreicht. Bei 10 kV bis 50 kV angelegter Spannung werden über Elektroden durch den Schlamm hindurch kurzzeitig bestehende Lichtbögen mit Spitzenströmen von ca. 70 A gezündet, wodurch extreme Temperatur- und Druckradienten auf das Stoffsystem einwirken und UV-Strahlung auftritt. Durch den induzierten Plasmazustand werden im gepulsten Lichtbogen Ozon und hochreaktive OH-Radikale gebildet, die inerte organische Stoffe umsetzen und diese in bioverfügbares Material umwandeln. Der hohe erreichbare Umsatz und Aufschluss der organischen Substanz ist mit dem Nachteil von hohen Investitionen für die Generatoren und die Module und hohen Elektroenergiekosten verbunden. Auch bleibt die Erwärmung des Schlammes unter der für die Faulung erforderlichen Temperatur.

Ein verbessertes Verfahren der beschriebenen Gattung wird in der DE 695 16 666 T2 offenbart. Es wird ein Flüssigkeits-Dekontaminationssystem unter Anwendung von elektrischer Entladung mit Gasinjektion beansprucht. Dabei werden die elektrischen Entladungen durch die Injektion von Gasblasen in das Stoffsystem gezielt unterstützt.

Die Wassermoleküle in der Nähe des Entladungsbereiches werden zu erregten Radikalen zersetzt, einschließlich Hydroxylionen und freiem Wasserstoff, die mit organischen Komponenten reagieren und diese dadurch aus dem Stoffsystem entfernbar machen.

Um die Erzeugung der gewünschten elektrischen Lichtbögen mit den damit zusammenhängenden chemischen und physikalischen Effekten in der Flüssigkeit zu verbessern, wird das Gas in den Entladungsbereich geleitet. Der vorgeschlagene Luft- oder Gaskanal bildet eine virtuelle Anode und wird zu einem Pfad, über den der anfängliche Lichtbogen erzeugt wird. Die Verbesserung des Verfahrens besteht darin, dass Luft und die meisten Gase eine wesentlich niedrigere Durchbruchspannung haben als Wasser und der Lichtbogen somit effizienter erzeugbar ist. Die thermische Belastung des Stoffsystems ist infolge des niedrigeren Energieeintrags jedoch auch geringer.

Den genannten Verfahren im Stand der Technik haftet der gemeinsame Nachteil an, dass ein Aufschluss mit vertretbarem apparativem technischem und energetischem Aufwand in der gewünschten Effizienz nicht realisierbar ist.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, welche höhere Aufschlussgrade organischer Materialien in fließfähigen Stoffsystemen ermöglichen und somit bei effizientem Energieeinsatz eine maximale Ausbeute an Aufschluss des organischen Materials erzielt wird.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren zum explosionsartigen Aufschluss von organischem Material in einem fließfähigen Stoffsystem gelöst, wobei ein Gemisch aus einem entzündbaren Fluid und einem fluiden Oxidationsmittel explosionsartig zur Reaktion gebracht wird und dass das fluide Reaktionsgemisch in das fließfähige Stoffsystem eingeleitet und mit diesem in Kontakt gebracht wird. Dabei erfolgt der Aufschluss der organischen Materialien überwiegend durch die von der Explosion und durch das Einleiten des fluiden Reaktionsgemischs in das fließfähige Stoffsystem hervorgerufenen Druck- und Stoßwellen.

Vorzugsweise wird das Reaktionsgemisch diskontinuierlich in das fließfähige Stoffsystem eingebracht.

Alternativ wird die Aufgabe der Erfindung durch ein Verfahren gelöst, bei dem ein entzündbares Fluid und ein fluides Oxidationsmittel in das Stoffsystem eingebracht und als reaktive Flamme zur Reaktion gebracht wird.

Vorzugsweise wird das entzündbare Fluid und das fluide Oxidationsmittel dabei kontinuierlich in das fließfähige Stoffsystem eingebracht.

Eine reaktive Flamme im Sinne der Erfindung hat die Eigenschaft, in dem durch sie beaufschlagten fließfähigen Stoffsystem physikalische und chemische Reaktionen auszulösen. Neben der Zusammensetzung des entzündbaren Fluids und des fluiden Oxidationsmittels können auch Hochspannungsfelder oder Laserstrahlen genutzt werden, um der Flamme besondere reaktive Eigenschaften zu vermitteln, beispielsweise durch Herbeiführen des Plasmazustandes.

Alternativ wird die Aufgabe der Erfindung durch ein Verfahren gelöst, in welchem ein entzündbares Fluid und ein fluides Oxidationsmittel in dem fließfähigen Stoffsystem zu einem zündfähigen Gemisch dispergiert und anschließend zur Reaktion gebracht werden. Dabei erfolgt das Dispergieren und das Zünden des zündfähigen Gemischs zeitlich und/oder räumlich getrennt voneinander.

Den Verfahrensvarianten zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe ist gemeinsam, dass bevorzugt als entzündbares Fluid Wasserstoff und als fluides Oxidationsmittel Sauerstoff eingesetzt wird. Nach einer Ausgestaltung der Erfindung kann als entzündbares Fluid Biogas eingesetzt werden.

Die Aufgabe der Erfindung wird weiterhin durch eine Vorrichtung zum explosionsartigen Aufschluss von organischem Material in einem fließfähigen Stoffsystem gelöst, bei dem eine Explosionskammer mit Anschlüssen für ein entzündbares Fluid und ein fluides Oxidationsmittel oder ein Gemisch daraus sowie eine Zündvorrichtung zur Einleitung der Reaktion des entzündbaren Fluidgemischs vorgesehen sind und dass weiterhin mindestens ein Strömungsleitelement zur Beschleunigung des Stoffsystems und/oder des Reaktionsgemischs vorgesehen ist/sind.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung bildet das Strömungsleitelement eine Lavaldüse aus.

Nach der Konzeption der Erfindung wird die Energie zum Aufschluss des organischen Materials für einen wirtschaftlich interessanten Aufschlussgrad von außen in das System in Form eines entzündbaren Stoffes bzw. eines entzündbaren Gases und in Form eines Oxidationsmittels eingebracht. Die Reaktion von entzündbarem Stoff und Oxidationsmittel führt zu einer Energieabgabe an das fließfähige wasserhaltige Stoffsystem mit einem Anteil an organischem Material, wodurch das organische Material auf verschiedene Weise, mechanisch, chemisch und physikalisch, aufgeschlossen wird.

Besonders vorteilhaft ist die Kombination von Wasserstoff und Sauerstoff, weil die Reaktion dieser beiden Stoffe in einer stöchiometrisch ausgewogenen Weise zum Reaktionsprodukt Wasser führt und somit keine zusätzliche Belastung durch Fremdstoffe durch den entzündbaren Stoff oder das Oxidationsmittel in das Wasser eingebracht wird.

Alternativ wird als entzündbarer Stoff Biogas eingesetzt, wobei in vorteilhafter Weise eine Komponente aus dem Abbauprozess im Rahmen der Abwasserbehandlung für die Behandlung der fließfähigen wasserhaltigen Stoffsysteme/Schlämme eingesetzt werden kann. Vorteilhaft ist es dabei, wenn das Kohlendioxid aus dem Biogas weitgehend vorher eliminiert wurde oder zumindest teilweise zu Sauerstoff umgesetzt wurde.

Gleichfalls ist es dabei von Vorteil, wenn das Biogas als Brennstoff und entzündbarer Stoff in einem stöchiometrischen Verhältnis zum Oxidationsmittel eingesetzt wird.

Neben der Verwendung von Sauerstoff als Oxidationsmittel ist gleichfalls in entsprechender Berücksichtigung des Anteils von Sauerstoff auch Luft einsetzbar.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
1b: Rohrförmige Vorrichtung zur Behandlung von Schlamm enthaltendem Abwasser im Längsschnitt,
1b: Rohrförmige Vorrichtung im Querschnitt,
2a: Vorrichtung mit Treib- und Fangrohr zur Behandlung von Abwässern im Längsschnitt,
2b: Vorrichtung im Querschnitt,
3: Vorrichtung mit Verdichter für die fluiden reagierenden Komponenten,
4a: Vorrichtung zur Abwasserbehandlung mit zylindrischem Reaktor in der Vorderansicht,
4b: Vorrichtung in der Draufsicht,
5a: Vorrichtung zur Behandlung von organisches Material enthaltendem fließfähigem Stoffsystem mit Verbrennungsmotor in Vorderansicht,
5b: Vorrichtung in Draufsicht,
6: Vorrichtung zur Behandlung eines fließfähigen Stoffsystems mittels reaktiver Flamme,
7: Vorrichtung mit reaktiver Flamme und Lavaldüse,
8: Vorrichtung zum Dispergieren eines reaktionsfähigen Gemisches im fließfähigen Stoffsystem,
9a: Reaktor mit Düsen für Erzeugung einer reaktiven Flamme, Seitenansicht,
9b: Reaktor mit Düsen für Erzeugung einer reaktiven Flamme, Draufsicht und Querschnitt und
10: Reaktor mit Rotationszerstäuber und Ringbrenner.
Die 1a und 1b zeigen im Längs- und im Querschnitt eine erfindungsgemäße Vorrichtung, insbesondere zur Behandlung von Schlamm enthaltendem Abwasser. Die Vorrichtung weist dabei im Wesentlichen einen rohrförmigen Aufbau auf, wobei in einem Rohrabschnitt 2 das Schlamm enthaltende Abwasser in der angedeuteten Pfeilrichtung fließt. Der Rohrabschnitt 2 weist im Inneren einen Behandlungsbereich 1 für das fließfähige Stoffsystem auf und wird von einer Explosionskammer 3 ummantelt. Weiterhin sind Anschlüsse 4 vorgesehen, welche als Anschluss für Brennstoff 4a und als Anschluss für Oxidationsmittel 4b an der Explosionskammer vorgesehen sind. Alternativ für die getrennte Zuleitung von Brennstoff und Oxidationsmittel ist die Zuleitung eines bereits vorgefertigten Gemisches aus diesen. Die Anschlüsse weisen bevorzugt Rückschlagklappen 5 auf, die auf den bei der Zündung des reaktiven Fluidgemisches entstehenden Überdruck in der Explosionskammer 3 ansprechen und ein Nachströmen von fluidem Brennstoff und Oxidationsmittel unmittelbar nach der Reaktion verhindern.
Die Explosionskammer 3 ist weiterhin mit einer Zündvorrichtung 8 ausgestattet, welche bevorzugt taktweise pulsierend das reaktionsfähige Gemisch aus Brennstoff und Oxidationsmittel zündet. Der Austritt des Reaktionsgemischs aus der Explosionskammer 3 erfolgt durch Strömungsleitelemente 7 hindurch. Bevorzugt bilden diese Strömungsleitelemente 7 Lavaldüsen 6 aus. Das mit der Zündvorrichtung 8 gezündete Gemisch aus Brennstoff und Oxidationsmittel lässt den Druck in der Explosionskammer 3 rasant ansteigen, so dass sich die Rückschlagklappen 5 schließen. Das expandierende Reaktionsgemisch schießt über die Lavaldüsen 6 in das Abwasser im Behandlungsbereich 1 des Rohrabschnitts 2 ein und beschleunigt die Strömung im Rohrabschnitt 2. Wenig später ist das Gemisch aus Brennstoff und Oxidationsmittel in der Explosionskammer 3 aufgebraucht und es entsteht durch Kondensation, Absorption und Abkühlung des fluiden Reaktionsgemischs ein Unterdruck, der die Rückschlagklappen 5 öffnet, so dass frischer Brennstoff und Oxidationsmittel bzw. ein Gemisch daraus in die Explosionskammer 3 nachströmt und ein neuer Zündvorgang erfolgen kann. Je nach den Verfahrensbedingungen kann das Nachströmen der reagierenden Komponenten auch durch einen Überdruck derselben befördert oder realisiert werden.
Nach der Konzeption der Erfindung wird der Schlamm als aufzuschließende organische Komponente von dem Reaktionsgemisch aus reagierendem Brennstoff und Oxidationsmittel stark beschleunigt, gebremst und danach einer Phasentrennung zwischen Abgas und Schlamm unterzogen. Die Freisetzung der im explodierenden Gemisch enthaltenen Primärenergie erfolgt zunächst als thermodynamisch erreichbarer Anteil an mechanischer Energie und zusätzlich durch die Reaktionswärme in das zu behandelnde Stoffsystem, gefolgt von der Dissipation aller direkt im Schlamm freigesetzten mechanischen Energie.
Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt die direkte Umwandlung der enthaltenen Primärenergie des Brennstoffes und vermeidet die Umwege mehrfacher Energieumwandlungsprozesse in den nach dem Stand der Technik bekannten Verfahren. Gerade deshalb gewährleistet das erfindungsgemäße Verfahren die für einen Aufschluss des organischen Materials erforderliche Energiedichte.
Neben dem hinreichenden Aufschlussgrad besteht ein zusätzlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens darin, dass der Schlamm auf die ohnehin erforderliche Temperatur für die Weiterbehandlung erwärmt wird.
Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des damit realisierbaren Verfahrens ist, dass die gesamte vom explodierenden Gemisch freigesetzte mechanische, chemische und thermische Energie vollständig dem Aufschluss der organischen Materialen zufließt.
Die in 1a dargestellte vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung zeigt die Ausbildung von mehreren Lavaldüsen 6 durch mehrere Strömungsleitelemente 7, welche einerseits das explodierende Reaktionsgemisch aus der Explosionskammer 3 in den Behandlungsbereich 1 ableiten und diese andererseits derart beschleunigen, dass die Wirkung durch die entstehenden Überschalleffekte auf den Schlamm noch verstärkt werden.
In 1b ist die beschriebene Vorrichtung in der Draufsicht zum Querschnitt dargestellt. Aus dieser Ansicht wird ersichtlich, dass eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung darin besteht, die reaktiven Fluide tangential in die Explosionskammer 3 einzuleiten.
Die 2a und 2b zeigen im Längsschnitt und in der Draufsicht eine alternative Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Dabei ist die Explosionskammer 3 als separater Apparat ausgebildet, welcher Anschlüsse 4a und 4b für Brennstoff und Oxidationsmittel aufweist. Den Austritt des explodierenden Reaktionsgemischs aus der Explosionskammer 3 bildet ein Treibrohr 9, welches vorteilhaft als Lavaldüse 6 geformt ist und zentrisch in ein Fangrohr 10 mündet, dem das Schlamm enthaltende Stoffsystem über ein vorgelagertes Gehäuse 11 bzw. eine Beschickungskammer zugeführt wird. Die Anordnung von Treibrohr 9 und Fangrohr 10 bewirkt, dass das fließfähige Stoffsystem mit dem aufzuschließenden Schlamm nachströmt. Wiederum erzeugt der einer Explosion nachfolgende Druckabfall in der Explosionskammer 3 einen Unterdruck, der das Füllen der Explosionskammer 3 mit frischem Gemisch aus Brennstoff und Oxidationsmittel bewirkt.
Diese alternative Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die eine Zündvorrichtung 8 aufweisende Explosionskammer 3 separat ausgebildet ist und dass sowohl das explodierende Reaktionsgemisch als auch das Schlamm enthaltende Abwasser die Strömungseffekte durch die Lavaldüse 6 erfahren, wodurch eine Intensivierung des Aufschlusses des organischen Materials erreichbar ist.
In 2b ist eine vorteilhafte Zuführung des Schlammes zum Fangrohr 10 dargestellt. Die tangentiale Zuführung in einen vorgelagerten Ringraum 31 vergleichmäßigt den peripheren Zutritt in den Behandlungsbereich 1.
In 3 wird eine erfindungsgemäße Vorrichtung gezeigt, die einen Verdichter 12 für das Gemisch aus fluidem Brennstoff und Oxidationsmittel aufweist. Das im Verdichter 12 komprimierte reaktionsfähige Gemisch gelangt nach Freigabe des Austrittventils 13 in die Explosionskammer 3 mit der Zündvorrichtung 8 und wird dort zur Reaktion gebracht. In analoger Weise zu der in 2 beschriebenen Vorrichtung verlässt das explodierende Reaktionsgemisch die Explosionskammer 3 durch ein Strömungsleitelement, welches als Treibrohr 9 fungiert und als Lavaldüse 6 ausgebildet ist und gelangt in den Behandlungsbereich 1, welcher das Fangrohr 10 darstellt und gleichfalls als Lavaldüse 6 ausgebildet ist.
Der vorgeschaltete Verdichter 12 verschiebt die Explosionsgrenze des Gemischs und erhöht auch die Ladung der Explosionskammer 3, so dass ein hoher Explosionsdruck auch bei Anwendung weniger zündfreudiger Gemische aus Brennstoff und Oxidationsmittel erreicht wird. Das Austrittsventil 13 wird vorzugsweise als steuerbares Ventil ausgebildet, welches mit der Zündvorrichtung 8 der Explosionskammer 3 synchronisiert wird.
In 4a und 4b ist eine Vorrichtung zur Behandlung des fließfähigen Stoffsystems mit organischem Material dargestellt, wobei der Behandlungsraum 1 von einem zylindrischem Reaktor 14 gebildet wird. Um den zylindrischen Reaktor 14 sind die Explosionskammern 3 derart angeordnet, dass der Austritt des explodierenden Reaktionsgemischs tangential in den mit dem Stoffsystem beaufschlagten Reaktor 14 erfolgt. Der Reaktor 14 ist mit einem mittigen vertikalen Rohr für den Gasaustritt 15 ausgestattet und hat einen nach unten führenden zentralen Schlammaustritt 16. Durch das tangential einschießende Reaktionsgemisch wird der Schlamm in eine schnell rotierende Strömung gebracht, in der hohe Scherkräfte herrschen, wobei größere Partikel länger in der Strömung verweilen als kleinere und außerdem eine wirksame Trennung zwischen dem Schlamm und dem Abgas erfolgt.
Die 5a und 5b zeigen eine erfindungsgemäße Vorrichtung, welche einen Verbrennungsmotor 17 zur Erzeugung eines Reaktionsgemischs nutzt. Als Explosionskammern 3 dienen die Zylinder eines Verbrennungsmotors 17, dessen Auspuff 18 tangential in einen mit Schlamm beschickten zylindrischen Reaktor 14 münden. Als Reaktor 14 ist beispielsweise der in 4 beschriebene Reaktor einsetzbar.
Die Steuerung des Auslassventils 19 des Verbrennungsmotors 17 und der Zündvorrichtung 8 werden so abgestimmt, dass das explodierende Reaktionsgemisch seine Energie weitgehend über den Auspuff 18 an das Stoffsystem abgibt.
In 6 wird ein erfindungsgemäßes Verfahren in einem Reaktor 14 mittels eines Brenners 22 ausgeführt, bei dem der Brenner 22 in das fließfähige Stoffsystem eintaucht. Am Brennerausgang ist eine Hochspanungsentladungsvorrichtung 25 vorgesehen, die ein Gemisch, bereitgestellt an den Anschlüssen 4a und 4b, aus fluidem Brennstoff und Oxidationsmittel zur Reaktion bringt und dabei eine reaktive Flamme 23 ausbildet. Die reaktive Flamme 23 zerfällt schließlich in Gasblasen 26.
Der Brenner 22 weist für die Hochspannungsentladung eine Stromversorgung 24 auf. Die reaktive Flamme 23 wird direkt in den Schlamm eingeleitet und die Versorgung mit Strom und die damit verbundene Hochspannungsentladung verstärkt die Ionisation der reaktiven Flamme 23. Es entsteht dabei in dem Stoffsystem ein reaktives Gemisch aus Gas- und Dampfblasen.
Bei Verwendung von Wasserstoff als Brenngas und Sauerstoff als Oxidationsmittel besteht die reaktive Flamme 23 aus teilweise ionisiertem überhitztem Wasserdampf. Die dann vorliegenden reaktiven Dampfblasen implodieren nach kurzzeitigem Bestehen infolge der niedrigeren Temperatur des Schlammes restlos. Somit muss bei dieser Ausführungsform der Schlamm vorteilhafterweise nicht entgasen, und es kommt zusätzlich ein hoher mechanischer Stress zustande. Alternativ kann anstelle von Wasserstoff auch Biogas im Brenner 22 eingesetzt werden. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das Biogas am Standort des Einsatzes günstig verfügbar ist. Besonders vorteilhaft wird Biogas einsetzbar, wenn es durch Elimination des Kohlendioxides eine höhere Energiedichte aufweist. Gleichfalls sind auch andere brennbare Gase zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in der beispielhaft skizzierten Vorrichtung anwendbar. Dies gilt besonders dann, wenn diese Gase aufgrund der spezifischen Bedingungen im Einzelfall günstig verfügbar sind.
In 7 wird die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Verwendung eines Injektors 21 dargestellt. Die reaktive Flamme 23 und die von ihr erzeugten zunächst expandierenden und anschließend kondensierenden Dampf- und Gasblasen bewirken die Durchströmung des Injektors 21, bei der hohe Geschwindungkeitsgradienten und somit Scherkräfte erreicht werden. Dem Schlamm wird hierdurch zusätzlicher mechanischer Stress aufgeprägt. Bei der Durchführung des Verfahrens mit einem Injektor 21 ist die Verwendung von Wasserstoff und Sauerstoff besonders günstig, weil wiederum durch die vollständige Kondensation des kurzzeitig entstandenen Wasserdampfes die Scherbeanspruchung des Schlammes maximal wird. Der Injektor 21 wird bevorzugt im unteren Bereich des Reaktors 14 eingesetzt. Der Behandlungsbereich 1 wird damit in den Bereich hoher Schlammkonzentrationen im Abwasser gelegt.
In 8 ist dargestellt, wie der fluide Brennstoff und das fluide Oxidationsmittel in einen Injektor 21 eingebracht und dispergiert werden. Die dispergierten Gasblasen 26 werden von dem den Injektor 21 durchströmenden Schlamm enthaltenden Abwasser mitgeführt und in einem Zündabschnitt zur Explosion gebracht. Bevorzugt wird dies durch einen das Gas ionisierenden Vorgang, wie beispielsweise eine Hochspannungsentladung 25 oder einen Laserblitz, ausgelöst. Die gezündeten ionisierten Gasblasen 26 explodieren und implodieren unmittelbar danach, so dass chemische Aufschlussreaktionen in unmittelbarer Kombination mit hohem thermischen und Druckgradienten im Schlamm einhergehen, wobei die Durchströmung des Injektors 21 zusätzliche Scherkräfte auslöst.
In Umkehrung der bisher dargestellten Techniken, bei denen die reaktive Flamme im fließfähigen Stoffsystem dispergiert wurde, zeigen 9a und 9b als Vorderansicht und Draufsicht sowie 10 als Schnittdarstellung Vorrichtungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, in denen das fließfähige Stoffsystem dispergiert und in die reaktive Flamme eingeschlossen oder von ihr beaufschlagt wird.
In der Vorrichtung nach 9a und b wird das fließfähige Stoffsystem mittels Düsen 27 dispergiert, in denen das gasförmige Oxidationsmittel aus Anschluss 4b allein oder zusammen mit einem gasförmigen Brennstoff aus Anschluss 4a als zersprühendes Gas verwendet wird. Nach Austritt aus den Düsen 27 wird das Mehrstoffgemisch gezündet. Es tritt tangential in den Behandlungsbereich 1 ein, in dem das dispergierte fließfähige Stoffsystem in der Flamme reagiert, abgeschieden und unten entnommen wird, während verbleibendes Gas über einen zentralen Gasaustritt 15 nach oben entweicht.
10 zeigt eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens, in der das fließfähige Stoffsystem mit einer rotierenden Hohlwelle 28 zum Teller eines Rotationszerstäubers 29 geführt und in die von einem Ringbrenner 30 im Behandlungsbereich 1 bereitgestellte reaktive Flamme gesprüht wird. Nach der Reaktion wird das dispergierte fließfähige Stoffsystem abgeschieden und unten aus dem Reaktor 14 entnommen, während verbleibendes Gas über einen zentralen Gasaustritt 15 nach oben entweicht.

1: Behandlungsbereich
2: Rohrabschnitt
3: Explosionskammer
4: Anschluss
4a: Anschluss für Brennstoff
4b: Anschluss für Oxidationsmittel
5: Rückschlagklappe
6: Lavaldüse
7: Strömungsleitelement
8: Zündvorrichtung
9: Treibrohr
10: Fangrohr
11: Gehäuse
12: Verdichter
13: Austrittsventil
14: Reaktor
15: Gasaustritt
16: Schlammaustritt
17: Verbrennungsmotor
18: Auspuff
19: Auslassventil
20: Zuführleitung
21: Injektor
22: Brenner
23: reaktive Flamme
24: Stromversorgung
25: Hochspannungsentladung
26: Glasblase
27: Düse
28: Hohlwelle
29: Rotationszerstäuber
30: Ringbrenner
31: Ringraum

Claims

Verfahren zum explosionsartigen Aufschluss von organischem Material in einem fließfähigen Stoffsystem, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gemisch aus einem entzündbaren Fluid und einem fluiden Oxidationsmittel explosionsartig zur Reaktion gebracht wird und dass das fluide Reaktionsgemisch Druck- und Stoßwellen erzeugend in das fließfähige Stoffsystem eingeleitet wird, wodurch ein erhöhter Aufschluss der organischen Materialien erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das fluide Reaktionsgemisch diskontinuierlich in das fließfähige Stoffsystem eingebracht wird.
Verfahren zum Aufschluss von organischem Material in einem fließfähigen Stoffsystem, dadurch gekennzeichnet, dass ein entzündbares Fluid und ein fluides Oxidationsmittel in das Stoffsystem eingebracht und als reaktive Flamme (23) zur Reaktion gebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das entzündbare Fluid und das fluides Oxidationsmittel kontinuierlich in das fließfähige Stoffsystem eingebracht werden.
Verfahren zum explosionsartigen Aufschluss von organischem Material in einem fließfähigen Stoffsystem, dadurch gekennzeichnet, dass ein entzündbares Fluid und ein fluides Oxidationsmittel in dem Stoffsystem zu einem zündfähigen Gemisch dispergiert und anschließend zur Reaktion gebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Dispergieren und das Zünden des zündfähigen Gemischs zeitlich und/oder räumlich getrennt voneinander erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als entzündbares Fluid Wasserstoff und als fluides Oxidationsmittel Sauerstoff eingesetzt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als entzündbares Fluid Biogas eingesetzt wird.
Vorrichtung zum explosionsartigen Aufschluss von organischem Material in einem fließfähigen Stoffsystem, dadurch gekennzeichnet, dass eine Explosionskammer (3) mit Anschlüssen (4, 4a, 4b) für ein entzündbares Fluid und ein fluides Oxidationsmittel oder ein Gemisch daraus sowie eine Zündvorrichtung (8) zur Einleitung der Reaktion des entzündbaren Fluidgemischs vorgesehen sind und dass weiterhin mindestens ein Strömungsleitelement (7) zur Beschleunigung des Stoffsystems oder des Reaktionsgemischs vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsleitelement (7) als Lavaldüse (6) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Rohrabschnitt (2) mehrere Strömungsleitelemente (7) für das fluide Reaktionsgemisch zwischen der Explosionskammer (3) und einem Behandlungsbereich (1) für das Reaktionsgemisch vorgesehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Strömungsleitelement (7) für das Reaktionsgemisch als Treibrohr (9) und der Behandlungsbereich (1) des Stoffsystems als Fangrohr (9) nach einer Lavaldüse ausgebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Explosionskammer (3) ein Verdichter (12) mit einem Austrittsventil (13) zur Verdichtung des entzündbaren Fluidgemischs vorgeschaltet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Austrittsventil (13) und die Zündvorrichtung (8) synchronisiert getaktet ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass an den Anschlüssen (4, 4a, 4b) der Explosionskammer (3) für das entzündbare Fluid und das fluide Oxidationsmittel oder ein Gemisch daraus Rückschlagklappen (5) angeordnet sind.
Vorrichtung zur Behandlung von organischem Material in einem fließfähigen Stoffsystem, dadurch gekennzeichnet, dass der Behandlungsbereich (1) für das Stoffsystem als kreiszylindrischer Reaktor (14) ausgebildet ist, an dessen Umfang mindestens eine Explosionskammer (3) mit Anschlüssen (4, 4a, 4b) für das entzündbare Fluid und das fluide Oxidationsmittel oder ein Gemisch daraus sowie eine Zündvorrichtung (8) zur Einleitung der Reaktion des entzündbaren Fluidgemischs vorgesehen sind und dass Strömungsleitelemente (7) für das Reaktionsgemisch derart angeordnet sind, dass dieses tangential in den Reaktor (14) einleitbar ist und dass weiterhin ein Gasaustritt (15) als vertikales Rohr sowie ein zentraler Schlammaustritt (16) mittig und axial vorgesehen sind und dass eine Zuführleitung (20) für das Stoffsystem tangential am Reaktor angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Explosionskammer (3) eines Verbrennungsmotors (17) für die Erzeugung des Reaktionsgemischs vorgesehen ist und dass ein Auspuff (18) zur Einleitung des Reaktionsgemischs in den Reaktor (14) vorgesehen ist.
Vorrichtung zur Behandlung von organischem Material in einem fließfähigen Stoffsystem, dadurch gekennzeichnet, dass ein Injektor (21) vorgesehen ist, der von dem fließfähigen Stoffsystem durchströmbar ausgebildet ist und dass ein Brenner (22) zur Erzeugung der reaktiven Flamme (23) im Injektor (21) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner (22) derart im Injektor (21) angeordnet ist, dass die reaktive Flamme (23) den Durchfluss des Stoffsystems durch den Injektor (21) verursacht.
Vorrichtung zur Behandlung von organischem Material in einem fließfähigen Stoffsystem, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Reaktor (14) eine rotierenden Hohlwelle (28) vorgesehen ist, über welche das fließfähige Stoffsystem zum Teller eines Rotationszerstäubers (29) führbar ist und dass ein Ringbrenner (30) im Behandlungsbereich (1) für das Betreiben einer reaktiven Flamme (23) vorgesehen ist, wobei das dispergierte fließfähige Stoffsystem unten aus dem Reaktor (14) entnehmbar und das verbleibende Gas über einen zentral im Reaktor (14) angeordneten Gasaustritt (15) nach oben führbar ist.