DE102004020919A1 - Reaktor zur thermischen Abfallbehandlung mit Eindüsungsmitteln - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Reaktor zur thermischen Abfallbehandlung von Einsatzstoffen mit: DOLLAR A - einem Behälter (7) zur Aufnahme der Einsatzstoffe, DOLLAR A - Eindüsungsmitteln zur Ausbildung eines zusammenhängenden Bereichs (11) für die thermische Abfallbehandlung der Einsatzstoffe in dem Behälter, wobei die Eindüsungsmittel zumindest erste und zweite in Richtung eines Stoffstroms durch den Behälter voneinander beabstandete Eindüsungselemente (4, 5, 6) aufweisen.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Reaktor zur thermischen Abfallbehandlung.
  • Bei der Vergasung, Pyrolyse, Thermolyse, Trocknung, Überhitzung, Verbrennung und/oder Teilverbrennung handelt es sich um an sich bekannte Verfahren zur thermischen Abfallbehandlung. Entsprechende Reaktoren sind aus dem Stand der Technik bekannt.
  • Aus der DE 10007115 C2 , von der die vorliegende Erfindung als nächstkommendem Stand der Technik ausgeht und deren Offenbarungsgehalt mit zur Offenbarung der vorliegenden Patentanmeldung gehört, ist ein Schachtreaktor bekannt, bei dem auf die sonst übliche Kreislauf-Gasführung verzichtet wird und der nach dem Gleichstromprinzip arbeitet. Durch den Verzicht auf eine Kreislauf-Gasführung soll die Kondensation von Pyrolyseprodukten und die Entstehung unerwünschter Ablagerungen vermieden werden. Hieraus ist ferner bekannt, durch Sauerstofflanzen innerhalb einer Ebene eine heiße Zone in dem Reaktor zu schaffen, in der Temperaturen von 1 500 Grad Celsius bis 2 000 Grad Celsius herrschen können.
  • Aus der DE 19816864 A1 ist ein koksbeheizter Kreislaufgas-Kupolofen zur stofflichen und/oder energetischen Verwertung von Abfallmaterialien unterschiedlicher Zusammensetzung bekannt. Eine untere Absaug- und Gasberuhigungs-Ringkammer wird unterhalb bis zur Ebene der durch die Lage der Gasstrahlverdichter gebildeten Schmelz- und Überhitzungszone angeordnet. Diese Anordnung bewirkt, dass das Überschussgas direkt aus der Schmelz- und Überhitzungszone mit hohen Temperaturen um 2 000 Grad Celsius aus dem Ofenschacht abgezogen wird. Das Überschussgas wird ebenfalls durch die glühende Koksschicht der Schmelz- und Überhitzungszone des koksbeheizten Kreislaufgas-Kupolfens geführt. Durch die Energie verbrauchende Wirkung des Boudouard-Gleichgewichts wird Kohlendioxid unter Absenkung der Gastemperatur zu Kohlenmonoxid umgesetzt.
  • Aus der DE 19640497 A1 ist ein koksbeheizter Kreislaufgas-Kupolofen zur stofflichen und/oder energetischen Verwertung von Abfallmaterialien, wie beispielsweise Hausmüllfraktionen verschiedener Zusammensetzungen, bekannt. Der Kreislaufgas-Kupolofen hat einen senkrechten Ofenschacht mit mehreren, um den Umfang des Ofenschachts angeordneten Ofengas-Absaugöffnungen, die durch Kanäle mit über dem Herd im Bereich der Schmelz- und Überhitzungszone installierten Düsen verbunden sind. Die Düsen haben zentrisch geführte Sauerstofflanzen und einen Gasstrahlverdichter.
  • Aus der DE 4030554 C2 ist eine Vorrichtung zur thermischen Behandlung von Abfallstoffen bekannt. Eine Dioxin-Problematik wird dadurch vermieden, dass Ruß in einer Koksschüttung zu Kohlenmonoxid umgesetzt wird. Die Koksschüttung wirkt auch als Staubfilter, sodass etwa noch an Staubpartikeln gebundene Dioxine und Furane im Bereich der Koksschüttung zurückgehalten werden.
  • Die US 2,709,153 zeigt ein Verfahren zur Verkokung und Vergasung bituminöser Materialien. Nachteilig ist hierbei insbesondere, dass nicht eindeutig bestimmt werden kann, in welchen Bereichen des Reaktors die gasförmigen Stoffe im Gleich- oder Gegenstrom die Einsatzstoffe und/oder die Zwischenprodukte durchströmen.
  • Aus der DE 4324111 A1 ist eine Vorrichtung zum Brennen von mineralogischen und petrografischen Verbindungen und Gemengen bekannt. In einem Gegenstrom-Schachtofen werden Ofengase abgezogen und über Brennerdüsen nach Grobstaubabscheidung wieder an einer anderen Stelle mit dem Brenngas eingeblasen.
  • Ferner ist aus der A 217064 ist ein Schachtofen zur Durchführung einer kontinuierlichen Reduktion von Metalloxiden bekannt. Der Schachtofen wird nach dem Gegenstromprinzip betrieben und hat in seinem unteren Bereich einen Austragtisch. An dem Schachtofen sind in mehreren Höhenlagen verteilt Düsen angeordnet. Sauerstoffhaltige Gase werden in gleichen Zeitabständen abwechselnd durch Düsen verschiedener Höhenlage und/oder durch verschiedene Düsen oder Düsenpaare derselben Höhenlage eingeblasen.
  • Das Einblasen von sauerstoffhaltigen Gasen durch die verschiedenen Düsensätze abwechselnd in gleichen Zeitabständen hat zur Folge, dass jede Düse jeweils eine kurze Periode in Gebrauch und danach in einer entsprechenden Periode abgesperrt ist. Jeder Düsensatz besteht aus vier Düsen, die im Winkel von 90 Grad zueinander angeordnet sind. Diese Düsen sind in der Weise an die Luftzuführungsleitung angeschaltet, dass auf jedem Niveau zwei Paare diametral angeordneter Düsen vorhanden sind. Die Luftzuführung zu den einzelnen Paaren wird durch ein Umschaltventil in der Hauptleitung der betreffenden Düsenebene gesteuert.
  • Durch eine derartige periodische, rhythmische Luftzuführung werden Briketts, während sie im Schacht herabsinken, wechselweise durch Verbrennung der Kohlenmonoxidgase erhitzt und wiederum durch die endothermenen Reaktionen in den Briketts abgekühlt. Die Luftzuführung kann auch so ausgeführt sein, dass die Düsen in einer Ebene im Verhältnis zu den Düsen in den anderen Ebenen versetzt sind.
  • Dieser vorbekannte Schachtofen ist zur Gewinnung von Metallen aus oxidischen Erzen, wie Eisenerz, Ilmenit, Manganerz und Chromerz geeignet. Eine thermische Abfallbehandlung von Einsatzstoffen ist mit einem solchen Schachtofen jedoch nicht möglich.
  • Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Reaktor zu schaffen, der für die thermische Abfallbehandlung von Einsatzstoffen geeignet ist.
  • Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
  • Erfindungsgemäß wird ein Reaktor zur thermischen Abfallbehandlung von Einsatzstoffen mit einem Behälter zur Aufnahme der Einsatzstoffe und Eindüsungsmitteln geschaffen. Durch die Eindüsungsmittel wird ein zusammenhängender Bereich in den Behälter für die thermische Abfallbehandlung der Einsatzstoffe geschaffen. Die Eindüsungsmittel haben zumindest erste und zweite, in Richtung eines Stoffstroms durch den Behälter voneinander beabstandete Eindüsungselemente.
  • Beim Betrieb des Reaktors wird über die Eindüsungsmittel ein reaktionsfähiger Stoff oder ein Stoffgemisch in den Behälter eingedüst, sodass sich der zusammenhängende Bereich, innerhalb dessen die thermische Abfallbehandlung der Einsatzstoffe stattfindet, ausbildet. Bei dem reaktionsfähigen Stoff oder Stoffgemisch kann es sich um reaktionsfähige Gase und/oder Flüssigkeiten handeln.
  • Beispielsweise wird Luft oder Sauerstoff über Sauerstofflanzen eingedüst. Insbesondere zur Beeinflussung eines Reaktionsgleichgewichts der thermischen Abfallbehandlung kann das eingedüste Stoffgemisch neben einer oxidierenden Komponente, wie zum Beispiel Sauerstoff, eine reduzierende Komponente, wie zum Beispiel Wasserdampf, Kohlendioxid oder kohlendioxidhaltiges Gas beinhalten.
  • Die Eindüsung des reaktionsfähigen Stoffs oder Stoffgemischs erfolgt über die zumindest erste und zweite in Richtung des Stoffstroms durch den Behälter beabstandete Eindüsungselemente, also zum Beispiel über entsprechend beabstandete Sauerstofflanzen. Der Abstand der Eindüsungselemente ist dabei so gewählt, dass ein zusammenhängender Bereich für die thermische Abfallbehandlung geschaffen wird, der sich in Richtung des Stoffstroms in dem Behälter erstreckt. Dadurch vergrößert sich der Reaktionsraum sowie die Verweilzeit der Einsatzstoffe und Zwischenprodukte für die thermische Abfallbehandlung. Der Stoffumsatz der Einsatzstoffe sowie der bei der thermischen Abfallbehandlung entstehenden Zwischenprodukte mit dem eingebrachten reaktionsfähigen Stoff bzw. Stoffen wird dadurch verbessert und kann vollständiger ablaufen.
  • Bei der in dem zusammenhängenden Bereich des Reaktors durchgeführten thermischen Abfallbehandlung kann es sich um verschiedene Prozesse handeln, zum Beispiel Trocknung, Thermolyse, Pyrolyse, Vergasung, Überhitzung, Verbrennung und/oder Teilverbrennung der Einsatzstoffe.
  • Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Eindüsungselemente zur Ausbildung zumindest erster und zweiter Eindüsungsebenen angeordnet. Die Eindüsungsebenen sind in Richtung des Stoffstroms durch den Behälter voneinander beabstandet, um den zusammenhängenden Bereich für die thermische Abfallbehandlung zu schaffen. Durch die Anordnung der Eindüsungselemente in mehreren voneinander beabstandeten Eindüsungsebenen ist ein vollständigerer und gleichmäßigerer Stoffumsatz in dem zusammenhängenden Bereich ermöglicht.
  • Aufgrund konstruktiver Randbedingungen können nämlich nur eine begrenzte Anzahl von Eindüsungselementen am Umfang des Behälters innerhalb einer Eindüsungsebene verteilt angeordnet werden. Selbst bei vollständiger Ausbildung der Wirbelzonen vor allen Eindüsungselementen derselben Eindüsungsebene ist jedoch keine über dem gesamten Behälterquerschnitt einheitliche Verteilung der Reaktionspartner, das heißt von Einsatzstoffen, Zwischenprodukten und dem eingedüsten reaktionsfähigen Stoff oder Stoffgemisch gegeben, wenn nur eine einzige Eindüsungsebene vorhanden ist. Ferner ist bei der Eindüsung von zum Beispiel Gasen in eine Festkörperschüttung die Eindringtiefe radial und auch axial zur Reaktorachse begrenzt, wodurch es bei vorbekannten Reaktoren zu Strähnenbildung in den offenen Randzonen sowie im Kernbereich der Schüttung kommen kann.
  • Wegen der Strähnenbildung durchläuft also ein Teil der Einsatzstoffe den durch die einzige Eindüsungsebene gebildeten Reaktionsbereich unbehandelt oder aufgrund nicht ausreichender Verweilzeit nur unvollständig behandelt. Gleiches kann für die Zwischenprodukte der Einsatzstoffe zutreffen. Dieses Problem wird dadurch verstärkt, wenn der Einfluss stark schwankender Eigenschaften der Einsatzstoffe sowie der vorübergehende Ausfall von ein oder mehreren Eindüsungselementen während der Betriebsphase des Reaktors hinzukommen. Dies hat eine ungleichmäßige Verteilung der Temperatur und damit eine Senkung des energetischen Potenzials in der durch die einzige Eindüsungsebene gebildeten Behandlungszone zur Folge.
  • Demgegenüber wird durch die erfindungsgemäße Anordnung der Eindüsungselemente in mehreren, in Richtung des Stoffstroms durch den Behälter voneinander beabstandeten Eindüsungsebenen eine gleichmäßigere, vollständigere und intensivere thermische Behandlung der Einsatzstoffe und deren Zwischenprodukte erreicht. Insbesondere wird die Gefahr einer Strähnenbildung reduziert.
  • Zur Schaffung eines zusammenhängenden Bereichs für die thermische Abfallbehandlung der Einsatzstoffe ist der Abstand zwischen den Eindüsungsebenen so gewählt, dass die Temperatur zwischen den Eindüsungsebenen nicht unter einen bestimmten Mindestwert fällt. Dieser Mindestwert hängt von dem gewählten thermischen Abfallbehandlungsverfahren ab.
  • Wenn es sich bei der thermischen Abfallbehandlung beispielsweise um eine Verbrennung handelt, beispielsweise für die Behandlung hausmüllähnlicher Abfälle, so kann die Mindesttemperatur ca. 900 °C betragen. Sollen Einsatzmittel behandelt werden, die Schmelzen bildende Stoffe, wie Mineralien oder höher schmelzende Metalle enthalten, müss eine deutlich höhere Mindesttemperaturen eingehalten werden, um zu vermeiden, dass diese Schmelzen in dem Reaktor in den festen Zustand übergehen. Der Abstand zwischen den Eindüsungsebenen wird bei der Konstruktion des Reaktors also in Abhängigkeit von den in dem Reaktor zu behandelnden Einsatzstoffen so gewählt, dass die für die gewünschte Art der thermischen Abfallbehandlung und die Art der Einsatzstoffe erforderliche Mindesttemperatur zwischen den Eindüsungsebenen nicht unterschritten wird.
  • Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Eindüsungselemente innerhalb einer Eindüsungsebene symmetrisch verteilt. Vorzugsweise sind die Eindüsungselemente radial auf die Längsachse des Reaktors ausgerichtet, das heißt, die Eindüsungselemente sind bei rundem Reaktorquerschnitt im Wesentlichen senkrecht zu der Behälterwandung angeordnet. Vorteilhaft ist ferner eine tangentiale Ausrichtung eines oder mehrerer der Eindüsungselemente. Dabei kann ein Eindüsungselement einen Winkel zwischen 0 und 90 Grad mit der Normalen der Behälterwand einschließen, vorzugsweise einen Winkel zwischen 20 und 80 Grad, insbesondere 40 Grad.
  • Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind eine oder mehrere der Eindüsungselemente nicht waagerecht, sondern in Richtung des Stoffstroms durch den Behälter geneigt, angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass eine Komponente des Impulses des eingedüsten Stoffs oder Stoffgemischs die Einsatzstoffe und deren Zwischenprodukte in Richtung des Stoffstroms durch den Bereich für die thermische Abfallbehandlung vorantreibt. Ein weiterer Vorteil ist, dass durch die Neigung der Eindüsungselemente eine Verschmutzung oder Verstopfung durch Eindringen von Reaktormaterial in ein Eindüsungselement vermieden oder deutlich verringert wird. Die Neigung der Eindüsungselemente hat also eine selbstreinigende Funktion und hält die Eindüsungselemente des reaktionsfähigen Stoffs bzw. Stoffgemischs frei. Der Neigungswinkel in Bezug auf den Stoffstrom, d.h. zur Reaktorlängsachse, kann dabei zwischen 0 und 90 Grad betragen. Vorzugsweise beträgt der Neigungswinkel zur Normalen der Behälterwand zwischen 5 und 30 Grad.
  • Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung schließen verschiedene Eindüsungselemente derselben oder unterschiedlicher Eindüsungsebenen verschiedene Winkel mit der Normalen der Behälterwand und/oder mit dem Stoffstrom ein. Durch diese ungleichmäßige Ausrichtung der Eindüsungselemente kommt es zu einer intensiveren Verwirbelung innerhalb des Bereichs für die thermische Abfallbehandlung.
  • Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Eindüsungselemente aufeinander folgender Eindüsungsebenen versetzt zueinander angeordnet. Dadurch wird eine gleichmäßigere Beaufschlagung des zusammenhängenden Bereichs für die thermische Abfallbehandlung mit reaktionsfähigem Stoff erreicht, was zu einem vollständigerem Umsatz der Einsatzstoffe und einer Reduktion oder Vermeidung von Strähnenbildung führt.
  • Beispielsweise sind zwei Eindüsungsebenen mit je 12 Eindüsungselementen vorhanden. Benachbarte Eindüsungselemente derselben Eindüsungsebene schließen dann einen Winkel von 30 Grad ein. Die beiden Eindüsungsebenen sind zueinander um einen Winkel 15 Grad versetzt, um den Bereich zwischen den Eindüsungselementen der vorausgehenden Eindüsungszone abzudecken.
  • Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Eindüsungselemente einzeln oder in Gruppen schaltbar, steuerbar und/oder regelbar. Über entsprechende Steuerungs- und/oder Regelungsmittel erfolgt eine kontinuierliche, intermittierende, oszillierende und/oder alternierende Eindüsung in den zusammenhängenden Bereich.
  • Eine intermittierende, oszillierende und/oder alternierende Betriebsweise der Eindüsungsmittel hat den Vorteil einer Auflockerung und/oder eines Freiblasens der Poren in der Schüttung und somit der Vergrößerung des Reaktionsraums. Dies wird durch Veränderung der lokalen Drücke und/oder der Menge des lokal eingebrachten reaktionsfähigen Stoffs aufgrund der intermittierenden, oszillierenden und/oder alternierenden Eindüsung zum Beispiel mit einer Phasenverschiebung zwischen einzelnen Eindüsungselementen oder Gruppen von Eindüsungselementen erreicht.
  • Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hat der Reaktor eine Steuerung oder Regelung für die Zusammensetzung des einzudüsenden reaktionsfähigen Stoffgemischs.
  • Gemäß dem Massenwirkungsgesetz laufen Reaktionen schneller ab, je größer die Konzentration der Reaktionspartner ist. Sollen nun bestimmte Reaktionen oder Gleichgewichte wie zum Beispiel die heterogene Wassergasreaktion [H2O + C = 2H2 + CO] beeinflusst werden, so ist es sinnvoll, den Wasserdampfanteil in dem reaktionsfähigen Stoff zu erhöhen und über die Eindüsungsmittel einzublasen. Da im konkreten Fall die Wassergasreaktion endotherm ist, muss beachtet werden, dass ggf. durch andere Maßnahmen wie die Erhöhung des Sauerstoffanteils zur Förderung einer partiellen Verbrennung und damit einer Temperaturerhöhung innerhalb der gleichen oder einer anderen Eindüsungsebene eine Kompensation erfolgen muss, es sei denn, dieser Einfluss der Erhöhung des Wasserdampfanteils auf eine Temperaturerniedrigung ist gleichzeitig gewollt.
  • Ein weiteres Beispiel ist die Beeinflussung des Boudouard-Gleichgewichts [C + CO2 = 2CO], welches eine große Rolle bei thermischen Verfahren spielt, die Reduktionsmechanismen des Kohlenstoffs [C] oder des Kohlenoxids [CO] auszunutzen. Da der zusammenhängende Bereich für die thermische Abfallbehandlung in dem Reaktorbehälter durch mehrere Eindüsungsebenen gebildet wird, kann in einer oberen Ebene, z.B. der in Richtung des Stoffstroms obersten Eindüsungsebene, Kohlendioxid [CO2] oder kohlendioxidhaltiges Gas eingeblasen werden, welches beispielsweise aus einer nachfolgenden Gaswäsche stammt.
  • Diese Komponente wird in dem Bereich lediglich aufgeheizt und nimmt zunächst an keiner Reaktion teil. Für einen nachfolgenden Reduktionsbereich ist dieses Kohlen dioxid jedoch Ausgangstoff für die Boudouard-Reaktion und kann entsprechend den thermodynamischen Bedingungen in Kohlenmonoxid [CO], einer der energetisch nutzbaren Komponenten eines Produktgases von Vergasungsverfahren, umgewandelt werden. In dem Bereich findet in diesem Beispiel ein physikalischer Vorgang der Temperaturerhöhung statt, der in einer nachfolgenden Stufe der thermischen Behandlung das thermodynamische Gleichgewicht der Boudouard-Reaktion in Richtung Reaktionsprodukt Kohlenmonoxid [CO] verschiebt.
  • Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird Prozessabwärme für die Aufheizung des reaktionsfähigen Stoffs bzw. Stoffgemischs vor der Eindüsung verwendet. Die Abwärme kann aus einem in dem Reaktor ablaufenden Prozess, der Abkühlung der ausgebrachten Schmelzen, der Abkühlung aus dem ausgebrachten Rohgas oder der Abwärme aus nachgeschalteten Prozessen der Rohgasreinigung oder der Rohgasaufbereitung stammen.
  • Alternativ oder zusätzlich können auch andere Wärmequellen für die Aufheizung verwendet werden. Die Prozesse der thermischen Behandlung von Abfallstoffen beginnen nämlich bereits bei Temperaturen von unter 100 °C und erreichen je nach Verfahren oder Verfahrensschritt bis über 2 000 °C. Der reaktionsfähige Stoff bzw. das Stoffgemisch wird vor der Eindüsung vorzugsweise auf die Prozesstemperatur erhitzt.
  • Durch Nutzung der Abwärme zum Beispiel aus der Abkühlung des Reaktors, der Schmelzen und/oder des Rohgases kann der Gesamtwirkungsgrad verbessert werden. Alternativ oder zusätzlich kann auch die Abwärme aus nachfolgenden Prozessen, wie zum Beispiel der Methanolsynthese, für die Erhitzung des reaktionsfähigen Stoffs oder Stoffgemischs verwendet werden.
  • Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden Stoffe, die man aufgrund der thermischen Abfallbehandlung in dem Reaktor erhält, über die Eindüsungsmittel für die thermische Abfallbehandlung der Einsatzstoffe in den Prozess zurückgeführt. Hierbei kann es sich um Stoffe handeln, die aus der thermischen Abfallbehandlung der Einsatzstoffe nachgeschalteten Gasreinigung, Gasaufbereitung oder Gasverwertung gewonnen werden.
  • Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung steigt die Anzahl der Eindüsungselemente pro Eindüsungsebene in Richtung des Stoffstroms durch den Behälter an. Dadurch kann die insgesamt erforderliche Anzahl von Eindüsungselementen optimiert werden, da aufgrund der großen Zahl von Eindüsungselementen der letzten Eindüsungsebene hinreichend sichergestellt ist, dass die Einsatzstoffe vollständig behandelt werden.
  • Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Eindüsungsmittel aus Metall, zum Beispiel Kupfer. In diesem Fall ist eine Kühlung durch ein Wärmeträgermedium, zum Beispiel Wasser, erforderlich. Eine solche Kühlung kann entfallen, wenn die Eindüsungsmittel ganz oder teilweise aus Keramik bestehen.
  • Im Weiteren werden bevorzugte Ausführungen der Erfindung mit Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 einen Längsschnitt einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Reaktors,
  • 2 einen Querschnitt des Reaktors mit einer bevorzugten Ausführungsform der Anordnung der Eindüsungsmittel,
  • 3 einen Querschnitt des Reaktors mit einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Anordnung der Eindüsungsmittel,
  • 4 einen Querschnitt des Reaktors mit einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Anordnung der Eindüsungsmittel,
  • 5 eine bevorzugte Ausführungsform des zeitlichen Verlaufs der Eindüsung in zwei verschiedenen Eindüsungsebenen.
  • Die 1 zeigt einen Reaktor zur thermischen Abfallbehandlung von Einsatzstoffen d. Bei den Einsatzstoffen d kann es sich um übliche Siedlungsabfälle, Industrieabfälle, Klinikabfälle oder dergleichen handeln sowie auch um schwierige Stoffe, insbesondere Erdöl- und Raffinerieabfälle.
  • Der Reaktor hat einen Behälter 7, in den die thermisch zu behandelnden Einsatzstoffe d zum Beispiel über eine Schüttvorrichtung eingefüllt werden. Dadurch bildet sich eine entsprechende Schüttung in dem Behälter 7 aus.
  • In Längsrichtung des Behälters 7 sind an dessen Wandung 8 Eindüsungsmittel angeordnet, die mehrere Eindüsungselemente 4, 5 und 6 aufweisen. Die Eindüsungselemente 4, 5 und 6 sind in voneinander beabstandeten Eindüsungsebenen 1, 2 und 3 angeordnet. Über die Eindüsungselemente 4 wird ein Stoff oder Stoffgemisch a, über die Eindüsungselemente 5 wird ein Stoff oder Stoffgemisch b und über die Eindüsungselemente 6 wird ein Stoff oder Stoffgemisch c eingedüst. Die Stoffe oder Stoffgemische a, b und c können gleich oder verschieden sein.
  • Die Eindüsungsebene 2 ist von der Eindüsungsebene 1 in Richtung des Stoffstroms um den Abstand L1 beabstandet; die Eindüsungsebene 3 ist von der Eindüsungsebene 2 in Richtung des Stoffstroms um den Abstand L2 beabstandet. Die Abstände L1 und L2 sind so gewählt, dass die Temperatur der Einsatzstoffe d und der Zwischenprodukte e zwischen den Eindüsungsebenen 1 und 2 sowie 2 und 3 nicht unter eine vorgegebene Mindesttemperatur abfällt. Dadurch wird ein zusammenhängender Bereich 11 für die thermische Abfallbehandlung geschaffen. Der Bereich 11 wird durch seine obere Grenze 9 und seine untere Grenze 10 begrenzt. Die obere Grenze 9 und die untere Grenze 10 sind Isotherme, das heißt Flächen, die die Mindesttemperatur für die thermische Abfallbehandlung aufweisen.
  • Sofern der Reaktor zur Verbrennung zum Beispiel hausmüllähnlicher Abfälle dienen soll, so kann die Mindesttemperatur ca. 900 °C betragen. Zur Behandlung von Einsatzstoffen, die Schmelzen bildende Stoffe wie Mineralien oder höher schmelzende Metalle enthalten, muss eine deutlich höhere Mindesttemperatur eingehalten werden, um ein Erstarren der Schmelze zu vermeiden. Dies ist insbesondere auch für die Behandlung von Abfällen der Erdöl- und Raffinerieindustrie erforderlich, insbesondere zur thermischen Behandlung von Metall- und Maschinenteilen, die erdölverschmutzt sind, sowie von Filteranlagen und Filterkomponenten der Erdölindustrie.
  • Sollen in dem Reaktor zum Beispiel PCB(polychlorierte Biphenyle)-haltige Einsatzstoffe durch Oxidation und Überhitzung thermisch abschließend behandelt werden und dort PCB als Leitkomponente des Einsatzstoffes vollständig aufgespalten werden, dann liegt die Mindesttemperatur, die zwischen den Eindüsungsebenen nicht unterschritten werden darf, bei über 1 000 °C.
  • Die Abstände L1 und L2 werden also in Abhängigkeit von den zu behandelnden Einsatzstoffen gewählt. Je nach dem beabsichtigten Einsatzgebiet liegen die Abstände L1 und L2 im Bereich von ca. 30 Zentimeter bis 1,5 Meter, vorzugsweise im Bereich von 50 cm bis 1 m.
  • Bei den Eindüsungselementen kann es sich um Sauerstofflanzen, Düsen, Brenner oder dergleichen handeln, über welche Luft, Sauerstoff, verschiedene Brenngase, Gasgemische und/oder Flüssigkeiten zugeführt werden können, mit dem Ziel, die Temperatur für die thermische Abfallbehandlung der Einsatzstoffe d auf einen gewünschten Wert einzustellen.
  • Sofern die Zufuhr von Sauerstoff dafür nicht ausreichend ist, können auch Fremdbrenngase oder aus dem Reaktor gewonnene Überschussgase über die Eindüsungsmittel zugeführt werden. In dem hier betrachteten Ausführungsbeispiel verfügen die Eindüsungselemente 4, 5 und 6 über Stellvorrichtungen, über die der Volumenstrom und/oder die Zusammensetzung der über ein Eindüsungselement eingedüsten reaktionsfähigen Stoffgemisches eingestellt werden kann.
  • In dem hier betrachteten Ausführungsbeispiel sind die Eindüsungselemente 4 der obersten Eindüsungsebene 1 so angeordnet, dass eine Eindüsung des reaktionsfähigen Stoffs oder Stoffgemisch in einem Winkel von 80 Grad zu der Vorzugsrichtung des Stoffstroms erfolgt. Dies entspricht einem Winkel von 10 Grad zu der Normalen der Wandung 8 des Behälters 7.
  • Entsprechend sind die Eindüsungselemente 5 der darunter liegenden zweiten Eindüsungsebene 2 so angeordnet, dass die Eindüsung unter einem Winkel von 85 Grad erfolgt, das heißt, die Eindüsungselemente 5 schließen einen Winkel von 5 Grad mit der Flächennormalen der Wandung 8 an.
  • Die Eindüsungselemente 6 der untersten Eindüsungsebene 3 sind senkrecht zu der Wandung 8 angeordnet, sodass die Eindüsung in den Stoffstrom unter einem 90-Grad-Winkel erfolgt.
  • Die Neigung der Eindüsungselemente zur Bildung eines spitzen Winkels mit dem Stoffstrom hat den Vorteil, dass eine Richtungskomponente des Impulses des eingedüsten Stoffs in Richtung des Stoffstroms zeigt, was dem Stoffstrom von Einsatzstoffen d und Zwischenprodukten e förderlich ist. Ein weiterer Vorteil der Neigung der Eindüsungselemente ist, dass dieses einem Eindringen von Reaktormaterial in das betreffende Eindüsungselement vorbeugt. Ein weiterer Vorteil der Neigung ist, dass einer Verschmutzung oder Verstopfung der Eindüsungselemente entgegengewirkt wird.
  • Der Reaktor hat eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) 13, die zur Steuerung der Stellvorrichtungen 12 und weiterer in der 1 der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigter Aggregate des Reaktors dient. Hierzu verfügt die SPS 13 über zumindest einen Mikroprozessor zur Ausführung der Programmmodule 14 und 15. Ferner ist die SPS 13 mit einer Messeinrichtung 16, beispielsweise einem Temperatursensor, verbunden.
  • Dem in der 1 dargestellten Abschnitt des Reaktors ist eine Gasreinigungsvorrichtung 17 nachgeschaltet, die Abwärme 18 aus der Gasreinigung zur Erhitzung der über die Eindüsungselemente 4, 5 und 6 einzudüsenden reaktionsfähigen Stoffe abgibt.
  • Beim Betrieb des Reaktors werden Einsatzstoffe d in den Behälter 7 eingefüllt. Über die Eindüsungselemente wird ein reaktionsfähiger Stoff oder ein Stoffgemisch eingedüst, sodass sich ein zusammenhängender Bereich 11 herausbildet, in dem eine thermische Abfallbehandlung der Einsatzstoffe d stattfindet. Aufgrund der Wahl der Abstände L1 und L2 zwischen den Eindüsungsebenen erreicht die Temperatur in dem zusammenhängenden Bereich 11 überall einen vorgegebenen Mindestwert.
  • In dem Bereich 11 reagieren die Einsatzstoffe d mit den über die Eindüsungselemente 4, 5 und 6 eingedüsten reaktionsfähigen Stoffen, sodass Zwischenprodukte e und Endprodukte f gebildet werden. Die Endprodukte f verlassen den Bereich 11 in Richtung des Stoffstroms des nach dem Gleichstromprinzip betriebenen Reaktors.
  • Insbesondere bei problematischen Einsatzstoffen d, die aufgrund ihrer Kornverteilung, Kornform und/oder Korngröße zur Verdichtung oder Schichtung neigen, ist es vorteilhaft, einzelne Eindüsungselemente oder Gruppen von Eindüsungselementen, insbesondere der Eindüsungselemente verschiedener Eindüsungsebenen, oszillierend, intermittierend und/oder alternierend zu betreiben. Durch die zeitliche Veränderung des über ein Eindüsungselement in die Schüttung eintretenden Volumenstroms von reaktionsfähigen Stoffen kommt es zu einer Auflockerung und/oder einem Freiblasen der Poren in der Schüttung und somit zu einer Vergrößerung des Reaktionsraums. Dadurch kann eine bessere Ausbildung der Wirbelzonen in dem Bereich 11 erreicht werden sowie einer Strähnenbildung entgegengewirkt werden. Die entsprechende Ansteuerung der Stellvorrichtungen 12 der Eindüsungselemente 4, 5 und 6 erfolgt durch das Programmmodul 14 der SPS 13.
  • Ferner erhält die SPS 13 von der Messeinrichtung 16 einen Messwert, beispielsweise einen Temperaturmesswert, aus dem die SPS 13 eine Information über den Ab lauf der thermischen Abfallbehandlung in dem Bereich 11 ableitet. Beispielsweise lässt sich aus dem Temperaturmesswert die Temperatur in dem Bereich 11 zumindest näherungsweise ableiten.
  • Diese Information wird von dem Programmmodul 15 genutzt, um die Zusammensetzung des reaktionsfähigen Stoffgemischs zum Beispiel zur Beeinflussung des Reaktionsgleichgewichts der in dem Bereich 11 ablaufenden thermischen Abfallbehandlung zu regeln. Hierzu kann das Programmmodul 15 die Stellvorrichtungen 12 der Eindüsungselemente 4, 5 und 6 entsprechend ansteuern.
  • Die Endprodukte f werden in der Gasreinigungsvorrichtung 17 einer Gasreinigung unterzogen. Die dabei erzeugte Abwärme 18 wird zur Erhitzung der über die Eindüsungselemente 4, 5 und 6 in den Bereich 11 eingedüsten reaktionsfähigen Stoffe oder Stoffgemische verwendet. Dadurch lässt sich der Gesamtwirkungsgrad der Anlage erhöhen.
  • Von wesentlichem Vorteil des Reaktors ist, dass sich der Bereich 11 über die Länge LG in Richtung des Stoffstroms durch den Behälters 7 erstreckt, welches durch mehrere, beabstandete Eindüsungsebenen erreicht wird. Dadurch erfolgt eine intensive stoffliche Umsetzung in dem Bereich 11, welche auch die thermische Behandlung von schwierigen Stoffen, einschließlich Erdöl und Raffinerieabfällen, ermöglicht.
  • Von besonderem Vorteil ist dabei, dass aufgrund der Länge des Bereichs 11 sowie der Anordnung der Eindüsungselemente 4, 5 und 6 in verschiedenen Eindüsungsebenen 1, 2 und 3 eine Strähnenbildung unterdrückt bzw. vollständig vermieden werden kann. Dieser positive Effekt wird noch durch die Steuerung der Eindüsungselemente 4, 5 und 6 durch das Programmmodul 14 verstärkt, da die oszillierende, intermittierende und/oder alternierende Eindüsung ebenfalls der Strähnenbildung entgegen wirkt.
  • Die 2 zeigt eine Ausführungsform des Reaktors der 1 mit zwei Eindüsungsebenen 1 und 2 im Querschnitt. Elemente der 2, die Elementen der 1 entsprechen, sind mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
  • In dem hier betrachteten Ausführungsbeispiel hat die Eindüsungsebene 1 eine Anzahl von vier Eindüsungselementen 4, die um den Querschnitt des Behälters 7 herum in Abständen von 90 Grad angeordnet sind. Die Eindüsungsebene 2 weist ebenfalls 4 voneinander um 90 Grad beabstandete Eindüsungselemente 5 auf.
  • Die Eindüsungsebenen 1 und 2 sind dabei um einen Winkel von 45 Grad gegeneinander versetzt, sodass die Eindüsungselemente 5 der Eindüsungsebene 2 die zwischen benachbarten Eindüsungselementen 4 der Eindüsungsebene 1 gebildeten Lücken abdecken. Alternativ können pro Eindüsungsebene auch eine größere Anzahl von Eindüsungselementen vorgesehen sein, wie zum Beispiel bis zu 24 Eindüsungselemente pro Eindüsungsebene, wobei die Eindüsungselemente einer Eindüsungsebene jeweils gleiche Winkel mit dem benachbarten Eindüsungselement der selben Eindüsungsebene einschließen und die Eindüsungsebenen gegeneinander um einen bestimmten Winkel versetzt sind.
  • Die 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel mit zwei Eindüsungsebenen. Elemente der 3 sind wiederum mit denselben Bezugszeichen wie Elemente der 1 und 2 gekennzeichnet.
  • In dem Ausführungsbeispiel der 3 hat die Eindüsungsebene 1 drei Eindüsungselemente 4, die in Abständen von 120 Grad am Umfang des Behälters 7 angeordnet sind.
  • Die Eindüsungsebene 2 hat dagegen neun Eindüsungsmittel 5, die in 40-Grad-Abständen angeordnet sind. Die Eindüsungsebenen 1 und 2 sind gegeneinander um 20 Grad versetzt, um die Lücken abzudecken.
  • Generell ist es vorteilhaft, wenn die Anzahl der Eindüsungselemente in Richtung des Stoffstroms ansteigt. Insbesondere ist es vorteilhaft, dass die letzte Eindüsungsebene am unteren Ende des Bereichs 11 die größte Anzahl von Eindüsungselementen aufweist, sodass jedenfalls hier etwaig noch nicht oder nicht vollständig thermisch behandelter Einsatzstoffe oder Zwischenprodukte vollständig umgesetzt werden.
  • Die 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, indem wiederum dieselben Bezugszeichen wie in den Ausführungsbeispielen der 1, 2 und 3 füreinander entsprechende Elemente verwendet werden.
  • In dem Ausführungsbeispiel der 4 haben die Eindüsungsebenen 1 und 2 jeweils vier Eindüsungselemente 4 bzw. 5, die jeweils im Abstand von 90 Grad angeordnet sind. Die Eindüsungselemente 4 der Eindüsungsebene 1 schließen ferner einen Winkel mit der Flächennormalen der Wandung 8 ein, das heißt, die Eindüsungselemente 4 sind tangential gedreht angeordnet.
  • In dem hier betrachteten Ausführungsbeispiel beträgt dieser Winkel 40 Grad; es sind jedoch auch kleinere oder größere Winkel zwischen 0 und 90 Grad möglich. Durch die tangentiale Drehung der Eindüsungselemente erhält der eingedüste reaktionsfähige Stoff eine tangentiale Impulskomponente, was zu einer Verbesserung der Verwirbelung führt.
  • Die Eindüsungsebenen 1 und 2 sind hier um 60 Grad gegeneinander versetzt angeordnet.
  • Die 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Steuerung der Eindüsungselemente 4 und 5 der Eindüsungsebenen 1 und 2. Das obere Diagramm zeigt die pro Zeiteinheit von den Eindüsungselementen 4 abgegebene Menge reaktionsfähigem Stoffs über der Zeitachse. Das untere Diagramm der 5 zeigt dasselbe für die Eindüsungselemente 5 der Eindüsungsebene 2.
  • Wie aus den Diagrammen der 5 ersichtlich, erfolgt die Eindüsung intermittierend, das heißt gepulst, mit unterschiedlichen Pulshöhen. Durch die Variation der Pulshöhen ergibt sich insgesamt eine oszillierende Eindüsung, wobei die Eindüsung der Eindüsungsebene 2 gegenüber der Eindüsungsebene 1 um einen Winkel φ entsprechend einer Zeit Δt phasenverschoben ist.
  • 1
    Eindüsungsebene
    2
    Eindüsungsebene
    3
    Eindüsungsebene
    4
    Eindüsungselement
    5
    Eindüsungselement
    6
    Eindüsungselement
    7
    Behälter
    8
    Wandung
    9
    obere Grenze
    10
    untere Grenze
    11
    Bereich
    12
    Stellvorrichtung
    13
    speicherprogrammierbare Steuerung (SPS)
    14
    Programmmodul
    15
    Programmmodul
    16
    Messeinrichtung
    17
    Gasreinigungsvorrichtung
    18
    Abwärme
    d
    Einsatzstoffe
    e
    Zwischenprodukte
    f
    Endprodukte
    LG
    Länge
    L1
    Abstand
    L2
    Abstand

Claims (22)

  1. Reaktor zur thermischen Abfallbehandlung von Einsatzstoffen mit: – einem Behälter (7) zur Aufnahme der Einsatzstoffe, – Eindüsungsmitteln zur Ausbildung eines zusammenhängenden Bereichs (11) für die thermische Abfallbehandlung der Einsatzstoffe in dem Behälter, wobei die Eindüsungsmittel zumindest erste und zweite in Richtung eines Stoffstroms durch den Behälter voneinander beabstandete Eindüsungselemente (4, 5, 6) aufweisen.
  2. Reaktor nach Anspruch 1, wobei es sich bei der thermischen Abfallbehandlung um eine Trocknung, Thermolyse, Pyrolyse, Vergasung, Überhitzung, Verbrennung und/oder Teilverbrennung handelt.
  3. Reaktor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Eindüsungselemente zur Ausbildung zumindest erster und zweiter Eindüsungsebenen (1, 2, 3) angeordnet sind.
  4. Reaktor nach Anspruch 3, wobei die Eindüsungselemente der zweiten Eindüsungsebene versetzt bezüglich der Eindüsungselemente der ersten Eindüsungsebene angeordnet sind.
  5. Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest eines der Eindüsungselemente im Wesentlichen senkrecht zu dem Behälter angeordnet ist.
  6. Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest eines der Eindüsungselemente einen Winkel von größer 0 Grad und kleiner 90 Grad mit der Normalen des Behälters einschließt, vorzugsweise einen Winkel zwischen 20 Grad bis 80 Grad, insbesondere einen Winkel von 40 Grad.
  7. Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest eines der Eindüsungsmittel in Richtung des Stoffstroms geneigt ist.
  8. Reaktor nach Anspruch 7, wobei der Neigungswinkel bezogen auf die Normale zur Reaktorlängsachse zwischen 0 Grad und 90 Grad, vorzugsweise zwischen 45 Grad und 2 Grad liegt.
  9. Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich die Anzahl der Eindüsungselemente in Richtung des Stoffstroms vergrößert.
  10. Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei durch die Eindüsungselemente erste und zweite Eindüsungsebenen gebildet werden, und jede der Eindüsungsebenen zwischen 4 und 36 Eindüsungselementen, vorzugsweise 12 Eindüsungselemente, aufweist.
  11. Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Eindüsungselemente einzeln oder in Gruppen schaltbar, steuerbar und/oder regelbar sind.
  12. Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit Steuerungs- und/oder Regelungsmitteln (13) zur kontinuierlichen, intermittierenden, oszillierenden und/oder alternierenden Eindüsung eines reaktionsfähigen Stoffs oder Stoffgemisches über die Eindüsungsmittel.
  13. Reaktor nach Anspruch 12, wobei die Steuerungs- und/oder Regelungsmittel zur phasenversetzten Eindüsung ausgebildet sind.
  14. Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest eines der Eindüsungselemente im Wesentlichen aus Metall, vorzugsweise Kupfer, bestehen und zur Kühlung mit einem Wärmeträgermedium ausgebildet ist.
  15. Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest eines der Eindüsungselemente ganz oder teilweise aus Keramik besteht.
  16. Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Eindüsungsmittel zur Eindüsung eines gasförmigen und/oder flüssigen reaktionsfähigen Stoffs oder Stoffgemischs ausgebildet sind.
  17. Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest eines der Eindüsungselemente als Sauerstofflanze oder Sauerstoffdüse ausgebildet ist.
  18. Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Eindüsungsmittel zur Eindüsung von Wasserdampf oder wasserdampfhaltigem Stoffgemisch ausgebildet sind.
  19. Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Eindüsungsmittel zur Eindüsung von Kohlendioxid oder kohlendioxidhaltigem Gas ausgebildet sind.
  20. Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit Steuerungs- und/oder Regelungsmitteln (13) zur Beeinflussung einer Zusammensetzung eines über die Eindüsungsmittel in den Behälter einzudüsenden reaktionsfähigen Stoffs oder Stoffgemischs.
  21. Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit Mitteln zur Erwärmung eines über die Eindüsungsmittel in den Behälter einzudüsenden reaktionsfähigen Stoffs oder Stoffgemischs.
  22. Reaktor nach Anspruch 21, wobei die Mittel zur Erwärmung des reaktionsfähigen Stoffs oder Stoffgemischs zur Nutzung von Abwärme ausgebildet sind.
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