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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur thermischen Entsorgung schadstoffhaltiger
Substanzen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ein
solches Verfahren ist aus der
DE 195 21 673 C2 bekannt. Dabei werden zwei
Regeneratoren wechselweise von kaltem, schadstoffhaltigem Rohgas
bzw. von heißem,
gereinigtem Reingas durchströmt.
Das Rohgas wird dabei auf Reaktionstemperatur erhitzt und das Reingas
gleichzeitig nahezu auf die Temperatur des Rohgases abgekühlt. Um
ein Überströmen von
Rohin das Reingas zu vermeiden, ist während des Umschaltens zwischen
den Regeneratoren eine Spülphase
vorgesehen. Während
der Spülphase übernimmt
ein dritter, kleiner Regenerator die Reingaskühlung. Das bekannte Verfahren
eignet sich nicht zur Vernichtung von Schadstoffen, die an Staub
haften oder als Flüssigkeitströpfchen vorliegen,
weil diese bereits vor dem Erreichen der Reaktionskammer zum größten Teil
in einer Schüttschicht der
Regeneratoren abgeschieden werden.
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Die
US 22 72 108 ,
DE 41 08 744 C1 sowie die
DE 42 38 652 C1 offenbaren
so genannte Schüttgutregeneratoren,
bei denen zwischen einem zylindrischen Heiß- und einem diesen koaxial
umgebenden Kaltrost ein Ringraum mit einem darin aufgenommenen Schüttgut als
Wärmespeichermedium
vorgesehen ist.
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Die
WO 86/01875 A1 sowie die
DE
38 39 679 A1 beschreiben Brenner, welche eine Mitverbrennung
schadstoffhaltiger Fluide ermöglichen.
Die
DE 37 90 402 T1 beschreibt
ein Verfahren zur Feuerentgiftung von Flüssigabfällen. Zur Entsorgung halogenhaltiger
Flüssigabfälle wird
vorgeschlagen, diese gemeinsam mit einem Alkalireaktionsstoff zu
verbrennen, so dass im Abgas enthaltene Säuren neutralisiert werden.
Die
DE 198 58 120
A1 beschreibt ein Verfahren zur Verbrennung organisch belasteter Abwässer. Dabei
werden die Abwässer
zusammen mit einem inerten Gas zerstäubt und anschließend mit
einem verdampften Stützbrennstoff
gemischt und verbrannt.
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Des
Weiteren ist es beispielsweise aus der
DE 41 07 200 A1 bekannt,
schadstoffhaltige Fluide mittels eines Schwelreaktors thermisch
zu entsorgen. Ein solcher Schwelreaktor erfordert einen hohen Herstellungsaufwand.
Als Restprodukt bleibt eine glasartige Schlacke zurück, die
ihrerseits entsorgt werden muss.
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Die
DE 44 39 670 A1 betrifft
ein Verfahren, bei dem ein flüssiger
Abfallstoff in einem heißen Rauchgasstrom
verdampft und oxidiert wird. Der flüssige Abfallstoff wird dabei
im Wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung des Rauchgasstroms
pulsierend eingedüst.
Die
EP 0 196 293 B1 beschreibt
einen Brenner sowie ein Verbrennungssystem für Reststoffe, bei denen stets
ein Gemisch aus drei verschiedenen Flüssigabfallsorten entsorgt wird.
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Aus
Ullmann's Encyclopedia
of Industrial Chemistry, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KgaA, DOI: 10.1002/14356007.b07_403
ist es bekannt, zur Vermeidung von de-novo-Synthesen die folgenden Bedingungen
zu vermeiden: Sauerstoffdefizit, niedrige Temperaturen von 300°C bis 600°C oder eine
unangemessene Verweilzeit in Gegenwart von Sauerstoff.
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Aus
der
EP 0 893 153 A1 sowie
der
EP 0 362 553 B1 ist
es bekannt, zur Vermeidung von de-novo-Synthesen einen gesonderten
Dioxin-Katalysator einzusetzen.
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Soweit
sich die bekannten Verfahren insbesondere zur thermischen Entsorgung
halogenhaltiger Substanzen eignen, erfordern sie einen hohen apparativen
Aufwand. Dennoch kann damit die Bildung hochgiftiger Dioxine häufig nicht
wirksam unterbunden werde.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile nach dem Stand
der Technik zu beseitigen. Es soll insbesondere ein Verfahren angegeben werden,
das eine einfache, kostengünstige
und effektive thermische Entsorgung schadstoffhaltiger Substanzen
ermöglicht.
Nach einem weiteren Ziel der Erfindung soll das Verfahren insbesondere
die thermische Entsorgung halogenhaltiger Substanzen ermöglichen.
Schließlich
soll das Verfahren mit möglichst
wenig Energieeinsatz durchführbar
sein.
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Diese
Aufgaben werden durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen
der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2 bis
10.
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Nach
Maßgabe
der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Strömungsgeschwindigkeit des Abgases
beim Durchführen
durch die Speichermasse so gewählt
wird, dass das Abgas im Temperaturbereich von 400°C bis 250°C mit einer
Abkühlungsrate
von zumindest 2000 K/s abgekühlt
wird. – Das
vorgeschlagene Verfahren lässt
sich einfach beispielsweise unter Verwendung radial durchströmter Schüttgutregeneratoren
durchführen,
wie sie beispielsweise aus der
DE 41 08 744 C1 bekannt sind. Solche Schüttgutregeneratoren
zeichnen sich durch einen hohen Wärmegradienten in der Speichermasse
aus. Bei Wahl einer geeigneten Strömungsgeschwindigkeit kann ohne
großen
Aufwand die erfindungsgemäße Abkühlungsrate
erreicht werden. Indem das Abgas beim Durchtritt durch die Speichermasse
im angegebenen Temperaturbereich mit einer Abkühlungsrate von zumindest 2000
K/s abgekühlt
wird, kann es nicht zur Bildung von z. B. Dioxinen, Furanen und
dgl. durch Rekombination von im Abgas enthaltenen Molekülen kommen.
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Unter
einer schadstoffhaltigen Substanz im Sinne der vorliegenden Erfindung
wird eine Flüssigkeit,
ein Gas, ein Feststoff oder ein Gemisch aus zumindest zwei der vorgenannten
Stoffe verstanden, das einen Schadstoff enthält. Bei der schadstoffhaltigen
Substanz kann es sich insbesondere um ein "schadstoffhaltiges Fluid" handeln. Unter dem
Begriff "schadstoffhaltiges
Fluid" wird ein
Gas, eine Flüssigkeit
oder eine fließfähige Masse
verstanden, die einen Schadstoff enthält. Bei dem Schadstoff kann
es sich um organische sowie anorganische Substanzen handeln. Insbesondere
handelt es sich um Reststoffe oder Nebenprodukte, die bei der industriellen
Produktion anfallen. Unter Schadstoffen werden insbesondere halogenhaltige
Verbindungen sowie hochgiftige Dioxine, Furane und dgl. verstanden,
die üblicherweise
in Sondermüllverbrennungsanlagen
thermisch entsorgt werden müssen.
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Nach
einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens werden flüssige und
gasförmige
schadstoffhaltige Substanzen in einem von der Speichermasse umgebenen
Innenraum verbrannt. Damit werden Wärmeverluste minimiert; die
im Abgas enthaltene Wärme
wird besonders effizient auf die Speichermasse übertragen. Bei dem Innenraum
kann es sich beispielsweise um den Sammelraum eines Schüttgutregenerators
handeln. In diesem Fall kann das Verfahren mit einem relativ geringem
apparativen Aufwand durchgeführt
werden. Soweit es sich bei den schadstoffhaltigen Substanzen um
Feststoffe handelt, kann zusätzlich
eine Verbrennung in einer separaten Verbrennungsstufe notwendig
sein, um eine vollständige
thermische Entsorgung zu gewährleisten.
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Das
Abgas wird zweckmäßigerweise
vom Innenraum radial nach außen
durch das Speichermittel geführt.
Dabei kann die Speichermasse in einem zwischen einem zylinderförmigen Heißrost und
einem diesen umgebenden zylinderförmigen Kaltrost gebildeten
Ringraum aufgenommen sein. Mit den vorgenannten Merkmalen kann mit
einem geringen apparativen Aufwand die erfindungsgemäße Abkühlungsrate
erreicht werden. Dazu können
herkömmliche Schüttgutregeneratoren
verwendet werden. Derartige Schüttgutregeneratoren
sind beispielsweise aus der
EP
0 908 692 B1 bekannt, deren Offenbarungsgehalt hiermit
einbezogen wird.
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Nach
einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens
wird das Abgas mittels der Speichermasse gefiltert. D. h., beim
Durchtritt des Abgases durch die Speichermasse wird ein wesentlicher
Teil einer im Abgas enthaltenen Staubfraktion durch die Speichermasse
zurückgehalten.
Das Abgas verlässt
weitgehend staubfrei die Speichermasse.
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Nach
einer weiteren Ausgestaltung ist die schadstoffhaltige Substanz
brennbar oder sie wird mit einem brennbaren Stoff gemischt. Das
erleichtert weiter die Verfahrensführung. Es sind keine besonderen
Brenner erforderlich, die eine thermische Entsorgung nichtbrennbarer
Fluide ermöglichen.
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Zweckmäßigerweise
wird periodisch Gas, z. B. Luft, durch die erwärmte Speichermasse geführt. Falls
der Heizwert der schadstoffhaltigen Substanzen hoch genug ist, kann
das gesamte heiße
Gas oder zumindest ein Teil davon in Folgeprozessen genutzt werden.
Bei kleinen Heizwerten der schadstoffhaltigen Substanzen ist es
zweckmäßig, Luft
zu erhitzen und diese der Brennkammer zuzuführen. Damit kann auf einfache
und effiziente Weise eine besonders hohe Verbrennungstemperatur
erzielt werden.
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Das
Umschalten von Abgas auf Gas und umgekehrt kann in Abhängigkeit
der Temperatur der Speichermasse oder zeitabhängig gesteuert werden. Eine
temperaturabhängige
Steuerung hat den Vorteil, dass sie genauer und flexibler ist. Insbesondere ist
eine solche Steuerung nicht von der Art der verbrannten Substanzen
abhängig.
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Beim
Durchleiten des Abgases durch die Speichermasse wird die Temperatur
im Innenraum zweckmäßigerweise
auf zumindest 850°C
gehalten. Damit und durch die Einhaltung einer ausreichend langen
Verweildauer in der heißen
Reaktionskammer wird sichergestellt, dass die in der schadstoffhaltigen Substanz
enthaltenen Schadstoffe nahezu vollständig thermisch unschädlich gemacht
werden.
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Nachfolgend
wird ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung anhand der Zeichnung näher
erläutert.
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Die
einzige Fig. zeigt zwei Schüttgutregeneratoren
in unterschiedlicher Betriebsweise.
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In
der Fig. sind ein erster 1 und ein zweiter Regenerator 2 gezeigt.
Jeder der Regeneratoren 1, 2 weist einen zylindrischen
Heiß- 3 und
einen den Heißrost 3 koaxial
umgebenden zylindrischen Kaltrost 4 auf. Der Kaltrost 4 wiederum
ist von einer Außenhülle 5 umgeben.
In einem zwischen dem Heiß- 3 und
dem Kaltrost 4 gebildeten Ringraum ist eine Speichermasse 6,
z. B. eine aus keramischen Kugeln gebildete Schüttung, aufgenommen. Ein vom
Heißrost 3 umgebener
Innenraum 7 weist eine untere Öffnung 8 auf. Der
zwischen dem Heiß- 3 und
dem Kaltrost 4 gebildete Ringraum mündet in eine obere Öffnung 9.
An der unteren Öffnung 8 ist
ein Brenner 10 mit einem Einlass 11 für ein zu
verbrennendes Gemisch vorgesehen. Der Brenner 10 weist
außerdem einen
Auslass 12 zur Abfuhr vorgewärmten Gases auf.
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In
der Fig. befindet sich der erste Regenerator 1 in der so
genannten "Heizphase". Durch den Einlass 11 wird
der brennbare Schadstoff oder – bei zu
geringem Heizwert des brennbaren Schadstoffs – ein Schadstoff/Brennstoffgemisch
zugeführt.
Das Fluid kann insbesondere eine schadstoffhaltige Flüssigkeit
enthalten. Es kann selbst brennbar sein. Die zur Verbrennung der
Schadstoffe eingesetzte Verbrennungsluft ist zweckmäßigerweise
vorgewärmt. Sie
wird am Auslass 12 des gleichzeitig in der so genannten "Windphase" betriebenen zweiten
Regenerators 2 entnommen. Das aus vorgewärmter Verbrennungsluft
und Schadstoff/Brennstoffgemisch bestehende Gemisch wird mit einer
vom Brenners 10 ausgehenden und durch die untere Öffnung 8 in
den Innenraum 7 reichende Flamme verbrannt. Dabei beträgt die Temperatur
im Innenraum 7 stets zumindest 850°C. Das bei der Verbrennung gebildete
Abgas durchdringt radial den Heißrost 3, die Speichermasse 6 und
wird über
die obere Öffnung 9 abgeführt. Beim Durchtritt
des Abgases durch die Speichermasse 6 wird dieses im Temperaturbereich
von 400°C
bis 250°C
mit einer Abkühlungsrate
von zumindest 2000 K/s abgekühlt.
Die Abkühlrate
beträgt
vorzugsweise mindestens 3000 K/s, d.h. die Abkühlung von 400°C auf 250°C findet
in etwa 50 ms statt. Die Abkühlungsrate
kann selbstverständlich
auch höher
sein.
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Eine
Abkühlungsrate
von 2000 K/s hat sich in den meisten Fällen als ausreichend erwiesen.
Insbesondere mit Schüttgutreaktoren
können
aber ohne weiteres auch höhere
Abkühlungsraten
von 3000 K/s oder mehr, z. B. 4000, 5000 oder 6000 K/s erreicht werden.
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Infolge
der extrem hohen Abkühlrate
wird dem Abgas schlagartig so viel Energie entzogen, dass es nicht
zu einer Rekombination von Molekülen, insbesondere
zur Bildung von Dioxinen nach der aus der Literatur bekannten De-novo-Synthese
oder Furanen kommen kann.
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Eine
im Abgas enthaltene Staubfraktion wird überdies beim Durchtritt durch
das Speichermittel 6 darin zurückgehalten. Das aus der oberen Öffnung 9 austretende
Abgas ist weitgehend frei von Staub. Das Abgas kann in weiteren
herkömmlichen
Verfahrensschritten, z. B. einer Gaswäsche und anderen Reinigungsschritten,
unterzogen werden. Während der
erste Regenerator 1 sich in der "Heizphase" befindet, wird der zweite Regenerator 2 in
der so genannten "Windphase" betrieben. Dazu
wird beispielsweise Luft auf Umgebungstemperatur durch die obere Öffnung 9 zugeführt. Die
Luft wird durch die Speichermasse 6 und den Heißrost 3 in
den Innenraum 7 geführt.
Die Speichermasse 6 ist während eines vorhergehenden
Betriebs des zweiten Regenerators 2 in der "Heizphase" aufgeheizt worden.
Es gibt seine Wärme
an die hindurch geführte
Luft ab. Die vorgewärmte
Luft verlässt
den Innenraum 7 durch die untere Öffnung 8 und von da
durch den Brenner 10 und den Auslass 12. Sie dient
als vorgewärmte
Verbrennungsluft zur Verbrennung der Substanz im gleichzeitig in
der "Heizphase" betriebenen ersten
Regenerator 1.
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Der
erste 1 und der zweite Regenerator 2 werden wechselweise
in der "Heizphase" und in er "Windphase" betrieben. Damit
kann eine quasi kontinuierliche thermische Entsorgung schadstoffhaltiger Substanzen
erreicht werden. Neben der Entsorgung der Substanzen wird außerdem durch
deren Verbrennung die darin gespeicherte chemische Energie nutzbar
gemacht. Sie kann einerseits dazu verwendet werden, das Verfahren
möglichst
energiesparend durchzuführen.
Andererseits ist es aber auch möglich,
einen Teil der gewonnen vorgewärmten
Luft zur Erzeugung beispielsweise von Energie oder zum Heizen zu
verwenden.
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Als
Speichermasse 6 können
z. B. Schüttgüter mit
Korngrößen zwischen
4 und 10 mm verwendet werden. Die verwendeten Schüttgüter müssen eine hohe
Temperaturbeständigkeit
sowie eine hohe Temperaturwechselbeständigkeit aufweisen. Ferner
sind die Schüttgüter so auszuwählen, dass
sie mit geringem Aufwand eine Trennung von Staub und Schüttung ermöglichen.
Bei einer Temperatur im Innenraum 7 von weniger als 1000°C können als
Schüttgüter beispielsweise
Eifellava, Basaltsplitt oder MgO-Granulat zum Einsatz kommen. Bei
Temperaturen von mehr als 1000°C
im Innenraum 7 haben sich als Schüttgüter Al2O3-Keramikkugeln als geeignet erwiesen. Es
können
aber auch andere Materialien, wie z. B. ZrO2,
verwendet werden.
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Durch
den in der Speichermasse aufgefangenen Staub kann es zu einem Druckverlust über den
Regenerator kommen. Um dem entgegenzuwirken, kann das erfindungsgemäße Verfahren
mit herkömmlichen
Verfahren zum Entfernen von Staub aus der Schüttung kombiniert werden. Ein
derartiges Verfahren ist beispielsweise aus der
DE 197 44 387 C1 bekannt.
Dabei wird die Speichermasse bzw. das Schüttgut aus dem Schüttgutreaktor
nach unten abgezogen, pneumatisch im Flug- oder Dichtstrom wieder
nach oben transportiert und in den Regenerator zurückgeführt. Da bei
ist es möglich,
den im Schüttgut enthaltenen
Staub beispielsweise mittels eines Zyklons abzutrennen.
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Ferner
ist es auch möglich,
das Schüttgut beispielsweise
mit Rohrkettenförderern,
Becherwerken oder Schwingwendelförderern
vertikal oder mit Schnecken, Fluidboden- oder Metallbandförderern horizontal
zu transportieren. In diesem Fall können zum Abtrennen des Staubs
beispielsweise Schwing- oder Trommelsiebe eingesetzt werden.
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- 1
- erster
Regenerator
- 2
- zweiter
Regenerator
- 3
- Heißrost
- 4
- Kaltrost
- 5
- Außenhülle
- 6
- Speichermasse
- 7
- Innenraum
- 8
- untere Öffnung
- 9
- obere Öffnung
- 10
- Brenner
- 11
- Einlass
- 12
- Auslass