DE102014112140B4

DE102014112140B4 - Verfahren und eine Vorrichtung zur Aufbereitung von Abwasser aus Produktions- oder Arbeitsverfahren

Info

Publication number: DE102014112140B4
Application number: DE102014112140.6A
Authority: DE
Inventors: Thomas Boroske
Original assignee: AQUACHEM GmbH
Current assignee: AQUACHEM GmbH
Priority date: 2014-08-25
Filing date: 2014-08-25
Publication date: 2017-12-14
Anticipated expiration: 2034-08-26
Also published as: DE102014112140A1

Abstract

Verfahren zur Aufbereitung von Abwasser eines Produktions- oder Arbeitsverfahrens, wobei das Abwasser einem ersten Niederdruckverdampfer zugeführt wird, das Abwasser in dem ersten Niederdruckverdampfer versprüht und zumindest teilweise zu Kaltdampf verdampft wird, der Kaltdampf aus dem ersten Niederdruckverdampfer einem ersten Kondensator zugeführt und in diesem zu Abwasser-Destillat kondensiert wird, wobei a) das Abwasser in dem ersten Niederdruckverdampfer mittels einer statischen Düsenanordnung versprüht wird, die ausgebildet ist aus einer Mehrzahl von auf einer gedachten Kreislinie angeordneten äußeren Düsen und einer im Mittelpunkt des durch die gedachte Kreislinie gebildeten Kreises angeordneten mittigen Düse, b) jede der äußeren Düsen einen Sprühwinkel im Bereich von 40° bis 60° und die mittige Düse einen Sprühwinkel im Bereich von 100° bis 120° aufweist, c) das Abwasser mit einem Betriebsdruck im Bereich von 0,3 bis 1,2 bar zu den Düsen der Düsenanordnung gepumpt wird, und d) der Druck im Inneren des ersten Niederdruckverdampfers im Bereich von 250 mbar(a) bis 100 mbar(a) (Unterdruck im Bereich von 0,75 bar bis 0,90 bar) liegt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Aufbereitung von Abwasser aus Produktions- oder Arbeitsverfahren.
In verschiedenen industriellen Produktions- oder Arbeitsverfahren, wie etwa solchen der Papierindustrie, holzverarbeitenden Industrie oder zur Herstellung verschiedener Baustoffe werden große Mengen Dampf und Wasser benötigt. Gleichzeitig fallen während der jeweiligen Verfahren große Mengen zumeist heißen Abwassers an.
So werden bspw. bei der Herstellung von Kalksandsteinen, Porenbetonsteinen oder ähnlichen Baumaterialien die Ausgangsmaterialien mit Wasser vermischt und aus den so erhaltenen Mischungen Rohlinge geschnitten, geformt oder gepresst. Diese Rohlinge werden in einen Autoklaven verbracht, dieser wird druckdicht verschlossen und anschließend werden die Rohlinge darin unter erhöhtem Druck in einer Dampfatmosphäre gehärtet. Da die Rohlinge zu Beginn der Behandlung eine vergleichsweise geringe Temperatur besitzen und auch die Wandungen des Autoklaven selbst noch vergleichsweise kühl sind, schlägt sich an den Autoklavwandungen sowie an den Rohlingen Kondensat (Kondensatwasser) nieder, das sich schwerkraftbedingt im Bodenbereich des Autoklaven oder in einem Kondensatwasser-Auffangbehälter sammelt.
Das Kondensat weist einen vergleichsweise hohen Gehalt an unerwünschten Inhaltsstoffen auf, der dadurch zustande kommt, dass beim Kondensationsvorgang und Ablaufen des Kondensats Inhaltsstoffe der Rohlinge (bspw. Kalk, Salze, Mineralien und andere Verunreinigungen) aus letzteren ausgewaschen bzw. von letzteren abgewaschen werden und gegebenenfalls auch in Lösung gehen.
Zur Aufbereitung von Abwasser sind grundsätzlich verschiedene Verfahren bekannt, wie etwa

– Vorfiltration durch Absetzbecken/Sandfang/Grobreinigung,
– Filtration durch Kiesfilter/Siebfilter/Rückspülfilter,
– Feinreinigung durch z. B. Ultrafiltration/Osmose-Verfahren,
– Reinigung durch Fällung/Flockung/Adsorption,
– Biologische Reinigung.

Alle genannten Verfahren erzeugen ein mehr oder minder problematisches Konzentrat und sind etwa bei Feinreinigung durch Membranen (z. B. Ultrafiltration) nicht temperaturbeständig. Gerade bei Membranverfahren liegt die nicht aufzubereitende Konzentrat-Restmenge bei 20–25%. Biologische und chemische Verfahren erzeugen Schlamm, der teilweise aufwändig entsorgt werden muss. Normale Filtrationsverfahren entfernen nur Schwebstoffe und Partikel, die im Wasser schwimmen, jedoch keine Salze oder andere gelöste Stoffe.
Aus dem Bereich der oben beispielhaft erwähnten Herstellungsverfahren von Kalksandsteinen, Porenbetonsteinen oder ähnlichen Baumaterialien ist es bekannt, Abwasser mit Hilfe eines Destillationsverfahrens aufzubereiten, um hierdurch die bei der Herstellung der genannten Baumaterialien anfallende Abwassermenge und erforderliche Energie zu verringern.
So sind aus der DE 691 047 A ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Kalksandsteinen bekannt, bei denen in dem Härtekessel anfallendes Kondensatwasser in den Dampferzeuger zurückgeführt wird. Diese Vorgehensweise ist mit dem Nachteil verbunden, dass der Dampferzeuger verschlammt und versalzt, wodurch sich in diesem Ablagerungen bilden. Der Schlamm und die Ablagerungen greifen nicht nur das Behältermaterial des Dampferzeugers an, sondern sie verschlechtern auch den Wirkungsgrad des Dampferzeugers bei der Dampferzeugung. Um die Funktionsfähigkeit des Dampferzeugers aufrechtzuerhalten, muss daher der Dampferzeuger regelmäßig gereinigt werden, wozu über ein Abschlammventil der sich in dem Heizkessel ansammelnde flüssige Schlamm von Zeit zu Zeit abgelassen wird, wobei Abwasser anfällt.
Aus der DE 195 44 238 C1 ist ein Verfahren und Vorrichtung zur physikalischen Aufbereitung von Brauchwasser einer Kalksandstein-Härteanlage bekannt. Bei dieser physikalischen Brauchwasseraufbereitung wird das in den Härtekesseln anfallende Kondensat (Abwasser) zunächst in einem Niederdruckverdampfer zu Kaltdampf verdampft und anschließend in einem Kondensator kondensiert. Das so erhaltene Abwasser-Destillat wird als Speisewasser für den Dampferzeuger verwendet. Da dieses Speisewasser vollständig entsalzt ist, wird ein Versalzen des Dampferzeugers zuverlässig verhindert.
Die DE 197 02 430 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung, bei denen Kondensat (Abwasser) zunächst in einem Sammelbehälter aufgefangen und anschließend einem Niederdruckverdampfer zwecks Erzeugung von Kaltdampf zugeführt wird. Dabei wird das Abwasser vor seiner Verdampfung in dem Niederdruckverdampfer über einen Wärmetauscher geführt, um auf diese Weise Wärmeenergie aus dem Restdampf nutzen zu können. Der Restdampf kann hierbei zumindest teilweise kondensiert werden, wodurch sich das Volumen des Restdampfs verringert. Auch wird der Energieaufwand für die Niederdruckverdampfung reduziert, da das aufzubereitende Abwasser dem Niederdruckverdampfer mit einer hohen Temperatur zugeführt werden kann.
Ebenfalls mit dem Ziel einer Steigerung der Energieeffizienz der an sich bekannten Verfahren zur Härtung von Kalksandsteinen, Porenbetonsteinen oder ähnlichen Baumaterialien beschreibt die DE 10 2010 017 764 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung, bei denen das während der Einleitung und/oder Einwirkung von Wasserdampf auf die Rohlinge anfallende Kondensat in eine Kondensat-Sammeleinrichtung geleitet wird. Das Kondensat wird, ohne dass dessen Druck reduziert wird, zumindest teilweise unmittelbar aus der Kondensat-Sammeleinrichtung in den Innenraum des Autoklaven zurückverdampft.
Bei der technischen Lehre gemäß der DE 10 2010 017 764 A1 ergibt sich das Problem, dass das zu verdampfende Kondensat unter einem Druck steht, der den Atmosphärendruck deutlich übersteigt. Damit ist für eine Verdampfung des Kondensats eine Temperatur erforderlich, die deutlich höher ist als diejenige unterhalb des Atmosphärendrucks in einem Niederdruckverdampfer. Hierdurch ergeben sich in verstärktem Ausmaß die Probleme, die oben bereits im Zusammenhang mit der DE 691 047 A beschrieben wurden, d. h. die Gefahr der Korrosion der Oberflächen des Dampferzeugers aufgrund der mit steigenden Temperaturen immer aggressiver werdenden Wirkung der Inhaltsstoffe des Kondensatwassers sowie der Bildung von Ablagerungen auf den Oberflächen des Dampferzeugers, wodurch der Wirkungsgrad des Dampferzeugers bei der Dampferzeugung verschlechtert wird.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Aufbereitung von Abwasser zur Verfügung zu stellen, mit denen die Nachteile des bisher bekannten Stands der Technik überwunden oder doch zumindest verringert werden können.
Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie die Vorrichtung gemäß Anspruch 10. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Aufbereitung von Abwasser eines Produktions- oder Arbeitsverfahrens vorgeschlagen, wobei das Abwasser einem ersten Niederdruckverdampfer zugeführt wird, das Abwasser in dem ersten Niederdruckverdampfer versprüht und zumindest teilweise zu Kaltdampf verdampft wird, der Kaltdampf aus dem ersten Niederdruckverdampfer einem ersten Kondensator zugeführt und in diesem zu Abwasser-Destillat kondensiert wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren

a) wird das Abwasser in dem ersten Niederdruckverdampfer mittels einer statischen Düsenanordnung versprüht, die ausgebildet ist aus einer Mehrzahl von auf einer gedachten Kreislinie angeordneten äußeren Düsen und einer im Mittelpunkt des durch die gedachte Kreislinie gebildeten Kreises angeordneten mittigen Düse,
b) weist jede der äußeren Düsen einen Sprühwinkel im Bereich von 40° bis 60° und die mittige Düse einen Sprühwinkel im Bereich von 100° bis 120° auf,
c) wird das Abwasser mit einem Betriebsdruck im Bereich von 0,3 bis 1,2 bar zu den Düsen der Düsenanordnung gepumpt, und
d) liegt der Druck im Inneren des ersten Niederdruckverdampfers im Bereich von 250 mbar(a) bis 100 mbar(a) (Unterdruck im Bereich von 0,75 bar bis 0,90 bar).

Durch die obige Kombination der Merkmale a) bis d) wird im Vergleich zu vorbekannten Verfahren und Vorrichtungen, bei denen Abwasser mit Hilfe von Destillation aufbereitet wird, eine deutliche Energieeinsparung erreicht. Auch kann bei vielen Produktions- oder Arbeitsverfahren erreicht werden, dass diese vollständig abwasserfrei betrieben werden können.
Gemäß einer ersten vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird in dem ersten Niederdruckverdampfer nicht verdampftes Abwasser zu einem zweiten Niederdruckverdampfer geführt und dort durch eine Düsenanordnung versprüht, die derjenigen des ersten Niederdruckverdampfers entspricht, wobei der Druck im Inneren des zweiten Niederdruckverdampfers im Bereich von 190 mbar(a) bis 150 mbar(a) (Unterdruck im Bereich von 0,81 bis 0,85 bar) liegt, wobei dieser Druck niedriger ist als derjenige in dem ersten Niederdruckverdampfer, und wobei der Kaltdampf aus dem zweiten Niederdruckverdampfer einem zweiten Kondensator zugeführt und in diesem zu Abwasser-Destillat kondensiert wird.
Gemäß einer zweiten vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird in dem zweiten Niederdruckverdampfer befindliches Abwasser zu dem ersten Kondensator geführt und mittels der dort anfallenden Kondensationswärme erwärmt.
In vorteilhafter Weise kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren in dem zweiten Niederdruckverdampfer nicht verdampftes Abwasser zu einem dritten Niederdruckverdampfer geführt und dort durch eine Düsenanordnung versprüht werden, die derjenigen des ersten und zweiten Niederdruckverdampfers entspricht, wobei der Druck im Inneren des dritten Niederdruckverdampfers im Bereich von 140 mbar(a) bis 100 mbar(a) (Unterdruck im Bereich von 0,86 bis 0,90 bar) liegt, wobei dieser Druck niedriger ist als derjenige in dem ersten und zweiten Niederdruckverdampfer, und wobei der Kaltdampf aus dem dritten Niederdruckverdampfer einem dritten Kondensator zugeführt und in diesem zu Abwasser-Destillat kondensiert wird.
Ebenso ist es von Vorteil, wenn bei dem erfindungsgemäßen Verfahren in dem dritten Niederdruckverdampfer befindliches Abwasser zu dem zweiten Kondensator geführt und mittels der dort anfallenden Kondensationswärme erwärmt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann in vorteilhafter Weise dahin weitergebildet werden, dass das Abwasser-Destillat aus dem ersten, zweiten und/oder dritten Kondensator dem Produktions- oder Arbeitsverfahren wieder zur Verfügung gestellt wird, vorzugsweise als Speisewasser für den/einen Dampfkessel.
Gemäß (einer) weiteren vorteilhaften Weiterbildung(en) des Verfahrens

a) beträgt die gesamte Anzahl an äußeren Düsen fünf bis zwölf,
b) werden durch die gesamte Anzahl an äußeren Düsen 50 Vol.-% bis 70 Vol.-% und durch die mittige Düse 30 Vol.-% bis 50 Vol.-% des zu der Düsenanordnung gepumpten Abwassers versprüht,
c) der Anstellwinkel von einer jeden der äußeren Düsen zu der mittigen Düse im Bereich von 10° bis 30°, und/oder
d) liegt der Gesamtsprühwinkel der Düsenanordnung im Bereich von 80° bis 100°.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Abwasser in dem ersten Niederdruckverdampfer durch einen bei dem Produktions- oder Arbeitsverfahren anfallenden Restdampf erwärmt werden.
Wird hierbei der Restdampf zumindest teilweise kondensiert, kann das Restdampf-Kondensat in vorteilhafter Weise dem Produktions- oder Arbeitsverfahren ebenfalls wieder zur Verfügung gestellt werden, vorzugsweise als Speisewasser für den/einen Dampfkessel.
Die vorliegende Erfindung umfasst auch eine Vorrichtung zur Aufbereitung von Abwasser eines Produktions- oder Arbeitsverfahrens, aufweisend Zuführmittel zum Zuführen des Abwassers zu einem ersten Niederdruckverdampfer, einen ersten Niederdruckverdampfer, eine Einrichtung zur Vakuumerzeugung und einen ersten Kondensator zum Kondensieren von verdampftem Abwasser, die mit dem ersten Niederdruckverdampfer verbunden sind, und eine erste Sprüheinrichtung zum Versprühen des Abwassers.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung

a) weist die erste Sprüheinrichtung eine statische Düsenanordnung auf, die ausgebildet ist aus einer Mehrzahl von auf einer gedachten Kreislinie angeordneten äußeren Düsen und einer im Zentrum des durch die gedachte Kreislinie gebildeten Kreises angeordneten mittigen Düse,
b) ist jede der äußeren Düsen derart ausgebildet, dass sie einen Sprühwinkel im Bereich von 40° bis 60° aufweist, und ist die mittige Düse derart ausgebildet, dass sie einen Sprühwinkel im Bereich von 100° bis 120° aufweist,
c) sind die Düsen weiter derart ausgebildet, dass sie einen stabilen Sprühkegel ab einem Betriebsdruck von 0,3 bar des den Düsen zugeführten Abwassers ausbilden, wobei der Betriebsdruck in einem Bereich von 0,3 bis 1,2 bar einstellbar ist, und
d) ist die Einrichtung zur Vakuumerzeugung dazu eingerichtet, einen Druck im Inneren des ersten Niederdruckverdampfers bis 50 mbar(a) (Unterdruck bis 0,95 bar), vorzugsweise im Bereich von 250 mbar(a) bis 100 mbar(a) (Unterdruck im Bereich von 0,75 bar bis 0,90 bar) zu erzeugen.

Gemäß einer ersten vorteilhaften Weiterbildung weist die Vorrichtung einen mit Hilfe von bei dem Produktions- oder Arbeitsverfahren anfallenden Restdampf durchströmbaren Wärmetauscher sowie Zuführmittel zum Zuführen von Abwasser zu dem Wärmetauscher auf, so dass das Abwasser in dem ersten Niederdruckverdampfer mittels des Wärmetauschers erwärmt werden kann.
Gemäß einer zweiten vorteilhaften Weiterbildung der Vorrichtung weist diese

a) einen zweiten Niederdruckverdampfer auf, wobei der zweite Niederdruckverdampfer mit einer Einrichtung zur Vakuumerzeugung und einem zweiten Kondensator zum Kondensieren von verdampftem Abwasser verbunden ist und eine Sprüheinrichtung zum Versprühen des Abwassers aufweist, die derjenigen des ersten Niederdruckverdampfers entspricht, sowie Zuführmittel zum Zuführen von in dem ersten Niederdruckverdampfer nicht verdampften Abwasser zu dem zweiten Niederdruckverdampfer, und wobei die Einrichtung zur Vakuumerzeugung dazu eingerichtet ist, einen Druck im Inneren des zweiten Niederdruckverdampfers im Bereich von 190 mbar(a) bis 150 mbar(a) (Unterdruck im Bereich von 0,81 bar bis 0,85 bar) zu erzeugen, wobei dieser Druck niedriger ist als derjenige im ersten Niederdruckverdampfer, und optional
b) einen dritten Niederdruckverdampfer auf, wobei der dritte Niederdruckverdampfer mit einer Einrichtung zur Vakuumerzeugung und einem dritten Kondensator zum Kondensieren von verdampftem Abwasser verbunden ist und eine Sprüheinrichtung zum Versprühen des Abwassers aufweist, die derjenigen des ersten Niederdruckverdampfers entspricht, sowie Zuführmittel zum Zuführen von in dem zweiten Niederdruckverdampfer nicht verdampftem Abwasser zu dem dritten Niederdruckverdampfer, und wobei die Einrichtung zur Vakuumerzeugung dazu eingerichtet ist, einen Druck im Inneren des zweiten Niederdruckverdampfers im Bereich von 140 mbar(a) bis 100 mbar(a) (Unterdruck im Bereich von 0,86 bar bis 0,90 bar) zu erzeugen, wobei dieser Druck niedriger ist als derjenige im ersten und zweiten Niederdruckverdampfer.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann in vorteilhafter Weise vorgesehen sein, dass die Vorrichtung

a) Zuführmittel von in dem zweiten Niederdruckverdampfer vorhandenem Abwasser zu dem ersten Kondensator aufweist, derart dass dieses Abwasser mittels des ersten Kondensators durch die dort anfallende Kondensationswärme erwärmbar ist, und optional
b) Zuführmittel von in dem dritten Niederdruckverdampfer vorhandenem Abwasser zu dem zweiten Kondensator aufweist, derart dass dieses Abwasser mittels des zweiten Kondensators durch die dort anfallende Kondensationswärme erwärmbar ist.

Gemäß (einer) weiteren vorteilhaften Weiterbildung(en) der Vorrichtung

a) beträgt die gesamte Anzahl an äußeren Düsen fünf bis zwölf,
b) ist der Volumendurchsatz der gesamten Anzahl an äußeren Düsen zu dem Volumendurchsatz der mittigen Düse derart ausgelegt, dass durch die äußeren Düsen 50 Vol.-% bis 70 Vol.-% und durch die mittige Düse 30 Vol.-% bis 50 Vol.-% des zu der Düsenanordnung geführten Abwassers versprühbar sind,
c) weisen die Düsen einen Dralleinsatz mit wenigstens einer Leitschaufel sowie eine Mittelbohrung im Dralleinsatz auf,
d) sind die Düsen in einer Düsenhalterung lösbar befestigt,
e) ist die Düsenhalterung derart ausgebildet, dass der Anstellwinkel von einer jeden der daran befestigten äußeren Düsen zu der daran befestigten mittigen Düse im Bereich von 10° bis 30° liegt, und/oder
f) sind der durch die Düsenhalterung vorgegebene Anstellwinkel und der Sprühwinkel der daran befestigten äußeren Düsen derart gewählt, dass der Gesamtsprühwinkel der Düsenanordnung im Bereich von 80° bis 100° liegt.

Weitere Vorteile ergeben sich, wenn die Vorrichtung

a) einen Sammelbehälter zum Aufnehmen von Abwasser-Destillat,
b) ein Abschlammventil zum Austragen von Abwasser, und/oder
c) eine Messeinrichtung zum Messen der Konzentration von unerwünschten Inhaltsstoffen in dem Abwasser

Die vorliegende Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
1: eine schematische Darstellung einer beispielhaften erfindungsgemäßen Vorrichtung mit drei Verdampferstufen;
2: eine schematische Darstellung einer für das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung verwendbaren Düse;
3: eine schematische Draufsicht auf ein Beispiel einer für das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung verwendbaren Düsenanordnung;
4: eine schematische seitliche Darstellung eines Beispiels einer für das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung verwendbaren Düsenhalterung mit daran befestigten Düsen;
5: ein Diagramm mit Darstellung von Verdampfungsfläche, Volumenstrom und Druck gemäß der vorliegenden Erfindung im Vergleich zum vorbekannten Stand der Technik.
Die Darstellungen in den Figuren sind rein schematisch und nicht maßstabsgerecht. Innerhalb der Figuren sind gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Die nachfolgend erläuterten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar. Die vorliegende Erfindung ist selbstverständlich nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt.
In 1 ist schematisch ein Beispiel einer Vorrichtung zur Abwasseraufbereitung 1 gemäß der vorliegenden Anmeldung dargestellt, die über eine dreistufige Niederdruckverdampferanlage verfügt. Jeder der Niederdruckverdampferanlagen umfasst einen Niederdruckverdampfer 2, 9, 13. Jeder der Niederdruckverdampfer 2, 9, 13 verfügt entsprechend seiner Auslegung über eine vorgegebene maximale Leistungsfähigkeit in Bezug auf die Menge an verdampfbarem Abwasser pro Zeiteinheit. Durch das Vorsehen von mehr als einer Niederdruckverdampferanlage kann die Gesamtleistung der Vorrichtung 1 im Vergleich zu einer Vorrichtung 1 mit nur einem Niederdruckverdampfer entsprechend erhöht werden. Darüber hinaus ergeben sich vorteilhafte Effekte in Bezug auf den Energieverbrauch der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1.
Selbstverständlich kann eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Abwasseraufbereitung 1 auch über nur eine oder zwei Niederdruckverdampferanlage(n) (etwa bei entsprechend kleinem Abwasseraufkommen und/oder einem oder zwei hierfür ausreichend ausgelegten Niederdruckverdampfer(n) 2, 9, 13) verfügen oder vier oder mehr Verdampferanlagen aufweisen.
Anhand der in 1 dargestellten Vorrichtung zur Abwasseraufbereitung 1 soll auch ein beispielhafter Ablauf einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert werden.
Gemäß dem in 1 dargestellten Beispiel wird in einem ersten Verfahrensschritt Abwasser aus einem Produktions- oder Arbeitsverfahren dem ersten Niederdruckverdampfer 2 zugeführt. Im ersten Niederdruckverdampfer 2 wird durch eine erste Umwälzpumpe 3 ein Abwasserumlauf erzeugt. In diesen Abwasserumlauf ist in vorteilhafter Weise ein erster Wärmetauscher 4 eingebunden, bspw. in Form eines Plattenwärmetauschers. Dieser erste Wärmetauscher 4 wird im Gegenstrom bspw. mit Restdampf (Abdampf) aus einem Produktions- oder Arbeitsverfahren beschickt. Im Falle eines Produktionsverfahrens, bei dem Kalksandsteine oder Porenbetonsteine hergestellt werden, kann dieser Restdampf bspw. aus dem aus dem/den Autoklaven abgelassenen Abdampf bestehen. Mittels des ersten Wärmetauschers 4 kann das Abwasser erwärmt werden, oftmals sogar auf die gewünschte Temperatur.
Wenn der Restdampf bei der Erwärmung des Abwassers zumindest teilweise kondensiert, kann das Restdampf-Kondensat dem Produktions- oder Arbeitsverfahren wieder zur Verfügung gestellt wird, vorzugsweise als Kessel-Speisewasser. Hierbei ist oftmals keine Aufbereitung oder Behandlung des Restdampf-Kondensats erforderlich, bevor dieses wieder in die Produktions- oder Arbeitsvorrichtung zurückgeführt bzw. in dem Produktions- oder Arbeitsverfahren verwendet wird.
Das erwärmte Abwasser wird danach in dem ersten Niederdruckverdampfer 2 mittels einer ersten statischen Düsenanordnung 5 versprüht, deren Ausgestaltung in Verbindung mit den 2 bis 4 näher beschrieben wird.
In dem ersten Niederdruckverdampfer 2 herrscht gegenüber der Umgebung ein Unterdruck, der durch eine Vakuumpumpe (Einrichtung zur Vakuumerzeugung) 6, etwa eine mechanische Vakuumpumpe, erzeugt wird. Gemäß dem hier erläuterten Beispiel kann der Druck im Inneren des ersten Niederdruckverdampfers 2 auf bspw. 250 mbar(a) bis 200 mbar(a) (Unterdruck von 0,75 bar bis 0,80 bar) eingestellt oder geregelt sein. Bei einem beispielhaft angenommenen Druck von 240 mbar(a) (Unterdruck von 0,76 bar) wird ein Teil des Abwassers in dem ersten Niederdruckverdampfer 2 bei einer Temperatur von etwa 64°C zu Kaltdampf verdampft. Hierzu wird das Abwasser für eine vorgebbare Zeitdauer mit einem vorgebbaren Volumenstrom in dem ersten Niederdruckverdampfer 2 versprüht.
Der im ersten Niederdruckverdampfer 2 erzeugte Kaltdampf (Niederdruckdampf) wird oben aus dem ersten Niederdruckverdampfer 2 abgeleitet und dem ersten Kondensator 7 zugeführt, wo der Kaltdampf zu Abwasser-Destillat kondensiert, das über Zuführmittel (etwa eine Rohrleitung, mit oder ohne Pumpe(n), Ventil(e), etc.) einem Abwasser-Destillat-Sammelbehälter 8 zugeführt werden kann.
Der Wasserkreislauf des zweiten Niederdruckverdampfers 9 wird gespeist durch Abwasser, das kontinuierlich oder diskontinuierlich über ein erstes Ventil 10 vom Wasserkreislauf des ersten Niederdruckverdampfers 2 zu dem Wasserkreislauf des zweiten Niederdruckverdampfers 9 geleitet wird.
Im zweiten Niederdruckverdampfer 9 wird durch eine zweite Umwälzpumpe 11 ein Abwasserumlauf erzeugt, in den der erste Kondensator 7 eingebunden ist. Über den ersten Kondensator 7 gibt der Kaltdampf aus dem ersten Niederdruckverdampfer 2 Energie an das Abwasser im zweiten Niederdruckverdampfer 9 ab, wodurch dieses Abwasser erwärmt werden kann, oftmals sogar auf die gewünschte Temperatur.
Das erwärmte Abwasser wird in dem zweiten Niederdruckverdampfer 9 mittels einer zweiten statischen Düsenanordnung 5' versprüht, deren Aufbau derjenigen im ersten Niederdruckverdampfer 2 entspricht.
In dem zweiten Niederdruckverdampfer 9 herrscht gegenüber der Umgebung ebenfalls ein Unterdruck, der durch eine Vakuumpumpe 6 erzeugt wird. Der Druck im Inneren des zweiten Niederdruckverdampfers 9 ist niedriger als der Druck im Inneren des ersten Niederdruckverdampfers 2 und ist bei dem hier betrachteten Beispiel auf etwa 190 mbar(a) bis 150 mbar(a) (Unterdruck von 0,81 bar bis 0,85 bar) eingestellt oder geregelt. Bei einem beispielhaft angenommenen Druck von 160 mbar(a) (Unterdruck von 0,84 bar) wird ein Teil des Abwassers in dem zweiten Niederdruckverdampfer 9 bei einer Temperatur von etwa 55°C zu Kaltdampf verdampft. Hierzu wird das Abwasser für eine vorgebbare Zeitdauer mit einem vorgebbaren Volumenstrom in dem zweiten Niederdruckverdampfer 9 versprüht.
Der im zweiten Niederdruckverdampfer 9 erzeugte Kaltdampf wird oben aus dem zweiten Niederdruckverdampfer 9 abgeleitet und einem zweiten Kondensator 12 zugeführt, wo der Kaltdampf zu Abwasser-Destillat kondensiert, das über Zuführmittel dem Abwasser-Destillat-Sammelbehälter 8 zugeführt werden kann.
Der Wasserkreislauf des dritten Niederdruckverdampfers 13 wird gespeist durch Abwasser, das kontinuierlich oder diskontinuierlich über ein zweites Ventil 14 vom Wasserkreislauf des zweiten Niederdruckverdampfers 9 zu dem Wasserkreislauf des dritten Niederdruckverdampfers 13 geleitet wird.
Im dritten Niederdruckverdampfer 13 wird durch eine dritte Umwälzpumpe 15 ebenfalls ein Abwasserumlauf erzeugt, in den der zweite Kondensator 12 eingebunden ist. Über den zweiten Kondensator 12 gibt der Kaltdampf aus dem zweiten Niederdruckverdampfer 9 Energie an das Abwasser im dritten Niederdruckverdampfer 13 ab, wodurch dieses Abwasser erwärmt werden kann, oftmals sogar auf die gewünschte Temperatur.
Das erwärmte Abwasser wird in dem dritten Niederdruckverdampfer 13 mittels einer dritten statischen Düsenanordnung 5'' versprüht, deren Aufbau derjenigen in dem ersten bzw. zweiten Niederdruckverdampfer 2, 9 entspricht.
In dem dritten Niederdruckverdampfer 13 herrscht gegenüber der Umgebung ebenfalls ein Unterdruck, der durch eine Vakuumpumpe 6 erzeugt wird. Der Unterdruck in den Niederdruckverdampfern 2, 9, 13 kann erfindungsgemäß mit nur einer einzigen Vakuumpumpe 6 oder mit Hilfe von mehreren Vakuumpumpen (etwa eine pro Niederdruckverdampfer) erzeugt werden. Der Druck im Inneren des dritten Niederdruckverdampfers 13 ist niedriger als der Druck im Inneren des zweiten Niederdruckverdampfers 9 und bei dem hier betrachteten Beispiel auf etwa 140 mbar(a) bis 100 mbar(a) (Unterdruck von 0,86 bar bis 0,90 bar) eingestellt oder geregelt. Bei einem beispielhaft angenommenen Druck von 120 mbar(a) (Unterdruck von 0,88 bar) wird ein Teil des Abwassers in dem dritten Niederdruckverdampfer 13 bei einer Temperatur von etwa 49°C zu Kaltdampf verdampft. Hierzu wird das Abwasser für eine vorgebbare Zeitdauer mit einem vorgebbaren Volumenstrom in dem dritten Niederdruckverdampfer 13 versprüht.
Der im dritten Niederdruckverdampfer 13 erzeugte Kaltdampf wird oben aus dem dritten Niederdruckverdampfer 13 abgeleitet und einem dritten Kondensator 16 zugeführt, wo der Kaltdampf zu Abwasser-Destillat kondensiert, das über Zuführmittel dem Abwasser-Destillat-Sammelbehälter 8 zugeführt werden kann. Bei dem in 1 dargestellten Beispiel für eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Abwasseraufbereitung 1 ist dieser dritte Kondensator 16 als Luftkondensator ausgeführt, bei dem die Energie des Kaltdampfs aus dem dritten Niederdruckverdampfer 13 über Kühllamellen an durchströmende Außenluft abgegeben wird.
In allen drei Niederdruckverdampfern 2, 9, 13 der hier beispielhaft dargestellten und erläuterten Vorrichtung zur Abwasseraufbereitung 1 herrscht gegenüber der Atmosphäre ein Unterdruck. Dieser liegt bspw. im Bereich von 240 mbar(a) und 120 mbar(a) (Unterdruck im Bereich von 0,76 bar und 0,88 bar), wobei der Unterdruck vom ersten Niederdruckverdampfer 2 bis hin zum dritten Niederdruckverdampfer 13 jeweils zunimmt. Das aufzubereitende Abwasser wird während des Betriebes der Abwasser-Aufbereitungsanlage 1 über die Ventile 10 und 14 Stufe für Stufe vom ersten Niederdruckverdampfer 2 bis hin zum dritten Niederdruckverdampfer 13 durchgeleitet und immer weiter in der Menge reduziert.
Die Konzentration von Verunreinigungen (Eindickung) in dem Abwasser sollte kontinuierlich oder diskontinuierlich, automatisch oder manuell gemessen werden, da ein bestimmtes Maß an Verunreinigungen (bspw. eine 10-fache, 12-fache, 15-fache, 20-fache Konzentration im Vergleich zu dem zum ersten Niederdruckverdampfer 2 zugeführten Abwasser) für einen störungsfreien Betrieb der Abwasser-Aufbereitungsanlage 1 nicht überschritten werden sollte. Hierzu kann die Vorrichtung zur Abwasseraufbereitung 1 in vorteilhafter Weise über eine Messeinrichtung zum Messen der Konzentration von unerwünschten Inhaltsstoffen in dem Abwasser verfügen. Derartige Einrichtungen sind dem Fachmann bekannt, so dass hierauf nicht näher eingegangen zu werden braucht.
Selbstverständlich kann auch vorgesehen sein, dass Abwasser der Vorrichtung 1 entnommen wird und außerhalb der Anlage analysiert werden kann. Für die Entnahme von Abwasser kann die in 1 beispielhaft dargestellten Vorrichtung zur Aufbereitung von Abwasser 1 ein Abschlammventil 17 aufweisen, mittels dem auch kontinuierlich oder diskontinuierlich eine erforderliche oder wünschenswerte Abschlammmenge ausgetragen werden kann, sobald eine kritische Konzentration von Verunreinigungen erreicht ist. Diese Abschlammmenge, die je nach Zusammensetzung des ursprünglich aufzubereitenden Abwassers bspw. nur mehr von 5 bis 10 Vol.-% der anfänglich in den ersten Niederdruckverdampfer 2 eingebrachten Abwassermenge entspricht, kann in vielen Fällen dem Produktions- oder Arbeitsverfahren wieder als Brauchwasser zur Verfügung gestellt werden.
Bei dem Aufbereitungsverfahren anfallende(s) Abwasser-Destillat(e) wird/werden vorzugsweise in einem Abwasser-Destillat-Sammelbehälter 8 gesammelt und können wieder in die Produktions- oder Arbeitsvorrichtung zurückgeführt bzw. für das Produktions- oder Arbeitsverfahren verwendet werden. Vorzugsweise kann eine Rückführung bzw. Wiederverwendung in die Produktions- oder Arbeitsverfahren als Speisewasser für den/einen Dampfkessel erfolgen. Oftmals ist keine Aufbereitung oder Behandlung des Abwasser-Destillats/der Abwasser-Destillate erforderlich, bevor diese(s) wieder in die Produktions- oder Arbeitsvorrichtung zurückgeführt bzw. in dem Produktions- oder Arbeitsverfahren verwendet wird/werden.
Da das/die Abwasser-Destillat(e) eine vergleichsweise hohe Temperatur von bspw. im Bereich von 49°C und 100°C aufweist/aufweisen, braucht für eine bei einem Verfahren erforderliche Erwärmung dieses/dieser Abwasser-Destillats/Destillate zur Wiederverwendung in den Produktions- oder Arbeitsverfahren deutlich weniger Energie zugeführt werden, als dies bei normalem Brunnenwasser oder Stadtwasser der Fall wäre.
Wie sich aus den obigen Ausführungen ergibt, ist für die Funktion eines jeden Niederdruckverdampfers 2, 9, 13 ein entsprechender Wasserumlauf mit einer Umwälzpumpe 3, 11, 15 erforderlich. Für die Auslegung der jeweiligen Umwälzpumpe 3, 11, 15 und damit auch für den Energiebedarf sind die notwendige Fördermenge und der Pumpendruck maßgebend.
Um Verstopfungen und auch das Zusetzen von Rohrleitungen und Anlagenteilen zu verhindern sowie die Verschlammung der Niederdruckverdampfer 2, 9, 13 zu verhindern, darf innerhalb eines jeden Niederdruckverdampfers 2, 9, 13 eine Mindest-Umwälzleistung nicht unterschritten werden.
Für den Fall, dass zusätzliche Energie (bspw. über den Wärmetauscher 4) in das Abwasser eingetragen wird, ist die erforderliche Mindest-Umwälzleistung darüber hinaus auch abhängig von der Höhe dieses Energieeintrags, da dieser von dem Abwasserumlauf aufgenommen werden muss. Dies gilt ebenfalls beim Einsatz von mehrstufigen Abwasseraufbereitungsanlagen, die über zwei oder mehr Verdampfer mit entsprechenden Wärmetauschern als Kondensatoren zur Verflüssigung des Kaltdampfs verfügen und die jeweils nächste Verdampferstufe über die Kondensationsenergie beheizen.
Die nachfolgende Abschätzung beruht auf der Annahme eines Energieeintrags in das Abwasser, wie er durch etwa 1500 kg Restdampf pro Stunde erfolgt.
Es gilt: Q . = ṁ × cp × Δt

Q .: = Wärmestrom im Wärmetauscher
ṁ: = Massenstrom durch den Wärmetauscher
cp: = spezifische Wärmekapazität
Δt: = Temperaturdifferenz zwischen Ein- und Austritt des Wärmetauschers

ṁ = V . × ρ

V .: = Volumenstrom
ρ: = Dichte

Daraus folgt: V . = Q . / ρ × cp × Δt
Mit einer angenommenen mittleren Dichte des Abwassers von
einer angenommenen mittleren spezifischen Wärmekapazität von cp_M = 4,2 KJ / kg·K (Mittelwert aus cp_40°C = 4,182 KJ / kg·K und cp_100°C = 4,21 KJ / kg·K), einer angenommenen mittleren Temperaturdifferenz von Δt = 8K, sowie einem angenommenen Wärmestrom von in etwa 4050 MJ (entspricht in etwa 1500 kg Dampf)
ergibt sich ein Volumenstrom von V ≅ 125 m³.
Wird ein Wärmetauscher betrachtet, der als Kondensator zur Verflüssigung des Kaltdampfs dient, gelten die selben physikalischen Zusammenhänge der obigen Abschätzung, es verändern sich jedoch aufgrund der unterschiedlichen Bedingungen von Druck und Temperatur die stoffspezifischen Kennwerte, so dass der berechnete Volumenstrom zwischen 100 und 130 m³ liegt.
Der erforderliche Pumpendruck wird entscheidend von den verwendeten Düsen 18, 18' (siehe 3) in der/den Düsenanordnung(en) 5, 5', 5'' (siehe 4) bestimmt. Mit Hilfe der erfindungsgemäß vorgesehen Düsen 18, 18' bzw. durch das Zusammenspiel der verwendeten Düsen 18, 18' in der/den Düsenanordnung(en) 5, 5', 5'', mit der/denen das umgewälzte Abwasser im oberen Teil eines jeden Niederdruckverdampfers 2, 9, 13 versprüht wird, muss ein Tröpfchennebel mit einem Durchmesser nach Sauter (gemäß bspw. DIN ISO 9276-2) erzeugbar sein, mit dem zum einen eine ausreichend große Wasseroberfläche für eine optimale Verdampfungsleistung erzielt werden kann, und zum anderen ein Austragen von Tröpfchen in den/die Kondensatoren 7, 12, 16 vermieden wird. Ist die Wasseroberfläche zu klein, sinkt die Verdampfungsleistung, ist die Wasseroberfläche zu groß (d. h. sind die Tröpfchen zu klein) gelangen Tröpfchen in das/die Abwasser-Destillat(e), wodurch sich dessen/deren Qualität verschlechtert. Der Durchmesser nach Sauter der Tröpfchen kann in geeigneter Weise bspw. im Bereich von 1 mm bis 2 mm liegen.
Somit kann nur im Zusammenspiel zwischen ausreichender Oberfläche und optimaler Tröpfchengrößenverteilung bei der gewünschten Verdampfungsleistung auch eine sehr gute Destillatqualität erzielt werden.
Der Durchmesser nach Sauter ist eine theoretische Kenngröße, die einen idealen Tropfendurchmesser für alle Tropfen angibt.
Bezüglich der Verdampfungsfläche, die durch die Anzahl und Größe der erzeugten Tropfen erreicht wird, gilt folgendes:
In vielen Fällen neigt das aufzubereitende und im unteren Bereich der Niederdruckverdampfer 2, 9, 13 befindliche bzw. sich sammelnde Abwasser („Sumpf”) aufgrund seiner Zusammensetzung (Verunreinigungen mit Mineralien, Salzen etc.) und seines pH-Werts zu Schaumbildung, wobei der Schaum einen erheblichen Anteil des Innenraums der Niederdruckverdampfer 2, 9, 13 einnehmen und somit deren Funktionsfähigkeit beeinträchtigen kann. Durch eine Versprühung des Abwassers in Tröpfchenform kann in vorteilhafter Weise erreicht werden, dass durch Kollision der Tröpfchen mit den Schaumblasen letztere zerstört werden und so die Schaumbildung auf eine geringe Schichthöhe an der Oberfläche des aufzubereitenden Abwassers reduziert wird.
Ein Beispiel für den erforderlichen Druck zur Erzeugung einer gewünschten Verdampfungsfläche unter Verwendung der Düsen 18, 18' im Vergleich zu Düsen nach dem Stand der Technik unter Berücksichtigung des erforderlichen Volumenstroms und des hierfür erforderlichen Drucks ist im Diagramm gemäß 5 schematisch dargestellt. In 5 wird durch einen dickeren, durchgezogenen, waagerechten Strich eine vorgegebene, gewünschte oder erforderliche Verdampfungsfläche angezeigt. Mit „A” ist der Betriebsbereich gekennzeichnet, bei dem die Düsen 18, 18' betrieben werden können, mit „B” der Betriebsbereich gemäß dem vorbekannten Stand der Technik.
Ein Beispiel für ein Abwasser-Destillat von hoher Qualität bei einem gegebenen Abwasser ist in der nachfolgenden Tabelle exemplarisch angegeben:

Messwerte Abwasser Abwasser-Destillat

Leitfähigkeit μS/cm 10.500 61

Chlorid mg/l 155 < 5

Kieselsäure mg/l 310 < 0,1

Kalzium mg/l 66 < 5
Wie oben bereits erwähnt, sind für den Energieverbrauch der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Abwasseraufbereitung 1 die erforderliche Fördermenge (Volumenstrom) sowie der Pumpendruck maßgebend. Da die erforderliche Fördermenge von der Qualität bzw. Zusammensetzung des Abwassers sowie einer gegebenenfalls eingetragenen Wärmemenge abhängig ist, kann die Fördermenge im Sinne einer wünschenswerten Energieeinsparung nicht oder nur in einem sehr eingeschränkten Maße verändert werden.
In Bezug auf einen möglichst Energie einsparenden Betrieb ist daher die Ausgestaltung der Sprühdüse(n) 18, 18' sowie deren Zusammenwirken in der/den Düsenanordnung(en) 5, 5', 5'' ein entscheidender Aspekt der vorliegenden Erfindung.
Bei Düsen nach dem Stand der Technik, wie sie zum Versprühen von Abwasser in Niederdruckverdampfern verwendet werden, ist ein Betriebsdruck von mindestens 2 bar, oftmals von mindestens 3 bar erforderlich, um die oben beschriebenen Eigenschaften des Sprühnebels zu gewährleisten. Bei einem Betriebsruck von kleiner 2 bar wird bei diesen Düsen das Sprühbild instabil und/oder der Sprühstrahl (Sprühkegel) bricht zusammen.
Werden jedoch Düsen 18, 18' mit einer Ausgestaltung eingesetzt, wie sie in 2 schematisch dargestellt ist, kann ein stabiler Sprühstrahl bereits ab einem Betriebsdruck von 0,3 bar beziehungsweise im Bereich von 0,3 bis 1,2 bar, vorzugsweise von 0,3 bis 0,6 bar und besonders bevorzugt von 0,3 bis 0,4 bar erreicht und aufrechterhalten werden.
Die charakteristischen Eigenschaften der in 2 schematisch dargestellten Düse 18, 18' werden bestimmt durch das jeweilige Zusammenspiel der Ausgestaltungen des Dralleinsatzes 19, der Mittelbohrung 20 im Dralleinsatz sowie der Austrittsbohrung 21.
Durch den Dralleinsatz 19, der in seinem Inneren bspw. wenigstens eine Leitschaufel aufweist, wird das zugeführte Abwasser in Rotation versetzt. Durch die kreisförmige Mittelbohrung 20 im Dralleinsatz 19 wird ein ausreichend großer Mengendurchsatz erreicht und gleichzeitig die Strömung stabilisiert. Für den Sprühwinkel der Düse 18, 18' ist die Größe des Durchmessers der Austrittsbohrung 21 sowie deren Ausgestaltung (Form) (bspw. scharfkantig) und die Ausgestaltung des Dralleinsatzes 19 entscheidend.
Durch eine geeignete Wahl der Werte für

– den Durchmesser der Mittelbohrung 20 im Dralleinsatz 19,
– den Anstellwinkel der Leitschaufel(n) im Dralleinsatz 19,
– die (gemäß 2 vertikale) Position des Dralleinsatzes 19 in der Düse 18, 18' und
– den Durchmesser sowie die Ausgestaltung der Austrittsbohrung 21

18

18'

Bei Abwasser, das bspw. in einer herkömmlichen Produktionsanlage für Kalksandsteine oder Porenbetonsteine anfällt, ist bei einer angenommenen Abwassermenge von etwa 15.000 m³/a bis etwa 20.000 m³/a und Niederdruckverdampfern 2, 9, 13 mit einem umbauten Volumen im Bereich von etwa 25 m³ bis etwa 70 m³ eine Umwälzleistung des aufzubereitenden Abwassers von etwa 100 m³/h bis etwa 130 m³/h erforderlich, um ein Verstopfen/Zusetzen von Rohrleitungen und Anlagenteilen, eine Verschlammung der Niederdruckverdampfer 2, 9, 13 zu unterbinden und gegebenenfalls eine zugeführte Wärmemenge aufzunehmen.
Wäre für das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung in den Niederdruckverdampfern 2, 9, 13 nur je eine einzige Düse vorgesehen, um einen derartigen Durchsatz bei dem gewünschten geringen Betriebsdruck im Bereich von 0,3 bis 1,2 bar zu erreichen, müsste eine vergleichsweise große Einzeldüse mit einer großen Austrittsbohrung 21 verwendet werden.
Hierdurch würde sich die Rotationsgeschwindigkeit des Abwassers in der Düse und somit der Austrittsimpuls verringern, wodurch die Tröpfchengröße zunehmen (= kleinere Verdampfungsfläche) und der Sprühwinkel zusammenfallen würde.
Um höhere Rotationsgeschwindigkeiten in der Düse zu erzielen und damit für eine gute tangentiale Beschleunigung der Tröpfchen im Austritt der Düse zu sorgen, ist daher erfindungsgemäß vorgesehen, den gewünschten Volumenstrom auf mehrere Düsen aufzuteilen und nach Möglichkeit monodisperse Tröpfchen im industriellen Maßstab zu erzeugen. Dies erfolgt erfindungsgemäß derart, dass das Abwasser in wenigstens einem Niederdruckverdampfer 2, 9, 13 mittels wenigstens einer statischen Düsenanordnung 5, 5', 5'' versprüht wird, die ausgebildet ist aus einer Mehrzahl von auf einer gedachten Kreislinie angeordneten äußeren Düsen 18 und einer im Mittelpunkt des durch die gedachte Kreislinie gebildeten Kreises angeordneten mittigen Düse 18'. In vorteilhafter Weise beträgt die gesamte Anzahl an äußeren Düsen 18 von fünf bis zwölf (d. h. fünf, sechs, sieben, acht, neun, zehn, elf oder zwölf).
Eine beispielhafte Draufsicht auf eine Anordnung einer solchen Düsenanordnung 5, 5', 5'' mit 8 äußeren Düsen 18 ist in 3 schematisch dargestellt.
Erfindungsgemäß weist jede der äußeren Düsen 18 einen Sprühwinkel im Bereich von 40° bis 60° und die mittige Düse 18' einen Sprühwinkel im Bereich von 100° bis 120° auf. Durch die Mehrzahl an äußeren Düsen 18 mit einem vergleichsweise kleinen Sprühwinkel lässt sich der äußere Sprühwinkel des „Düsen-Clusters” in ausreichend genauer Weise definieren, was in Bezug auf den Einbau in den/die Niederdruckverdampfer 2, 9, 13 im Hinblick auf deren Geometrie und Durchmesser von Bedeutung ist.
Und durch den vergleichsweise großen Sprühwinkel der mittigen Düse 18' wird die von der mittigen Düse 18' versprühte Abwassermenge zumindest teilweise in die Sprühkegel der äußeren Düsen 18 eingesprüht. Hierdurch erhält man eine bessere Verteilung im Gesamtsprühbild und durch eine Kollision von Tröpfchen aus den äußeren Düsen 18 mit denjenigen aus der mittigen Düse 18' auch eine Tröpfchenspaltung und damit eine größere Oberfläche.
In vorteilhafter Weise ist jede der Düsenanordnungen 5, 5', 5'' derart ausgebildet, dass durch die jeweilige gesamte Anzahl an äußeren Düsen 18 50 Vol.-% bis 70 Vol.-% und durch die mittige Düse 18' 30 Vol.-% bis 50 Vol.-% des zu der Düsenanordnung 5, 5', 5'' gepumpten Abwassers versprüht werden. Um dies zu erreichen, ist jede der äußeren Düsen 18 für einen geringeren Durchsatz ausgelegt als die mittige Düse 18'. Die äußeren Düsen 18 können bspw. ein Anschlussgewinde von 6,03 cm (2 Zoll) und die mittige Düse 18' ein Anschlussgewinde von 8,89 cm (3 Zoll) aufweisen. Je nach Größe der Niederdruckverdampfer 2, 9, 13, des erforderlichen Durchsatzes an Abwasser durch den jeweiligen Niederdruckverdampfer 2, 9, 13 und die Anzahl an äußeren Düsen 18 können die Größen der Düsen 18 und die Größenverhältnisse von äußeren Düsen 18 zu mittiger Düse 18' in geeigneter Weise gewählt werden.
Der Anstellwinkel F von einer jeden der äußeren Düsen 18 zu der mittigen Düse 18' liegt in vorteilhafter Weise im Bereich von 10° bis 30°. Ein derartiger statischer Anstellwinkel F kann etwa durch eine Düsenhalterung 23 erreicht werden, wie sie schematisch und beispielhaft in 4 in seitlicher Schnittansicht dargestellt ist.
Die Düsenhalterung 23 weist einen Düsenanschluss für die mittige Düse 18' und eine auf einer gedachten Kreislinie darum angeordnete Anzahl an Düsenanschlüssen für die äußeren Düsen 18 auf. Die Düsenanschlüsse können ein Innengewinde aufweisen, in die die Düsen 18, 18' mittels eines Außengewindes 22 lösbar an der Düsenhalterung 23 befestigt werden können. Im Einbauzustand in den Niederdruckverdampfern 2, 9, 13 ist die Ausrichtung der Düsenhalterung 23 regelmäßig derart, dass der Sprühstrahl der mittigen Düse 18' nach unten gerichtet ist.
In 4 ist mittels einer gestrichelten Linie auch beispielhaft der Gesamtsprühwinkel G der Düsenanordnung angedeutet.
Der Gesamtsprühwinkel G des „Düsen-Clusters” ergibt sich aus bzw. lässt sich in gewünschter Weise ausgestalten durch eine geeignete Wahl des Anstellwinkels F der äußeren Düsen 18 (im in 4 gezeigten Beispiel ca. 23°) sowie dem Sprühwinkel der äußeren Düsen 18.
Hierbei gilt in erster Näherung: 2 × Anstellwinkel der äußeren Düsen 18 am Cluster + 2 × (Sprühwinkel äußere Düsen/2) = Gesamtsprühwinkel des Düsen-Clusters
Bei einem angenommenen Anstellwinkel F der äußeren Düsen 18 zu der mittigen Düse 18' von 15° und einem Sprühwinkel der äußeren Düsen von 60° ergäbe sich somit bspw. Gesamtsprühwinkel = 2 × 15° + 2 × (60°/2) = 90°
Der Gesamtsprühwinkel G wird vorzugsweise so gewählt bzw. gestaltet, dass zum einen die Wasseroberfläche des „Sumpfs” im Niederdruckverdampfer 2, 9, 13 möglichst vollflächig besprüht wird und zum anderen eine direkte Besprühung der Wandung des Niederdruckverdampfers 2, 9, 13 möglichst vermieden wird. Dies kann bspw. durch eine Feinabstimmung unter Berücksichtigung des Anstellwinkels der Düsen 18, dem Sprühwinkel der Düsen 18, des Abstands der Wasseroberfläche des „Sumpfs” von den Düsen 18 sowie des Durchmessers des Niederdruckverdampfers 2, 9, 13 erreicht werden (siehe 4).
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Abwasseraufbereitung 1 lässt sich im Vergleich zu vergleichbaren, herkömmlichen Abwasseraufbereitungsanlagen, die ebenfalls auf dem Prinzip der Verdunstung von Abwasser basieren, eine große Energieeinsparung erzielen, wie anhand des nachfolgenden Beispiels unter Zugrundelegung einer Vorrichtung zur Abwasseraufbereitung 1 mit drei Niederdruckverdampfereinrichtungen gezeigt wird.
Bei den nach dem Stand der Technik verwendeten Düsen wird ein Vordruck von mindestens 2 bar, oftmals sogar bis zu 3 bar benötigt, um die oben beschriebenen Eigenschaften zu gewährleisten. Bei einer angenommenen Förderleistung von 130 m³/h wird gemäß dem Stand der Technik eine Antriebsleistung für jede der drei Pumpen von 22 kW benötigt. Bei einem angenommenen, durchschnittlichen Betrieb der Pumpen an 225 Arbeitstagen im Jahr ergibt sich bei 24 Betriebsstunden/Tag ein Energiebedarf von: 24 Stunden × 225 Tage × 3 × 22 kW = 356.400 kWh/pro Jahr Bei einer dreistufigen Vorrichtung zur Abwasseraufbereitung 1 gemäß der vorliegenden Erfindung, bei der Düsen 18, 18' verwendet werden, die bei im Vergleich zum Stand der Technik identischem Destillationsverhalten nur noch einen Vordruck im Bereich von 0,3 bis 1,2 bar erfordern, benötigt jede der Umwälzpumpen 3, 11, 15 nur noch eine maximale Antriebsleistung von etwa 9 kW.
Hieraus ergibt sich ein Energiebedarf für die Pumpen 3, 11, 15 in Höhe von
24 Stunden × 225 Tage × 3 × 9 kW = 145.800 kWh/pro Jahr
bzw. eine Einsparung in Höhe von 210.600 kWh/pro Jahr.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Abwasseraufbereitung 1 zeichnen sich aus durch ihre universellen Einsatzmöglichkeiten in allen Bereichen, in denen Abwässer durch Destillation aufbereitet werden können. Dies gilt insbesondere dort, wo bis zu 100°C heißes Abwasser mit starken Verschmutzungen, wie etwa Sand und anderen Abrasivstoffen anfällt, die eine Reinigung durch andere Aufbereitungsverfahren nahezu unmöglich machen, wie bspw. bei der Kalksandstein- oder Porenbetonherstellung in der Baustoffindustrie. Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Abwasseraufbereitung 1 sind aber in vorteilhafter Weise auch in vielen anderen Industriebereichen, Produktions- und Arbeitsverfahren, wie bspw. der Papierindustrie, einsetzbar.
Durch das erfindungsgemäß vorgesehene Verdampfen (Destillieren) von Abwasser lassen sich alle bzw. nahezu alle gelösten Stoffe aus diesem entfernen, die Aufkonzentrierung im Konzentratstrom ist steuerbar und durch die Ausgestaltung der Vorrichtung zur Abwasseraufbereitung 1 ist eine sehr hohe Verträglichkeit in Bezug auf Schmutz und Temperatur gegeben.
Da der Niederdruckverdampfer wegen des in ihm herrschenden niedrigen Drucks, der unterhalb des Atmosphärendrucks liegt, auf einem niedrigeren Temperaturniveau als ein Dampferzeuger arbeitet, ist in einem Niederdruckverdampfer die von Kalk, Salzen und anderen Verunreinigungen ausgehende aggressive Wirkung auch geringer als diejenige in einem Dampferzeuger. Daher können in einem Niederdruckverdampfer viel stärkere Aufkonzentrationen toleriert werden als in einem Dampferzeuger. Hierdurch ist die anfallende Abwassermenge, die durch Absalzen und Entschlammen beim Aufbereitungsprozess in der Abwasseraufbereitung anfällt, deutlich verringert. Das wenige so anfallende Abwasser kann bspw. im Rahmen der Rohlingherstellung zum Anfeuchten verwendet werden, so dass etwa ein Kalksandstein-Werk bei Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens und/oder der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 abwasserfrei oder doch nahezu abwasserfrei betrieben werden kann. Entsprechendes gilt für andere, hier nicht explizit erwähnte Produktions- oder Arbeitsverfahren, bei denen das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 anwendbar bzw. verwendbar sind.

Claims

Verfahren zur Aufbereitung von Abwasser eines Produktions- oder Arbeitsverfahrens, wobei das Abwasser einem ersten Niederdruckverdampfer zugeführt wird, das Abwasser in dem ersten Niederdruckverdampfer versprüht und zumindest teilweise zu Kaltdampf verdampft wird, der Kaltdampf aus dem ersten Niederdruckverdampfer einem ersten Kondensator zugeführt und in diesem zu Abwasser-Destillat kondensiert wird, wobei a) das Abwasser in dem ersten Niederdruckverdampfer mittels einer statischen Düsenanordnung versprüht wird, die ausgebildet ist aus einer Mehrzahl von auf einer gedachten Kreislinie angeordneten äußeren Düsen und einer im Mittelpunkt des durch die gedachte Kreislinie gebildeten Kreises angeordneten mittigen Düse, b) jede der äußeren Düsen einen Sprühwinkel im Bereich von 40° bis 60° und die mittige Düse einen Sprühwinkel im Bereich von 100° bis 120° aufweist, c) das Abwasser mit einem Betriebsdruck im Bereich von 0,3 bis 1,2 bar zu den Düsen der Düsenanordnung gepumpt wird, und d) der Druck im Inneren des ersten Niederdruckverdampfers im Bereich von 250 mbar(a) bis 100 mbar(a) (Unterdruck im Bereich von 0,75 bar bis 0,90 bar) liegt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei in dem ersten Niederdruckverdampfer nicht verdampftes Abwasser zu einem zweiten Niederdruckverdampfer geführt und dort durch eine Düsenanordnung versprüht wird, die derjenigen des ersten Niederdruckverdampfers entspricht, wobei der Druck im Inneren des zweiten Niederdruckverdampfers im Bereich von 190 mbar(a) bis 150 mbar(a) (Unterdruck im Bereich von 0,81 bis 0,85 bar) liegt, wobei dieser Druck niedriger ist als derjenige in dem ersten Niederdruckverdampfer, und wobei der Kaltdampf aus dem zweiten Niederdruckverdampfer einem zweiten Kondensator zugeführt und in diesem zu Abwasser-Destillat kondensiert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei in dem zweiten Niederdruckverdampfer befindliches Abwasser zu dem ersten Kondensator geführt und mittels der dort anfallenden Kondensationswärme erwärmt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 2 oder 3, wobei in dem zweiten Niederdruckverdampfer nicht verdampftes Abwasser zu einem dritten Niederdruckverdampfer geführt und dort durch eine Düsenanordnung versprüht wird, die derjenigen des ersten und zweiten Niederdruckverdampfers entspricht, wobei der Druck im Inneren des dritten Niederdruckverdampfers im Bereich von 140 mbar(a) bis 100 mbar(a) (Unterdruck im Bereich von 0,86 bis 0,90 bar) liegt, wobei dieser Druck niedriger ist als derjenige in dem ersten und zweiten Niederdruckverdampfer, und wobei der Kaltdampf aus dem dritten Niederdruckverdampfer einem dritten Kondensator zugeführt und in diesem zu Abwasser-Destillat kondensiert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei in dem dritten Niederdruckverdampfer befindliches Abwasser zu dem zweiten Kondensator geführt und mittels der dort anfallenden Kondensationswärme erwärmt wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Abwasser-Destillat aus dem ersten, zweiten und/oder dritten Kondensator dem Produktions- oder Arbeitsverfahren wieder zur Verfügung gestellt wird, vorzugsweise als Kessel-Speisewasser.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei a) die gesamte Anzahl an äußeren Düsen fünf bis zwölf beträgt, b) durch die gesamte Anzahl der äußeren Düsen 50 Vol.-% bis 70 Vol.-% und durch die mittige Düse 30 Vol.-% bis 50 Vol.-% des zu der Düsenanordnung gepumpten Abwassers versprüht werden, c) der Anstellwinkel (F) von einer jeden der äußeren Düsen zu der mittigen Düse im Bereich von 10° bis 30° liegt, und/oder d) der Gesamtsprühwinkel (G) der Düsenanordnung im Bereich von 80° bis 100° liegt.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Abwasser in dem ersten Niederdruckverdampfer durch einen bei dem Produktions- oder Arbeitsverfahren anfallenden Restdampf erwärmt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 8, wobei der Restdampf bei der Erwärmung des Abwassers zumindest teilweise kondensiert und das Restdampf-Kondensat dem Produktions- oder Arbeitsverfahren wieder zur Verfügung gestellt wird, vorzugsweise als Kessel-Speisewasser.
Vorrichtung (1) zur Aufbereitung von Abwasser eines Produktions- oder Arbeitsverfahrens, aufweisend Zuführmittel zum Zuführen des Abwassers zu einem ersten Niederdruckverdampfer (2), einen ersten Niederdruckverdampfer (2), eine Einrichtung zur Vakuumerzeugung (6) und einen ersten Kondensator (7) zum Kondensieren von verdampftem Abwasser, die mit dem ersten Niederdruckverdampfer (2) verbunden sind, und eine erste Sprüheinrichtung zum Versprühen des Abwassers, wobei bei der Vorrichtung (1) a) die erste Sprüheinrichtung eine erste statische Düsenanordnung (5) aufweist, die ausgebildet ist aus einer Mehrzahl von auf einer gedachten Kreislinie angeordneten äußeren Düsen (18) und einer im Zentrum des durch die gedachte Kreislinie gebildeten Kreises angeordneten mittigen Düse (18'), b) jede der äußeren Düsen (18) derart ausgebildet ist, dass sie einen Sprühwinkel im Bereich von 40° bis 60° aufweist, und die mittige Düse (18') derart ausgebildet ist, dass sie einen Sprühwinkel im Bereich von 100° bis 120° aufweist, c) die Düsen (18, 18') weiter derart ausgebildet sind, dass sie einen stabilen Sprühkegel ab einem Betriebsdruck von 0,3 bar des den Düsen zugeführten Abwassers ausbilden, wobei der Betriebsdruck in einem Bereich von 0,3 bis 1,2 bar einstellbar ist, und d) die Einrichtung zur Vakuumerzeugung (6) dazu eingerichtet ist, einen Druck im Inneren des ersten Niederdruckverdampfers (2) bis 50 mbar(a) (Unterdruck bis 0,95 bar), vorzugsweise im Bereich von 250 mbar(a) bis 100 mbar(a) (Unterdruck im Bereich von 0,75 bar bis 0,90 bar), zu erzeugen.
Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 10, die weiter einen mit Hilfe von bei dem Produktions- oder Arbeitsverfahren anfallenden Restdampf durchströmbaren Wärmetauscher (4) sowie Zuführmittel zum Zuführen von Abwasser zu dem Wärmetauscher (4) aufweist, so dass Abwasser in dem ersten Niederdruckverdampfer (2) mittels des Wärmetauschers (4) erwärmbar ist.
Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 10 oder 11, die weiter a) einen zweiten Niederdruckverdampfer (9) aufweist, wobei der zweite Niederdruckverdampfer (9) mit einer Einrichtung zur Vakuumerzeugung (6) und einem zweiten Kondensator (12) zum Kondensieren von verdampftem Abwasser verbunden ist und eine Sprüheinrichtung zum Versprühen des Abwassers aufweist, die derjenigen des ersten Niederdruckverdampfers (2) entspricht, sowie Zuführmittel zum Zuführen von in dem ersten Niederdruckverdampfer (2) nicht verdampftem Abwasser zu dem zweiten Niederdruckverdampfer (9), und wobei die Einrichtung zur Vakuumerzeugung (6) dazu eingerichtet ist, einen Druck im Inneren des zweiten Niederdruckverdampfers (9) im Bereich von 190 mbar(a) bis 150 mbar(a) (Unterdruck im Bereich von 0,81 bar bis 0,85 bar) zu erzeugen, wobei dieser Druck niedriger ist als derjenige im ersten Niederdruckverdampfer (2), und optional b) einen dritten Niederdruckverdampfer (13) aufweist, wobei der dritte Niederdruckverdampfer (13) mit einer Einrichtung zur Vakuumerzeugung (6) und einem dritten Kondensator (16) zum Kondensieren von verdampftem Abwasser verbunden ist und eine Sprüheinrichtung zum Versprühen des Abwassers aufweist, die derjenigen des ersten Niederdruckverdampfers entspricht, sowie Zuführmittel zum Zuführen von in dem zweiten Niederdruckverdampfer (9) nicht verdampftem Abwasser zu dem dritten Niederdruckverdampfer (13), und wobei die Einrichtung zur Vakuumerzeugung (6) dazu eingerichtet ist, einen Druck im Inneren des dritten Niederdruckverdampfers (13) im Bereich von 140 mbar(a) bis 100 mbar(a) (Unterdruck im Bereich von 0,86 bar bis 0,90 bar) zu erzeugen, wobei dieser Druck niedriger ist als derjenige im ersten und zweiten Niederdruckverdampfer (2, 9).
Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 12, die weiter a) Zuführmittel von in dem zweiten Niederdruckverdampfer (9) vorhandenem Abwasser zu dem ersten Kondensator (7) aufweist, derart dass dieses Abwasser mittels des ersten Kondensators (7) durch die dort anfallende Kondensationswärme erwärmbar ist, und optional b) Zuführmittel von in dem dritten Niederdruckverdampfer (13) vorhandenem Abwasser zu dem zweiten Kondensator (12) aufweist, derart dass dieses Abwasser mittels des zweiten Kondensators (12) durch die dort anfallende Kondensationswärme erwärmbar ist.
Vorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 10 bis 13, bei der a) die gesamte Anzahl an äußeren Düsen (18) fünf bis zwölf beträgt, b) der Volumendurchsatz der gesamten Anzahl an äußeren Düsen (18) zu dem Volumendurchsatz der mittigen Düse (18') derart ausgelegt ist, dass durch die äußeren Düsen (18) 50 Vol.-% bis 70 Vol.-% und durch die mittige Düse Düse (18') 30 Vol.-% bis 50 Vol.-% des zu der Düsenanordnung (5, 5', 5'') geführten Abwassers versprühbar sind, c) die Düsen (18, 18') einen Dralleinsatz (19) mit wenigstens einer Leitschaufel sowie eine Mittelbohrung (20) im Dralleinsatz (19) aufweisen, d) die Düsen (18, 18') in einer Düsenhalterung (23) lösbar befestigt sind, e) die Düsenhalterung (23) derart ausgebildet ist, dass der Anstellwinkel (F) von einer jeden der daran befestigten äußeren Düsen (18) zu der daran befestigten mittigen Düse (18') im Bereich von 10° bis 30° liegt, und/oder f) der durch die Düsenhalterung (23) vorgegebene Anstellwinkel (F) und der Sprühwinkel der daran befestigten äußeren Düsen (18) derart gewählt sind, dass der Gesamtsprühwinkel (G) der Düsenanordnung im Bereich von 80° bis 100° liegt.
Vorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 10 bis 14, die weiter a) einen Sammelbehälter (8) zum Aufnehmen von Abwasser-Destillat, b) ein Abschlammventil (17) zum Austragen von Abwasser, und/oder c) eine Messeinrichtung zum Messen der Konzentration von unerwünschten Inhaltsstoffen in dem Abwasser aufweist.