DE102014113307A1 - Reaktor und Verfahren zur Erzeugung eines Brenngases aus mechanisch entwässertem Schlamm - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Pyrolysereaktor zur Aufbereitung von Schlamm (5), insbesondere Klärschlamm, aus mehreren Doppelrohrwärmeübertragern (1), die jeweils ein Innenrohr (3) mit Hohlschnecke (4) und ein Außenrohr (2) besitzen, bei dem der Schlamm (5) im Innenrohr (3) mittels der Hohlschnecke (4) gefördert wird und ein Heizgas (H) im Außenrohr (2) im Gegenstrom geführt ist, wobei mindestens zwei gleichartige Doppelrohrwärmeübertrager (1) in einer Reihenanordnung miteinander verbunden sind. Verfahren sieht vor, dass – der Schlamm (5) in den ersten Doppelrohrwärmerübertrager (1) eingefüllt und mittels der Hohlschnecken (4) durch die Reihenanordnung transportiert wird, – in dem ersten Doppelrohrwärmeübertrager (1) das Wasser durch Wärmezufuhr aus dem Schlamm (5) verdampft wird, – in weiteren Doppelrohrwärmeübertragern (1) der Schlamm (5) auf ca. 550°C erwärmt wird, – in nachfolgenden Doppelrohrwärmeübertragern (1) die organischen Komponenten unter Luftabschluss zu einem festen Pyrolyserückstand verschwelen und dabei ein Brenngas (G) generiert wird, – das Brenngas (G) durch die Reihenanordnung zu einem Gasauslass an der ersten Stufe geführt wird, und – der feste Pyrolyserückstand über einen Austrag in einem Behälter (8) gesammelt wird.

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf einen Pyrolysereaktor und ein Verfahren zur Aufbereitung von Schlamm, insbesondere Klärschlamm, mit mehreren Doppelrohrwärmeübertragern, die jeweils ein Innenrohr mit Hohlschnecke und ein Außenrohr besitzen, bei dem der Schlamm im Innenrohr mittels der Hohlschnecke gefördert wird und ein Heizgas im Außenrohr im Gegenstrom geführt ist.
• Derzeit steht die Rückgewinnung von Phosphor im Fokus der Klärschlammentsorgung. Hiermit könnte ca. 50% unseres jährlichen Bedarfs in Deutschland gedeckt werden. Angedacht ist die Rückgewinnung aus Aschen, die aus der Mono-Verbrennung stammen. Es wird gesetzlich verbindlich vorgeschrieben, dass Klärschlämme mit entsprechenden Phosphor-Anteilen nur noch mono-verwertet werden dürfen.
• Nach dem Verbot der Deponierung und dem Ausstieg aus der Landwirtschaft ist damit die Mitverbrennung z. B. in Kraftwerken als Entsorgungsweg ausgeschlossen.
• Es bleibt nur die Monoverwertung durch Verbrennung oder anderer Verfahren wie Vergasung oder Pyrolyse, vereinzelt werden auch andere Verfahren zurzeit getestet. Gerade für kleine und mittlere Kläranlagengrößen (20000–200000 Einwohnergleichwerte) ist die klassische Verbrennung mit einem unverhältnismäßig hohem Investitions- und Personalaufwand verbunden.
• Im bekannten Stand der Technik zur Verwertung des Klärschlammes ist allen Verfahren die notwendige thermische Trocknung des normalerweise mechanisch entwässerten Klärschlamms (Wassergehalt ca. 25%) auf Wassergehalte von < 10% gemeinsam Die Trocknung ist im Allgemeinen sehr energieintensiv und mit einem hohen apparativen Aufwand verbunden.
• Üblicherweise werden spezielle Klärschlammtrockner (Bandtrockner, Schneckentrockner) zur thermischen Trocknung eingesetzt. Kennzeichen sind spezielle Bauarten und Beheizungstechniken. So werden z. B. Schneckentrockner als Kontakttrockner mit Thermalöl betrieben, während Bandtrockner mit Heißgas betrieben werden. Anschließend kann das getrocknete Material durch Pyrolyse und/oder Vergasung in ein heizwertreiches Gas konvertiert werden. Dies erfolgt in der Regel in Drehrohr- oder Festbettreaktoren mit ihren spezifischen Randbedingungen.
• Der vorentwässerte und ausgefaulte Klärschlamm wird durch Fördereinrichtungen in einem Bunker zwischengespeichert und dann kontinuierlich in einen indirekt durch Thermalöl beheizten Schneckentrockner gefördert. Im Trockner erfolgt die Volltrocknung des Klärschlamms auf TS = 85–90%. Der Trocknerbrüden wird in einem Wäscher kondensiert und von Staubanteilen gereinigt. Das Waschwasser wird der Kläranlage entnommen und zurückgeführt.
• Der getrocknete Klärschlamm wird in einen Vorlagebehälter transportiert. Der getrocknete Klärschlamm gelangt anschließend in den Pyrolysereaktor. In dem indirekt befeuerten Reaktor findet bei Temperaturen von ca. 400–500°C die Pyrolyse statt. Im Pyrolyseprozess entsteht unter Sauerstoffabschluss ein heizwertreiches Gas mit kurzkettigen Alkanen und Alkenen sowie Inertgas. Als weitere Produkte der Pyrolyse entstehen noch fester kohlenstoffhaltiger Rückstand, Öl und Reaktionswasser. Der mineralische Rückstand dient als Vormaterial für die Rückgewinnung von Phosphat.
• Nach dem Reaktor ist ein Gaswäscher zur weiteren Abkühlung und Reinigung des Pyrolysegases geschaltet. Das Waschwasser wird der Kläranlage entnommen und belastet aus der Wäsche in die Kläranlage zurückgeführt.
• Nachteilig an dieser Verfahrenskette ist der hohe apparative Aufwand, die unterschiedlichen Heizsysteme sowie die geringe Energieeffizienz, da das generierte Gas ohne Energierückgewinnung von 500°C auf < 50°C abgekühlt wird.
• Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Realisierung der kompletten Kette aus Trocknung und Monoverwertung und damit der Gewinnung des Brenngases durch Pyrolyse in einheitlichen Apparaten.
• Diese Aufgabe wird durch den Pyrolysereaktor nach Anspruch 1 und das Verfahren nach Anspruch 5 gelöst. Die abhängigen Ansprüche beschreiben vorteilhafte Ausführungsformen des Pyrolysereaktors und des Verfahrens.
• Der Pyrolysereaktor zur Aufbereitung von Schlamm besteht aus mehreren Doppelrohrwärmeübertragern, die jeweils ein Innenrohr mit Hohlschnecke und ein Außenrohr besitzen. Der Schlamm wird im Innenrohr mittels der Hohlschnecke gefördert und im Außenrohr ist ein Heizgas im Gegenstrom geführt. Der Pyrolysereaktor zeichnet sich dadurch aus, dass mindestens zwei gleichartige Doppelrohrwärmeübertrager in einer Reihenanordnung miteinander verbunden sind. Der Pyrolysereaktor kann beliebig lang durch gleichartige Doppelrohrwärmeübertrager verlängert sein. Der Schlamm wird durch diese Reihenanordnung in einem kontinuierlichen Vorgang gefördert. Durch die Gleichartigkeit der Doppelrohrwärmeübertrager wird der konstruktive Vorteil des einfachen, modularen Aufbaus erreicht, der den Aufwand für den Pyrolysereaktor deutlich gegenüber herkömmlichen Anlagen reduziert.
• Die Doppelrohrwärmeübertrager sind vorteilhaft wechselseitig übereinander angeordnet. Damit kann sehr einfach ein kontinuierlicher Fluss des Schlamms durch die Anlage erreicht werden. In einer anderen Ausführungsform sind die Doppelrohrwärmeübertrager in einer Reihe angeordnet. Auch so lässt sich ein einfacher Fluss realisieren.
• Das Heizgas für die Erwärmung der Anlage und des Schlamms wird am Ende der Reihenanordnung in die Außenrohre eingeleitet. Damit arbeitet die Anlage nach dem Gegenstromprinzip.
• Das Verfahren zur Erzeugung eines Brenngases in dem Pyrolysereaktor sieht vor, dass
• – der Schlamm in den ersten Doppelrohrwärmeübertrager eingefüllt und mittels der Rohrschnecken durch die Reihenanordnung transportiert wird,
• – in dem ersten Doppelrohrwärmeübertrager das Wasser durch Wärmezufuhr aus dem Schlamm verdampft wird,
• – in weiteren Doppelrohrwärmeübertragern der Schlamm auf ca. 550°C erwärmt wird,
• – in nachfolgenden Doppelrohrwärmeübertragern die organischen Komponenten unter Luftabschluss zu einem festen Pyrolyserückstand verschwelen und dabei ein Brenngas generiert wird,
• – das Brenngas durch die Reihenanordnung zu einem Gasauslass an der ersten Stufe im Gegenstrom zum Feststoff geführt wird, und
• – der feste Pyrolyserückstand über einen Austrag in einem Behälter gesammelt wird.
• Das Verfahren besitzt mehrere Vorteile:
  Es wird eine einheitliche Beheizung genutzt.
  Es erfolgt eine Energierückgewinnung aus dem generierten Brenngas (Gegenstromführung Gas-Feststoff).
  Das Brenngas wird durch den entstehenden Dampf inertisiert, was für die Sicherheitstechnik wesentlich ist.
  Es ist ein einfacher An-und Abfahrprozess sowie eine einfache Bedienung möglich.
• Die genannten Verfahrensschritte werden alle in den gleichartig gebauten Doppelrohrwärmeübertragern durchgeführt. Das Heizgas wird im Gegenstrom in den Außenrohren geführt. Das generierte Brenngas wird im Gegenstrom im direkten Kontakt zum Feststoff in Richtung Klärschlammeintrag in den Innenrohren über den Schlamm geführt und heizt diesen weiter auf.
• In einer nachgeschalteten Stufe wird das generierte Brenngas aus dem Pyrolysereaktor in einen Wäscher geleitet. Nach der Reinigung steht das gereinigte Brenngas als Heizgas oder zur Energieerzeugung in einem BHKW zur Verfügung.
• Die Erfindung wird anhand der in der 1 beispielhaft dargestellten Vorrichtung näher beschrieben.
• Der Pyrolysereaktor besteht hier beispielhaft aus fünf gleichartig aufgebauten Doppelrohrwärmeübertragern 1, die übereinandergestapelt sind. Die Doppelrohrwärmeübertrager 1 bestehen aus einem Innenrohr 3, in dem der Schlamm 5 durch eine Förderschnecke 4 mit einem Antrieb 6 gefördert wird, und einem Außenrohr 2, durch welches ein Heizgas H geführt ist. Die Doppelrohrwärmeübertrager 1 sind jeweils über Verbindungen 9 der Innenrohre und Verbindungen 10 der Außenrohre so miteinander gekoppelt, dass der Schlamm 5 durch alle Doppelrohrwärmeübertrager 1 gefördert wird und das entstehende Brenngas G sowie der austretende Dampf D im Gegenstrom über den Schlamm 5 geführt wird. Auch das Heizgas H wird mit max. 750°C am Ende der Kette der Doppelrohrwärmeübertrager 1 in das Außenrohr 2 eingelassen und abgekühlt am Anfang wieder abgeführt. Der Schlamm 5 gelangt aus einem Vorlagebunker 7 in den Pyrolysereaktor. In einem ersten Schritt wird bei der Förderung durch die gekoppelten Doppelrohrwärmeübertrager 1 durch die Energiezufuhr Wasser verdampft. Nach der Verdampfung wird der nunmehr wasserfreie Schlamm 5 weiter auf ca. 550°C erwärmt. Unter Luftabschluss verschwelen die organischen Komponenten und es wird ein Brenngas G generiert und gibt seine fühlbare Wärme auf dem Weg zu seinem Auslass im Gegenstrom an den Schlamm ab und fördert so den Prozess. Der feste Pyrolyserückstand wird über einen Austrag in einen Behälter 8 aufgefangen.
• Das generierte Brenngas G wird abgesaugt und in einen Wäscher geleitet. Parallel werden grobe Partikel sowie leicht kondensierbare Anteile abgetrennt. Im Wäscher werden Restdämpfe auskondensiert, Stäube und Aerosole mechanisch fein abgetrennt und Schadgase wie Ammoniak absorbiert. Das Waschwasser wird der Kläranlage entnommen und wieder zurückgeführt.
• Bezugszeichenliste

1

Doppelrohrwärmeübertrager

2

Außenrohr

3

Innenrohr

4

Hohlschnecke

5

Schlamm

6

Antrieb der Förderschnecke

7

Vorratsbehalter

8

Auffangbehälter

9

Verbindungen Innenrohre

10

Verbindungen Außenrohre

D

Dampf

G

Brenngas

H

Heizgas

R

Restmaterial

Claims (8)

1. Pyrolysereaktor zur Aufbereitung von Schlamm (5), insbesondere Klärschlamm, aus mehreren Doppelrohrwärmeübertragern (1), die jeweils ein Innenrohr (3) mit Hohlschnecke (4) und ein Außenrohr (2) besitzen, bei dem der Schlamm (5) im Innenrohr (3) mittels der Hohlschnecke (4) gefördert wird und ein Heizgas (H) im Außenrohr (2) im Gegenstrom geführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei gleichartige Doppelrohrwärmeübertrager (1) in einer Reihenanordnung miteinander verbunden sind.
2. Pyrolysereaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Doppelrohrwärmeübertrager (1) wechselseitig übereinander angeordnet sind.
3. Pyrolysereaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Doppelrohrwärmeübertrager (1) in einer Reihe angeordnet sind.
4. Pyrolysereaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Heizgas (H) am Ende der Reihenanordnung in die Außenrohre (2) eingeleitet wird.
5. Verfahren zur Erzeugung eines Brenngases (G) in einem Pyrolysereaktor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – der Schlamm (5) in den ersten Doppelrohrwärmerübertrager (1) eingefüllt und mittels der Hohlschnecken (4) durch die Reihenanordnung transportiert wird, – in dem ersten Doppelrohrwärmeübertrager (1) das Wasser durch Wärmezufuhr aus dem Schlamm (5) verdampft wird, – in weiteren Doppelrohrwärmeübertragern (1) der Schlamm (5) auf ca. 550°C erwärmt wird, – in nachfolgenden Doppelrohrwärmeübertragern (1) die organischen Komponenten unter Luftabschluss zu einem festen Pyrolyserückstand verschwelen und dabei ein Brenngas (G) generiert wird, – das Brenngas (G) durch die Reihenanordnung zu einem Gasauslass an der ersten Stufe im Gegenstrom zum Feststoff geführt wird, und – der feste Pyrolyserückstand über einen Austrag in einem Behälter (8) gesammelt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizgas (H) mit ca. 750°C eingeführt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das generierte Brenngas (G) im Gegenstrom im direkten Kontakt zum Feststoff in Richtung Klärschlammeintrag geleitet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das generierte Brenngas (G) aus dem Pyrolysereaktor in einen Wäscher geleitet wird.

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