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Quench Kühler für phosphorhaltige Gase.
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Es ist über Phosphor in Klärschlamm und Abfallen bekannt, der als Phosphorpentoxid P2O5 vorliegt und bei einer Temperatur von 362 °C durch Sublimation flüchtig ist, diesen Phosphor bei der Monoverbrennung von Klärschlamm aus der Asche abzuführen, um weniger Löslichkeit bei Aschen, weniger Umweltbelastung und geringere Folgeschäden auf Deponien zu ermöglichen. Um Phosphor regenerativ aus Klärschlamm zu gewinnen, sind weitere Maßnahmen erforderlich. Näheres: Sicherheitsdaten nach Vo(EG) Nr. 1907/2006 für P2O5.
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Weiter ist eine Rückgewinnung von Phosphat aus Klärschlamm nach der Druckschrift
WO 2010 130 589 bekannt, nach welcher, in mehreren Schritten, die Herstellung einer Suspension, eine Einleitung von Kohlenstoffdioxid CO
2 bei erhöhtem Druck, eine Abtrennung von ungelösten Feststoffen von dem Suspendiermittel, eine Entfernung von CO
2 aus dem Suspendiermittel, und eine Fällung und Abtrennung der Wertstoffe vorgeschlagen sind. Nachteil ist, dass zur Erzeugung eines Düngemittels weitere Verfahrensstufen, nämlich die mechanische Entwässerung und thermische Trocknung mit Betriebs- und Installationskosten notwendig werden.
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Weiter ist aus Kyoto ein Trockner für Klärschlamm nach der Druckschrift
DE 29 43 528 C2 bekannt, bei welchem durch eine abluftfreie Trocknung ein fließfähiger Feststoff als Trockengut erzeugt wird, aus welchem wasserlösliches Phosphor als P
2O
5 in einer Monoverbrennung abgetrennt wurde, um die Löslichkeit der Aschen herabzusetzen. Zur Gewinnung von regenerierbarem Phosphat aus getrocknetem Klärschlamm sind in Verbindung mit dem Sicherheitsdatenblatt (Pos. 9) weitere Maßnahmen notwendig.
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Eine Phosphorgewinnung aus Aschen der Kläranlage Werdhölzli (Zürich) ist als nasses Aufschlussverfahren unter Phos4life bekannt, nach welchem in der Größe von 1.400.000 EWG das Phosphat aus den Aschen des Klärschlamm zusammen mit weiteren Metallen aus der Schlammmenge gewonnen wird. Bei einem Anstieg der Entsorgungsmengen von 15.000 t Asche / Jahr auf 42.000 t / Jahr und Mehrkosten von 70 CHF / t EKS sind weitere Maßnahmen bei der Gewinnung von Phosphat notwendig. Näheres: Phosphor-Mining Statusbericht Nr. 5 / 2017.
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Es ist nämlich so bei den spezifischen Kosten von 70 CHF / t EKS und (70/0,3) 233 CHF / t TS (Trockensubstanz), dass eine Kostenbelastung bei 1 Mio. EWG von 233 CHF * 2,5 t * 8.000 h = 4.666.000 CHF mit 4,66 CHF pro Einwohner und Jahr geplant ist mit Zusatzkosten bei 1,4 Mio. EWG von 6.533.333 CHF pro Jahr.
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Weiter ist von dem Klärwerk Hamburg ein nasser Aufschluss von Klärschlamm Aschen nach der
EP 3 296 258 A1 bekannt, nach welchem das im Trockenschlamm vorhandene Phosphor P
2O
5 aus den Aschen nasschemisch in 4 Stufen mit verschiedenen Zuschlagstoffen, Säuren H
2SO
4, H
3PO
4, Kalk CaO sowie mit Wasser H
2O nass aufbereitet wird zu feuchtem Kalziumphosphat (0025) und mit den Zuschlagstoffen weitere größere nasse Abfallmengen (4) entstehen. Für kleinere Abfallmengen, weniger Kosten und Deponiekosten sind weitere Maßnahmen notwendig. S. Tetra(4)Phos
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Es ist nämlich so, dass bei der Klärschlamm Trocknung vor der Verbrennung, Phosphor als P2O5 wasserlöslich, und leichtflüchtig nach dem technischen Merkblatt in industriellen Anlagen abtrennbar ist. Näheres: Kyoto Trockner.
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Wesentlicher Nachteil in Hamburg: Fehlende Analyse des Trockenschlamm TS und keine Kostenangaben.
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Der im Schutzanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem der Gewinnung von regenerierbarem Phosphor P
2O
5 in Kläranlagen zugrunde, ausgehend von dem nassen Aufschluss aus Aschen in Werdhölzli mit der Erhöhung der Abfallmengen bei Zusatzkosten von 4,66 CHF / EWG und Jahr und von den Subsystemen (4 (tetra) Stufen) bei nass-chemischen Aufschluss nach der
EP 3 296 258 in Hamburg sowie von dem Merkblatt über die Flüchtigkeit des Phosphors P
2O
5 durch Sublimation, eine Gewinnung des aus dem Klärschlamm durch Wärme abgetrennten Phosphors zu ermöglichen, um aus phosphorhaltigen Gasen ein trockenes Produkt, als Feststoff frei von Schadstoffen (Kadmium) regenerativ zu gewinnen. Weitere Aufgabe ist es, eine Verwertung des regenerativen Phosphors aus Kläranlagen vorzuschlagen.
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Dieses Problem wird durch die in Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale, in Quench Kühlern für phosphorhaltige Gase von Klärschlamm gelöst, bei denen als ein Wärmetauschmittel die phosphorhaltigen Gase, als anderes Wärmetauschmittel ein fließfähiger Feststoff zur Aufnahme von Phosphor vorgesehen ist und insbesondere Kühlflächen zur direkten Kühlung des fließfähigen Feststoffes vorgesehen sind.
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Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungen der Erfindung sind durch die, in den Unteransprüchen 2 bis 8 genannten Maßnahmen, möglich.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen darin, dass statt nassem Aufschluss in 4 (tetra) Stufen, die bei der Sublimation von P2O5 entstehenden phosphorhaltigen Gase in einem Quench Kühler aufgefangen und mit einem fließfähigen Feststoff absorbiert werden. Weiterer Vorteil: trockene Reinigung des Phosphor von Schwermetallen, Verbleib des Kadmium in den Aschen.
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Wesentlicher Vorteil: die Gewinnung von Phosphor und 15 % weniger Asche sowie geringe Löslichkeit der Kyotoaschen in Wasser. Näheres, Kyoto: (Löslichkeit in H2O - 0,36 %; spezifisches Gewicht - 3,275, Schüttgewicht - 0,479 kg / dm3;) Vorteil: ein Ertrag bis 1.500 CHF pro 1.000 kg P2O5 (Werdhölzli / Zürich)
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Ein wesentliches Merkmal der Erfindung besteht nach F28C 3/10 darin, dass mindestens ein Wärmetauschmittel ein fließfähiger Feststoff, z.B. körniges Gut, ist; weiterer Vorteil: Der Mehrwert als Zuschlag im Mineralfutter (Legehennen).
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in Patentanspruch 2 angegeben. Die Weiterbildung nach Anspruch 2 ermöglicht es, dass Kühlflächen zur direkten Kühlung des fließfähigen Feststoffes vorgesehen sind.
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Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht darin, die Kühlung der fließfähigen Feststoffe durch die Kühlflächen zu ermöglichen, zur Abscheidung der phosphorhaltigen Gase an den Feststoffen bei geeigneter Temperatur sowie zur Abfuhr der Bildungswärme mit den Erdalkalien.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in Patentanspruch 3 angegeben. Die Weiterbildung nach Anspruch 3 ermöglicht es, dass Trennstufen durch die Wärmetauschmittel ausgebildet sind.
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Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht darin, die Abscheidung der phosphorhaltigen Gase durch die Ausbildung von Trennstufen bei einstellbaren Temperaturen zu ermöglichen.
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Es ist nämlich so, dass bei einer Ausdehnung der Trennstufe um 30 %, 1 kg phosphorhaltige Gase jeweils auf 3.333 kg fließfähigen Feststoff bei reproduzierbaren Temperaturen gemischt sind. Vorteil: Kontrollierte Kühlung. Beispiel, s.u.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in Patentanspruch 4 angegeben. Die Weiterbildung nach Anspruch 4 ermöglicht es, dass fließfähige Erdalkalien, CaO und Ca(OH)2 vorgesehen sind.
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Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht als Mehrwert darin, die fließfähigen Feststoffe als Zuschlag für ein Mineralfutter bei Legehennen vorzusehen und einem Mehrwert des Zuschlags - statt Abfallprodukte aus der Zufuhr von Kalk in Hamburg.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in Patentanspruch 5 angegeben. Die Weiterbildung nach Anspruch 5 ermöglicht es, dass eine Zuführleitung für phosphorhaltige Gase vorgesehen ist.
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Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht darin, eine Zuführleitung zur direkten Aufgabe der phosphorhaltigen Gase in den fliessfähigen Feststoff vorzusehen. Vorteil: die Einfachheit, einfache Zuführleitung und einfache Wärmeverteilung in dem fließfähigen Feststoff, (Erdalkali).
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in Patentanspruch 6 angegeben. Die Weiterbildung nach Anspruch 6 ermöglicht es, dass eine Abführleitung und ein Ventilator für gekühlte Gase vorgesehen sind.
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Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht darin, in einer Abführleitung einen Ventilator für einen gleichmäßigen Gastransport vorzusehen. Vorteil: die Funktionssicherheit der Trennstufen bei gleichmäßiger Durchströmung der Erdalkalien, CaO und Ca(OH)2, bei stabiler Kühlleistung.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in Patentanspruch 7 angegeben. Die Weiterbildung nach Anspruch 7 ermöglicht es, dass eine Anordnung von weiteren Quench Kühler in den Zuführ- und Abführ-leitungen vorgesehen ist.
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Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht darin, weitere Quench Kühler in den Zuführ- und Abführ-leitungen für eine mehrstufige Behandlung mit Trennstufen anzuordnen. Vorteil: eine fraktionierte Trennleistung, parallele Anordnung oder Anordnung in Serie.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in Patentanspruch 8 angegeben. Die Weiterbildung nach Anspruch 8 ermöglicht es, dass Rückführleitungen 11 zu dem fließfähigen Feststoff vorgesehen sind.
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Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht in einer größeren Grundfläche bei einer geringeren Schichthöhe, um bei weniger Ventilator Pressung, eine längere Verweilzeit der phosphorhaltigen Gase in der Trennstufe mit fließfähigen Feststoffen zu ermöglichen. Weiterer Vorteil: Entstaubung/ Windsichtung für eine staubfreie Anwendung als Mineralfutter für Legehennen.
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Wesentlicher Vorteil: hochpreisige Mineralfutter und Dünger in wählbarer Qualität: Komverteilung, chemische Zusammensetzung, staubfrei, Löslichkeit u.a.
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Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich durch die Bauweise der Quench Kühler und ein rechnerisches Beispiel über die Gewinnung von Mineralfutter aus dem gekühlten Material.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist als Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
- 1 Quench Kühler
- 2 Querschnitt des Quench Kühler
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Ein Quench Kühler für phosphorhaltige Gase ist in 1 als Apparateleitplan mit Rohrleitungsanschlüssen dargestellt, der aus einem Gehäuse 1, einem fließfähigen Feststoff 2 als Füllung, einer Füllhöhe 3 des fließfähigen Feststoffes 2, einer Füllhöhe 4 bei der Zufuhr der phosphorhaltigen Gase und dem Aufbau einer Trennstufe durch eine Fluidisierung der Feststoffe 2, einer Zuführ- und Verteil-leitung 5 mit Ausblasöffnung 6 für phosphorhaltige Gase, Zuführ- und Verteil-leitungen 7 mit Ausblasöffnungen 8 für eine Verteilung von im Kreis geführten Gasen, einer Abführleitung 9, einem Ventilator 10 sowie Anschlüssen für Kühlflächen in schematischer Anordnung innerhalb des fließfähigen Feststoff 2, und Rückführleitung 11 für im Kreis geführte Gase, schematisch in der Weise aufgebaut ist, dass
- ✓ die Feststoffe aus Erdalkalien als Sorptionsmittel von P2O5 eine Wertsteigerung (Mehrwert) ermöglichen,
- ✓ eine Chemiesorption an einem Erdalkali CaO und Ca(OH)2 möglich ist,
- ✓ die Bildungswärmen der Chemiesorption abgeführt werden,
- ✓ mit einer Trennung von Feinstaub und einer Ableitung von nicht kondensierbaren Gasen, optional:
- - mit einer weiteren Trennstufe und/oder
- - direkt in eine Feuerung von Klärschlamm.
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Wesentlicher Vorteil: der Aufbau einer Trennstufe mit fließfähigen Sorptionsmittel und phosphorhaltigen Gasen; weiterer Vorteil: statt der Emission von Kalkverbindungen in Abfällen, Zürich und Hamburg, Chemiesorption mit gekühlten, fließfähigen Festsoffen und Temperatur kontrollierter Wärmeableitung, (TIC).
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Vorteil: die große Oberfläche. Es ist nämlich so, dass bei einer Ausdehnung der Schicht von der Höhe 3 auf die Höhe 4 um den Faktor (1,3) eine Mischung von 0,3 m3 Gas (0,3 kg) in 1 m3 fließfähigem Feststoff (Schüttgewicht 1000 kg/m3) verteilt sind und eine Verteilung von 1 kg Gas auf (1000/0,3) 3.333 kg fließfähiges Sorptionsmittel besteht; bezogen auf vorstehende Daten und die Kühlleistung der großen Oberflächen.
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Weiter ist in der Abgasleitung 9 eine weitere Trennstufe 15 für das Restvolumen der ursprünglichen Gase vorgesehen, vor der Aufgabe der Gase in die Feuerung.
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Neben der Darstellung des Apparateleitplanes nach 1 sind weitere Ausführungen der Verteilung phosphorhaltiger Gase und der Windsichtung möglich, die im Einzelnen nicht aufgeführt sind. Wichtig ist, dass ein fließfähiger Feststoff vorhanden ist und eine spezifische Verteilung von 1 kg Gas in 3.333 kg Feststoffen möglich ist, damit die Vorteile der Quench Kühler durch geregelte, trockene Gewinnung von Phosphor aus Klärschlamm erreicht werden. Vorteil ist, dass an dem Gehäuse 1 Anschlüsse optional für eine Aufgabe 16 von fließfähigen Feststoffen und für ein Austragsorgan 17 aus der Trennstufe für eine hochpreisige Handelsware vorgesehen sind.
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Weitere Vorteile der Quench Kühler sind im Zusammenhang mit 2 beschrieben:
- Ein Quench Kühler für phosphorhaltige Gase ist in 2 als Querschnitt in verschiedenen Schnitten als Ansicht von Oben mit Kühlung dargestellt, die unter Verwendung von gleichen Bezugszeichen, aus dem Gehäuse 1, befüllt mit fließfähigem Feststoffen 2, aus Wärmetauscherrohren 12 in paralleler Anordnung, verlegt aus Rohren (20 × 2) mm bei einem Biegeradius von 50 mm, einem Sammler 13 und 14 angebunden an die Wärmetauscherrohre 12, einem nichtgezeigten Zu- und Ablauf für Kühlflüssigkeiten an den Sammlern 13, 14, sowie der Zuführleitung 5 mit Ausströmöffnungen 6 und Zuführleitungen 7 mit Ausströmöffnungen 8 in der Weise aufgebaut ist, dass
- ✓ die Gase von oben mit gekühltem, fließfähigen Feststoff in Kontakt sind,
- ✓ eine Trennstufe TU (Transfer Unit) mit gekühltem, fließfähigen Feststoff und phosphorhaltigen Gasen vorgesehen ist.
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Vorteil: Einbau der Wärmetauscher Rohre mit einem Abstand von 30 mm übereinander in Abstimmung auf den (geplanten, berechneten) Kältebedarf.
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Wesentlicher Vorteil: Betriebssicherheit und Sicherheit der Planung.
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Weitere Vorteile sind mit den Solldaten für ein Handelsprodukt und Mineralfutter auf Basis der Kyoto Anlage für Legehennen und von Phos4life (Zürich) mit folgenden Daten dargestellt:
Bezugsgröße der Kläranlage | 1.000.000 EWG |
Trockenschlamm, TS | 2.500 kg /h |
Phosphor, regenerativ als P2O5 | 8% |
Phosphormenge | 200 kg /h |
Kosten bei Phos4life | 70 CHF / t EKS - 30 % TS |
Tonne TS - Trockensubstanz 70/0,3 | 233 CHF / t TS |
Bei 1 Mio EWG: 233 CHF * 2,5 t * 8.000 h | 4.666.000 CHF / Jahr |
Kosten pro EWG: 4,666 CHF | 4 € pro Einwohner und Jahr |
Technische Daten / Quelle: | Kyoto Messungen |
Molekular Gewicht | 142 kg / M |
Mengen / Volumen 200/142 | 1,408 MOL / h |
| 31,5 Nm3/ h |
Betriebsvolumen bei 300 °C | 66,2 m3 / h |
Verdünnungsfaktor 1/20 | 1.324 m3/ h |
Trennstufe TU - Trennstufen Fläche | 1 m2 Nenn Fläche |
F-Faktor der Trennstufe bei (1) m/sec | 3.600 m3/ h |
Mineralfutter für Ökobetriebe und Legehennen | | (Beispiel) |
Anteilig: Phosphor / Kalk | | 15 / 26 |
Erzeugte Gesamtmenge 200 / 15 × 41 | | 546 kg / h |
Abgabepreis Mineralfutter | | 1.200 € / t |
Kalk, anteilig 346/546 | 63 % | |
Kosten, anteilig bei 90 € / t | (-) | 57 € |
Brutto Gewinn | | 1.143 € / h |
Einnahmen, brutto im Jahr: 1.143 € × 0,546 t × 8.000 h |
Spezifische Einnahmen pro Mio. EWG | | 5.018832 € / Jahr |
Einsparungen - Phos4life 4 € / EWG | | 4.000.000 € / Jahr |
Gesamt bei 1 Mio EWG | | 9.018.832 € / Jahr |
Einsparungen Werdhölzli. 1,4 Mio. EWG | 12.626.000 € / Jahr |
Einsparungen: Wasserwerke Hamburg: 2 Mio. EWG | 18.037.000 € / Jahr |
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Erreichte Vorteile nach § 3, Abs. 1 der Klärschlamm VO, durch die Kyoto Ergebnisse und Kyoto Dokumentationen:
- ✓ Gewinnung eines Handelsproduktes aus Kalk
- - statt nassen Abfällen CaSO4 + H2O in Hamburg;
- ✓ Nutzen pro Einwohner & Jahr: 9 €
- - statt der Entsorgungskosten der Abfallmengen in Zürich / Hamburg.
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Bezugszeichenliste
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- 1 -
- Gehäuse
- 2 -
- fließfähiger Feststoff
- 3 -
- Füllhöhe in Ruhe
- 4 -
- Füllhöhe im Betrieb
- 5 -
- Zuführ- und Verteil-Leitung
- 6 -
- Ausblasöffnung
- 7 -
- Zuführ- und Verteil-Leitung
- 8 -
- Ausblasöffnung
- 9 -
- Abführleitung
- 10 -
- Ventilator
- 11 -
- Rückführleitung
- 12 -
- Wärmetauscherrohre
- 13 -
- Sammler
- 14 -
- Sammler
- 15 -
- Trennstufe
- 16-
- Aufgabe des Feststoffes
- 17 -
- Austragsorgan (für Handelsware)
- EWG -
- Einwohnergleichwert der Kläranlage
- TU -
- Transfer Unit, Trennstufe
- EKS -
- Klärschlamm mit 30 % TS (Trockensubstanz)
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2010130589 [0002]
- DE 2943528 C2 [0003]
- EP 3296258 A1 [0006]
- EP 3296258 [0009]