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Es ist über die Trocknung und Verdampfung der Feuchte bei der Verbrennung von Klärschlamm, bei welcher nasser Schlamm verbrannt wird, bekannt, dass in den Rauchgasen große Wassermengen als Destillat enthalten sind. Wegen der dampfförmigen Wärmeverluste in Rauchgasen sind weitere Maßnahmen notwendig.
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Im Gegensatz zu dieser Hochtemperatur Trocknung ist über die Schadstoffverbreitung einer Niedertemperatur Trocknung mit einem Sättigungsgrad von 40 g H2O unter Sauerstoff in Bandtrocknern bei Klärschlamm bekannt, dass bei einer Temperatur unterhalb von 40 °C, in 70.000 m3 / h Prozessluft, umgerechnet 80.000 kg Luft mit 16.000 kg Sauerstoff O2, gesundheitsgefährliche Schadstoffe im Schlamm möglich sind, durch Enterobacteriaceen, die von einem Ausgangswert von 1 Mio. Stück pro cm3 vermehrt und angereichert werden. Näheres: www.ara-altenrhein.ch / Projektblatt: Schlamm / Bandtrockner. Wegen der Anreicherung von Darmbakterien sind weitere Maßnahmen bei der Trocknung von Klärschlamm notwendig.
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Es ist nämlich so, dass in Fermentern Bakterien aus Eiweiß, Penicillin und anderen Einzellern unter Sauerstoff, O2 und Wärme sich vermehren und oberhalb von 85 °C in feuchter Umgebung sterilisiert werden. Wesentlicher Nachteil: Das Verfehlen der Sterilisations Temperaturen in Altenrhein.
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Über den Phosphor, der in einer Menge von 2 g P pro Einwohner und Tag im Klärschlamm enthalten ist, ist weiter bekannt, dass dieser Phosphor als P2O5 mit dem Klärschlamm verbrannt wird. Für eine Gewinnung des Phosphor sind weitere Maßnahmen notwendig.
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Von dem Klärwerk Hamburg ist weiter ein naßchemischer Aufschluss mit Wasser aus Klärschlamm Aschen nach der
EP 3 296 258 A1 bekannt, nach welchem verschiedene Zuschlagstoffe, Säuren H
2SO
4, H
3PO
4, Kalk CaO sowie Wasser H
2O eingesetzt werden. Für eine Gewinnung von Phosphor vor der Verbrennung sind weitere Maßnahmen notwendig.
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Es ist nämlich so, dass bei der Klärschlamm Trocknung vor der Verbrennung, Phosphor als P2O5 leichtflüchtig, nach dem Sicherheitsdaten Blatt, und als Trocknungsmittel abtrennbar ist. Näheres: Sicherheitsblatt: P2O5.
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Weiter ist von einem Trockner für Klärschlamm nach der Druckschrift
DE 29 43 528 C2 bekannt, bei welchem in Kyoto zum Erreichen höherer Heizwerte ein fließfähiger Feststoff als Trockengut bei abluftfreier Trocknung indirekt erwärmt wird. Weitere Maßnahmen sind zur Erfassung des Destillates von P
2O
5 notwendig.
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Eine Phosphorgewinnung aus Aschen einer Mono Verbrennung der Kläranlage Werdhölzli nach dem phos(4)life Verfahren ist aus einem ökologischen Vergleich der Produktion von Phosphorsäure für eine Kläranlage für 1.400.000 EWG nach Stefanie Hellweg bekannt. Näheres: Prof. Stefanie Hellweg, Studie zum Ökologischen Vergleich der Produktion von Phosphorsäure, ETH Zürich, 2018. Wie von Hellweg einleitend, Absatz 2 der Studie aufgezeigt, ist die Ökologie in Werdhölzli auf der Berechnung der ökologischen Verknappung von Betriebsmittel begründet. Wegen des Verbrauchs von 254.000 m3 Wasser pro Jahr sind in Werdhölzli weitere Maßnahmen notwendig.
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Der im Schutzanspruch 1 angegebenen Erfindung einer Heizvorrichtung für fließfähige Feststoffe liegt bei der Erzeugung von Destillat nach dem Stand der Technik aus Klärschlamm das Problem zugrunde, ausgehend von der Anreicherung der Enterobacteriaceen in einem Bandtrockner und dem hohen Wasserverbrauch von 254.000 m3 nach S. Hellwig für eine Phosphorgewinnung, eine Heizvorrichtung für Klärschlamm auf einen Siedezustand zur Ausbildung von Destillat der Feuchte, H2O und des Phosphor P2O5 vorzuschlagen, um aus Destillaten durch Kondensation Phosphor zu gewinnen und Wasser und Energie einzusparen und die Temperaturen des Feststoffes, thermisch sicher, zu bestimmen. Weitere Aufgabe ist es, die Prozessdaten bei der Verdampfung rechnerisch zu aufzuzeigen.
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Dieses Problem wird durch die in Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale, mit einer Heizvorrichtung für fließfähige Feststoffe, gebildet aus Klärschlamm gelöst, bei welcher (i) ein fließfähiger Feststoff in einem Gehäuse zur Ausbildung einer beheizten Trennstufe vorgesehen ist, bei welcher ein Wärmetauschmittel als fließfähiger Klärschlamm und als anderes Wärmetauschmittel ein Destillat vorgesehen sind, (ii) in dem Gehäuse eine Trennwand zwischen der beheizten Trennstufe und einer mit fossiler Energie beheizten Wirbelschicht vorgesehen ist, und (iii) in der Trennwand eine Öffnung mit einem Wärmedurchtritt in die beheizte Trennstufe vorgesehen ist und (iiii) insbesondere eine Temperaturanzeige TI der Verdampfungstemperatur vorgesehen ist.
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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, in 2 parallelen Wirbelschichten mit der Gewinnung der Destillate, einer Anzeige der Destillationstemperatur, einer Erhöhung des Heizwertes des Klärschlamms, der Vernichtung von Darmbakterien, in Kombination mit einem Quench Kühler nach F28C 3/06 zur Kondensation des Destillates, bei wechselnden Temperaturen: bei Dampf bei 100 °C und von P2O5 oberhalb von 300 °C.
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Wesentlicher Vorteil: Die Qualität des Klärschlammes und die Reinheit des Destillates bei 100 %-iger Trennung vom Brennstoff und die Durchführung auf Siedeniveau. Näheres, Kyoto-Aschen: (Löslichkeit in H2O - 0,36 %; spezifisches Gewicht - 3,275 kg / dm3, Schüttgewicht - 0,479 kg / dm3, kein Frischwasser;).
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Ein wesentliches Merkmal der Erfindung besteht in dem Oberbegriff - statt einer Anlage für den Aufschluss aus Aschen - in einer Heizvorrichtung für fließfähige Feststoffe, gebildet aus Klärschlamm mit anthropogenem Phosphor. Vorteil: Der berechenbare Aufschluss auf Siedeniveau mit den (bekannten) Stoffdaten eines Siedevorganges und der Sublimation von P2O5 bei höheren Temperaturen.
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Ein weiteres Merkmal besteht in einer Trennwand zwischen parallelen Wirbelschichten: der Trennstufe und der Wirbelschicht zur Zufuhr fossiler Energie (kW). Vorteil: Das erreichte Temperatur-Gefälle über die Trennwand und die gemessene Temperatur TI.
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Ein wesentliches Merkmal besteht in einer Öffnung in der Trennwand darin, dass zu beiden Seiten der Öffnung die physikalischen Eigenschaften mit hoher Wärmeleitzahl (lambda) λ vorgesehen sind. Vorteil: Die hohe Wärmestromdichte bei einem (lambda) von 10.000 kcal/m h grd in Wirbelschichten.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in Patentanspruch 2 angegeben. Die Weiterbildung nach Anspruch 2 ermöglicht es, eine Temperaturanzeige TI, mit welcher die Verdampfungstemperatur angezeigt ist, vorzusehen.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in Patentanspruch 3 angegeben. Die Weiterbildung nach Anspruch 3 ermöglicht es, Faulgas, das als fossile Energie zugeführt wird, einzusetzen. Vorteil ist die Einsparung von CO2 gegenüber der Verbrennung von Klärschlamm > 50 %.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in Patentanspruch 4 angegeben. Die Weiterbildung nach Anspruch 4 ermöglicht es, eine Wärmeableitung, die zu dem Faulturm geführt wird, vorzusehen. Vorteil: Niedertemperatur Destillation von Faulgasen und deren Nutzung.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in Patentanspruch 5 angegeben. Die Weiterbildung nach Anspruch 5 ermöglicht es, eine Austragsvorrichtung, in welcher fließfähigen Klärschlamm ausgetragen wird, vorzusehen.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in Patentanspruch 6 angegeben. Die Weiterbildung nach Anspruch 6 ermöglicht es, Asche des Klärschlamms, die als fließfähiger Feststoff für die beheizte Wirbelschicht geeignet ist, vorzusehen. Vorteil: Asche als Wertstoff (200 € / m3), mit Schadstoff Einbindung in der Wirbelschicht.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in Patentanspruch 7 angegeben. Die Weiterbildung nach Anspruch 7 ermöglicht es, einen Quench Kühler nach F28C 3/06, bei welchem ein Wärmetauschmittel das Destillat des Kreislaufes und ein anderes eine Flüssigkeit, H2O ist, zur Abscheidung des Destillates einzusetzen; wesentlicher Vorteil: Die Kondensation von Destillat von Wasser, H2O und von Phosphor, P2O5 in einem Quench Kühler nach F28C 3/06; weiterer Vorteil: Energiegewinnung durch Kühlung.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in Patentanspruch 8 beschrieben. Die Weiterbildung nach Anspruch 8 ermöglicht es, Wirbelschicht Pyrolysen, die nach den Merkmalen des Anspruchs 1 als Heizvorrichtung aufgebaut sind, für eine fraktionierte Destillation aus trockenem Klärschlamm einzusetzen, um verschiedene Destillate beginnend bei 100 °C und 360 °C für P2O5, trocken, zu gewinnen.
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Der erzielte Vorteil: Die Pyrolyse mit Verbrennung im Wirbelbett nach F23G 5/30 und die um 20.000 % bessere Wärmeableitung kcal/m h grd. (S.u. Beispiel).
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Weitere Vorteile der Erfindung, sind in dem Ausführungsbeispiel der Erfindung als Zeichnung dargestellt. Es zeigen:
- 1 Heizvorrichtung
- 2 Heizvorrichtung mit Quench Kühler
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Eine Heizvorrichtung für eine Trennstufe mit fließfähigem Klärschlamm ist mit einer Wirbelschicht als Wärmequelle perspektivisch in 1 dargestellt, die aus einem Gehäuse 19 zur Aufnahme einer mit fossiler Energie beheizten Wirbelschicht 1 mit einer Schichthöhe 13 und einer Trennstufe 2 aus den Wärmetauschmitteln fließfähiger Klärschlamm und einem aus dem Klärschlamm gebildeten Destillat, einer Befüllung 4 mit Klärschlamm auf eine Schichthöhe 3, einem Freeboard 5, einer Abführleitung 6 von Destillat, einem Austragsstutzen 7 für Klärschlamm, mit einer Aufgabeleitung 8 für behandeltes Destillat und einer Trennwand 9, aus einer Öffnung 10 in der Trennwand 9, und auf der anderen Seite der Trennwand aus der beheizten (Asche-)Wirbelschicht 1, einer Zuleitung 11 für Verbrennungsluft, einer Zuleitung 12 für gasförmige Brennstoffe z.B. Faulgase, einem Freiraum 14 über der Wirbelschicht 1 und Stutzen 15 für Rauchgase in der Weise als fraktionierte Wirbelschicht Pyrolyse mit einer Temperaturanzeige TI 16 aufgebaut ist, dass
- (1) Destillat 17 durch Pyrolyse trocken aus Feststoffen entsteht,
- (2) Die Destillate bei der Temperatur 16 entstehen, fraktioniert nach dem Beispiel bei 360 °C und 100 °C;
- (3) Klärschlamm als trockenes Konzentrat entsteht und fließfähige Aschen als Betriebsmittel verwendbar sind,
- (4) Die Energie 18 mit einer um 20.000 % erhöhten Leistung kW/m2 zufließt.
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Der erreichte Vorteil besteht in der Anwendung der hohen Wärmeleitung (λ) für die direkte Wärmeübertragung und in der Trennung gasförmiger Medien durch parallele Strömung mit dem F-Faktor der jeweiligen Trennstufe. Wesentlicher Vorteil: Die Wärmeleitung λ (lambda) als physikalische Größe von Aschegranulaten.
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Neben der Darstellung in 1 sind weitere Ausführungen der Heizvorrichtung mit 2 Wirbelschichten möglich, die im Einzelnen nicht ausgeführt sind. Wichtig ist, dass zwischen den Wirbelschichten eine Öffnung 10 vorgesehen ist, damit die Vorteile der Erfindung erreicht werden.
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In 2 ist eine Anlage zur Verflüssigung eines abgetrennten Destillates als apparativer Umfang mit einem Quench Kühler 21 zur Verflüssigung des Destillates, einem Ventilator 22, einem Überströmventil 23, einem Kreislauf 24 und einer Heizvorrichtung 20 für fließfähige Feststoffe als Fließschema dargestellt, in welchem die Heizvorrichtung 20, mit einem Gehäuse 29, mit einer beheizten Trennstufe 25, einer Trennwand 26, einer beheizten Wirbelschicht 28 mit fossiler Energie (Faulgase) sowie einer Öffnung 27 in der Trennwand für den Wärmedurchtritt, technologisch mit Verbesserungen vorgestellt ist,
- ✓ der Steigerung des Wärme-Überganges - 20.000 % bezogen auf (lambda),
- ✓ als Pyrolyse mit Wertstoffgewinnung im Destillat - H2O & Phosphor,
- ✓ der Kreislaufführung des Destillates - Null Emission, bei 100 % Effizienz,
- ✓ der Verdampfung bei und über 100 °C - Beseitigung der Darmbakterien,
- ✓ dem Quench Kühler nach F28C 3/06 - Energie Rückgewinnung.
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Neben der vorstehenden Trennung des Phosphors aus fließfähigem Klärschlamm und der Herstellung von P-Säure sind weitere Anwendungen, auch Chemiesorption in flüssigen und trockenen Erdalkalien, Ca(OH)2 in dem Quench Kühler 21 möglich, die im Einzelnen nicht aufgeführt sind. Wichtig ist, dass Rohstoffe thermisch als Destillat in einer Heizvorrichtung getrennt werden, damit die Vorteile der Erfindung, nämlich eine Gewinnung der Rohstoffe, z.B. Phosphorsäure H3PO4 nach C01B 15/18 erreicht werden; Wesentlicher Vorteil: Die Wirbelschicht Pyrolyse, verbessert um 20.000 %.
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Die Verbesserung der Erfindung ist rechnerisch durch Stoffdaten aufgezeigt:
| Wärmeleitung (lambda) in Stahlblech | 50 kcal/m h grd |
| Wärmeleitung (lambda) in Wirbelschichten | 10.000 kcal/m h grd |
| Erzielte Verbesserung 10.000 kcal / 50 kcal * 100 | 20.000 % |
| Vorteil: Wirbelschicht Pyrolyse mit besserer Wärmeableitung: | 20.000 % |
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Für Faulgase als fossile Energie zur Sublimation / Trennung von P
2O
5 sind die verbesserten Prozessdaten mit Einsparungen von 54 % bei CO
2 Emissionen rechnerisch aufgezeigt: Beispiel- Zürich Werdhölzli.
| Ausgangsmaterial: (Molekulargewicht 196) | P2O5 × 3 H2O |
| Spezifischer Energiebedarf bei 350 °C | Energie / MOL |
| Aufheizung von 100 °C auf 350 °C: 196 * 0,2 * 250 | 9.800 kcal |
| Verdampfung von 3 H2O: 3 * 18 * 560 kcal | 32.240 kcal |
| Sublimation bei 90 kcal / kg* 142 * 90 | 12.700 kcal |
| Gesamt bei *) diesem Ansatz | 54.748 kcal |
| Ergebnis Qw / MOL 54.748 / 860 | 63 kWh pro MOL P2O3 |
Mit folgender CO
2 Bildung/kWh durch die verwendete Energie im Brennstoff:
| Werdhölzli mit C aus Klärschlamm | 0,39 kg CO2/ kWh therm |
| beheizte Trennstufe mit CH4 aus Faulgasen | 0,178 kg CO2/ kWh therm. |
| Entlastung an CO2 | 0,212 kg CO2/ kWh therm. |
| Höhe der CO2 -Einsparung 0,212 / 0,39 * 100 | 54 % |
Wesentlicher Vorteil: Verwendung von Aschegranulat und von Faulgasen.
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Weitere Einsparung sind mit der Nutzung der Abwärme in Quench Kühlern, nach F28 C 3/06, zur Beheizung des Faulturmes, aufgezeigt:
| Energiegewinn und Einsparung | > 32.240 kcal / MOL P2O5 |
| Höhe der Einsparung | 32.240 / 54.748 | > 60 % |
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Weitere Vorteile sind mit den Prozessdaten bei der Verdampfung und der Trennung des Wasser, H
2O von dem Klärschlamm aufgezeigt:
| Wirbelschicht Ofen | Outotec GmbH, Oberursel |
| Trockensubstanz TS | 30.000 t / Jahr |
| Verdampfung im Ofen bei 8.000 h | 40.000 t H2O / Jahr |
| Verdampfung pro Stunde | 5.000 kg / h |
| Klärschlamm TS | 3.750 kg / h |
| Einsparungen durch tiefere Destillat Temperatur | 110 °C |
| Aktuelle Abgastemperatur nach Filter, (Ansatz) | 280 °C, Nenndaten |
| Wirksame Einsparung (Delta) T | 170 °C |
| Wärmeeinsparung 5.000 * 0,46 * 170 °C | 391.000 kcal / h |
| Einsparung - kW 391.000 / 860 | 454 kW |
| Einsparung im Quench Kühler (21) | 560 kcal / kg Dampf |
| Summe Einsparungen: 560 * 5.000 | 2.800.000 kcal / h |
| Einsparung 2.800.000 / 860 | 3.255 kW |
| Gesamte Einsparungen | 3.710 kW therm. |
| Einsparungen an CO2 bei 0,39 kg / kWh | 1.400 kg CO2 / h |
| CO2 Einsparung im Jahr 8.000 h * 1,4 t | 11.500 t CO2 / Jahr |
| Summe Einsparungen, statt Wirbelschicht Verbrennung Werdhölzli - Wirbelschicht Pyrolyse mit Quench Kühler 21 | - 11.500 t CO2 / Jahr |
| Abgasvolumen - Einsparung Rauchgase | - 15.000 m2 / h |
| Nutzung der Faulgase: CO2 Einsparung | 54 % |
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Bezugszeichenliste
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- 1 -
- Wirbelschicht, beheizt
- 2 -
- Trennstufe
- 3 -
- Schichthöhe
- 4 -
- Befüllung mit Klärschlamm
- 5 -
- Freeboard, Freiraum
- 6 -
- Abführleitung, Destillat
- 7 -
- Stutzen, Austrag-
- 8 -
- Aufgabeleitung
- 9 -
- Trennwand
- 10 -
- Öffnung
- 11 -
- Zuleitung, Luft
- 12 -
- Zuleitung, gasförmige Brennstoffe
- 13 -
- Schichthöhe
- 14 -
- Freiraum
- 15 -
- Stutzen, Rauchgas-
- 16 -
- Temperaturanzeige TI
- 17 -
- Destillat
- 18 -
- Energie, -leistung kW / m2
- 19 -
- Gehäuse
- 20 -
- Heizvorrichtung
- 21 -
- Quench Kühler nach F28C 3/06
- 22 -
- Ventilator
- 23 -
- Überströmventil
- 24 -
- Kreislauf
- 25 -
- Trennstufe, Transferunit, TU
- 26 -
- Trennwand
- 27 -
- Öffnung
- 28 -
- Wirbelschicht, beheizt
- 29 -
- Gehäuse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 3296258 A1 [0005]
- DE 2943528 C2 [0007]
