DE10213788B4

DE10213788B4 - Verfahren zur Beeinflussung der Eigenschaften von Verbrennungsrückständen aus einer Verbrennungsanlage

Info

Publication number: DE10213788B4
Application number: DE10213788A
Authority: DE
Inventors: Johannes Martin; Oliver Dr. Gohlke; Joachim Horn; Michael Busch
Original assignee: Martin GmbH fuer Umwelt und Energietechnik; Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Martin GmbH fuer Umwelt und Energietechnik; Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2002-03-27
Filing date: 2002-03-27
Publication date: 2007-04-26
Anticipated expiration: 2022-03-28
Also published as: DE50300924D1; PL359318A1; US20030183138A1; CA2423745C; BR0300827B1; CA2423745A1; DE10213788A1; EP1348906B1; RU2258179C2; US6748882B2; CN100352554C; ATE301803T1; CN1727067A; PL200093B1; ES2247432T3; DK1348906T3; EP1348906A1; BR0300827A

Abstract

Verfahren zur Beeinflussung der Eigenschaften von Verbrennungsrückständen aus einer Verbrennungsanlage, insbesondere einer Abfallverbrennungsanlage, wobei dabei in einem Verbrennungsvorgang Brennstoff in einem Brennbett einer Hauptverbrennungszone der Verbrennungsanlage auf einem Feuerungsrost zu Verbrennungsrückständen verbrannt und bei dem Verbrennungsvorgang zumindest die Temperatur geregelt wird, wobei die Regelung so geführt wird, dass bereits im Brennbett der Hauptverbrennungszone ein Sinterungs- und/oder Schmelzvorgang eines Anteils der Verbrennungsrückstände zu Schlacke erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass nicht geschmolzene oder gesinterte Verbrennungsrückstände als Restschlacke am Ende des Verbrennungsvorganges aus der Schlacke abgeschieden und dem Verbrennungsvorgang erneut zugeführt werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Beeinflussung der Eigenschaften von Verbrennungsrückständen aus eines Verbrennungsanlage gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei einem Verfahren, das aus der EP 0 667 490 B1 bekannt ist, wird der Brennstoff auf dem Feuerungsrost so stark erhitzt, dass die hierbei entstehende Schlacke vor Erreichen einer außerhalb des Feuerungsrostes angeordneten Schmelzstufe eine Temperatur aufweist, die nahe unterhalb des Schmelzpunktes dieser Schlacke liegt. Bei diesem Verfahren wird also die Verbrennung derart geregelt, dass die Schlacke am Ende des Feuerungsrostes eine möglichst hohe Temperatur aufweist, um den Energieaufwand in der nachgeschalteten Schmelzstufe gering zu halten. Hierbei findet aber kein Sintern oder Schmelzen der Schlacke statt. Um trotzdem die gewünschte Schlackequalität zu erhalten, ist deswegen eine nachgeschaltete Schmelzstufe erforderlich. Diese nachgeschaltete Schmelzstufe erfordert nicht nur eine entsprechende Vorrichtung, sondern trotz der vorgenannten Verfahrensführung auch einen erhöhten Energieaufwand.

Bedeutsam für die gewünschte Qualität der Schlacke sind die aus dem Abfall verbleibenden anorganischen und organischen Schadstoffbestandteile. Als anorganische Schadstoffbestandteile sind vor allem Schwermetalle und Salze zu nennen, während die organischen Schadstoffe insbesondere auf eine unvollständige Verbrennung zurückzuführen sind. Wesentlich für die Beurteilung der Schlackequalität ist weiterhin, wie die vorhandenen Schadstoffe bei Elutionsversuchen ausgewaschen werden. Außerdem sind mechanische Eigenschaften zur Beurteilung der bautechnischen Eignung z.B. im Deponie-, Erd- oder Straßenbau von Bedeutung.

Aufgrund der hohen Temperaturen bei der Behandlung der Verbrennungsrückstände in einer Schmelzstufe sind geschmolzene Verbrennungsrückstände durch geringe Anteile an organischen Verbindungen gekennzeichnet. Während typische Schlacken aus Müllverbrennungsanlagen noch Unverbranntes, üblicherweise gemessen als Glühverlust, von 1 bis 5 Gew.-% aufweisen, liegt der Glühverlust von geschmolzenen Verbrennungsrückständen bei unter 0,3 Gew.-%. Zusätzlich sind geschmolzene Verbrennungsrückstände durch geringe Anteile von auslaugbaren Salzen und Schwermetallen gekennzeichnet, weil diese entweder verdampft oder in die bei Abkühlung der Schmelze sich bildende Glasmatrix eingebunden sind.

Es sind zwar Drehrohröfen bekannt, bei denen ein Teil der schlecht verbrannten Schlacke in den Drehrohrofen zurückgeführt wird. Derartige Drehrohröfen werden jedoch bei Temperaturen betrieben, die einen Sinterungs- oder Schmelzvorgang nicht ermöglichen. Bei einem in der EP 0 908 674 A1 beschriebenen Drehrohrofen wird schlecht ausgebrannte Schlacke klassiert und auf der Lufteintrittsseite in den Drehrohrofen zurückgeführt. Dies führt zu einem verbesserten Ausbrannt. Eine derartige Maßnahme ist bei einer Rostfeuerung jedoch nicht notwendig, da die üblichen Brenntemperaturen bei Rostfeuerungen weit über den Temperaturen von Drehrohröfen liegen und daher eine Rückführung zur Verbesserung des Ausbrandes bei Rostfeuerungen nicht notwendig ist.

Die Entgegenhaltung DE 44 29 958 A1 beschreibt ein Verfahren, bei dem die Primärluftmenge so geregelt wird, dass Bestandteile der Schlacke versintert oder verflüssigt werden. Sensoren überwachen dabei die Flammenlänge, damit keine vollständige Verflüssigung stattfindet und um dadurch den Feuerungsrost zu schonen. Die eigentliche Versinterung erfolgt auf einem der Hauptbrennzone nachgeschalteten flüssigkeitsgekühlten Ausbrandrost. Dieser Ausbrandrost ist jedoch eine zusätzliche Einrichtung, die die Verbrennungsanlage vergrößert und zu einem erhöhten Energieeinsatz führt.

Aufgabe der Erfindung ist es, den Verbrennungsvorgang so zu beeinflussen und zu regeln, dass eine vollständig gesinterte Schlacke mit der gewünschten Qualität ohne den Einsatz von nachgeschalteten Schmelz- oder Verglasungsaggregaten erhalten wird.

Unter einer „vollständig gesinterten Schlacke" wird ein Material verstanden, das aus Sinter- und/oder Schmelzbrocken besteht, die typischerweise eine Korngröße von mindestens 2 bis 8 mm haben. Diese Brocken bestehen aus Verbrennungsrückständen des Mülls, die durch vollständiges oder oberflächliches Schmelzen agglomeriert sind.

Die Sinter- oder Schmelzbrocken können aufgrund von Gasfreisetzung beim Sintern bzw. Schmelzen durchaus eine poröse Struktur haben. Die mögliche Porosität der vollständig gesinterten Schlacke ist darauf zurückzuführen, dass die Temperatur der geschmolzenen Schlacke im Brennbett nicht hoch genug ist, um eine ausreichend niedrige Viskosität und somit ein Austreiben von Gasbläschen zu bewirken, was in der Glastechnik auch als Läutern bezeichnet wird. Hierin unterscheidet sich die vollständig gesinterte Schlacke von typischen verglasten Schlacken, die in nachgeschalteten Hochtemperaturverfahren in mit Feuerfestmaterial ausgemauerten Tiegelöfen oder anderen Schmelzaggregaten erhalten wird.

Außerdem kann die vollständig gesinterte Schlacke auch Bestandteile des Abfalls, wie Glas oder Metalle, enthalten, die vom Verbrennungsvorgang weitestgehend unbeeinflusst den Feuerungsrost durchwandern, also im engeren Sinn im Brennbett weder geschmolzen noch gesintert sind, aber in Bezug auf Ausbrand und auslaugbare Schadstoffe die gewünschten Eigenschaften besitzen.

Der Begriff „Sintern" wird entspr. Hämmerli, 1994; (Müll und Abfall, Bd. 31, Beiheft; Seite 142) als ein „Spezialfall des Schmelzens und Gefrierens" bezeichnet. Im Folgenden geht somit der Begriff der Sinterung über die oft in der Wissenschaft gebräuchliche Anwendung dieses Begriffs als „oberflächliches An- oder Zusammenschmelzen von Partikeln" hinaus. Die Sinterbrocken der vollständig gesinterten Schlacke können durchaus auch ganz oder teilweise geschmolzen sein.

Als Restschlacke werden im Folgenden die Schlackebestandteile bezeichnet, die nicht gesintert und/oder geschmolzen sind. Restschlacke ist gekennzeichnet durch eine im Vergleich zur vollständig gesinterten Schlacke kleinere Korngröße sowie höheren Glühverlust und Anteil an auslaugbaren Schadstoffen.

Die oben gestellte Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen genannt.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht also darin, einerseits den Verbrennungsvorgang auf dem Feuerungsrost so zu beeinflussen, dass bereits ein Sinter- und/oder Schmelzvorgang auf dem Feuerungsrost in der Hauptverbrennungszone stattfindet, und dass die jeweils noch nicht gesinterten oder geschmolzenen Verbrennungsrückstände wieder zurückgeführt werden, um beim zweiten oder dritten Durchgang den gewünschten Sinter- und/oder Schmelzvorgang zu erfahren.

Der Schwerpunkt des Erfindungsgedankens beruht also darin, den Sinter- und/oder Schmelzvorgang der Verbrennungsrückstände bereits im Brennbett der Hauptverbrennungszone vorzunehmen, was bisher nicht für möglich gehalten wurde. Es ist nämlich für mechanische Feuerungsroste äußerst schädlich, wenn flüssige Schlacke zwischen die einzelnen Roststäbe oder sonstige bewegbare Teile des Feuerungsrostes gelangt. Aus diesem Grunde hat man ein Schmelzen der Schlacke auf dem Rost vermieden und darauf geachtet, dass im Brennbett die Schmelztemperatur der Schlacke nicht erreicht wird.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren findet der Sinter- und/oder Schmelzvorgang im oberen Bereich des Brennbettes statt, weil von oben her die größte Wärmeeinwirkung durch die Strahlung des Flammenkörpers stattfindet und von unten durch Zuführung von relativ kalter Primärverbrennungsluft die Temperatur des unmittelbar auf dem Feuerungsrost liegenden Materials geringer gehalten werden kann als auf der Oberseite des Brennbettes. Da bei einer solchen Verbrennungsregelung nicht die gesamten anfallenden Verbrennungsrückstände in eine vollständig gesinterte Schlacke mit der gewünschten Qualität umgewandelt werden können, werden diejenigen Verbrennungsrückstände, die noch nicht den Charakter der vollständig gesinterten Schlacke aufweisen, dem Verbrennungsvorgang wieder zugeführt.

Da das Sintern und/oder Schmelzen der Schlacke im Brennbett der Rostfeuerung erreicht wird, ist keine zusätzliche externe Energiequelle erforderlich. Die erhaltene Qualität entspricht weitestgehend den Produkten, die der Fachmann aus den bekannten nachgeschalteten thermischen Hochtemperaturverfahren zum Schmelzen und Verglasen kennt. Hierbei kommen Aggregate wie Drehrohrofen, Tiegelofen und Schmelzkammer zum Einsatz. Der wesentliche Nachteil dieser bekannten Verfahren ist jedoch der Bedarf an den sehr aufwendigen zusätzlichen Aggregaten und der hohe Energieeinsatz, was durch die vorliegende Erfindung trotz annähernd ähnlicher Qualität der Schlacke vermieden wird.

Ein wesentlicher vorteilhafter Aspekt der Verbrennungsregelung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren besteht darin, dass eine Sauerstoffanreicherung der Primärverbrennungsluft auf ca. 25 Vol.-% bis 40 Vol.-% vorgenommen wird. Eine weitere vorteilhafte Maßnahme besteht darin, daß eine Vorwärmung der Primärlufttemperatur auf Werte von ca. 100°C bis 400°C durchgeführt wird. Diese Maßnahmen können je nach Gegebenheiten getrennt oder kombiniert zum Einsatz kommen. Vorzugsweise wird in Abhängigkeit von der Beschaffenheit des Brenngutes die Brennbettemperatur in der Hauptbrennzone auf 1.000°C bis 1.400°C eingestellt.

Sämtliche Maßnahmen im Rahmen der Verbrennungsregelung zur Einstellung der angestrebten Bedingungen, bei denen die Verbrennungsrückstände in gesinterte und/oder geschmolzene Schlacke umgewandelt werden, werden so gewählt, dass ein Anteil an vollständig gesinterter Schlacke von 25–75 Gew.-% der gesamten Verbrennungsrückstände anfällt. Bei dieser Maßnahme ist sichergestellt, dass im Brennbett der Hauptverbrennungszone auf dem Feuerungsrost genügend nicht schmelzendes Material vorhanden ist, das die schmelzende Schlacke umgibt, so dass diese die mechanischen Teile des Feuerungsrostes nicht beeinträchtigen kann.

In vorteilhafter weiterer Ausgestaltung der Erfindung, wird Flugasche dem Verbrennungsvorgang wieder zugeführt. Diese Flugasche verläßt das Brennbett mit den Verbrennungsgasen über den Dampfkessel und wird in einem nachgeschalteten Abgasfilter abgeschieden.

Die Trennung der noch nicht vollständig gesinterten von der vollständig gesinterten Schlacke ist durch Klassierung der Schlacke nach dem Austrag aus dem Verbrennungssystem möglich, indem man einen Trennschnitt bei einer Korngröße von z.B. 2 bis 10 mm legt. Hierbei entspricht das Überkorn der vollständig gesinterten Schlacke, während das Unterkorn die rückzuführende Fraktion darstellt. Zur Durchführung dieses Verfahrens kommen verschiedene mechanische Trennverfahren in Frage, die dem Fachmann bekannt sind.

Die Trennung kann entweder durch Sieben oder in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung durch eine Kombination von Sieben und einem Waschvorgang erfolgen.

Selbstverständlich sind noch weitere Maßnahmen zur Verbesserung der Schlackenqualität möglich, die außerhalb der Verbrennungsanlage stattfinden und insbesondere in speziellen Waschverfahren mit und ohne chemische Zusatzstoffe zu sehen sind.

Die Feinfraktion mit einer Korngröße von weniger als 2 bis 10 mm, wird in den Verbrennungsvorgang zurückgeführt. Dabei kann die Rückführung durch Beimischen zu dem aufzugebenden Brennstoff oder durch unmittelbare Aufgabe auf das Brennbett erfolgen. Zur Vermeidung von Staubbildung und Verbesserung der Handhabbarkeit kann die Feinfraktion vor der Rückführung pelletisiert oder brikettiert werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand zweier Flußdiagramme näher erläutert. Die Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigen:
1 ein Flußdiagramm eines Basisverfahrens und
2 eine erweiterte Ausführungsform des Verfahrens nach 1.
Entsprechend den beiden Verfahrensvarianten nach den 1 und 2 werden 1000 kg Müll mit einem Aschegehalt von 220 kg auf eine Rostfeuerung aufgegeben und dabei in einer Weise verbrannt, dass bereits ein Anteil von 25 bis 75% der anfallenden Verbrennungsrückstände zu vollständig gesinterter Schlacke umgewandelt wird. Die gesamten Rückstände betragen 300 kg, die in einen Nassentschlacker fallen, in diesem gelöscht und ausgetragen werden. Durch ein Trennverfahren, welches eine Siebung und ggf. einen Waschvorgang umfasst, werden 200 kg vollständig gesinterte Schlacke abgetrennt, die der Verwertung zugeführt werden. 100 kg Verbrennungsrückstände, die noch nicht gesintert sind, werden wieder dem Verbrennungsvorgang zugeführt. Die mit den Rauchgasen den Feuerraum verlassende Flugasche beträgt 20 kg und wird im Abgasfilter und durch Reinigung der Kesselrohre gewonnen und einem gesonderten Entsorgungsweg zugeführt.
Bei der Variante nach 2 gelangen 310 kg Verbrennungsrückstände in den Nassentschlacker, da bei dieser Verfahrensführung 10 kg der Flugasche wieder dem Verbrennungsvorgang zugeführt werden. Der übrige Verfahrensverlauf entspricht demjenigen nach 1.

Claims

Verfahren zur Beeinflussung der Eigenschaften von Verbrennungsrückständen aus einer Verbrennungsanlage, insbesondere einer Abfallverbrennungsanlage, wobei dabei in einem Verbrennungsvorgang Brennstoff in einem Brennbett einer Hauptverbrennungszone der Verbrennungsanlage auf einem Feuerungsrost zu Verbrennungsrückständen verbrannt und bei dem Verbrennungsvorgang zumindest die Temperatur geregelt wird, wobei die Regelung so geführt wird, dass bereits im Brennbett der Hauptverbrennungszone ein Sinterungs- und/oder Schmelzvorgang eines Anteils der Verbrennungsrückstände zu Schlacke erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass nicht geschmolzene oder gesinterte Verbrennungsrückstände als Restschlacke am Ende des Verbrennungsvorganges aus der Schlacke abgeschieden und dem Verbrennungsvorgang erneut zugeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungsregelung eine Sauerstoffanreicherung der Primärverbrennungsluft auf 25 Vol.-% bis 40 Vol.-% umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungsregelung eine Vorwärmung der Primärverbrennungsluft auf 100°C bis 400°C umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennbetttemperatur auf 1.000°C bis 1.400°C eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungsregelung so eingestellt wird, dass ein Anteil an vollständig gesinterter Schlacke von 25% bis 75% der gesamten Verbrennungsrückstände anfällt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die beim Verbrennungsvorgang anfallende Flugasche dem Verbrennungsvorgang wieder zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Trennung der vollständig gesinterten von noch nicht vollständig gesinterter Schlacke erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennung mittels eines Siebschnittes bei 2 bis 10 mm Korngröße erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungsrückstände vor der Rückführung pelletisiert oder brikettiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführung der Verbrennungsrückstände durch Beimischen zu dem aufzugebenden Brennstoff erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführung der Verbrennungsrückstände durch unmittelbare Aufgabe auf das Brennbett erfolgt.