DE19606575C2 - Verfahren zur gleichzeitigen stofflichen und energetischen Verwertung von Rest- und Abfallstoffen in einem Hoch- oder Kupolofen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur gleichzeitigen stofflichen und energetischen Verwertung von Rest- und Abfallstoffen in Hoch- oder Kupolöfen.

Die Erfindung ist anwendbar, wo Rest- und Abfallstoffe sowie heizwertarme Brennstoffe in Verbindung mit Hoch- und Kupolöfen gleichzeitig energetisch und stofflich verwertet oder wo bestehende Anlagen dieser Art von einem Teil der Brennstoff- bzw. Rohstoffkosten entlastet werden sollen.

Unter Rest- und Abfallstoffen sind zu verstehen Hausmüll, Gewerbemüll Reste aus der Aufbereitung verbrauchter Industriegüter mit organischen Anteilen, wie Kabel, Altautos, Elektronikschrott, nicht unmittelbar recyclingfähige Reste aus der Sammlung von Kunststoff- und Verpackungsabfällen sowie Restprodukte aus verschiedenen technologischen Verfahren, besonders der Recyclingwirtschaft. Unter diese Kategorie der Rest- und Abfallstoffe fallen weiter mit öligen oder öl-haltigen Kühl-, Gleit- oder Schmiermitteln behaftete Walz- und Schmiedezunder und Metallbearbeitungsspäne.

Es sind bereits Verfahren zur stofflichen und energetischen Verwertung von Rest- und Abfallstoffen in Hochöfen bekannt.

So wird in DE 39 11 982 A1 ein Verfahren zum Beseitigen von Abfällen beschrieben, bei dem die Abfälle im Bereich der Windeingabe des Schachtofens direkt der Verbrennungszone zugeführt werden. Viele der in Frage kommenden Rest- und Abfallstoffe liegen jedoch in einer solchen Beschaffenheit vor, daß sie sich nicht oder nicht mit der erforderlichen Gleichmäßigkeit unmittelbar der Verbrennungszone eines Schachtofens zuführen lassen.

DE 41 04 252 A1 beschreibt ein weiteres Verfahren dieser Art, bei dem Abfallstoffe in fließfähiger Form einem Schachtofen, insbesondere einem Hochofen, über die Windform zugeführt werden. Unter fließfähiger Form wird dabei verstanden, daß das dem Schachtofen zuzuführende Material als Flüssigkeit, als Gas bzw. Dampf oder als feinkörniger, in einer Trägerflüssigkeit bzw. einem Trägergas suspendierter Feststoff vorliegen muß. Das ist aber, wie bereits dargestellt, beispielsweise bei üblichen Hausmüllgemischen nicht gegeben.

Die GB 1 562 492 beschreibt die Pyrolyse von Abfall. Die Pyrolyseprodukte werden einem Dampferzeuger als Zusatzbrennstoff aufgegeben. Die Pyrolyseprodukte stellen für den Dampferzeugerprozeß brennbares Gas und Koks dar. Das Abgas des Dampferzeugers ist Rauchgas, das nach einer kontinuierlichen Emissionskontrolle über einen Schornstein in die Atmosphäre gelangt oder für die Pyrolyse als Heizmedium verwendet wird. Der Pyrolysekoks wird vor der Zuspeisung in den Ofen zerkleinert und abgesiebt, grobes Gut und Metalle werden in Rückgewinnungsanlagen überführt. Obwohl diese Anlage das Merkmal der Pyrolyse ähnlich wie in der Erfindung enthält, wird in Kombination mit einem Dampferzeuger keine gleichzeitige energetische und stoffliche Verwertung von Abfall vorgenommen; die Pyrolyseprodukte dienen der reinen energetischen Nutzung; es bleiben Reststoffe zur weiteren Entsorgung oder Verwertung übrig, z. B. metallische Rückstände.

Es wird auch keine vollkommene Schadstofffreiheit der Abprodukte des Dampferzeugers erreicht, weil die anfallende Asche nicht glasartig aufgeschmolzen und nicht eluationsfest anfällt. Das Abgas enthält infolge der relativ niedrigen Verbrennungstemperatur und der oxidierenden Verbrennungsbedingungen Schadstoffemissionen.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur stofflichen und energetischen Verwertung von Rest- und Abfallstoffen und heizwertarmen Brennstoffen in einem Kupol- oder Hochofen zu entwickeln, in dem solche Materialien unabhängig von ihrer Beschaffenheit verwertet werden können, also auch Materialien, die nicht in einem fließfähigen Zustand vorliegen und sich nicht durch einfache Trocknungs- und Zerkleinerungsstufen in einen solchen Zustand überführen lassen.

Diese Aufgabe wird durch den kennzeichnenden Teil des ersten Patentanspruches gelöst. Günstige Ausführungsvarianten sind in den Patentansprüchen 2 bis 6 beschrieben.

Die erfindungsgemäße Lösung sieht vor, daß Rest- und Abfallstoffe, aber auch heizwertarme Brennstoffe, in einem Pyrolysereaktor thermisch vorbehandelt werden. Dabei werden diese Materialien unter vollem oder weitgehendem Ausschluß von Luft bzw. Sauerstoff auf Temperaturen zwischen etwa 300 und 800°C erhitzt. Unter diesen Bedingungen werden die organischen Bestandteile einer thermischen Zersetzung unterworfen und gas- und dampfförmige Zersetzungsprodukte - im weiteren Pyrolysegas genannt - abgespalten. Es verbleibt ein fester koksartiger Rückstand - im weiteren mit Pyrolysekoks bezeichnet -, der auch die anorganischen Bestandteile des Einsatzgutes mit aufnimmt.

Der Pyrolysekoks wird mit bekannten mechanischen Aufbereitungsverfahren, beispielsweise mit einer Wälzmühle mit Sichterkreislauf, mindestens zum Teil in eine feinkörnige Form gebracht. Weiterhin werden dieser in feinkörnige Form gebrachte Pyrolysekoks und das Pyrolysegas dem Kupol- oder Hochofen zugeführt.

In der Regel erfolgt die Zuführung zum Kupol- oder Hochofen in Höhe etwa der Windform, bevorzugt in die oder durch die Windform, in das Gestell des Ofens. Bei den in diesem Bereich des Kupol- oder Hochofens herrschenden Temperaturen verbrennen der organische Anteil des eingeblasenen Pyrolysekokses sowie die brennbaren Komponenten des Pyrolysegases mit einem Teil des dem Kupol- oder Schachtofen zugeführten Windes. Durch den üblichen Überschuß an Koks im Möller wird das primär gebildete Kohlendioxid sofort zu Kohlenmonoxid reduziert, sofern nicht schon primär Kohlenmonoxid gebildet wird. Ebenso wird der im Pyrolysekoks und im Pyrolysegas gebundene Wasserstoff sowie der im Pyrolysegas enthaltene Wasserdampf in gasförmigen Wasserstoff umgewandelt.

Das durch den Umsatz von Pyrolysekoks und Pyrolysegas entstehende Gas steigt, zusammen mit dem übrigen, durch Umsatz des verbleibenden (größeren) Teils des Windes mit Koks aus dem Möller entstehende Formengas, im Schacht aufwärts und nimmt an den in der langsam nach unten rutschenden Möllersäule ablaufenden Reaktionen, im Beispiel des Hochofens an der Reduktion des Eisenerzes, teil. Die durch den Umsatz der Pyrolyseprodukte frei werdende Wärmemenge wird parallel zur Aufheizung des Möllers genutzt. Entsprechend kann der Kokssatz im Möller gesenkt, also Koks eingespart werden.

Unter den im Gestell herrschenden Bedingungen werden organische Verbindungen, auch aromatische Verbindungen und chlorierte organische Verbindungen, einschließlich hochtoxischer Dioxine und Furane, vollständig umgesetzt. Eine nachträgliche Synthese von Dioxinen und Furanen während der Abkühlung des im Gestell gebildeten und im Schacht aufsteigenden Gases ist unter der dort herrschenden stark reduzierenden Atmosphäre ausgeschlossen. Wie zum Beispiel auch aus DE 41 04 252 A1 bekannt, werden die anorganischen Bestandteile des Pyrolysekokses und gegebenenfalls des vom Pyrolysegas mitgeführten Staubes aufgeschmolzen und entweder von der schmelzflüssigen Schlacke oder von der flüssigen Metallphase aufgenommen. Das gilt auch für die mitgeführten Schwermetallspuren.

Der in feinkörniger Form vorliegende Pyrolysekoks kann in an sich bekannter Weise pneumatisch über Förderleitungen dem Schachtofen zugeführt werden. In der Regel münden diese Förderleitungen jeweils in einer Windform, wobei die in der Windform herrschende hohe Luftgeschwindigkeit für die gute Verteilung in der im Gestell des Ofens sich bildenden Verbrennungszone und für die sofortige Zündung sorgt.

Alternativ kann der in feinkörniger Form vorliegende Pyrolysekoks mit Ölen zu einer pumpfähigen Öl-Feststoff-Suspension angemaischt und auf hydraulischem Wege dem Gestell des Schachtofens zugeführt werden. Das als Trägerflüssigkeit benötigte Öl kann zum Beispiel ein belastetes Altöl aber auch ein landwirtschaftlich erzeugtes pflanzliches Öl, z. B. auf stillgelegten landwirtschaftlichen Flächen erzeugtes Rapsöl, sein.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform wird das Pyrolysegas, das den Pyrolysereaktor verläßt, einer Abkühlung und Kondensation unterworfen bevor es dem Hoch- oder Kupolofen zugeführt wird. Dabei wird ein Kondensat abgetrennt, aus dem eine ölige Phase ("Pyrolyseteer") und eine wäßrige Phase gewonnen werden kann. Es ist zweckmäßig, die genannte ölige Phase in den Kupol- oder Hochofen zu geben. Vorteilhafterweise wird sie zur Herstellung der Öl-Staub-Suspension herangezogen. Grundsätzlich ist es möglich, auch die wäßrige Phase dem Kupol- oder Hochofen zuzuführen und im Ofenprozeß gelöste organische Bestandteile und weitere unerwünschte Bestandteile, wie beispielsweise NH₃, zu zerstören.

Bei stark wasserhaltigen Einsatzstoffen, das gilt besonders für Müll mit hohem Anteil an Küchenabfällen, ist es vorteilhaft, die aus dem Kondensat abgetrennte wäßrige Phase einer mechanischen, chemischen und/oder biologischen Aufbereitung zu unterwerfen. Das gereinigte Wasser kann dann für werksinterne Zwecke, z. B. als Kühlwasser, genutzt oder in ein Gewässer abgestoßen werden. Eine solche Ausgestaltung der Erfindung bietet den Vorteil, daß z. B. der Kupol- oder Hochofen von häufig für den Prozeßablauf unerwünschtem Wasserdampf entlastet wird.

Vielfach ist die Kühlung und Kondensation in Form eines Waschkühlers mit Wasser als Waschmittel ausgestaltet oder enthält neben anderen bekannten Mitteln zur Kühlung und Kondensation auch eine Wasserwäsche. Eine solche Ausgestaltung bietet den Vorteil, daß im Pyrolysegas enthaltener, durch thermische Spaltung von organischen Chlorverbindungen in den Abfallstoffen entstandener Chlorwasserstoff sowie Dämpfe und Nebel von chloridischen Salzen aus dem Pyrolysegas vor Einführung in den Ofen abgetrennt werden.

Vor allem beim Einsatz hausmüllartiger Abfälle ist es meist günstig, aus dem Pyrolysekoks nach Austrag aus dem Pyrolysereaktor, z. B. durch eine Siebanordnung, grobe Bestandteile auszuhalten, um die Einrichtungen zur Zerkleinerung des Pyrolysekokses zu entlasten, da sich in der groben Fraktion vorwiegend Steine, Keramik- und Ziegelbrocken, Glas, aber auch metallische Bestandteile, wiederfinden.

Es ist weiter möglich, mit an sich bekannten Separationsverfahren, wie z. B. durch Magnetscheidung oder/und durch Wirbelstromscheidung, metallische Bestandteile abzutrennen und einer gesonderten Verwertung zuzuführen. Man kann dazu die aus dem Pyrolysekoks abgetrennten metallischen Bestandteile dem Kupol- oder Hochofen über deren Gicht aufgeben.

Grundsätzlich gilt das auch für nichtmetallische grobe Fraktionen des Pyrolysekokses, wenn die mineralischen Bestandteile der eingesetzten Abfälle möglichst vollständig in eine für Bauzwecke verwendbare Hochofenschlacke überführt werden soll.

Schließlich ist eine weitere Koppelung von Kupol- und Hochofen mit dem Pyrolysereaktor dadurch möglich, daß das in den Öfen anfallende Gichtgas, ggf. nach einer Reinigungsstufe, zur Beheizung des Pyrolysereaktors herangezogen wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren sei an einem Ausführungsbeispiel und dem beigefügten vereinfachten Schema näher erläutert.

Das Beispiel betrifft die Nutzung eines Hochofens für die gleichzeitige stoffliche und energetische Verwertung des in der Umgebung des Hüttenwerkes anfallenden kommunalen Rest- und Gewerbemülls.

Der angelieferte und in einem Müllbunker 1 zwischengelagerte Müll wird in einem Brecher 2 auf eine Stückgröße von maximal etwa 100 mm vorzerkleinert und über eine Aufgabevorrichtung dem als indirekt beheiztes Drehrohr gestalteten Pyrolysereaktor 3 aufgegeben. Durch Beheizung mit Gichtgas aus dem Hochofenbetrieb wird der Müll unter Luftabschluß auf eine Endtemperatur von ca. 500°C aufgeheizt. Dabei werden die organischen Bestandteile des Mülls der thermischen Zersetzung unterworfen, wobei ein mit Kohlenwasserstoff- und Wasserdämpfen beladenes Pyrolysegas und ein koksartiger, spröder, fester Rückstand, der Pyrolysekoks, entsteht.

Im Ausfallgehäuse 4 wird der Pyrolysekoks aufgefangen, während das Pyrolysegas gesondert zur nur schematisch dargestellten Kühlung und Kondensation 5 geleitet wird.

Der Pyrolysekoks passiert einen Magnetscheider 6 zur Abtrennung von Eisenbestandteilen und einen Wirbelstromscheider 7, in dem die unmagnetischen Leicht- und Buntmetalle gewonnen werden. Der verbleibende Pyrolysekoks, einschließlich seiner anorganischen Bestandteile, wird in der Mühle 8 auf eine Feinheit von <0,5 mm zerkleinert.

Das mit Öl- und Wasserdämpfen beladene Pyrolysegas wird in der Kühlung und Kondensation 5 auf etwa 40°C abgekühlt. Das anfallende Kondensat wird in einem im Schema nicht gesondert dargestellten Scheidebehälter in eine ölige Phase (im Schema als Pyrolyseöl bezeichnet) und eine wäßrige Phase (Pyrolysewasser) getrennt.

Das gekühlte, von der Hauptmenge der Öl- und Wasserdämpfe befreite Pyrolysegas wird über den Verdichter 9 auf einen für die Injektion in die Windform 11 des Hochofens 12 ausreichenden Druck von etwa 4 bar komprimiert und auf dem Wege zu den Windformen des Hochofens mit dem über ein pneumatisches Dichtstromfördersystem 10 zugeführten, aufgemahlenen Pyrolysekoks vermischt. Das Pyrolysegas übernimmt so die Rolle eines zusätzlichen Fördergases für den Transport des Kokses zum Hochofen 12. Parallel wird das Pyrolyseöl über die Pumpe 13 einer in die Windform 11 mündenden Lanze zugeführt.

Im vorliegenden Beispiel werden Pyrolysegas, aufgemahlener Koks und Pyrolyseöl gleichmäßig auf alle Windformen des Hochofens verteilt. Es ist aber auch möglich, das Pyrolysegas und den Pyrolysekoks einem symmetrisch über den Umfang des Hochofens angeordneten Teil der Windform, das Pyrolyseöl einem anderen Teil der Windform zuzuleiten.

In jedem Fall übernimmt der Heißwindstrom die Zerstäubung, Verteilung und Vermischung der in die Windform injizierten Pyrolyseprodukte und gewährleistet die sofortige Zündung. Die durch Verbrennung der Pyrolyseprodukte in der Verbrennungszone des Hochofens entstehenden und in Kontakt mit dem Hochofenkoks zu CO und H₂ reduzierten Gase nehmen - wie bekannt - am Hochofenprozeß teil, während die anorganischen Bestandteile der Pyrolyseprodukte aufgeschmolzen werden und sich im Roheisen und in der Hochofenschlacke wiederfinden.

Das in Kühlung und Kondensation 5 anfallende Pyrolysewasser wird einer mechanischen und biologischen Abwasseraufbereitung 14 unterworfen und als gereinigtes Abwasser für Kühlzwecke im Hochofenwerk eingesetzt.

Im Schema nicht dargestellt, werden die aus dem Pyrolysekoks abgeschiedenen Eisenbestandteile dem Hochofen über die normale Begichtung zugeführt und damit für die Roheisengewinnung genutzt. Die angefallene Leicht- und Buntmetallfraktion wird nach weiterer Separation anderen einschlägigen Hüttenwerken zur Verwertung gegeben.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird unter Einsatz eines Hochofens für 2000 t Roheisen pro Tag, der mit einem Pyrolysereaktor gekoppelt ist, die im umliegenden Landkreis anfallende Rest- und Gewerbemüllmenge von ca. 40 000 t/Jahr entsorgt und dabei praktisch vollständig verwertet. Über die Entlastung der Umwelt durch Wegfall der Deponie des Mülls hinaus ergibt sich ein wirtschaftlicher Vorteil für das Hüttenwerk insbesondere durch Einsparung von Koks und durch die im Vergleich mit dem Betrieb einer Deponie oder einer separaten Müllverbrennungsanlage deutlich verminderten Betriebskosten für Pyrolyse und Aufbereitung der Pyrolyseprodukte und für die Injektion in den Hochofen.

Claims (6)

1. Verfahren zur gleichzeitigen stofflichen und energetischen Verwertung von Rest- und Abfallstoffen sowie heizwertarmen Brennstoffen, unabhängig von ihrer Beschaffenheit, insbesondere von solchen Materialien, die nicht in einem fließfähigen Zustand vorliegen und sich nicht durch einfache Trocknungs- und Zerkleinerungsstufen in einen solchen Zustand überführen lassen, in einem Hochofen oder Kupolofen, wobei die gesamten Rest- und Abfallstoffe sowie heizwertarmen Brennstoffe nach Aufbereitungsschritten über Windformen dem Hoch- oder Kupolofen zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Rest- und Abfallstoffe in einem Pyrolysereaktor durch Erhitzung auf Temperaturen zwischen 300 und 800°C thermisch vorbehandelt werden, wobei ein Pyrolysekoks und ein Pyrolysegas entstehen,
• - der Pyrolysekoks mindestens zu einem Teil mit an sich bekannten mechanischen Aufbereitungsverfahren in eine feinkörnige Form gebracht wird,
• - das Pyrolysegas zum Zwecke des Kondensierens flüchtiger Bestandteile und Abtrennens der Kondensate gekühlt wird,
• - der in eine feinkörnige Form gebrachte Pyrolysekoks, Kondensate der Pyrolyse und das Pyrolysegas dem Hoch- oder Kupolofen zugeführt werden, wobei der Pyrolysekoks pneumatisch oder als Öl-Staub-Suspension transportiert wird
• - und das den Hoch- und Kupolofen verlassende Gichtgas für die Verbrennung und Wärmebedarfsdeckung des Pyrolyseprozesses genutzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus den Kondensaten eine ölige Phase gewonnen und zur Herstellung der Öl-Staub-Suspension herangezogen wird.

3. Verfahren nach den Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensate in eine wäßrige und eine ölige Phase getrennt werden und die wäßrige Phase einer mechanischen, chemischen und/oder biologischen Aufbereitung unterworfen wird.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Pyrolysekoks durch an sich bekannte Klassierungsstufen grobe Bestandteile ausgehalten werden.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Pyrolysegas durch an sich bekannte Separationsverfahren metallische Bestandteile abgetrennt werden.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß das die aus dem Pyrolysekoks abgetrennten groben Bestandteile und/oder metallischen Bestandteile dem Hoch- oder Kupolofen über deren Gicht aufgegeben werden.