DE19807539C2 - Verfahren zur thermischen Behandlung von Abfällen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur thermischen Behandlung von Abfällen gemäß dem Oberbegriff des Patentan­ spruchs 1 und einen nach einem derartigen Verfahren herge­ stellten Brennstoff.

Das Abfallgesetz schreibt die Pflicht zur Abfallverwer­ tung vor. Wann immer es möglich ist, ist die Abfallverwer­ tung anstelle sonstiger Abfallentsorgung durchzuführen. Parallel dazu besteht ein Reststoffverwertungsgebot nach dem Bundesimmissionsschutzgesetz (BImSchG).

Das Abfallgesetz gilt prinzipiell für jeden Abfallbe­ sitzer sowie für entsorgungspflichtige Körperschaften, wie beispielsweise Städte-Reinigungsbetriebe. Im Abfallgesetz ist geregelt, daß die Abfälle derart zu sammeln, zu trans­ portieren, zwischenzulagern und zu behandeln sind, daß die Möglichkeiten der Abfallverwertung nicht behindert werden. Nach dem Abfallgesetz hat das Gewinnen von Stoffen oder Energie aus Abfällen Vorrang vor der sonstigen Entsorgung, solange dies technisch möglich ist, die hierbei entstehen­ den Mehrkosten im Vergleich zu anderen Verfahren nicht zu­ mutbar sind und für die gewonnenen Stoffe oder für die ge­ wonnene Energie ein Markt vorhanden ist. Die Abfallverwer­ tung ermöglicht eine Mehrfachnutzung von Stoffen unter Er­ sparnis von primären Rohstoffen oder der Ersparnis von pri­ mären Energieträgern.

Die derzeit am häufigsten angewendete Art der Abfall­ verwertung besteht darin, den Abfall, wie beispielsweise Hausmüll oder chemischen Abfall in thermischen Verbren­ nungsanlagen zu verbrennen. Die Verbrennung von Abfällen wird in der Regel als Umweltschutzmaßnahme vor der Ablage­ rung der Rückstände auf Deponien durchgeführt.

Durch die Abfallverbrennung sollen organische Bestand­ teile thermisch oxidativ abgebaut werden, um die im Abfall enthaltenen oder entstehenden anorganischen Stoffe mög­ lichst in verwertbarer oder ablagerungsfähiger Form abzu­ scheiden, das Gewicht und/oder das Volumen des Abfalls zu verringern und den Wärmeinhalt des Abfalls durch Energie­ kopplung zu nutzen. Bei der üblicherweise angewendeten Hausmüllverbrennung wird der vorsortierte Abfall (Hausmüll, hausmüllähnliche Gewerbeabfälle, Sperrmüll und gewisse An­ teile an Chemieabfällen) einem Drehrohrofen zugeführt und dort bei Temperaturen zwischen 1000 und 1200°C zu Asche und Rauchgas verbrannt. Das entstehende Rauchgas wird gefiltert und einer Rauchgaswäsche unterzogen. Die bei der Verbren­ nung frei werdende Wärme wird zur Erzeugung von Prozeß- und Heizdampf oder auf sonstige Weise in parallelen Prozessen genutzt. Die im Drehrohrofen anfallende Asche und Schlacke sowie die aus dem Rauchgas ausgefilterte Flugasche werden üblicherweise auf einer Deponie gelagert.

Problematisch bei der vorbeschriebenen Verbrennung sind jedoch, die vom Gesetzgeber in der BImSch vorgeschriebenen Grenzwerte insbesondere im Rauchgas einzuhalten, so daß er­ hebliche anlagentechnische Aufwendungen unternommen werden müssen, um die gesetzlichen Vorgaben zu erfüllen.

Aus der DE 195 26 720 A1 ist ein Verfahren zur Behand­ lung von Abfällen bekannt, bei dem diese nach einer mecha­ nischen und biologischen Vorbehandlung tiefgekühlt und an­ schließend zerkleinert werden. Obwohl zur Tiefkühlung der Fraktion teilweise Energie verwendet werden kann, die bei der Verbrennung einer Brennfraktion des Abfalls frei wird, ist ein erheblicher verfahrenstechnischer Aufwand erforder­ lich, um die Tiefkühlung der Abfallfraktion zu ermöglichen.

In der US 4,449,483 ist ein Verfahren zur thermischen Behandlung von organischem Abfall bekannt, bei dem in einer Wirbelschicht eine Innertfraktion von dem organischen Ab­ fall getrennt wird. Die leichtere organische Fraktion wird über Kopf abgezogen und anschließend in einer mit einer Dampfturbine gekoppelten Anlage verbrannt. Auch bei diesen bekannten Verfahren sind erhebliche Aufwendungen erforder­ lich, um innerhalb der gesetzlich vorgeschriebenen Grenz­ werte zu bleiben. Ein weiterer Nachteil besteht in dem er­ heblichen vorrichtungstechnischen Aufwand zu Realisierung der Wirbelschicht, über die die Innertfraktion von der or­ ganischen Fraktion getrennt wird.

In der Druckschrift "Clevere Kombination"; Koch P., Lènard G. et al.; Energiespektrum 4/95, Seiten 23 bis 30 ist ein Verfahren zur Kohlevergasung in einem Gaskraftwerk beschrieben. Dieser Artikel enthält keinerlei Hinweis auf eine Aufbereitung von Abfall.

Die DE 44 08 716 C1 betrifft ein Verfahren zur rück­ standsfreien Abfallbehandlung, bei der eine Grobfraktion des angelieferten Abfall zerkleinert und anschließend in einer Wirbelschicht vergast wird. Eine Feinkornfraktion des Abfalls wird einer Kompostierung unterzogen. Die Kompostie­ rung der Feinkornfraktion bedarf ebenfalls eines erhebli­ chen verfahrenstechnischen Aufwandes, so daß die Kosten der Abfallbehandlung nicht konkurrenzfähig zu den klassischen Abfallaufbereitungsverfahren ist.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur thermischen Behandlung von Abfällen zu schaffen, bei dem die anfallenden Abgase mit vergleichs­ weise geringem vorrichtungstechnischen Aufwand gereinigt werden können und bei der der Energiegehalt des Abfalls mit minimalem apparatetechnischen Aufwand nutzbar ist.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkma­ len des Patentanspruchs 1 und einen Brennstoff gemäß Pa­ tentanspruch 8 gelöst.

Die Besonderheit des vorliegenden Verfahrens besteht darin, daß eine kohlenstoffreiche Fraktion von den angelie­ ferten Abfällen und Reststoffen abgetrennt wird, wobei die Vorbehandlung eine biologische Stabilisierung umfaßt. Die eine vorbestimmte Partikel­ größe nicht überschreitende, aufbereitete kohlenstoffreiche Fraktion wird gemäß einer ersten Alternative der vorliegen­ den Erfindung einer Verbrennungs- oder Vergasungsanlage, vorzugsweise einer Wirbelschicht-Verbrennungs- oder Verga­ sungsanlage zugeführt, die in Energieverbund mit einem energieintensiven Prozeß betrieben wird, so daß die beim Wirbelschichtprozeß frei werdende Energie für den energie­ intensiven Prozeß nutzbar ist. Die thermische Aufbereitung in einer Wirbelschicht-Verbrennungs- oder Vergasungsanlage zeichnet sich dadurch aus, daß der Schadstoffgehalt des an­ fallenden Rauchgases in der Regel ohne aufwendige Filter- bzw. Rauchgaswäscheschritte unterhalb der gesetzlichen Grenzwerte gehalten werden kann. Gemäß einer Alternative des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vorgesehen, die koh­ lenstoffreiche Fraktion als Schüttgut oder als Formkörper direkt in einem energieintensiven Prozeß als Ersatzbrenn­ stoff zu verwenden.

Beide Varianten haben den Vorteil gemeinsam, daß für den energieintensiven Prozeß erforderliche Primärenergie­ träger zumindest teilweise ersetzt werden können.

Zur Unterbindung mikrobiologischer Reaktionen ist es besonders vorteilhaft, wenn der Vorbehandlungsschritt eine biologische Stabilisierung und Trocknung der Fraktion um­ faßt.

Die bei der Verbrennung entstehende Asche kann einer Weiterverwendung, beispielsweise als Bergversatz oder als Substitutionsmittel in der Zementindustrie zugeführt wer­ den.

Die mechanische Aufbereitung umfaßt vorzugsweise wech­ selnd aufeinanderfolgende Zerkleinerungs- und Siebschritte, wobei es sich als besonders vorteilhaft herausgestellt hat, wann nach den Zerkleinerungsschritten Nichteisen-, Eisen- und/oder Schwerstoffe abgetrennt werden.

Die bei der Verbrennung anfallenden Immissionen sind besonders gering, wenn die Verbrennung oder Vergasung nach einem Verfahren erfolgt, bei dem eine zirkulierende Wir­ belschicht verwendet wird.

Sonstige vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der weiteren Unteransprüche.

Im folgenden werden zwei bevorzugte Ausführungsbei­ spiele der Erfindung anhand der schematischen Zeichnung nä­ her erläutert.

Die einzige Figur zeigt ein Ablaufdiagramm zweier al­ ternativer Verfahren zur thermischen Behandlung von Abfäl­ len.

Die zwei Alternativen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden im folgenden anhand eines Blockdiagramms beschrie­ ben, das lediglich die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Verfahrensschritte enthält.

Der mit dem Verfahren behandelte Abfall, beispielsweise Hausmüll, Gewerbemüll, Sperrmüll, DSD-Leichtfraktion, Mischkunststoffe, Spuckstoffe und sonstige organische Ab­ fälle wird zunächst zu einer Annahmestation der Anlage ge­ schafft und dort zwischengelagert oder direkt zum nächsten Verarbeitungsschritt weitergeleitet. Die Zwischenlagerung kann in Bunkern oder ähnlichem erfolgen.

In einem ersten Verfahrensschritt wird der angelieferte Abfall zunächst zerkleinert, wobei geeignete Shredder oder sonstige Zerkleinerungsapparate, wie beispielsweise Mühlen, Schneidapparate und/oder Brecher eingesetzt werden können. In diesem ersten Zerkleinerungsschritt wird der Abfall vor­ zerkleinert, so daß sich ein vorbestimmter Maximalpartikel­ durchmesser d_max einstellt.

Bestimmte Abfälle werden bereits mit Partikeldurchmes­ sern angeliefert, die unterhalb des Grenzwertes d_max lie­ gen, so daß der vorbeschriebene erste Zerkleinerungsschritt bei bestimmten Anwendungen nicht erforderlich ist. Um der­ artige Verfahrensvarianten berücksichtigen zu können, wer­ den die Abfälle in der Regel bei der Annahmestelle nach ge­ wissen Kriterien sortiert abgelagert. Diese Kriterien kön­ nen sich beispielsweise durch den Partikeldurchmesser oder nach der Herkunft und den Inhaltsstoffen des Abfalles rich­ ten.

Der vorzerkleinerte, den Maximalpartikeldurchmesser d_max aufweisende Abfall wird dann einem Abscheider zuge­ führt, in dem in der Regel eisenhaltige Metalle und Schwer­ stoffe abgetrennt werden. Diese Schwerstoffe, beispiels­ weise Steine, Beton, Bauschutt etc., können beispielsweise in Bauschuttaufbereitungsanlagen weiterverwertet werden. Alternativ zur Verwertung in derartigen Anlagen können die Schwerstoffe auch in geeigneten ober- oder untertägigen De­ ponien abgelagert werden.

Die abgetrennten eisenhaltigen Metalle werden nach ei­ ner Aufbereitung industriell vermarktet.

Der von den Schwerstoffen und eisenhaltigen Metallen befreite Abfall wird dann einem Klassierapparat, beispiels­ weise einer Siebanlage zugeführt, in der der zerkleinerte Abfall klassiert wird. In diesen Klassierapparaten wird der Abfall in zwei Kornklassen, in ein grobes und ein feines Produkt unterteilt, so daß das Feinkorn den maximalen Durchmesser d_max enthält, während das Grobprodukt diejeni­ gen Partikel enthält, die einen größeren Durchmesser als d_max aufweisen.

Der Feinkornanteil des Abfalls wird in einem weiteren Schritt biologisch aufbereitet, wobei die Zielrichtung die­ ser biologischen Aufbereitung im wesentlichen darin be­ steht, die in der Feinkornfraktion enthaltene organische Substanz weitestgehend abzubauen oder zumindest zu stabili­ sieren und den Kohlenstoffanteil der Feinkornfraktiion zu erhöhen. Im Laufe der biologischen Behandlung werden die zum Abtransport der Stoffwechselprodukte erforderlichen Gase entfeuchtet, so daß diese Entfeuchtung auch eine Trocknung der biologisch behandelten Feinkornfraktion mit sich zieht. Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird es bevor­ zugt, wenn die biologische Stabilisierung durch einen aero­ ben Abbau der organischen Stoffe erfolgt. Unter aeroben Ab­ bau werden in erster Linie biologische Abbauvorgänge ver­ standen, die durch Bakterien bzw. sonstige Kleinlebewesen in Gegenwart von Sauerstoff erfolgen. Der Rotteverlust bei einem derartigen aeroben Abbau kann bis zu einem Drittel des Ausgangsvolumens betragen.

Der nach der Klassierung abgetrennt Siebüberlauf (Grobkornanteil) hat erfahrungsgemäß einen hohen Anteil an heizwertreichen Anteilstoffen.

Die biologisch stabilisierte, getrocknete und hinsicht­ lich des Kohlenstoffgehaltes angereicherte Fraktion wird dann gemeinsam mit der bei der Klassierung angefallenen Grobkornfraktion einem zweiten Zerkleinerungsschritt zuge­ führt. Dieser zweite Zerkleinerungsschritt, der beispiels­ weise durch ein zweistufiges Shreddern oder - wie bereits oben erwähnt - durch Brechen, Malen, Schneiden etc. erfol­ gen kann, soll der maximale Partikeldurchmesser auf einen Wert D_max verringert werden, der wesentlich kleiner als d_max ist.

Der derart zerkleinerte Abfall wird einem Abscheide­ schritt zugeführt, in dem wiederum Schwerstoffe und nichteisenhaltige Metalle abgeschieden werden. Erstere wer­ den, wie bereits beschrieben, einer weiteren Verwertung, beispielsweise in einer Bauschuttaufbereitungsanlage, zuge­ führt oder aber deponiert. Die nichteisenhaltigen Metalle werden nach einer Aufbereitung industriell vermarktet.

Nach der Abscheidung der Schwerstoffe und der nichtei­ senhaltigen Metalle schließt sich ein weiterer Klassie­ rungsschritt an, bei dem der zerkleinerte Abfall in eine Feinkornfraktion mit dem maximalen Partikeldurchmesser D_max und einen Siebüberlauf (Grobkornfraktion) von D_max aufge­ trennt wird. Der nach der Klassierung anfallende Siebüber­ lauf wird zurück zum zweiten Zerkleinerungsschritt geführt und nochmals zerkleinert. Die heizwertreiche Feinkornfrak­ tion mit einem Partikeldurchmesser < D_max ist von Metallen und Schwerstoffen befreit und äußerst heizwertreich, so daß diese Feinkornfraktion sehr gut als Ersatzbrennstoff geeignet ist. Dieser, nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltene Ersatzbrennstoff soll unter dem Markennamen "C- plus" vertrieben werden.

Für die Verwendung dieses Ersatzbrennstoffes bieten sich nun zwei Alternativen an.

Gemäß der strichpunktiert eingezeichneten Alternative wird der Ersatzbrennstoff, der aus einer Schüttung mit ei­ nem Partikeldurchmesser < D_max besteht, entweder in unver­ änderter Form oder aber in kompaktierter Form (Formkörper) in Zementwerken oder anderen energieintensiven Produktions­ prozessen eingesetzt, um Primärbrennstoffe zu ersetzen.

Bei einer alternativen Variante wird die heizwertreiche Feinkornfraktion einem Wirbelschichtprozeß, beispielsweise einer Wirbelschichtverbrennung zugeführt und die dabei ent­ stehende Energie bei in Energieverbund stehenden energiein­ tensiven Prozessen verwendet. Dieser Energieverbund kann beispielsweise mit einem Kohlekraftwerk, Heizkraftwerken, Zementwerken oder sonstigen Prozessen bestehen, die einen erheblichen Energiebedarf haben. Durch den Wärmeaustausch zwischen dem Wirbelschichtprozeß und dem energieintensiven Prozeß können in erheblichem Maße Energie und entsprechende Primärenergieträger eingespart werden.

Die Wirbelschichtverbrennung ist ein Verbrennungspro­ zeß, bei dem eine auf einem Rost befindliche Schicht aus granuliertem, inertem Material (beispielsweise Sand) mit durchtretender Verbrennungsluft aufgewirbelt wird. Die heizwertreiche Feinkornfraktion wird von oben in die zirku­ lierende Wirbelschicht eingebracht, wobei aufgrund des in­ tensiven Wärmeaustauschs innerhalb der Wirbelschicht eine vollständige, nahezu rückstandslose Verbrennung erfolgt. Bei der Wirbelschichtvergasung werden die festen Brenn­ stoffe durch Zufuhr der erforderlichen Umwandlungsenergie in den gasförmigen Zustand gebracht. Die Vergasung erfolgt häufig in Generatoren bei erhöhtem Druck und Temperatur mit Hilfe von Luft, Sauerstoff und Wasserdampf.

Anstelle der vorbeschriebenen Wirbelschichtprozesse können auch andere, geeignete Verbrennungs- oder Verga­ sungsverfahren verwendet werden. Wichtig ist, daß eine vollständige Umwandlung stattfindet und somit die Immis­ sionen unterhalb des im Bundesemissionsschutzgesetz fest­ gelegten Grenzwertes liegen.

Die bei der Wirbelschichtverbrennung, -vergasung oder einer sonstigen Verbrennung/Vergasung entstehende Asche kann als Substitutionsmittel in der Baustoffindustrie, beispielsweise bei der Zement- oder Ziegelherstellung ver­ wendet werden. Alternativ dazu kann die Asche auch im Rah­ men von Bergversatzmaßnahmen in Untertagedeponien abgela­ gert werden.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird demzufolge eine heizwertreiche Feinkornfraktion ausgebildet, die als Substitutionsmittel für Primärenergieträger (fossile Brenn­ stoffe etc.) direkt in energieintensiven Prozessen verwen­ det werden kann. Bevorzugt wird es jedoch, die heizwertrei­ che Feinkornfraktion in einer Wirbelschichtanlage oder einer sonstigen geeigneten Verbrennungsanlage nahezu rück­ standsfrei zu verbrennen oder vergasen und die frei wer­ dende Energie durch Wärmeübertragung in einem energieinten­ siven Prozeß, beispielsweise einem Heizkraftwerk, Zement­ werken oder ähnlichem zu nutzen. Die bei der Verbrennung entstehende Asche kann einer weiteren Verwertung, bei­ spielsweise in der Baustoffindustrie, zugeführt werden oder als Bergwerkversatzmittel eingesetzt werden.

Offenbart ist ein Verfahren zu Behandlung von Abfällen, bei dem durch mechanische, thermische und biologische Be­ handlung eine heizwertreiche Fraktion mit einem vorbestimm­ ten Maximalpartikeldurchmesser erhalten wird, die entweder als Ersatzbrennstoff in energieintensiven Prozessen ver­ wendet werden kann, oder aber in einer Verbrennungsanlage verbrannt wird, wobei die frei werdende Energie durch Ener­ giekopplung in einem energieintensiven Prozeß nutzbar ist.

Claims (8)

1. Verfahren zur thermischen Behandlung von Abfall, wobei dieser einem Trennschritt zugeführt wird, bei dem als Sekundärrohstoff verwendbare Abfallbestandteile abgetrennt und in aufbereiteter Form einer thermischen Behandlung zugeführt werden, wobei die Aufbereitung eine biologische Stabilisierung durch aeroben Abbau organischer Bestandteile enthält und eine kohlenstoffreiche, biologische stabilisierte Fraktion des Abfallstoffes mit einer einen Grenzwert (D_max) nicht überschreitenden Partikelgröße kompaktiert und entweder

• a) einer Verbrennung in einer Verbrennungs- oder Verga­ sungsanlage, insbesondere einer Wirbelschichtverbren­ nungs- oder Wirbelschichtvergasungsanlage zugeführt wird, die in Energieverbund mit einer energieintensiven Anlage, wie beispielsweise einem Heizkraftwerk betrie­ ben wird, oder
• b) als Ersatzbrennstoff in der energieintensiven Anlage eingesetzt wird.

2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Aufbereitung eine Trocknung der Fraktion umfaßt.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die bei der Wirbel­ schichtverbrennung oder -vergasung entstehende Asche, beispielsweise als Bergversatz oder Substitutionsmit­ tel in der Baustoffindustrie weiterverwendet wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Aufbe­ reitung wechselnd aufeinanderfolgende Zerkleinerungs- und Siebschritte enthält.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich einem Zerkleinerungsschritt eine Abscheidung von nichteisenhaltigen, eisenhaltigen oder schwerstoffhal­ tigen Anteilen anschließt.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Abfallstoffe in einem ersten Zerkleinerungs- und Siebvorgang in eine Fein­ kornfraktion uns eine Grobkornfraktion aufgeteilt wer­ den, und die Kleinkornfraktion der biologischen Stabi­ lisierung zugeführt wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennung oder Vergasung mittels einer zirkulierenden Wirbelschicht erfolgt.

8. Brennstoff, hergestellt nach einem Verfahren gemäß ei­ nem der vorhergehenden Patentansprüche.