DE19859053C2

DE19859053C2 - Verfahren zur Verbrennung von Säureharzteer in einer stationären Wirbelschichtfeuerung

Info

Publication number: DE19859053C2
Application number: DE19859053A
Authority: DE
Inventors: Dieter Steinbrecht; Hans-Joachim Blankenburg; Helrath Geier; Peter Pietsch
Original assignee: BLANKENBURG HANS JOACHIM
Current assignee: BLANKENBURG HANS JOACHIM
Priority date: 1998-12-21
Filing date: 1998-12-21
Publication date: 2001-01-25
Anticipated expiration: 2018-12-22
Also published as: DE19859053A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbrennung von Säureharzteer in einer stationären Wirbelschichtfeuerung (SWSF), der bei der Regeneration von Motoren-Altöl anfällt und im Teeranteil einen Schwefelsäureanteil von ca. 60% enthält. DOLLAR A Es ist von großem praktischem und wirtschaftlichem Interesse, Säureharzteer umweltschonend und nutzbringend zu entsorgen. DOLLAR A Versuche, Säureharzteer an Stelle der bisherigen Deponierung in einer konventionellen Feuerung zu verbrennen, scheiterten auf Grund des aggressiven Korrosionsverhaltens der Schwefelsäure. DOLLAR A Es wurde gefunden, daß eine Verbrennung in einer stationären Wirbelschichtfeuerung (SWSF) erfolgen kann, wenn der Säureharzteer vor der Verbrennung mit Branntkalk (CaO) neutralisiert wird, indem 30% Gewichtsanteile CaO zugemischt werden und dieses Gemisch bei einer WSF- und Beruhigungsraum-Temperatur von 850 bis 890 Grad C, bei einer fluidisierten Betthöhe von 0,9 bis 1,8 m und einer Leerrohrgeschwindigkeit der Primärluft von 0,9 bis 2,5 m/s sowie unter weiterer dosierter Zugabe von CaO flammenlos verbrannt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbrennung von Säureharzteer in einer stationären Wirbelschichtfeuerung (SWSF), der bei der Regeneration von Motoren-Altölen anfällt. Es ist von großem praktischem und wirtschaftlichem Interesse, Säureharzteer umweltschonend und nutzbringend zu entsorgen.

Der bei der Regeneration von Motoren-Altölen entstehende Säureharzteer enthält neben den Teerbestandteilen ca. 60% Schwefelsäure. Dieser hohe Anteil an Schwefelsäure standen bisher einer energetischen Nutzung des Säureharzteers in einer konventionellen Feuerung auf Grund der zu erwartenden aggressiven Korrosion hemmend entgegen. Es sind keine Lösungsvorschläge bekannt, die auf den erfolgreichen Einsatz der stationären Wirbelschichtfeuerung verweisen.

Das zeigt beispielsweise die DE 38 18 006 C2 als gattungsgemäße Wirbelschichtfeuerung mit einer zirkulierenden Wirbelschicht. Die vorgeschlagene Wirbelschichtfeuerung bezieht sich ausschließlich auf die Verfeuerung von zerkleinertem Haushaltsmüll und haushaltsmüllähnlichen Abfällen sowie Klärschlamm. Eine stationäre Wirbelschichtfeuerungsanlage garantiert bei deutlich einfacherem Geräteaufbau gegenüber einer zirkulierenten Wirbelschichtfeuerungsanlage und den vorgeschlagenen Anlagen- und verfahrenstechnischen Lösungen das Erreichen der Zielstellung, Säureharzteer innerhalb des fluidisierten Bettes kontrolliert vollständig zu verbrennen und den Säureanteil an Branntkalk zu binden, so daß die vorgegebenen Grenzwerte der 17. Verordnung zum Bundesimmisionsschutzgesetz (17. BImSchV) nicht überschritten werden und bis auf eine Staubabscheidung auf nachgeschaltete Rauchgasreinigungsanlagen verzichtet werden kann.

Für das mit DE 39 31 900 A1 vorgeschlagene Verfahren zur Verbrennung von Kunststoffabfällen in einer zirkulierenden Wirbelschicht gilt das oben gesagte.

Auf Grund dieser Tatsache wird Säureharzteer bis zum heutigen Tag in offenen Deponien eingelagert. Um eine solche umweltbelastende Deponierung zu umgehen, gibt es Bemühungen, Säureharzteer durch Zugabe von bis zu 60% Massenanteilen Branntkalk (CaO) zu neutralisieren und anschließend mit einer definierten Kiesmenge vermischt in einer geschlossenen Deponie einzulagern. Diese Methode ist sehr arbeits- und kostenintensiv und eignet sich daher nur für relativ begrenzte Mengen.

Anderseits können bei dieser Methode Spätfolgen in der Umweltbelastungen durch Freisetzung von Schwefelsäure in Folge einer unvollständige Neutralisation nicht ausgeschlossen werden. Ebenso ist diese Methode abzulehnen, da eine wirtschaftliche nützliche Ausnutzung dieses Abfallproduktes nicht erreicht wird.

Die Erfindung verfolgt daher das Ziel, den bei der Regeneration von Motoren-Altöl anfallenden Säureharzteer ohne Dauerdeponierung wirtschaftlich nutzbringend zu verwerten. Insbesondere soll erreicht werden, daß die vorhandenen Deponie-Altlasten unter Einhaltung der gesetzlichen Emissions grenzwerte abgebaut werden und der Industrie ein kostengünstiges Verfahren zur Entsorgung von Säureharzteer zur Verfügung gestellt wird.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein thermisches Verfahrens zur umweltschonenden, rationellen vollständigen Entsorgung von Säureharzteer mit einem Teerbestandteil mit ca. 60% Schwefelsäure bei möglicher energetischer Verwertung (Wärmenutzung) in einer stationären Wirbelschichtfeuerung (nachfolgend SWSF) zu schaffen. Insbesondere soll der Säureharzteer in einer SWSF stabil und selbstgängig ohne die Zufuhr weiterer (fremder) Brennstoffenergie verbrannt werden. Hierbei soll die Freisetzung von Schwefelsäure (H₂SO₄) vermieden werden.

Es wurde gefunden, daß man Säureharzteer mit einem Teerbestandteil mit ca. 60% Schwefelsäure umweltschonend, rationell und vollständig in einer SWSF entsorgen und thermisch zur Wärme erzeugung nutzen kann, in dem man nachfolgende Verfahrensbedingungen erfüllt. Nämlich,

- daß der Säureharzteer vor dem Eintrag in die SWSF mit 20-40%, vorzugsweise 30% Massenanteilen CaO (Branntkalk) durch Mischen neutralisiert wird,
- daß der neutralisierte Säureharzteer auf eine Granulatgröße gleich/kleiner 20 mm homogenisiert wird,
- daß der neutralisierte Säureharzteer, vorzugsweise mittels eines regelbaren Schneckenförderes oder pneumatisch in der unteren Hälfte der fludisierten und auf 850 Grad Cel. vorgeheizten Bettmasse in den Reaktorraum des SWSF eingetragen wird,
- daß die thermische Reaktion des Säureharzteeres bei einer Verbrennungstemperatur von 850 bis 890 Grad Cel., vorzugsweise 850 bis 880 Grad Cel. flammenlos in der Wirbelschicht erfolgt,
- daß zur Verhinderung einer SO₂ - Emission durch thermische Zersetzung des in der Neutralisation gebildeten CaSO₄ × H₂O im oberen Drittel der fluidisierten Bettmasse in Abhängigkeit der SO₂- Konzentration im Rauchgas eine separat dosierte Zumischung von CaO in den Verbrennungs prozeß erfolgt,
- daß zur Sicherstellung einer flammenlosen Verbrennung die Partikelgröße der inerten Bettmasse, vorzugsweise Quarzsand, zwischen 0,5 bis 1,5 mm beträgt,
- daß zur Sicherstellung der notwendigen Verweilzeit die Betthöhe der fluidisierten inerten Bettmasse 0,9 bis 1,8 m, vorzugsweise 1,6 m beträgt,
- daß die Leerrohrgeschwindigkeit der Verbrennungsluft 0,9 bis 2,5 m/s, vorzugsweise 1,3 m/s beträgt,
- die Temperatur im Beruhigungsraum hinter dem Reaktor liegt zur Unterdrückung der Neubildung von Schwefelsäure während der thermischen Reaktion und vollständigen Verbrennung nicht höher als die Betttemperatur im Reaktor.

Das Verfahren läuft unter der Voraussetzung, daß der Reaktorraum nahezu wärmedicht, d. h. gegen Wärmeverluste isoliert ist und unter Zunahme an Bettmasse aus dem zur Neutralisierung benutzten CaO läuft. Im Dauerbetrieb wird die so anfallende "Asche" (d. h. mit CaSO₄ × H₂O angereichertes Bettmaterial) aus dem Reaktor abgezogen. Das Abziehen dieser Bettmasse erfolgt unter Wahrung des Betriebsspiegels der fluidisierten Bettmasse in Höhe dieses Betriebsspiegels. Die Austragmasse (CaSO₄ × H₂O-Partikel/Sand) wird einem Wärmeübertrager zum Vorwärmen der Primärluft (Frischluft) zugeleitet und nachfolgend mechanisch getrennt. Der zurückgewonnene Sand wird entsprechend dem Bedarf wieder der Bettmasse im Reaktor zugeführt.

Das hier beschriebene Verfahren zur Verbrennung von Säureharzteer mit einem Schwefelsäureanteil im Teer von ca. 60% in einer stationären Wirbelschichtfeuerung kann die bestehenden Nachteile bei andereren Feuerungssystemen vermeiden und ist für die energetische Nutzung des Säureharzteeres geeignet. Bei sachgemäßer Anwendung des Verfahrens ist sichergestellt, daß der Wert der maßgeblichen Vorschriften (17. BImSchV) unterschritten wird. Damit ist eine im wesentlichen rückstandsfreie qualifizierte Entsorgung des Säureharzteeres möglich.

Die verfahrensgemäßen Merkmale umfassen die Ansprüche 1 bis 6.

Nachfolgend soll an einem Versuchsbeispiel und einer im Prinzip dargestellten SWSF das Verfahren und der Verfahrensablauf nochmals verdeutlicht werden.

Die Darstellung zeigt eine zur Verbrennung von Säureharzteeres mit einem Schwefelsäureanteil im Teer von ca. 60% ausgerüstete SWSF. Die Anlage 1 umfaßt den Reaktor 2 mit dem darüber befindlichen Beruhigungsraum 3, die durch den Übergang 4 miteinander zu einer Funktionseinheit verblockt sind. An Beruhigungsraum 3 ist der Rauchabzug 15 angeschlossen, in dem ein Zyklonstaubfilter 16 und dahinter ein Feinstaubfilter 17 (Feinstaubgewebefilter) eingesetzt sind.

Unter dem Reaktor 2 befindet sich der Anfahrbrenner 21 mit Brennerkammer 21.1, das Frischluftgebläse 22 und ein Wärmeübertrager 20.

Zur Neutralisation der Schwefelsäure ist der Anlage 1 eine sparate Homogenisiereinrichtung 9 vorgeschaltet, die mit der Förderschnecke 7 und Zellenradschleuse 8 für die portionierte geregelte Eintragung des Säureharzteeres in den Reaktor 2 im Wirkverbund steht. An den Reaktor ist ferner eine Forderschnecke 12 mit Zellenradschleuse 11 für die dosierte Zumischung von Branntkalk aus dem Speicher 13 angeschlossen. Der Speicher 13 wird mit Druckluft beaufschlagt. Der Branntkalktransport erfolgt über die Förderleitung 13.1 mit den Absperrschieber 10 zur Zellenradschleuse 11. Die Zuleitung von Sekundärluft in den Beruhigungsraum 3 erfolgt über die Düsen 14.

Der Reaktor 2 wird durch Düsenboden 5 nach unten abgeschlossen. Unterhalb des Düsenboden 5 befindet sich die Luftverteilerkammer 5.1. Unmittelbar über dem Düsenboden 5 ist eine Brennstofflanze 6 angeordnet, über die zum Hochfahren flüssiger Brennstoff bis zur Betttemperatur von 850 Grad C in die WSF eingebracht wird.

In Höhe des Betriebsspiegels der WSF ist eine Austrageinrichtung 18 in den Reaktor 2 eigesetzt. Ihre Aufgabe ist es, die sich während des Verbrennungsprozeß bildende Überschußbettmasse (Asche aus CaSO₄ × H₂O-Partikeln und Sand) aus dem Reaktor 2 abzuziehen. Sie wird mit dem Absperrschieber 18.1 gesteuert und gibt die Transportleitung 18.2 zum Wärmeübertrager 20 frei.

Für die Entnahme des inerten Bettmaterials oder von eventuell gebildeten Schlackeklumpen aus dem Reaktor 2 befindet sich in Düsenbodenhöhe die Austragvorrichtung 19 mit Absperrschieber 19.1. und Leitung 19.2 zum Aschebehälter 23. Die aus dem Wärmeübertrager 20 ausgetragenen Asche wird über die Leitung 20.1 in den Aschbehälter 23 weitergeleitet.

Für eine thermischen Abgasnutzung kann zusätzlich im Abgaskanal 15 ein Abgaskessel zur Dampfgewinnung angeschlossen werden.

Vor der thermischen Entsorgung des Säureharzteer mit einem Teerbestandteil mit ca. 60% Schwefelsäure in einer WSF erfolgt eine Neutralisierung mit gemahlenen Branntkalk (CaO). Als effektiv wird hierbei ein Mengenanteil von 30% Branntkalk gesehen. Es gilt hier die Beziehung

H₂SO₄ + CaO → CaSO₄× H₂O

Der "Ballastanteil" CaO sollte wegen seines negativen Einflusses auf den Heizwert nicht vergrößert werden. Daher wird erst im Verbrennungsprozeß durch eine weitere direkte dosierte Zumischung von CaO in die WSF eine eventuell weiter erforderlich werdende SO₂-Einbindung vorgenommen, um Anlagenschäden zu vermeiden.

Die vorgenannte Neutralisierung erfolgt ortsunabhängig in einer separaten Homogenisiereinrichtung 9. Das Gemisch wird dabei auf eine Granulatgröße bis zu 20 mm aufbereitet.

Der Eintrag dieses Gemisches erfolgt über eine Zellenradschleuße 8 mit Förderschnecke 7 unter atmosphärischen bis schwach erhöhtem Druck (Förderdruck) und kontinuierlich in den Reaktors 2. Um eine gleichmäßige Verteilung in der WSF zu erreichen, erfolgt der Eintrag des Gemisches im unteren Reaktordrittel in die auf mindestens 850 Grad C vorbeheizte und fluidisierte Bettmasse der WSF. Die Höhe der fluidisierten Bettmasse kann zwischen 0,9 bis 1,8 m liegen. Im Dauerbetrieb wurde eine effektive Betthöhe von 1,6 m ermittelt. Von der fluidisierten Bettmasse wird das neutralisierte Säureharzteergranulat mitgerissen und flammenlos verbrannt. Als Inertmaterial kommt Quarzsand mit einer Partikelgröße von 0,5 bis 1,5 mm zum Einsatz. Wie Versuche gezeigt haben, wird bei dieser Partikelgröße eine gute Durchmischung des Granulates mit dem Quarzsand erreicht, der sich satt um das mitgerissene Granulat legt.

Die Stabilität der fluidisierten Bettmasse und die Verweilzeit des neutralisierten Säureharzteer granulates in der WSF wird durch die Leerrohrgeschwindigkeit der über den Düsenboden 5 gleichmäßig eingetragenen und vom Gebläse 21 geförderten Primärluft gesteuert. Diese Geschwindigkeit variiert zwischen 0,9 bis 2,5 m/s. Für den Normalbetrieb wurde eine Leerrohr geschwindigkeit von 1,6 m/s als vorteilhaft ermittelt.

Die während der thermischen Reaktion freigesetzte Wärme führt innerhalb des Reaktors zur Temperaturerhöhung. Wie gefunden wurde, kommt es bis zu einer Temperatur von 890 Grad C nicht zur thermischen Zersetzung des in der Neutralisation gebildeten CaSO₄ × H₂O. Oberhalb dieser Temperatur ist mit dem Zersetzen der neutralisierten Schwefelsäure zu rechnen, was die Funktionssicherheit der gesamten Anlage 1 im erheblichen Maße gefährden würde. Deshalb ist streng darauf zu achten, daß während des Betriebes ein Temperaturfenster von 850 bis 890 Grad C in der Wirbelschicht, vorzugsweise aber nicht über 880 Grad C eingehalten wird. Dieses Temperaturfenster gilt auch für den Beruhigungsraum 3. Steigt die Temperatur im Beruhigungsraum 3 über die Temperatur in der Wirbelschicht, so ist das ein sicheres Anzeichen für eine unvollkommene Verbrennung im Reaktor. Anderseits wird aus sicherheitsrelevanten Gründen Sekundärluft über die Düse 14 eingebracht, um aufsteigende Gase zu verbrennen und ihren Austritt über die Rauchgase zu verhindern.

Da die Neutralisation des Säureharzteeres vor dem Eintrag auf 30% Gewichtsanteilen Branntkalk begrenzt wurde, ist zur Einhaltung der SO2-Grenzwerte verfahrensgemäß eine dosierte Ergänzungszugabe von Branntkalk vorgesehen. Der Branntkalk ist im Bunker 13 eingelagert und wird mit Druckluft über die Förderleitung 13.1 zur Zellenradschleuse 11 gedrückt und von dieser portioniert mit der regulierbaren Fördereinrichtung 12 unterhalb des WSF-Betriebsspiegels in den Reaktor 2 eingetragen. Die Zufuhr wird mittels des Absperrschiebers 10 reguliert.

Durch den zur Neutralisation beigemischten Branntkalk kommt es im Reaktor 2 zum "Bettmaterialzuwachs". Im Dauerbetrieb muß diese "Asche" (d. h. CaSO₄ × H₂O-Partikel + Sand) aus dem Reaktor 2 abgezogen werden. Das erfolgt über die Austrageinrichtung 18 in Höhe des vorgesehenen WSF-Betriebspiegels (1,6 m). Das ausgetragene Material wird zum Vorwärmen der Primärluft in einem Wärmeübertrager 20 genutzt. Der Transport erfolgt über die Transportleitung 18.2 mit Absperrschieber 18.1. Nach den Wärmeentzug im Wärmeübertrager 20 wird das ausgetragene Material über die Leitung 20.1 in den Auffangbehälter 23 verbracht. Eventuell entstehende Schlackeklumpen werden über den Düsenboden 5 aus den Reaktor über die Austrageinrichtung 19 abgezogen und über die Leitung 19.2 ebenfalls in den Auffangbehälter 23 entsorgt. Nach einer mechanischen Trennung kann der herausgelöste Quarzsand wieder dem Reaktor 2 zugeführt werden.

Das Hochfahren der Anlage 1 erfolgt mittels des Anfahrbrenners 21 in der Brennkammer 21.1, in die zugleich die Primärluft vom Gebläse 22 eingespeist wird. Zwischen der Brennkammer 21.1 und dem Reaktor 2 ist der Wärmeübertrager 20 angeordnet.

Nach dem Hochfahren der Anlage 1 wird der thermische Prozeß vorrangig durch den Eintrag des Säureharzteeres als Brennstoff gefahren. Bei eventuellem Abfallen des Heizwertes des Säureharz teeres kann mittels der Brennstofflanze 6, die über dem Düsenboden 5 in den Reaktor 2 reicht, zusätzlicher flüssiger Brennstoff eingebracht werden.

Wie gefahrene Versuche nach den vorbeschriebenen Bedingungen gezeigt haben, konnte der eingebrachte Säureharzteer von Alt-Deponien unter Einhaltung der maßgeblichen Grenzwerte vollständig verbrannt und damit kostengünstig und umweltentlastend entsorgt werden.

Bezugszeichen

1

WSF-Anlage

2

Reaktor

3

Freeboard

4

Übergang

5

Düsenboden

5.1

Luftverteilerkammer

6

Brennstofflanze

7

Förderschnecke

8

Zellenradschleuße

9

Homogenisiereinrichtung

10

Absperrschieber

11

Zellenradschleuße

12

Fördereinrichtung

13

CaO-Bunker

13.1

Förderleitung

14

Düse

15

Rauchgasabzug

16

Zyklonfilter

17

Feinstaubfilter

18

Austrageinrichtung

18.1

Absperrschieber

18.2

Transportleitung

19

Austrageinrichtung

19.1

Leitung

20

Wärmeübertrager

20.1

Leitung

21

Anfahrbrenner

21.1

Brennerkammer

22

Gebläse

23

Auffangbehälter

Claims

1. Verfahren zur Verbrennung von Säureharzteer in einem Reaktor einer stationären Wirbelschichtfeuerung (SWSF), insbesondere von Säureharzteer mit ca. 60% Schwefelsäureanteil das bei der Regeneration von Motoren-Altölen anfällt, dadurch gekennzeichnet, daß

- der Säureharzteer vor dem Eintrag in die SWSF mit 20-40% Massenanteilen CaO durch Mischen neutralisiert wird,
- der neutralisierte Säureharzteer auf eine Granulatgröße gleich/kleiner 20 mm homogenisiert wird,
- der neutralisierte Säureharzteer, vorzugsweise mittels eines regelbaren Förderschnecken (7) oder pneumatisch in der unteren Hälfte der fludisierten und auf 850 Grad Cel. vorgeheizten inerten Bettmasse in den Reaktor (2) der SWSF eingetragen wird,
- die thermische Reaktion des Säureharzteeres bei einer Verbrennungstemperatur von 850 Grad Cel. bis 890 Grad Cel. flammenlos in der Wirbelschicht erfolgt,
- zur Verhinderung einer thermische Zersetzung des in der Neutralisation gebildeten CaSO4 × H₂O im oberen Drittel der fluidisierten Bettmasse in Abhängigkeit von der SO2 - Konzentration im Rauchgas eine separat dosierte Zumischung von CaO in den Verbrennungsprozeß erfolgt,
- zur Sicherstellung einer flammenlosen Verbrennung die Partikelgröße der inerten Bettmaterials, vorzugsweise Quarzsand, 0,5 bis 1,5 mm beträgt,
- zur Sicherstellung der erforderlichen Verweilzeit die Betthöhe der fluidisierten inerten Bettmasse 0,9 bis 1,8 m beträgt,
- die Leerrohrgeschwindigkeit der Primärluft 0,9 bis 2,5 m/s beträgt,
- die Temperatur des Beruhigungsraum (3) zur Unterdrückung der Neubildung von Schwefelsäure während der thermischen Reaktion unter der Temperatur der inerten Bettmasse des Reaktors (2) liegt.
- die thermische Prozeßführung unter der Voraussetzung eines wärmedichten, d. h. in einem isolierten Reaktors (2) erfolgt,
- die Bettmasse während des thermischen Prozesses mengenmäßig konstant gehalten wird, in dem der Zuwachs an überschüssiger Bettmasse durch Asche, bestehend aus CaSO4 × H2O-Partikeln und Sand, aus dem Reaktor (2) abgezogen wird,
- die abgezogene Bettmasse einem Wärmeübertrager (20) zum Vorwärmen der Primärluft zugeleitet wird.

2. Verfahren zur Verbrennung von Säureharzteer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Teilneutralisation der Schwefelsäure im Säureharzteer mit Branntkalk (CaO) vorzugsweise ein Masseanteil von 30% Branntkalk (CaO) bezogen auf die Gesamtmasse von Säureharzteer vorgesehen ist.

3. Verfahren zur Verbrennung von Säureharzteer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungstemperatur vorzugsweise 850 bis 880 Grad Cel. beträgt.

4. Verfahren zur Verbrennung von Säureharzteer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe der fluidisierten Bettmasse im Dauerbetrieb vorzugsweise 1,6 m beträgt.

5. Verfahren zur Verbrennung von Säureharzteer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leerrohrgeschwindigkeit der Primärluft 1,6 m/s beträgt.

6. Verfahren zur Verbrennung von Säureharzteer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die ausgetragene Bettmasse nach dem Wärmeentzug mechanisch vom Sand getrennt und der Sand mit einer Partikelgröße gleich/größer 0,5 mm in die Bettmasse des Reaktors (2) zurückgeführt wird.