DE19916271C2 - Verfahren zur Herstellung thermofester Pellets für die Vergasung - Google Patents

Verfahren zur Herstellung thermofester Pellets für die Vergasung

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Abfallaufbereitung für die Fest­ bett- und Schlackebadvergasung von Müll und Abfallstoffen mit organischen und anorganischen Bestandteilen. Die Bezeichnung Müll und Abfallstoffe be­ zieht sich vorwiegend auf Hausmüll, hausmüllähnlichen Gewerbeabfall, Shred­ derleichtgut, Altholz, Kunststoffe u. a. m.
Es ist bekannt, daß solche Stoffe überwiegend der Deponierung und Verbren­ nung zugeführt werden. Erklärterweise sind diese Entsorgungsverfahren ent­ weder durch hohe Aufwendungen und/oder mit einer äußerst geringen Akzep­ tanz in der Öffentlichkeit charakterisiert, so daß ihre Einführung und Anwen­ dung deutlich eingeschränkt ist.
Um dies zu vermeiden, hat man nach Lösungen gesucht, vorhandene Verga­ sungsanlagen oder andere thermische Umwandlungsanlagen für eine weitge­ hend ökologische und stoffliche Verwertung dieser Stoffe nutzbar zu machen.
Aus DE 42 41 283 A1 ist bekannt, daß solche Stoffe einer Flugstromvergasung unterzogen werden können. Als Nachteil der Vergasung im Flugstrom erweist es sich, daß das Einsatzgut für den Vergasungsprozeß in einer fließfähigen Form vorliegen muß, um eine kontinuierliche und gut regelbare Einspeisung in den Vergasungsreaktor zu erreichen. Als fließfähige Materialien sind gasför­ mige und flüssige Stoffe, pumpfähige Suspensionen von feinzerkleinerten Feststoffen in Flüssigkeiten, aber auch in einem Trägergas suspendierte staubförmige, feste Stoffe zu verstehen. Im Anwendungsfall Müll liegen die ein­ zusetzenden Stoffe jedoch in einer solchen Konsistenz und Stückgröße vor, daß die Überführung in eine fließfähige Form durch mechanische Aufbereitung, insbesondere durch Aufmahlung, technisch nicht möglich oder nicht wirtschaft­ lich zu erreichen ist.
Es ist in DE 42 26 015 C1 vorgeschlagen worden und wird praktiziert, feste und flüssige Abfallstoffe im Prozeß der Festbettdruckvergasung einzusetzen. Die­ ses Verfahren weist den Nachteil auf, daß Abfallstoffe, die feinkörnig sind bzw. zum Zerfall neigen, nicht in hohen Mengenanteilen einsetzbar sind.
Aus der Literatur (Recycling von Kunststoffen, Carl Hanser Verlag München, Wien, 1992) ist bekannt, Abfallstoffe im Hochtemperaturvergasungsverfahren einzusetzen. Dieses Verfahren ist jedoch lediglich in einer Pilotanlage erprobt und konnte sich großtechnisch nicht durchsetzen. Die Verbrennung von Flüs­ sigkeiten oder Gasen in der 1. Stufe und Vergasung von Feststoffen in der 2. Stufe ist ein schwierig steuerbarer Prozeß.
Weiterhin ist vorgeschlagen und untersucht worden, Abfallstoffe unterschied­ lichster Art einer Pyrolyse, also einer thermischen Umwandlung bei Temperatu­ ren von 400-800°C zu unterwerfen. Bei diesen Temperaturen werden ca. 30 bis 50% der eingesetzten Roh- und Abfallstoffe verflüchtigt. Dabei entsteht ein Pyrolysekoks, der schlecht verwertbar ist. Es entstehen zusätzlich Gase und kondensierbare Öl- und Teerdämpfe, die wie der Pyrolysekoks schadstoffbela­ stet, schwierig zu handhaben und kaum verwertbar sind. Der technologische Aufwand für die Pyrolyse ist sehr hoch.
Nach DE 42 38 934 A1 ist ein Vorschlag bekanntgeworden, Roh- und Abfallstoffe einer thermischen Vorbehandlung im Temperaturbereich zwischen 120 und 350°C zu unterziehen und diese nach einer Zerkleinerung in der Flugstrom­ vergasung umzusetzen.
Dieses Verfahren weist den Nachteil auf, daß Abfallstoffe mit thermoplasti­ schen Bestandteilen, und diese umfassen ein breites Spektrum, bei der vorge­ schlagenen thermischen Vorbehandlung in einen erweichten bis viskosen Zu­ stand überführt werden, der den gesamten Vorbehandlungsprozeß stört und bei einer Abkühlung zu kompakten Schmelzverbänden mit anderen Abfallbe­ standteilen und Inertmaterial führt. Eine nachfolgende Abtrennung von ver­ wertbaren Metallanteilen und Inertmaterial ist hier nur mit hohem Aufwand möglich und nicht wirtschaftlich.
Aus weiteren Veröffentlichungen ist bekanntgeworden, Roh- und Abfallstoffe einer thermischen Vorbehandlung im Temperaturbereich zwischen 400 und 600°C zu unterziehen und diese nach einer Zerkleinerung gemeinsam mit den kondensierten Kohlenwasserstoff-Staubgemischen und dem Pyrolysegas in der Flugstromvergasung umzusetzen. Diese Variante hat die Nachteile, daß die Rückstände aus der thermischen Vorbehandlung, die im Feststoffanteil bis zu 70% Ascheanteile und im Flüssigproduktanteil bis zu 50% Wasser enthalten, in der Flugstromvergasung Sicherheitsprobleme, geringe Energieausbeuten und Probleme bei der Schlackeeinschmelzung und dem Schlackeabzug aus dem Vergaser verursachen.
DE 43 24 921 A1 enthält den Vorschlag, getrockneten oder feuchten Müll einem Schmelzbadreaktor zuzuführen und hier zu vergasen. Die Anwendbarkeit die­ ses Verfahrens muß angezweifelt werden, da bereits die geregelte Zuführung des inhomogenen Einsatzstoffes Müll in den Reaktor scheitern wird sowie die vollständige Umsetzung von getrocknetem oder alternativ feuchtem Müll in ei­ nem Schmelzbad nicht realisiert werden kann.
Der grundsätzliche Nachteil aller bisher beschriebenen und praktizierten Lö­ sungen besteht darin, daß bei der Festbett- und Schlackebadvergasung von Abfallstoffen der mögliche Anteil an Feinkorn begrenzt ist und infolge der In­ homogenität und thermischen Instabilität von Abfallstoffen mit höheren Fein­ kornanteilen in der Festbettschüttung und den damit bekannten Nachteilen zu rechnen ist.
Eine neuere Lösung nach DE 196 21 922 A1 sieht vor, Müll auf bekannten Ver­ pressungseinrichtungen auf eine Korngröße von 10 bis 100 mm und auf eine Rohdichte von < 1 t/m3 zu verpressen, wodurch der Müll dann eine entspre­ chende Thermostandfestigkeit aufweisen soll. Dieses Verfahren setzt jedoch die Bereitstellung ganz spezieller Müll- und Abfallstoffzusammensetzungen und -qualitäten voraus, die aber in der Praxis nur mit hohen Aufwendungen erreicht werden können.
Der Einsatz von nichtthermofesten Agglomeraten aus Abfällen im Festbett- bzw. Schlackebadgenerator führt zu Betriebsstörungen oder zur Einschränkung einer wirtschaftlichen Fahrweise.
Aufgabe der Erfindung ist es, aus den genannten Stoffen Hausmüll, haus­ müllähnlichem Gewerbemüll, Shredderleichtgut, Altholz, Kunststoffen und ähn­ lichen Stoffen Agglomerate herzustellen, die transport- und thermostabil sind und somit in der Festbett- und Schlackebadvergasung problemlos eingesetzt werden können.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit den erfinderischen Merkmalen des Patentanspruchs 1. Erfindungsgemäß werden dazu die genannten Stoffe einzeln oder im Gemisch verwertet. Die Zusammensetzung des Mischgutes kann in Abhängigkeit von den Anlieferungen stärker schwanken.
Die eingefahrenen Abfälle wurden auf eine Teilchengröße von vorzugsweise < 60 mm zerkleinert, worauf eine Metallaushaltung erfolgt. Die zerkleinerten Ab­ fälle können zudem in eine Fein- und Grobfraktion klassiert werden. Das Ge­ samtgut und/oder die Gutfraktionen wurden mittels Trommeltrockner oder an­ derer geeigneter Einrichtungen auf einen optimalen Agglomerationsfeuchtege­ halt getrocknet. Das Verfahren kann ebenso mit einer erst auf die Trocknung folgenden Klassierung betrieben werden.
Je nach der Stoffzusammensetzung der Abfälle wurden dem Trockengut bzw. den Trockengutfraktionen ein oder mehrere Zusatzstoffe als Vergasungs­ hilfsmittel zugesetzt. Der Mischprozeß erfolgt so, daß die Vermischung weitge­ hend homogen ist. Dazu wird der Mischprozeß sehr intensiv durchgeführt. Durch diese Mischung wird das Mischgut durch Haftverbunde stabilisiert und das Agglomerationsvermögen der Abfälle mobilisiert. Gleichzeitig entsteht ein Stoffsystem mit der Eigenschaft, die Thermostabilität der daraus erzeugten Agglomerate zu verbessern.
Die Abfälle werden einzeln oder im Gemisch mit dem jeweiligen stoffspezifi­ schen optimalen Feuchtegehalt und unter Zusatz der Vergasungshilfsmittel pelletiert.
Die Vergasungshilfsmittel verleihen den Pellets durch ihr eigenes Stoffverhal­ ten unter den Vergasungsbedingungen und vor altem auch durch eigene thermo-chemische Reaktionen mit den Abfallstoffen die notwendige Thermofestigkeit durch die Ausbildung von thermoplastischen Bindemittel- oder Festkörperbrücken in den Phasen des Vergasungsprozesses, in denen ein vorzeitiger Zerfall eintreten kann.
Die eigentliche Agglomerierung der vorbereiteten Mischungen aus den ge­ trockneten Abfällen und den Hilfsmitteln erfolgt vorzugsweise auf bekannten Einrichtungen, wie Lochscheiben- oder Lochwalzenpressen (Matrizenpressen). Die dabei entstehenden stangenförmigen Pellets verleihen dem Preßgut durch ihr rundes Format die Schrumpf- und Pyrolyseeigenschaften, die für den Erhalt des Preßlings beim Einsatz in einem Festbett- oder Schlackebadvergaser wichtig sind.
Die Pellets werden mit Durchmessern von 5 bis 50 mm, vorzugsweise 10 bis 20 mm, und variabler Stücklänge hergestellt. Die Verpressungstemperatur stellt sich stoffabhängig an der Presse ein, kann aber auch stoffabhängig eingestellt werden. Die Kerntemperatur der Agglomerate muß < 80°C betragen. Im Falle eines hohen Anteiles an Kunststoffen im Gemisch der Abfälle sollte die Tempe­ ratur 180°C nicht übersteigen.
Die gepreßten Pellets werden mit Luft gekühlt und anschließend zur Verga­ sungsanlage transportiert.
Für die Herstellung eines thermofesten stückigen Vergasungsstoffes ist es notwendig, daß die Abfälle bzw. die Abfallgemische mit dem Vergasungs­ hilfsmittel homogen vermischt werden, das den Agglomeraten durch seine ei­ gene Thermostabilität und/oder durch thermo-chemische Reaktionen mit Be­ standteilen der Abfälle die notwendige Formbeständigkeit bei hohen Tempera­ turen verleiht. Die Thermobeständigkeit der Agglomerate wird durch die Aus­ bildung von formschlüssigen Versteifungen durch verhärtende Koksfasern, durch thermo-viskose Zwickelverbunde, durch Ausbildung von Festkörperbrüc­ ken und Abpufferung von thermoplastischen Teilschmelzen erreicht.
Als Vergasungsmittel sind Melasse und leicht zerfasertes Holz geeignet. Holz kann beispielsweise in einem Doppelschneckenzerfaserer durch hohe Scher­ kräfte zerfasert und aufgeschlossen werden. Das Hilfsmittel Melasse sollte ei­ nen Feststoffanteil von ≧ 50% aufweisen, und das Hilfsmittel Holz sollte zu einem Faserstoff mit einem Feuchtegehalt von 30% bis 60% aufgeschlossen werden.
Das Hilfsmittel feucht zerfasertes Holz wird mit einem Anteil von 3 bis 50 Ma.- %, vorzugsweise 5 bis 25 Ma.-%, und das Hilfsmittel Melasse mit einem Anteil von 1 bis 30 Ma.-%, vorzugsweise 3 bis 15 Ma.-%, zugegeben, bezogen auf die Gesamtmasse des Mischgutes.
Die Hilfsmittel Melasse und feucht zerfasertes Holz bewirken, daß
  • - die Qualität der Agglomerate durch ihre Wirkung als Gleit- und Bindemittel verbessert wird und die Agglomerate eine hohe Dichte und eine hohe me­ chanische Festigkeit erhalten,
  • - der formschlüssig versteifte Partikelverbund durch die eigene Einordnung stabilisiert wird,
  • - eine masseschwundkonforme Volumenschrumpfung während der Verga­ sung begünstigt wird und
  • - die Thermostabilität der Agglomerate durch Ausbildung von Koksstützge­ rüsten, durch thermo-viskose Verbindungen und Festkörperbrücken we­ sentlich erhöht wird.
Im folgenden soll die Erfindung mittels zweier Ausführungsbeispiele näher er­ läutert werden:
Beispiel 1
Abfälle, bestehend aus 95 Ma.-% Hausmüll und 5 Ma.-% Kunststoff aus dem DSD, werden auf Teilchen ≦ 60 mm zerkleinert und anschließend in eine Grobfraktion < 20 mm und in eine Feinfraktion < 20 mm klassiert. Die Fraktionen werden einzeln in Trommeltrocknern auf einen Feuchtegehalt ≦ 2% getrocknet.
Der Grobfraktion der Abfälle wird in einem Mischer feucht zerfasertes Holz mit einem Mengenanteil von 20%, bezogen auf die Gesamtmasse, zudosiert. Der in einem Doppelschneckenzerfaserer hergestellte Holzfaserstoff hat einen Feuchtegehalt von 40%. Das Mischgut wird auf Pelletpressen (Lochring- oder Lochscheibenwalzen­ pressen) zu festen Presslingen (Pellets) mit einem Durchmesser von 16 mm ge­ presst. Die Pellets haben beim Austritt aus der Presse eine Kerntemperatur von ≧ 100°C. Die Pellets werden gekühlt. Nach der Abkühlung weisen die Pellets nach dem Sturzrohrtest eine Sturzfestigkeit von ST-R 10 (100 = < 90%) auf. Zur Prüfung der Thermofestigkeit werden die Pellets einer Pyrolyse mit der Aufheizgeschwindig­ keit von 5 K/min bis 800°C und 1 h Ausgardauer bei 800°C unterzogen. Der Pyrolyserückstand hat eine Abriebbildung nach dem Sturzrohrtest von ST-D 1 (25) ≦ 25%. Die Pellets sind thermofest.
Beispiel 2
Die nach Beispiel 1 hergestellte Abfallfeinfraktion < 20 mm weist einen Aschegehalt von 28%, bezogen auf die wasserfreie Substanz, auf. Die Feinfraktion wird auf den Feuchtegehalt ≦ 10% getrocknet. Dem Förderstrom der getrockneten Feinfraktion wird der Hilfsstoff feuchtes, zerfasertes Holz mit einem Zusatzanteil von 20 Ma.-%, bezogen auf die Gesamtmasse, zugesetzt.
Parallel zur Abfallaufbereitung wird der Hilfsstoff Holz, vorzugsweise Altholz, geshreddert und in einer Zerfaserungsmaschine unter Zusatz von Wasser in einen Faserstoff überführt, der einen Feuchtegehalt von 40% aufweist.
Beide Produkte werden in einem kontinuierlich arbeitenden Intensivmischer gefördert. Während des Mischvorganges wird der Hilfsstoff Melasse mit einem Zusatzanteil von 10 Ma.-%, bezogen auf die Gesamtmasse, zudosiert und mit den Abfällen und dem Hilfsstoff zerfasertes Holz intensiv vermischt.
Das Mischgut wird auf Pelletpressen mit einem Durchmesser von 14 mm verpresst. Die Presslinge treten aus der Presse mit einer Kerntemperatur von ≧ 80°C aus und werden anschließend gekühlt. Die Presslinge haben eine Sturzfestigkeit nach dem Sturzrohrtest von ST-R 10 (100) < 90%. Zur Bestimmung der Thermofestigkeit wer­ den die Pellets einer Pyrolyse mit definierter Aufheizgeschwindigkeit von 5 K/min bis 800°C und 1 h Ausgardauer bei 800°C unterzogen. Der Pyrolyserückstand hat nach dem Sturzrohrtest eine Abriebbildung von ST-D 1 (25) ≦ 25%. Die Pellets sind ther­ mofest.

Claims (8)

1. Verfahren zur Herstellung thermofester Pellets für die Vergasung, insbesondere für die Festbett- oder Schlackebadvergasung, aus zerkleinerten, getrockneten und von Metall befreiten Müll- und Abfallstoffen mit organischen und anorgani­ schen Bestandteilen, wie Hausmüll, hausmüllähnlicher Gewerbeabfall, Shredder­ leichtgut, Altholz, Kunststoffe und andere Abfallarten, dadurch gekennzeichnet, dass
als Agglomerations- und Vergasungshilfsmittel wahlweise ein unter hydrother­ malen Bedingungen zerfasertes, teilweise bis in die Zellstrukturen aufge­ schlossenes Holz oder eine Kombination von solchem zerfaserten und aufge­ schlossenen Holz und Melasse verwendet wird,
die Müll- und Abfallstoffe mit dem Agglomerations- und Vergasungshilfsmittel zu einem homogenen Gemisch durch Intensivmischung verarbeitet werden,
das Mischgut anschließend auf herkömmlichen Einrichtungen, vorzugsweise auf Lochscheiben- oder Lochringwalzenpressen, zu hochverdichteten und mechanisch hochfesten sowie thermostabilen Pellets verpresst wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass den Müll- und Abfall­ stoffen ein Holzfaserstoff in Mengenanteilen von 5 bis 25 Ma.-% zugesetzt wird, der durch hydrothermale Zerfaserung von feuchtem Holz vorzugsweise mit Hilfe eines Doppelschneckenzerfaserers erzeugt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass den Müll- und Abfall­ stoffen eine Kombination von zerfasertem und aufgeschlossenem Holz und Me­ lasse zugesetzt wird, wobei der Mengenanteil des Holzfaserstoffes 5 bis 25 Ma.- % und der Mengenanteil der Melasse 3 bis 15 Ma.-% beträgt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Melasse nach Erwärmung und/oder Verdünnung im flüssigen Zustand eingesetzt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zudosierung des festen Vergasungshilfsstoffes zu den Abfällen vor oder während des Prozesses der Mischung, der Zusatz des flüssigen Hilfsstoffes während der Mischung erfolgt.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Heißagglomera­ tion bei Temperaturen von 80°C bis 180°C stattfindet, bei der die Hilfsstoffe die Funktion von Bindestoffen übernehmen, die die Abfallpartikel im Agglomeratver­ band binden und später unter Pyrolysebedingungen selbst stabilisierende Koks­ brücken bilden.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pellets mit Durch­ messern von 5 bis 50 mm, vorzugsweise von 10 bis 20 mm, hergestellt werden und eine variable Stücklänge aufweisen.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfsstoff Holz zu einem Faserstoff mit einem Feuchtegehalt von 30% bis 60% aufgeschlossen wird und für den Hilfsstoff Melasse ein Feststoffanteil von 50% eingestellt wird.
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