DE19918927A1 - Verfahren zur thermischen Entsorgung von Kunststoffen - Google Patents

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur emissionsarmen thermischen Entsorgung von Kunststoffen, insbesondere von Misch-Fraktionen mit PVC-Anteilen in einer Stationären Wirbelschichtfeuerung unter Einhaltung der 17. BlmSchV. DOLLAR A Zur thermischen Entsorgung von Kunststoffen werden bisher Mehrkammeröfen mit Rostfeuerung, Drehrohröfen oder das Pyrolyseverfahren in einer WS-Anlage oder einer schnell zirkulierenden WSF mit nachgeschalteter Reaktionszone in Form eines Zyklon eingesetzt. Diese Verfahren sind sehr aufwendig und kostenintensiv. Sie erfordern entweder eine fraktionelle Trennung der Einsatzstoffe, insbesondere die gezielte Aussonderung von PVC-Stoffen oder eine intensive chemische Reinigung der anfallenden Rauchgase zur Bindung der toxischen Bestandteile. DOLLAR A Nach dem neuen Verfahren erfolgt die thermische Entsorgung von Kunststoffen, insbesondere mit PVC-Fraktionen, ohne eine vorherige Stofftrennung in einer wärmedichten Stationären Wirbelschichtfeuerung (WSF) bei einer Betriebstemperatur von 850-880 Grad C in einer fluidierenden Bettmasse von 1,0 bis 2,5 m Höhe und einer Leerrohrgeschwindigkeit von 1,0 bis 2,5 m/s unter gleichzeitiger Zugabe von CaO entsprechend den HCl-Anteilen der eingebrachten Kunststoffmenge.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur emissionsarmen thermischen Entsorgung von Kunststoffen, insbesondere von PVC-(Polyvinylchlorid)-haltigen Kunststoffen in einer Stationären Wirbelschichtfeuerung.

Zur Entsorgung von Kunststoffen lassen sich folgende Verfahren nennen: Verbrennung, Pyrolyse und Vergasung. Bei der Verbrennung sind Rostfeuerung, Wirbelschichtfeuerung und Drehrohrofen bekannt. Neben der Verbrennung im Drehrohr hat sich die Wirbelschichtfeuerung (nachfolgend WSF genannt) als eine leistungsfähige und zuverlässige Verbrennungstechnologie behauptet /1, S. 443/. Anderseits ist bei der Verbrennung von PVC auf Grund des hohen Gehaltes an Halogenen die Bildung von Dioxinen (PCDD/PCDF) nicht auszuschließen. Zur Vermeidung der Bildung von Dioxin werden zusätzliche Nachbrennkammern und Temperaturen über 1000 Grad C und eine aufwendige Abgasreinigung als notwendig angesehen /3, S. 296/. Deswegen wird gegenwärtig PVC bei der Erfassung von Kunststoffabfällen aussortiert und dadurch eine Wiederverwertung oder thermischen Entsorgung dieses Materials vermieden.

Reines PVC ist nicht brennbar. Bei der thermischen Entsorgung ist deshalb ein Hilfsbrennstoff, z. B. nicht PVC-haltiger Kunststoff, erforderlich.

Für die Verbrennung in der WSF müssen die Abfälle auf eine bestimmte Korngröße von max. 30 mm, möglichst verdichtet, gebracht werden. Der Verbrennung ist daher eine Zerkleinerung vorgeschaltet. Anderseits ist eine Stationäre Wirbelschichtfeuerung (SWSF 1 bubbling bed), abhängig von der Anlagengröße, gegenüber der Korngröße relativ unempfindlich.

Die Leerrohr-Gasgeschwindigkeit in der SWSF reicht etwa bis 2,5 m/s und die SWSF arbeitet mit einer Verbrennungstemperatur von mindestens 850 Grad C (in der 17. BImSchV gefordert).

Kunststoffabfälle als Brennstoff haben in der Regel einen hohen Heizwert und ermöglichen daher eine Verbrennung bei relativ hohem Luftüberschuß.

Die zu entsorgenden Kunststoffabfällen können einen unterschiedlich großen Anteil, bis zu 50% PVC-Anteil enthalten.

Bei ihrer Verbrennung werden dioxinverdächtige Stoffe in der Regel zerstört. Die Gefahr der Dioxinbildung besteht in

• - noch vorhandenen Kohlenstoffstrukturen nach der Verbrennungsstufe,
• - Chloranteil im Abgas,
• - lange Verweilzeit im Temperaturfenster 300-400°C während der Abwärmenutzung.

Zur Neutralisierung der HCl-Komponenten werden Neutralisationsmittel (Additivs), vorzugsweise Calziumoxyd (CaO/Brandkalk), unmittelbar in die WSF separat dosiert eingegeben. Im Dauerbetrieb wird die so anfallende "Asche" (d. h. mit CaCl₂ angereichertes Bettmaterial) aus dem Reaktor abgezogen. Das Abziehen dieser Bettmasse wird einem Wärmeübertrager zur Nutzung der Wärmeenergie zugeführt und nachfolgend mechanisch in die Bestandteile Sand und anderes getrennt. Der zurückgewonnene Sand wird bei Bedarf wieder dem Reaktor zugeführt.

Bekannt geworden ist auch die Entsorgung von Shredder-Leichtmüll /2, S. 167/ der aus einem Stoffgemenge von Kunststoff, Eisen, NE und andere anorganische Komponenten besteht, in einer Stationären Wirbelschichtfeuerung mit angeschlossenem Heißgaszyklon. Dieser Heißgaszyklon hat die Funktion eines zusätzlichen Reaktionsraumes zur vollständigen Oxidation von Kohlenwasserstoff und Wasserstoff unter Vermeidung von Dioxinbildung und -emissionen mit dem Ziel der Erzeugung von inerten Aschen und Stäuben, die problemlos deponiert werden können. Dieses System ist technisch aufwendig und sich bis heute in der Praxis nicht durchgesetzt.

Durch das Fehlen einer effizienten und sicheren Methode zur Entsorgung von Kunststoffabfällen mit einem hohen PVC-Anteil erfolgt gegenwärtig eine Fragmentierung dieser Abfälle, mit der Maßgabe, die PVC-Abfälle und äquivate Kunststoffe auszusondern und als Sondermüll zu deponieren.

Besonders die PVC neigt bei der Verbrennung zur Dioxinbildung, wie dem gefährlichen PCDD und PCDF, die eine Einhaltung der 17. BImSchV nur durch aufwendige Nachbrennstufen und chemische Reinigungsstufen ermöglicht.

Ziel und Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren vorzuschlagen mit dem die thermische Entsorgung von unsortierten Kunstoffabfällen, einschließlich der PVC-Fraktionen emissionsarm und ohne die Gefahr einer Dioxinbildung möglich ist. D. h., der Verbrennungsprozeß wird so geführt, daß die eigentliche Verbrennung gemäß 17. BImSchV stattfinden kann und es zu keiner Dioxinbildung kommt und somit eine aufwendige Nachbehandlung der Rauchgase nicht erforderlich ist. Bei Abwärmenutzung ist das kritische Temperaturfenster zu beachten.

Dieses Verfahren soll anlagentechnisch einfach und effizient sein. D. h. die freiwerdende Wärmeenergie ist zu nutzen, als Prozeßwärme, zur Wärme- und Stromversorgung. Das Verfahren soll damit energieautark und kostensparend nach dem Wirkprinzip einer Stabilen Wirbelschichtfeuerung ohne nachgeschaltete aufwendige Reinigungs- und Entgiftungsanlagen geführt werden. Insbesondere soll hierbei die in den Kunststoffen enthaltene Schadstoffe soweit chemisch neutralisiert werden, daß die Bedingungen nach der 17. BImSchV eingehalten werden.

Nach umfangreichen Versuchen wurde erkannt, daß eine erfolgreiche Entsorgung nicht verwertbarer Kunststoffe, einschließlich mit PVC-Fraktionsanteilen ohne vorheriger Trennung in einer SWSF, vorzugsweise am Standort des Wärmeabnehmers erfolgen kann, wenn die thermische Umwandlung der problematischen Stoffe mit einer gezielten Zudosierung von Reaktionspartnern zur Bindung von HCl-Komponenten erfolgt.

Es wurde gefunden, daß man Kunststoffe mit einem erheblichen Anteil an PVC-Fraktionen umweltschonend, rationell und vollständig in einer SWSF entsorgen und thermisch zur Wärmeerzeugung nutzen kann, in dem man bei ihrer Verbrennung nachfolgende Bedingungen erfüllt:

• - daß die Kunststoffe unsortiert auf eine Granulatgröße gleich/kleiner 30 mm geshreddert und homogenisiert werden,
• - daß parallel zum Eintrag des Kunststoffgranulatgemisches je nach Chloranteil (PVC) im Ausgangsmaterial Additivs, vorzugsweise CaO-Pulver, in die WS hinzudosiert wird,
• - daß das Kunststoffgranulat mittels eines regelbaren Schneckenförderes oder pneumatisch in das untere Drittel der fluidisierten und auf mindestens 850 Grad C vorgeheizten Bettmasse im Reaktorraum unter atmosphärischem bis schwach erhöhtem Druck kontinuierlich eingetragen und flammenlos in der Wirbelschicht (WS) verbrannt wird,
• - daß die Temperatur einer flammenlosen Verbrennung 850 Grad C bis 890 Grad C, vorzugsweise 860 Grad C bis 885 Grad C beträgt,
• - daß das Inertmaterial, vorzugsweise Quarzsand, eine Partikelgröße zwischen 0,9 bis 1,5 mm aufweist,
• - daß zur Sicherstellung der vollständigen emissionsarmen Verbrennung des Kunststoffgranulates einschließlich eines PVC-Anteiles in Erfüllung der 17. BImSchV die Verweilzeit im Reaktor und im Freeboard, als aktive Nachreaktionszone, mindestens 2 s beträgt,
• - daß die Betthöhe des fluidisierten Inertmaterials 1,0 bis 2,5 m, vorzugsweise 2,0 m beträgt,
• - daß zur Sicherstellung einer vollständigen thermischen Reaktion in der vorgegebenen Verweilzeit die Primärluft mit einer Leerrohrgeschwindigkeit von 1,0 bis 2,5 m/s, vorzugsweise 1,5 m/s in den Reaktor eingegeben wird,
• - daß die Rauchgasgeschwindigkeit im Freeboard so gering wird, daß die Sandpartikel bzw. schweren unverbrannten Partikel in den Reaktor zurückgeführt werden,
• - daß die Temperatur des Freeboards als Zeichen der vollständigen Verbrennung der Brennstoffe im Reaktorraum nicht höher ist als die Bettemperatur im Reaktorraum,
• - daß den neutralisierten Rauchgasen nach Verlassen des Freeboard in einem Abgaskessel Wärmeenergie entzogen wird, ohne daß der Taupunkt unterschritten wird,
• - daß die Rauchgase nach dem Wärmeentzug mechanisch gereinigt werden,
• - daß die Reinigung in einem Zyklonfilter und dann in einem Staubfeinfilter (Gewebefilter) erfolgt.

Das Verfahren läuft unter der Voraussetzung, das der Reaktorraum wärmedicht ist und daß das zur Neutralisierung benutzten CaO zur Zunahme an Bettmasse führt.

Im Dauerbetrieb wird die so anfallende "Asche" (d. h. mit CaCl2 angereichertes Bettmaterial) aus dem Reaktor abgezogen. Das Abziehen dieses Bettmasseüberschusses aus der fludisierten Bettmasse erfolgt in Höhe des obersten Betriebsspiegels, vorzugsweise von 2,0 m. Die Austragmasse (CaCl2- Partikel / Sand) wird einem Wärmeübertrager zum Vorwärmen der Frischluft (Primärluft) zugeleitet und vor der Ascheablage mechanisch von dem mitgeführten unverbrauchten Sand getrennt. Der zurückgewonnene Sand wird dann entsprechend dem Bedarf wieder der Bettmasse im Reaktor zugeführt.

Mit der gefundenen Verfahrensweise zur thermischen Entsorgung (Verbrennung) nicht mehr verwertbarer Kunststoff mit PVC-Fraktionen in einer SWSF können die behandelten Stoffe unproblematisch unter Ausschöpfung ihres hohen Energieinhaltes als Ersatzbrennstoff genutzt werden.

Die aufwendige Abfallaufbereitung durch Trennung der Kunststoffe (PVC/nicht PVC) entfällt. Der anlagentechnische Aufwand ist relativ klein, so daß dieses System am Standort des jeweiligen Wärmeabnehmers umweltschonend einsetzbar ist.

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 Kunststoff ausgeführte SWSF-Anlage 1. Sie umfaßt den Reaktor 2 mit dem darüber befindlichen Freeboard 3, die durch den konisch erweiterten Übergang 4 miteinander zu einer Funktionseinheit verblockt sind. Am Freeboard 3 ist der Rauchabzug 15 angeschlossen, in dem hinter dem Abgaskessel 24 ein Zyklonstaubfilter 16 und dahinter ein Staubfeinfilter 17 (Gewebestaubfilter) eingesetzt sind. Unter dem Reaktor 2 befindet sich der Anfahrbrenner 21 mit Brennerkammer 21.1, das Frischluftgebläse 22 und ein Wärmeübertrager 20.

Zur Aufnahme und Aufbereitung der Kunststoffe ist der Anlage 1 eine separater Shredder 9 mit einem Aufnahmebunker 9.1 zugeordnet. An dem Aufnahmebunker 9.1 ist die Förderschnecke 7 (z. B. zweiwelliger Schneckenextruder) mit eingangsseitiger Zellenradschleuse 8 angeschlossen, die in der Seitenwand des Reaktors 2 im Reaktor im Bereich der fluidisierten WS mündet und über die der Eintragung des Kunstoffgranulatgemisches in den Reaktor 2 erfolgt. Parallel zu dieser Eintrageinrichtung ist eine zweite Förderschnecke 12 mit Zellenradschleuse 11 für die dosierte Zumischung von Branntkalk aus dem Vorratsbunker 13 angeschlossen. Der Vorratsbunker 13 ist druckdicht und wird mit Druckluft beaufschlagt. Über die Förderleitung 13.1 und im Zusammenwirken mit den Absperrschieber 10 vor der Zellenradschleuse 11 erfolgt der Transport des Branntkalkes. Die Zuleitung von Sekundärluft in den Freeboard 3 erfolgt über die Düsen 14. Zur Einspeisung von CaO-Pulver für eine Nachreaktion im Freeboard 3 ist diese Düse 14 als Injektordüse ausgebildet und mit dem Vorratsbunker 13 über die Förderleitung 13.2 wirkverbunden.

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 in die WSF eingebracht wird.

In Höhe des Betriebsspiegels der SWSF ist eine Austrageinrichtung 18 in der Wand des Reaktors 2 eingesetzt. Ihre Aufgabe ist es, die sich während des Verbrennungsprozeß bildende Überschußbettmasse aus dem Reaktor 2 abzuziehen. Sie wird mit dem Ventilschieber 18.1 gesteuert welche die Transportleitung 18.2 zum Wärmeübertrager 20 freigibt.

Für die Entnahme des Inertmaterials oder von sich eventuell gebildeten Schlackeklumpen aus dem Innenraum des Reaktors 2 befindet sich in Düsenbodenhöhe die Austragvorrichtung 19 (Förderschnecke) mit Absperrschieber 19.1. und Transportleitung 19.2 zum Aschebehälter 23. Die aus dem Wärmeübertrager 20 ausgetragenen Asche wird über die Leitung 20.1 in den Aschebehälter 23 abgeführt.

Für eine thermischen Abgasnutzung befindet sich im Rauchgaskanal 15 zur Dampfgewinnung ein Abgaskessel 24. Die hier aus dem Verbrennungsprozeß abgezogene Wärmeenergie kann teilweise zur Unterstützung der Abfallaufbereitung genutzt werden.

Der Eintrag des auf eine Granulatgröße von ca. 30 mm geshredderten Kunsstoff-Granulatgemisches erfolgt kontinuierlich und feindosiert über eine Zellenradschleuße 8 mit Förderschnecke 7 unter atmosphärischen bis schwach erhöhtem Druck (Förderdruck) in den im Reaktors 2 fluidisierten auf 850 Grad C aufgeheizten Inertstoff. Um eine gleichmäßige Verteilung (Verwirbelung) in der SWSF und eine ausreichende Verweilzeit des Brenngutes im Reaktorraum zu erreichen, erfolgt der Eintrag des Gemisches im unteren Reaktordrittel.

Die Stabilität der fluidisierten Bettmasse und die Verweilzeit des neutralisierten Kunststoffgranulates in der WS wird durch die Leerrohrgeschwindigkeit der über den Düsenboden 5 gleichmäßig eingetragenen und vom Gebläse 21 geförderten Primärluft gesteuert. Deshalb ist streng darauf zu achten, daß während des Betriebes ein Temperaturfenster von 860 bis 885 Grad C in der Wirbelschicht, vorzugsweise bei 880 Grad C eingehalten wird. Dieses Temperaturfenster gilt auch für den Freeboard 3. Steigt die Temperatur im Freeboard 3 über die Temperatur in der Wirbelschicht, so ist das ein sicheres Anzeichen für eine unvollkommene Verbrennung im Reaktor 2, da Gase und aufgewirbelte unverbrannte Teilchen nachverbrennen. Aus sicherheitrelevanten Gründen wird Sekundärluft über die Düse 14 eingebracht.

Der für die Neutralisation erforderliche Branntkalk ist als Pulver 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 im unteren Drittel der fluidisierten Schicht in den Reaktor 2 eingetragen. Die Zufuhr wird mittels des Absperrschiebers 10 freigegeben.

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

Wie gefahrene Versuche nach dem vorbeschriebenen Bedingungen gezeigt haben, konnte eingebrachte Kunststoffabfälle mit erheblichen oder ausschließlichen PVC-Fraktionen unter Einhaltung der maßgeblichen Grenzwerte der 17. BImSchV 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

Brennstofflanz

7

Förderschnecke

8

Zellenradschleuse

9

Shredder

9.1

Bunker

10

Absperrschieber

11

Zellenradschleuse

12

Fördereinrichtung

13

Vorratsbunker (CaO-)

13.1

Förderleitung

13.2

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

Frischlufigebläse

23

Aschebehälter

23.1

Abzughaube

23.2

Abzugkanal

24

Abgaskessel

Literaturaufstellung

/1/ Menges/Michaeli/Bittner
Recycling von Kunststoffen
Carl Hanser Verlag, München 1992
/2/ Karl Joachim
Thome-Kozmiensky
Reaktoren zur thermischen Abfallbehandlung
EF-Verlag für Energie- und Umwelttechnik, Berlin 1993
/3/ Recycling-Handbuch
Hrsg.: Werner Nickel
VDI-Verlag, Düsseldorf 1996

Claims (6)

1. Verfahren zur Verbrennung von Kunststoffabfällen mit oder ohne PVC-Fraktionen oder ausschließlich von PVC-Abfällen in einer Stationären Wirbelschichtfeuerung (SWSF) auch mit kleiner Leistung (bis 5.000 kW(therm.)) bei einer Prozeßtemperatur von mindestens 850 Grad C und einer Verweilzeit von 2 s gemäß der 17. BImSchV, dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Kunststoffabfälle vor dem Verbrennen auf eine Granulatgröße gleich/kleiner 30 mm geshreddert werden,
• - die Zugabe von CaO-Pulver in den Reaktor (2) 10-40% Massenanteile der zu entsorgenden anteilig eingetragenen PVC-Abfälle beträgt,
• - die Kunststoffabfälle mit einer mechanischen, fein regelbaren Fördereinrichtung (7) oder pneumatisch in der unteren Hälfte der fludisierten und auf 850 Grad C vorgeheizten Bettmasse (Inertmasse) in den Reaktor (2) des SWSF eingebracht werden,
• - die Partikelgröße des Inertmaterials (vorzugsweise Quarzsand) 0,9 bis 1,5 mm beträgt,
• - zur Sicherstellung der erforderlichen Verweilzeit die Betthöhe des fluidisierten Inertmaterials 1,0 bis 2,5 m beträgt,
• - die Leerrohrgeschwindigkeit im Reaktor 1,0 bis 2,5 m/sec beträgt,
• - die Temperatur des Freeboard (3) als Indiz einer vollständigen Verbrennung nicht höher als die Betttemperatur im Reaktor (2) liegt,
• - die thermische Prozeßführung unter der Voraussetzung eines wärmedichten Reaktors (2) erfolgt,
• - die Bettmasse während des thermischen Prozesses konstant gehalten wird, in dem der Zuwachs an Bettmasse aus dem Reaktor (2) abgezogen wird,
• - die abgezogene Bettmasse einen Wärmeübertrager (20) zum Vorwärmen der Frischluft (Primärluft) zugeleitet wird.

2. Verfahren zur Verbrennung von Kunststoffabfällen einschließlich Polyvinylchlorid (PVC) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Neutralisation der freigesetzten Schwefelsäure mit Brennkalk (CaO) vorzugsweise 30% Masseanteil (CaO) der zu entsorgenden anteilig eingetragenen PVC-Masse beträgt.

3. Verfahren zur Verbrennung von Kunststoffabfälle einschließlich Polyvinylchlorid (PVC) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungstemperatur vorzugsweise 860 bis 885 Grad C beträgt.

4. Verfahren zur Verbrennung von Kunststoffabfälle einschließlich Polyvinylchlorid (PVC) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe der fluidisierten Bettmasse im Dauerbetrieb vorzugsweise 2,0 m beträgt.

5. Verfahren zur Verbrennung von Kunststoffabfälle einschließlich Polyvinylchlorid (PVC) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leerrohrgeschwindigkeit der Wirbelschicht vorzugsweise 1,5 m/s beträgt.

6. Verfahren zur Verbrennung von Kunststoffabfälle einschließlich Polyvinylchlorid (PVC) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die ausgetragene Bettmasse nach dem Wärmeentzug mechanisch vom Inertmaterial (Sand) getrennt und der Sand mit einer Partikelgröße gleich/größer 0,5 mm in den Reaktor (2) zurückgeführt wird.