DE2220515A1

DE2220515A1 - Pyrolytisches Verfahren zur Beseitigung von festen organischen Abfallprodukten

Info

Publication number: DE2220515A1
Application number: DE19722220515
Authority: DE
Inventors: William Jan van Richland Wash. Slyke (V.StA.)
Original assignee: Batteile Development Corp., Columbus, Ohio (V.StA.)
Priority date: 1971-04-26
Filing date: 1972-04-26
Publication date: 1972-11-09
Also published as: NL7205607A; FR2134494A1; GB1342457A

Description

Pyrolytisches Verfahren zur Beseitigung von festen organischen Abfallprodukten

Die Erfindung betrifft Verfahren sur Beseitigung von festen Abfallprodukten; sie betrifft insbesondere pyrolytisch^ Verfahren zur Beseitigung von festen organischen Abfällen.

Obwohl sich die vorliegende Erfindung auf die Beseitigung von industriellen, landwirtschaftlichen und kommerziellen organischen festen Abfalluiaterdalien bezieht_s wird sie nachfolgend hauptsächlich am Beispiel der Beseitigung von städtischem Müll erläutert v/egen der großen öffentlichen Bedeutung derselben.

Der feste städtische Abfall ist im allgemeinen sehr heterogen und besteht aus Abfallmaterialicn, wie z.B, Zeitungen, Pappkarton, Metall, G-las, GrasschnitzeIn, Reisigschraitzeln,. Müll und j irgendwelchen sonstigen Materialien, die gewöhnlich

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SAD ORfGINAl

als wertlos oder nutzlos angesehen werden. Eine typische städtische Müllprobe enthält etwa 60 Gew.-% Papier, 8 Gew.-% Küchenabfälle, 10 % Metall, 12 % Asche und Glas und 10 % sonstige Materialien. Derzeit wird der größte Teil des städtischen Mils dadurch beseitigt, daß man entweder den · Müll zum Geländeaufschütten verwendet oder ihn verbrennt. Da ' Land so rar und teixer wird, ist die Möglichkeit zur ständigen Beseitigimg des städtischen Mülls durch Auffüllen von Land stark begrenzt. Aus diesem Grunde werden notwendigerweise zunehmend städtische Verbrennungsanlagen verwendet. Viele der derzeit verwendeten Verbrennungsanlagen sind außerordentlich unwirksam (unwirtschaftlich) und tragen wesentlich zur Luftverschmutzung bei. Um die Luftverschmutzung herabzusetzen, werden in den Abgasleitungen der Verbrennungsanlage verschiedene Typen von Vorrichtungen verwendet, um die Menge an teilchenförmigen Material herabzusetzen, das die Atmosphäre erreicht. Eine solche Vorrichtung umfaßt häufig elektrostatische Präzipitatoren und verschiedene Arten von Naßwäschern. Es wurde ,jedoch gefunden, daß die Naßwascheinrichtung häufig zur Wasserverschmutzung beiträgt. Außerdem können die toxischen Gase und Gerüche derzeit nicht aus dem Verbrennungsabgas entfernt werden. Es sind auch bereits einige andere Beseitigunnsverfahren untersucht worden, die sich derzeit noch im experimentellen Stadium befinden, wie z.B. das Zusammenpressen, die Faßoxydation, der anaerobe Abbau, die biologische Fraktionierung und die Pyrolyse.

Die Pyrolyse ist definiert als chemische Änderung, die durch die Reaktion von wärme bewirkt wird. Dabei handelt es sich um das Verfahren der destruktiven Destillation, das in einer geschlossenen Retorte in einer von »Sauerstoff vollständig oder nahezu vollständig freien Atmosphäre durchgeführt vd.rd. Die Arwendung von Pyrolys5;nethoaen v;ar bisher nahezu vollständig beschränkt auf die Behandlung von homo-

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genem Ausgangsmaterial. Dieses Verfahren wird "bereits seit einigen Hundert Jahren zur Herstellung von Holzkohle angewendet und es wurde kommerziell auf Holz angewendet für die Gewinnung von organischen Nebenprodukten, wie z.B, Methanol, Essigsäure und Terpentin neben der zurückbleibenden Holzkohle . Verbesserte Technologien haben solche Verfahren unwirtschaftlich für die Herstellung von organischen Fraktionen gemacht. Ein solches Verfahren wurde auch bereits vorgeschlagen für die destruktive Destillation von zerkleinertem Schiefer zur Herstellung von leichten und schweren Kohlenwasser st of fr akt ionen. Ein Verfahren zur Herstellung von Kohleiiwasserstoffraktionen aus zerkleinertem Schiefer besteht darin, daß man den zerkleinerten Schiefer durch eine Vielzahl von Zonen einer Retorte führt, die eine Vorwärmzone, eine Anfangsdestillationszone, eine Enddestillationszone, eine Verbrennungszone,eine erste Kühlzone und eine Endkühlzone umfaßt, In die Verbrennungszone'wird Luft eingeblasen, um das verbrennbare Material bei einer Temperatur von etwa 816 C(I^OO F) unter Bildung von Verbrennungsgasen zu verbrennen. Die Gase aus der Verbrennungszone werden durch das Schieferbett der Enddestillationszone geleitet, um den Schiefer vielter zu destillieren und die Destillations- und Umwandlungsprodukte in geeignete Abtrenn- und Fraktioniereinrichtungen wegzutragen.

Die Anwendung des destruktiven Destillationsverfahrens auf die Beseitigung von festen organischen Abfallstoffen wurde durch experimentelle Untersuchungen vorgeschla gen, die von Donald A. Hoffmann, und liichard A. Fitz in der Stadt San Diego, USA, California Utilities Department, durchgeführt wurden. Ihre Experimente sind in der Ausgabe vom November 1968 von' "Environmental Science and Technology" beschrieben. Das vorgeschlagene experimentelle Verfahren umfaßt die Einführung

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der festen städtischen Abfallstoffe in eine von Sauerstoff vollständig freie geschlossene Retorte und das Erhitzen der Retorte auf eine vorher festgelegte Pyrolysetemperatur, wobei da ε; Destillat der organischen Flüssigkeiten die Retorte in einen Kondensator verläßt zur· Entfernung von Teeren und schwereren Fraktionen. Der nach der Gasentwicklung und Destillation der organischen Flüssigkeiten verbleibende Rückstand ist ein unreiner Kohlenstoff. Bei der von einer typischen Abfalltestprobe abdestillierten organischen Flüssigkeit handelt es sich um eine hochkomplexe Mischung von vielen organischen Verbindungen, die aus 7° bis 80 % Wasser besteht, wobei der Rest aus verschiedenen Alkoholen, Aceton, Ketonen, Methylacetat, Teeren, Essigsäure und anderen organischen Stoffen besteht. Die bei der Pyrolyse des brennbaren Anteils des typischen Mülls entwickelten nicht-kondensierenden Gase sind V/asserstoff, Kohlendioxyd, Kohlenmonoxid, Methan, Äthan und Äthylen. Weitere experimentelle Arbeiten wurden von E. R. Kaiser und S.B_r Friedmann durchgeführt. Ihre Arbeit wurde auf dem 60. jährlichen Kongreß des American Institute of Chemical Engineers, 28. bis 30. November 1967, vorgelegt. Ihre Arbeit ist in der Mai-Ausgabe 1958 des Combustion Magazine beschrieben.

Obwohl die Pyrolyse von heterogenen, festen organischen Abfallstoffen experimentell in Erwägung gesogen wurde, war man bisher davon ausgegangen, daß ein solches Verfahren wegen seiner zu hohen ICo ο !-en nicht akzeptabel sei. Dies war die Schlußfolgerung von Andrew Forteons in seinem Artikel "Toward a Profitable Means of Municipal Refuse Disposal", veröffentlicht in "The American Society of Mechanical Engineers", 12. bis 19. November, 1967. Die Belegschaft der Cities Service CiI Company sagte in ihrem Artikel "Economic Evaluation of a Commercial Size Refuse Pyrolysis Plant", veröffentlicht auf der national Industrial Solid Wastes Management Conference an dor Universität von Houston, USA, 2.¹Y. bis P.^r>.

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März 1970, voraus, daß es wirtschaftlich durchführbar sein könnte, unter Anwendung üblicher Pyrolyseverfahren den städtischen Abfall zu behandeln.

Die zugrunde liegenden Probleme werden gelost durch Verringerung des Volumens des -organischen Abfalls durch ein pyrolytisches Verfahren, bei dem zunehmend Wärme auf den organischen Abfall angewendet wird, um ihn zuerst vorzuwärmen und zu trocknen, dann den getrockneten, vorgewärmten organischen Abfall zu pyrolysieren, um den organischen Abfall zu Kohlenstoffasche zu reduzieren und dann die Kohlenstoffkohle zu oxydieren, um sie auf einen Aschenrückstand·zurückzuführen. Das Verfahren ist dadurch charakterisiert, daß die Kohlenstoffkohle (carbon char) mit einem oxydierenden gasförmigen Medium von freiem Sauerstoff und Wasserdampf kontaktiert v/ird, um die Kohlenstoffkohle auf den Ascherückstand zurückzuführen und ein entwickeltes, heißes, nicht-oxydierendes gasförmiges Medium zu erzeugen, und daß das entwickelte heiße, nicht-oxydierende gasförmige Medium durch den vorerwärmten organischen Abfal-1 geleitet wird, um den organischen Abfall zu pyrolysieren zur Erzeugung einer Pyrolyseabgasmischung einer Temperatur zwischen 100 und 200⁰G, und daß der organische Abfall mit der Pyrolyseabgasmischung kontaktiert wird, um ihn auf eine Temperatur zwischen 100 und 200⁰C zu erhitzen. Das Verfahren ist ferner dadurch charakterisiert, daß die Menge an freiem Sauerstoff und Wasserdampf so gesteuert wird, dais das nichtoxydierende gasförmige Medium bei einer Temperatur zwischen 55O und 800⁰C gebildet wird. Das Verfahren ist ferner dadurch charakterisiert, daß der Sauerstoff und der Wasserdampf vor dem Kontaktieren mit der Kohlenatoffkohle auf eine Temperatur oberhalb 275 C vorerwärmt werden. Bevorzugte und alternative AusfiJhrungsformen der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei bedeuten:
Fig. 1 ein schernatinchas EließdiiigruHiai einer Vorrichtung* zur Durchführung eine.3 bevorzugten Verfahrens der fcrfin-

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Fig;. 2 ein schematisches Fließdiagramm einer Vorrichtung zur Durchführung eines anderen Verfahrens der Er-" findung und

Fig. 3 ein schematisches Fließdiagramm einer Vorrichtung zur Durchführung eines v/eiteren Verfahrens der Erfindung-.

Das Verfahren ist bestimmt für den kontinuierlichen Betrieb im Gegenstrom, wöbej die festen Materialien durch eine geschlossene Retorte nach unten in ein tiefes Bett fließen und das flüchtige und gasförmige Material nach oben durch das sich abwärts bewegende feste Material fließt. Das Verfahren wird in der Weise durchgeführt, daß man den organischen Abfall (Müll) in einem tief absinkenden Bett bewegt, um den organischen Abfall nacheinander in verschiedenen Atmosphären zu behandeln, um den organischen Abfall in stufen zu einer Asche und zu verschiedenen Abgasen mit einem geringen oder keinem Partikelgehalt in den Abgasen zu reduzieren. Beim Absinken durch die Retorte kommt der organische Abfall zuerst mit einem nicht-oxydierenden gasförmigen Medium mit einem ausreichenden vVärmegehalt in Kontakt, um das organische Material auf eine erhöhte Temperatur zwischen 100 und 200°C zu erhitzen, um so die Feuchtigkeit aus dem Abfall zu entfernen, wobei der Wärmegehalt jedoch nicht ausreicht, um den Abfall zu pyrolysieren. Nachdem die Feuchtigkeit entfernt und der Abfall (Müll) auf die erhöhte Temperabur (100 bis 200⁰C) erhitzt worden ist, wird der Abfall mit einem heißen, nicht-oxydierenden gasförmigen Fluid einer zum £Vro]ysieren und Reduzieren des organischen Abfalls zu einer Kohlenstoffkohle und einer Fyrolysefluid-Abgasinischung von Gasen und " verdampften organischen Flüssigkeiten ausreichenden Temperatur kontaktiert. Die Pyrolyseabgaamischung strömt in Verbindung mit dem pyrolysierenaen,nicht--oxyclierenden gasför-

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migen Medium "bei einer niedrigeren Temperaturstufe nach oben zur Bildung des trocknenden und erhitzenden nicht-oxydierende-n Mediums, um den eintretenden organischen Abfall zu erwärmen und zu trocknen. Die festen Partikel der Kohlenstoffkohle setzen das Absinken nach unten fort und kommen mit e.inem oxydierenden, gasförmigen Fluid in Kontakt, das freien Sauerstoff und genügend Wasserdampf enthält, um die Kohlenstoffkohle zu einem Ascherückstand zu reduzieren und ein entwickeltes, nicht-oxydierendes gasförmiges Fluid zu erzeugen, das im wesentlichen aus Wasserstoff, Kohlenmonoxyd und Kohlendioxyd mit einer zum Trocknen und Pyrolysieren des organischen Abfalls ausreichenden, zum Sintern der Asche jedoch nicht ausreichenden Temperatur besteht. Wenn zur Lie-, ferung des freien Sauerstoffs Luft verwendet wird, können Wasserdampf und inerte Gase, wie z.B. Stickstoff, mit dem entwickelten, nicht-oxydierenden gasförmigen Fluid gemischt v/erden. Das gasförmige Fluid aus der Oxydation ist aufwärts gerichtet zur Bildung des pyrolysierenden, nicht-oxydierenden gasförmigen Mediums mit einer zur Pyrolyse des erhitzten organischen Abfalls ausreichenden Temperatur.

In den beiliegenden Zeichnungen wird der organische Abfall (Müll) durch ein Förderband 22 oder eine ähnliche Zuführungseinrichtung in eine geschlossene Retorte 10 eingeführt». Die Retorte 10 ist etwas langgestreckt und in aufrechter Position angebracht und weist eine Kammer mit geneigten Seitenwänden 11 auf, die sich von dem Oberteil (Deckel) 12 zu einem Boden 13 verjüngen zur Herabsetzung des Querschnitts der Kammer im wesentlichen entsprechend der Volumenverringerung des festen Materials. In dem Oberteil 12 ist eine Öffnung oder ein Eintritt 15 zur Einführung des organischen Abfalls aus, dem Förderband 22 vorgesehen. In dem Boden 13 ist eine Öffnung oder ein Ausgang 16 zum Austragen des verbleibenden Feststoffs des Abfalls vorgesehen. In der Öffnung 15 ist ein Luftschleusen™ Zui'ührun^sventil 18 angebracht zur Einführung des Abfalls

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durch die Öffnung 15 in die Retorte 10, ohne Sauerstoff oder Stickstoff außer dem von dem Abfall mitgeführten hereinzulassen. In der öffnung 16 zum Austragen der Asche und der nichfc-verbrennbaren Feststoffe, die in der Eetorte nicht verbraucht werden, ist ein Luftschleusen-Austragsventil 20 angebracht.

Die Eetorte (Muffel) weist eine Auslaßleitung 24- benachbart zum Abfalleinlaß zum Austragen des erhaltenen Abgases und der verdampften organischen Flüssigkeiten aus der Retorte auf. Die Retorte weist Ernlaßleitungen 26 und 27 in der Nähe des Bodens der Retorte zur Zuführung von Gasen zu der Retorte auf. Zum gleichmäßigen Verteilen der Einlaßgase über den Querschnitt der Retorte ist eine Gasverteilungseinrichtung 25 vorgesehen. Die Verteilungseinrichtung kann Zuführungsrohre oder einen Verteilerrost aufweisen. Zum Zwecke der Erläuterungkann die Retorte auch als in eine Vielzahl von Behandlungszonen aufgeteilt angesehen werden, durch welche das feste Material sich allmählich nach unten bewegt und in denen die gasförmigen und Dampffluids sich nach oben bewegen. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß die Zonen nicht vertikal fixiert sind und daß dazwischen auch keine klare Grenzfläche besteht. In der beiliegenden Zeichnung bezeichnet die Ziffer 30 eine Trocknungs- und Heizzone im oberen Teil der Retorte. Unmittelbar unterhalb der Trocknungs- und Heizzone 30 ist eine Pyrolysezone 31 dargestellt. Unmittelbar unterha.Ib der Pyrolysezone 3^ befindet sich eine Verbrennung- oder Oxydationszone 32. Der untere Teil der Oxydationszone 32 wird durch die Anordnung der Gasverteilungseinrichtung begrenzt. Der Bodenteil der Retorte ist durch eine Aschekühlzone 33 belegt. Wenn die festen Materialien behandelt werden, bewegen sie sich langsam, progressiv und kontinuierlich durch die Zonen 30 bis 33 nach unten entsprechend der Geschwindigkeit der darin stattfindenden chemischen Reaktionen. Zu Beginn wird der Abfall durch die Öffnung 15 auf die obere Oterflö.cha des Bettes aus festem Material in der l'rocknungs- und ήΰίζ-z.one 30 eingeführt. In der Zone 30 wird der organische AbJ;-.1 L

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auf eine Temperatur zwischen 100 und 200°C erhitzt, um den Feuchtigkeitsgehalt des Abfalls vollständig zu ver- · dampfen. Von hier bewegt sich der organische Abfall nach unten in die Pyrolysezone 31, in v;e Icher.'er mit heißen nicht-oxydierenden Gasen kontaktiert· wird zur Pyrolyse des organischen Materials. Die Temperatur in der Pyrolysezone 31 liegt innerhalb des Bereiches von 400 bis 800⁰O im. unteren Teil der Zone bis etwa 200°C im oberen Teil der Zone. Die Pyrolyse, reduziert das organische Material zu Wasserdampf, pyrogenen Dämpfen und Wasserstoff-, Kohlenmonoxyd-, Kohlendioxyd-, Methan-, Ä'than- und A'thylengasen. Die Teerstoffe beginnen bei etwa 225°G zu verdampfen. Die Pyrolyse ist praktisch beendet, wenn die Temperatur des Abfalls 600 bis 800⁰C erreicht hat. Bei der Pyrolyse entsteht als Rückstand eine Kohlenstoffkohle. Wenn die Pyrolyse erfolgt, nimmt das Volumen des Feststoffmaterials ab und führt dazu, daß das Material durch die Schwerkraft in der Oxydationsζone 32 sich nach unten bewegt. In der Oxydationszone 32.wird die feste Kohlenstoffkohle mit einem oxydierenden gasförmigen Fluid, das Sauerstoff und ausreichend Wasserdampf enthält, um die Oxydationszonentemperatur auf eine optimale Temperatur unterhalb derjenigen, bei der die erhaltene Asche sintert, zu begrenzen, kontaktiert. Die Kohlenstoffkohle wird zu einem Ascherückstand reduziert und es wird ein nicht-oxydierendes gasförmiges Fluid gebildet, das im wesentlichen aus Wasserstoff,· Kohlenmonoxyd und Kohlendioxyd besteht, entsprechend den folgenden Formeln: ·

C + 1/2 O₀ > CO + 24 400 Kcal/0,454 kg-Mol

¹ ² (97 050 BTU/lb-mole)

O₊O₀ > CO₀ + 41 400 kcal/0,454 kg-Mol

^{d d} (169 4-35 BTU/lb-mole)

C + H₂O +19 200 kcal/0,454 kg-Mol (76 015 BTU/lb-mole) -^ 00+H₂

Die Oxydation des Kohlenstoffs ist eine exotherme Reaktion, bei der eine beträchtlich« Wärme entwickelt wird. Ein großer

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■Teil dieser Wärme wird bei der endothermen Reaktion der . *^l Bildung von- Kohlenmonoxyd und Wasserstoff aus Kohlenstoff uqd V/asser verbraucht. Entsprechend dem zugegebenen Sauerstoff wird eine gewünschte Menge Wasserdampf zugegeben, um die Reaktionen auf kontinuierlicher Basis fortzuführen · und ein nicht-oxydierendes Gasmedium aus Wasserstoff, Kohlenmonoxid■und Kohlendioxyd mit einer zum Pyrolysieren der organischen Materialien in' der Pyrolysezone und Erhitzen und Trocknen des organischen Rückstandes in der Trocknungs- und Erhitzungszone ausreichenden Temperatur (Wärmeinhalt) zu erzeugen, ohne daß dabei der Ascherückstand in Klinkeroder Schlackenform' agglomeriert wird und ohne daß der eintretende organische Abfall am Beginn pyrolytisehen Temperaturen ausgesetzt wird. Es ist sehr wichtig, den frisch eintretenden organischen Abfall einer nicht-oxydierenden Atmosphäre mit einer Temperatur unterhalb 200 C auszusetzen.

.Wenn-die Kohlenstoffkohle verbrennt, verkleinert sich das Volumen des Feststoffmaterials und führt dazu, daß die Asche infolge der Schwerkraft in der Aschenkühlzone 33 nach unten sinkt. In der Aschenkühlzone werden die Feststoff materialien mit nicht-erhitztem Sauerstoff kontaktiert, um die Asche etwa auf Raumtemperatur abzukühlen, so daß der Ascherückstand durch das Austragsventil 20 bei Raumtemperatur ausgetragen werden kann. Die nicht-verbrennbaren Metallobjekte und Glasflaschen passieren die Retorte. Die eisenhaltigen Objekte werden teilweise oder vollständig oxydiert und die Glasflaschen werden zerschlagen oder teilweise erweicht durch die Wärme, ohne das Verfahren zu beeinträchtigen. Der Ascherückstand aus dem Verfahren kann zur Entfernung des Metalls und/anderen metallähnlichen Stoffe weiterverarbeitet werden. Aus dem Rückstand können, wenn es wirtschaftlich gerechtfertigt ist, alle löslichen Salze ausgelaugt werden. Die einzigen eingeführten reaktiven Agentien, dio der Retorte zugeführt werden, um den festen

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organischen Abfall zu zerkleinern (zu reduzieren) sind Wasserdampf und Sauerstoff. Der Sauerstoff kann in Form von Luft, angereicherte Luft oder als verhältnismäßig, reiner Sauerstoff zugegeben werden. Der Sauerstoff und der Wasserdampf v/erden hauptsächlich durch die Einlaßleitung 26 eingeführt. In die Einlaßleitung 26.münden eine Wasserdampfleitung 35 und eine Sauerstoffleitung 56. In der Wasserdampfleitung 35 bzw. in der Sauerstoffleitung 36 ist ein Steuerventil 37 bzw. ein Steuerventil 38 angebracht zur Steuerung der Menge und des Verhältnisses von Wasserdampf zu Sauerstoff, die in die Oxydationszone 32 eingeführt werden. Die Leitung 26 wird durch einen Wärmeaustauscher 4-0 geführt, um die Mischung vor ihren Eintritt in die Retorte 10 vorzuerwärmen, in der die Mischung auf eine zur Aufrechterhaltung der Oxydationsreaktion ausreichende Temperatur gebracht wird. Vorzugsweise wird die durch die Leitung 26 eintretende Mischung auf eine Temperatur zwischen 300 und 500⁰G erhitzt. Ein Teil des Verfahrens-Sauerstoffs (nicht erhitzt) wird in der Nähe des Austragsventiis 20 in die Retorte injiziert, um in Aufxvärtsrichtung durch die Aschekühlzone 33 zu strömen, um den heißen Ascherückstand abzukühlen,, Der nicht-erhitzte Sauerstoff wird durch die Leitung 27 in die Retorte eingeführt. Ein Ventil 28 steuert die Strömungsgeschwindigkeit durch die Leitung 27. Wenn der durch die Leitung 27 eingeführte Sauerstoff die Oxydationszone 32 erreicht, wird er vorerwärnt. Der vorerwärmte Sauerstoff und der Wasserdampf (Leitungen 26 und 27) werden in die Oxydationszone 32 geleitet, um dort mit der Kohlenstoffkohle in Kontakt zu kommen und damit zu reagieren. Die Gesamtgeschwindigkeit der Oxydation wird bestimmt durch die Geschwindigkeit der Zugabe der Einlaßgase. Die Gleichgewichtstemperatur wird im Prinzip durch die Konzentrationen und Temperaturen des in die Retorte eintretenden Sauerstoffs und Wasserdampfs bestimrrfc. Das Verhältnis von Sauerstoff zu Wasserdampf, die in die

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Pyrolysezone eingeführt werden, sollte so gehalten werden, daß die Temperatur des Kohlenstoffkohlebettes zwischen 400 und 900, vorzugsweise zwischen 550 und 850⁰C, und die Temperatur der die Erhitzungs- und Trocknungszone verlassendei). Abgasmi-schung unterhalb 200, vorzugsweise zwischen 100 und 200⁰G gehalten wird. Es ist sehr wichtig, daß der eintretende organische Abfall (Müll) zu Beginn Temperaturen unterhalb der pyrolytischen Temperaturen unterworfen wird, damit der organische Abfall ziemlich langsam erwärmt und getrocknet werden kann, um das Mitreißen von Feststoffpartikeln in dem Abgasstrom minimal zu halten.

In der folgenden Tabelle ist der erforderliche Volumenbruchteil an Wasserdampf in der eintretenden Luft oder in der Mischung aus reinem (99 %igem) Sauerstoff und Wasserdampf angegeben, der erforderlich ist, um die Oxydationsbetttemperatur bei variierenden Vorwärmtemperaturen von 300, 400, 500 und 70O⁰C der in die Oxydationszone eintretenden Mischung auf einer gegebenen Reaktionstemperatur zu halten.

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OxycLa-

t.ionsbctt-

Volumenaiiteil des Wasserdampfes in der Mischung

400
450
500

550

650

£ 700

;-, 750;^::
800.

900

Luft als -Sauerstoffquelle Vorvräriateirrp. der eintretenden Mischung

50Q⁰C 400°C

0,758 0,680

0,597 0,509 0,414

0,315 0,228

0,170;

0,136 0,116 0,105

0,714

0,630

0,539 0,441

0,339 0,250

0,189.

0334;

500°G

0,571 0,470

0,365

0,173

0,152

70Q⁰C

0,253 b,213 0,190 reiner Sauerstoff (99 %ig)

Yorwärmtem-D. der	400⁰C·	eintretenden Mischung	700⁰C
300⁰C		500⁰C ·	_
0,941	0,927		—
0,917	0,899		—
0,889	0,864	-	-
0,854	0,819	0,875
0,808	* 0,759	0,830	-
0,748	0,686	0,771 '	—
0,674	0,^12	0,699	.0,654 ·
0,599	0,553	0,625	0,598
Q, 539	0315	0,568 .	.0,561
0,500	0,491	0,530	0,538
0,476 '"	0,507 '

Um eine Oxydationszonenbettemperatur zwischen 550 und 800⁰C aufrechtzuerhalten, sollte der Volumenanteil des · Wasserdampfs in der eintretenden Mischung zu einer Wasserdampf /Luft-Mischling zwischen 0,135 "und 0,575 und für eine V/asserdampf/reiner Sauerstoff-Mischung zwischen 0,535 und · 0,880 liegen.

Es ist auch sehr wichtig, daß die effektive Strömung der Gase und Dämpfe in Aufwärtsrichtung durch das Feststoffmaterial ausreicht, um die Reaktionen aufrechtzuerhalten, daß aie Jedoch nicht ausreicht, um die Feststoffpartikel mitzureißen oder darin zu flotiereru Ea wurde gefunden, daß die Strömungsgeschwindigkeit der Gase in der Retorte weniger als 6,73 cm pro Sekunde (Oberflächengeschwindigkeit), bazogea auf die tatsächliche volumetrische Strömungsgeschwindigkeit der eintretenden Gase (Wasserdampf und Sauerstoff/Luft)*betragen sollte. Die Oberflächengeachwindigkeit ist definiert als die lineare Strömungsgeschwindigkeit, wenn man annimmt, daß die Retorte leer ist, bezogen auf die volumetrische Geschwindigkeit der Gase, die durch die Retorte strömen. Dies bedeutet, daß die volumetrische Geschwindigkeit der durch die Leitungen 26 und 27 eintretenden Gase und Dämpfe einer linearen Oberflächenströmungsgeschwindigkeit in der Retorte von weniger als 6,78 cm pro Sekunde entsprechen sollte* Die O^iydationstemperatur kann innerhalb des geforderten Bereiches variiert werden, so daß sie an den variierenden Feuchtigkeitsgehalt und Gehalt an organischem Material des festen Abfalls angepaßt werden kann· Wie oben erwähnt,- , reagieren Sauerstoff und Wasserdampf mit der Kohlenstoff« kohle unter Bildung eines heißen,nicht-oxydierenden gasför- \ migen Fluids aus Kohlenmonoxid, Kohlendioxyd und Wasseratoif

"'' mit einer ausreichenden Temperatur, um; das feste organische ·. Material in der ityrolyseZQne zu pyrolysieren. Das heiße,

^;j\ \ nicht-oxydierende gasförmige Fluid strömt aufwärts durch die Oxydationszone in die I^rrolysezone und kommt mit dem erhitzten

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und getrockneten festen organischen Abfall (Müll) in Kontakt. Wenn die Pyrolyse fortschreitet, wird der Wärmeinhalt aus den heißen,nicht-oxydierenden Gasen entnommen, um das feste organische Abfallmaterial auf Kohlenstoffkohle zurückzuführenUnd Pyrolyseabgase und -dämpfe zu erzeugen. Je nach Zusammensetzung des Abfalls und der Pyrolysegeschwindigkeit bzw, Pyrolyserate werden variierende Mengen an Kohlenmonoxyd, Kohlendioxyd,-Wasserstoff, Wasserdampf . und Kohlenwasserstoffdämpfen erzeugt. Bei den Kohlenwasserstoffdämpfen handelt es sich allgemein um -Pyroligninsäuren (Pyroholzsäuren) und Teere. Die Pyrolyseabgase und -dämpfe werden mit dem nicht-oxydierenden gasförmigen Fluid aus der Oxydationszone gemischt unter Bildung eines kombinierten nicht-oxydierenden gasförmigen Fluids, das bei einer verringerten Temperatur aufwärts strömt in die Erhitzungsund Trocknungszone, um den festen organischen Abfall zu erhitzen und zu trocknen. Es ist sehr wichtig, daß der eintretende Abfall (Müll) mit dem nicht-oxydierenden gasförmigen Medium in Kontakt kommt, das eine Temperatur aufweist, die ausreicht, um die Feuchtigkeit zu verdampfen, die jedoch nicht ausreicht, um den Abfall zu pyrolysieren. Der eintretende Abfall sollte vorzugsweise bei einer Temperatur zwischen 100 und 200⁰C mit dem nicht-oxydierenden gasförmigen Medium in Kontakt gebracht werden.

Anders herum betrachtet bewegt sich das den organischen Abfall enthaltende feste Material durch Absitzen langsam nach unten durch die Retorte und das nicht-oxydierende gasförmige Fluid, das durch Verbrennen des Kohlenstoffs mit einer. An-. fängstemperatur zwischen 400 und 900,"vorzugsweiseι .zwischen 550 und 800⁰C gebildet wird, wird durch das nach unten sinkende Feststoffmaterial langsam nach oben filtriert, wobei die Temperatur des nicht-oxydierenden gasförmigen Fluids progressiv abnimmt, wenn sich das Fluid nach; oben.bewegt, und die Temperatur des Fe st stoff materials progressiv ,zunitstit,

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wenn es sich nach unten bewegt. Die Anfangsteinperatur des nicht-oxydierenden gasförmigen Fluids wird gesteuert durch Steuerung der Oxydationsgeschwindigkeit und -temperatur, "so daß die Temperatur des nicht-oxydierenden gasförmigen Fluids, w-enn es das Feststoff material passiert hat, unter die Destillations- oder Pyrolysetemperatur des organischen Abfalls absinkt, bevor dieses die obere Oberfläche des Bettes oder Stapels erreicht. Auf diese V/eise wird der eintretende organische Abfall auf eine erhöhte Temperatur unterhalb der Pyrolysetemperatur des organischen Abfalls vorerwärmt und getrocknet. Die Pyrolyse der flüchtigeren organischen Flüssigkeiten (Teere) beginnt bei etwa 225°C Demzufolge erstreckt sich die Oxydationszone 32 von der Gasverteilungseinrichtung 25 nach oben bis zu einer Höhe, in der die Oxydation endet. Die Pyrolysezone 31 erstreckt sich von der Oxydationszone 32 nach oben bis zu einer Höhe, in der das feste Material eine Temperatur von etwa 20O⁰O hat. Die Erhitzungs- und Trocknungszone 30 erstreckt sich von der Pyrolysezone aufwärts bis zur Oberseite (Deckel) der Retorte. Offensichtlich bestehen aber keine klaren Grenzflächen zwischen den Zonen und die Dicke der Zonen fluktuiert, wenn sich die Temperatur und die Materialkomponenten ändern. Es ist zweckmäßig, den Druck in der Retorte bei Atinosphärendruck oder etwas oberhalb Atmosphärendruck zu halten, um eine gleichmäßige Strömung der Gase und Dämpfe durch dieselbe zu erzielen. Die Gase und Dämpfe strömen durch die Auslaßleitung 24 nach außen.

Gemäß einer Ausführungsform führt die Auslaßleitung 24 zu einem Kondensator (Kühler) 48 (Fig. 1) mit einer Kühlschlange 50 innerhalb desselben zum Kondensieren der kondensierbaren Dämpfe. Zum Kondensieren verschiedener Fraktionen der Dämpfe bei verschiedenen Temperaturen kann eine Reihe von Kondensatoren verwendet -v/erden. Der hier lediglich als Beispiel

ge-

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zeigte Kondensator 4-8 dient dazu, die Dämpfe zu kondensieren unter Bildung einer Flüssigkeit.51> die durch einen Flüssigkeitsauslaß 52 aus dem Kondensator ausgetragen wird. Die Pyroligninsäuren und Teere, die aus einer typischen Abfallprobe destilliert wurden, stellen eine sehr komplexe Mischung von vielen organischen "Verbindungen dar, die 70 bis 80 % V/asser und zum Rest Alkohole, Ketone, Teere, Essigsäure und andere organische Flüssigkeiten enthalten. Die Gase_vwie Wasserstoff, Kohlendioxyd, Kohlenraonoxyd, Äthan, Methan und Äthylen, strömen durch den Gasauslaß 53·

Alternativ führt die Leitung 24-, wie in Fig. 2 dargestellt, zu einer Reformiereinrichtung 54. Durch die. Leitung 55 bzw. ' 57 werden Sauerstoff bzw. Wasserdampf in die Reformiereinrichtung eingeführt, in der sie mit den brennbaren Gasen und Dämpfen reagieren und das Material in Wasserstoff, Kohlenmonoxid und kleinere Mengen an Kohlendioxyd und Wasserdampf bei Temperaturen zwischen 700 und1OQO⁰C mit Heizwerten zwischen 24-00 und 2820 kcal/m⁵ (269 bis 317 BTU/ft.⁵) umwandeln. Zur Steuerung der Sauerstoff- und Wasserdampfmengen sind zur Erzielung einer optimalen Umwandlung in den Leitungen 55 und 57 Ventile 56 und 58 angeordnet. Unter bestimmten Bedingungen, vorzugsweise wenn große Mengen Feuchtigkeit aus dem Abfall verdampft v/erden, kann es zweckmäßig sein, die Wasserdampfströmungsgeschwindigkeit durch die Leitung 57 auf 0 zu verringern. Die umgewandelten Gase verlassen die Reformiereinrichtung 54 durch die Gasauslaßleitung 60. Die Auslaßleitung 60 führt zu einem Wärmeaustauscher 62, in dem der durch die Einlaßleitung 26 eingeführte Sauerstoff und Wasserdampf vorerwärmt werden unter Verwendung eines Teils des V/ärmegehaltes der Heizgase aus der Reformierein- ' richtung54. GegebenenfαJ Is kann der Abstrom aus dem Wärmeaustauscher 62 in einen V/assergasschichtkonverter (nicht dargestellt) eingeführt werden, in dem das Kohlenmonoxid mit dem f reagiert unter Bildung von Wasserstoff und -Kohal ü Nebenprodukt. Der Wasserdampf wird den Wärme-

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austauscher 62 durch eine Wasserdampfleitung 63 zugeführt. Die chemische Umsetzung ist schwach endotherm und dadurch wird ein Teil der in der Reformiereinrichtung 54 freigesetzten Wärme verbraucht. Die Temperatur der die Reformiereinrichtung 54 verlassenden Heizgase liegt zwischen 700 und 1000 C. Wenn in den Konverter Wasser eingeführt wird, wird die Wärme aus dem Gas abgeführt, um das Kohlenmonoxyd in Kohlendioxyd umzuwandeln unter Bildung von weiterem Wasserstoff. Der Konverter wird dazu verwendet, einen hohen Prozentsatz (zwischen 60 und 7° °/°) Wasserstoff gas aus dem organischen Abfailbeseitigungsverfahren zu erzeugen, das in chemischen Prozessen, wie z.B. der Ammoniakproduktion, verwendet werden kann.

Alternativ .führt die Leitung 24, wie in Pig, 3 dargestellt, zu einer kombinierten Abgasverbrennungs- und Wärmeaustauschereinheit 64. Durch die Leitung 61 wird Luft oder Sauerstoff in die Einheit 64 eingeführt, um die Verfahrensabgase zu verbrennen und die verbrannten Abgase zum Vorerwärmen der durch die Leitung 26 eingeführten Sauerstoff/Wasserdampf-Mischung zu verwenden. Es sei darauf hingewiesen, daß dem System zum Reduzieren (Verarbeiten) des organischen Abfalls effektiv keine Wärmeenergie zugeführt wird. Die in dem Abfall enthaltene Wärmeenergie wird dazu verwendet, den Abfall zu Asche zu verarbeiten und Gase zu erzeugen, die beträchtliche Wärmewerte aufweisen. Durch Einstellung der relativen Mangen von Wasserdampf zu Sauerstoff kann leicht eine Kontrolle ausgeübt werden, so daß die gewünschte Temperatur zur Bildung eines ausreichenden Wärmeüberschusses erhalten wird, so daß sich die Reaktionen von selbst unterhalten. Unter bestimmten Bedingungen, insbesondere dann, wenn alle vereinigten Abgas"e verbrannt werden zur Verwendung zum Aufheizen der eingeführterMischung, kann es zweckmäßig sein, die eingeführte Mischung auf eine höhere Temperatur als die Temperatur des Oxydationsbettes vorzuerwärmen. Dies führt zu einer erhöhten Wärmeausnutzung des Verfahrens. Außerdem kann aus den Abgasen mehr

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Wasserstoff gewonnen werden.

In 'der Retorte ist eine Vielzahl von Temperaturfühleinrichtuügen zur Überwachung des Ablaufs des Verfahrens vorgesehen. Die Fühler arbeiten mit den Ventilen 37 und 38 zusammen zur Einstellung der Strömungsgeschwindigkeiten und Verhältnisse von Sauerstoff zu Wasserdampf. In der Retorte ist in dem Ab-gas-Plenum 23 eine fühlereinrichtung 65 angeordnet, um die Temperatur darin zu messen. Wenn die Einrichtung 65 eine " Temperatur oberhalb 200 C mißt, ist eine Korrektur erforderlich. Andere Fühlereinrichtungen 66 bis 69 können im Abstand voneinander angeordnet sein, um den Ablauf und Fortschritt der Reaktionen zu überwachen. Die Fühler einrichtungen 66 bis ' 69 sind in einem solchen Abstand voneinander dargestellt, daß sie die Temperaturen messen, die beim Trocknen, Erhitzen, bei der Pyrolyse, bei der Oxydation und beim Abkühlen der Asche auftreten. Wie oben erwähnt, sollte die Temperatur des Bettes zwischen 55° und 800°0 gehalten werden. Wie ebenfalls bereits erwähnt, wird die Temperatur oberhalb des organischen Abfalles in der Trocknungs- und Erhitzungszone zwischen etwa 100 und etwa 200⁰C gehalten, um die schwerere. Dampffraktion in der Hähe ihrer Kondensationspunkte zu halten, um eine Selbstreinigungswirkung zu erzielen. Die Gasströmungsgeschwindigkeiten innerhalb der Retorte v/erden bei niedrigen Werten gehalten, um ein Mitreißen und Suspendieren der Feststoffe in den Abgasen zu vermeiden. Sollten jedoch irgendwelche Feststoffpartikel in das Gas und den Dampfstrom mitgerissen werden, so bilden die Feststoffpartikel einen Keim, an dem leicht eine Kondensation entsteht, wodurch die Feststoffpartikel in den festen Abfall zurücktropfen. Demzufolge- werden bei dem erfindunEGgemäßen Verfahren keine Feststoffpartikel' gebildet, die sich in dem die Retorte verlassenden Gas.'3trom befinden und es kann daher als flugascheloses Verfahren angesehen ""orden.

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Die,Erfindung wurde zwar vorstehend an Hand spezifischer, bevorzugter Ausführungsformen näher erläutert, es ist jedoch für den Fachmann klar, daß diese in vielerlei Hinsicht abgeändert und modifiziert werden können, ohne daß dadurcli der Hahnen der vorliegenden Erfindung verlassen wird.

Pat e nt an s prü c h e

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Claims

Patentansprüche

1. Pyrolytisches Verfahren zur Verringerung des Volumens des Feststoffgehaites von festem organischem Abfall durch zunehmende Anwendung von Wärme auf den organischen Abfall ·,· um diesen zuorst vorzuerwärmen und zu trocknen, dann den getrockneten vorerwärmten organischen Abfall zu pyrolysieren, um ihn in Kohlenstoffkohle zu überführen und schließlich die Kohlenstoffkohle zu oxydieren, um sie in einen Ascherückstand umzuwandeln, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlenstoffkohle mit einem ausreichende Mengen an Sauerstoff und Wasserdampf enthaltenden}oxydierenden,gasförmigen Medium kontaktiert wird, um die Kohlenstoffkohle in einen Ascherückstand zu überführen und ein abströmendes heißes, nicht-oxydierendes gasförmiges Medium zu erzeugen, das im wesentlichen aus Wasserstoff, Kohlenmonoxyd und Kohlendioxyd besteht, entsprechend den folgenden Gleichungen:

C + 1/2 O₂ —£ CO C + O₂ —> CO₂; und C + H₂O —^ CO + H₂

das eine zum Pyrolysieren des vorerwärmten getrockneten organischen Abfalls ausreichende Temperatur hat, ohne den Ascherückstand zu sintern, daß der vorerwärmte getrocknete organische Abfall mit dem gebildeten, heißen, nicht-oxydierenden gasförmigen Medium kontaktiert v/ird, um den vorerwärmten, getrockneten, organischen Abfall in Kohlenstoffkohle zu überführen und eine Pyrolyseabgasmischung aus dem nicht-oxydierenden gasförmigen Medium und entv/iekelten pyrogenen orga-^ nischen Gasen und Dämpfen mit einer Temperatur zwischen 100 und 200⁰C zu erzeugen, um damit den festen organischen Abfall vorzuerwärmen und zu trocknen, und daß der feste organische Abfall mit der gebildeten Pyrolyseabgasmischung kontakiiert wird, um den organischen Abfall vorzuerwärmen und

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zu trocknen unter Bildung einer Abgasmischung aus der Pyrolyseabgasmischung und dem entwickelten Wasserdampf.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge an mit der Kohlenstoffkohle in Kontakt kommendem Sauerstoff und Wasserdampf so einreguliert wird, daß ein heißes, nicht-oxydierendes gasförmiges Medium mit einer Temperatur zwischen 55° und 800⁰C gebildet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das oxydierende gasförmige Medium vor dem Kontaktieren mit der Kohlenstoffkohle auf eine Temperatur oberhalb 275°C vorerwärmt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil der Verfahrensabgasmischung unter Bildung.eines heißen, gasförmigen Produkts verbrannt wird und daß dieses heiße gasförmige Produkt zum Vorerwärmen des oxydierenden gasförmigen Mediums verwendet wird.·

5t Pyrolytisches Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der feste organische Abfall in eine geschlossene Retorte (10) eingeführt wird unter Bildung eines Feststoffmaterialtiefbettes, daß das Feststoffmaterialtiefbett durch die Retorte (10) geführt v;ir_vd, daß das heiße, nicht-oxydierende gasförmige Medium im Gegenstrom und im innigen Kontakt mit dem Feststoffmaterial durch das Feststoffmaterialbett geführt wird, um den Wärmeinhalt des heißen, nicht-oxydierenden gasförmigen Mediums progressiv auf das Feststoffmaterial zu übertragen, daß die Menge an ' mit der Kohlenstoffkohle kontriktiertem Sauerstoff und Wasserdampf so einreguliert wird, daß das nicht-oxydiercnde gasförmige Medium eine Temperatur zwischen 400 und 900 0 hat, dessen Temperatur· nach den Durchleiten durch das Fest-

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stoffraaterialbett auf .100 bis 200⁰C verringert wird, so daß der feste organische Abfall zu Beginn einer Temperatur zwischen 100 und 200⁰C ausgesetzt wird.

6«. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5j dadurch gekennzeichnet, daß das heiße, nicht-oxydierende gasförmige Medium mit einer solchen Geschwindigkeit durch den festen . organischen Abfall geführt wird, die einer Oberflächengasgeschwindigkeit von weniger als 6,78 cm pro Sekunde entspricht, bezogen auf die volumetrische Strömungsgeschwindigkeit des mit der Kohlenstoffkohle in Eontakt kommenden oxydierenden gasförmigen Mediums.

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