DE2233498C2 - Verfahren zum Erzeugen von brennbarem Produktgas durch Vergasung von festen Abfallstoffen - Google Patents

Verfahren zum Erzeugen von brennbarem Produktgas durch Vergasung von festen Abfallstoffen

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Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen von brennbarem, auf Trockenvolumenbasis mindestens 50% Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthaltendem Produktgas durch Vergasung von brennbare organische und unbrennbare anorganische Stoffe enthaltenden festen Abfallstoffen In einem Schachtofen, in dem die Abfallstoffe, insbesondere Müll, durch mindestens auf 40 Vol.- % Sauerstoff angereicherte Luft unter Vortrocknen und Vorentgasen vergast werden und der anorganische Anteil geschmolzen wird.
Ein solches Verfahren Ist bekannt (CH-PS 4 84 262), ohne daß nähere Einzelheiten offenbart sind. Es ist ledig= 6Q Hch angegeben, daß Müll gegebenenfalls zusammen mit Schlamm und weiteren Abfällen in einem Gaserzeuger unter Einbringung von Luft oder Sauerstoff oder Gemischen davon mit Wasserdampf und/oder Kohlendloxid durch unvollkommene Verbrennung in gasförmige Brennstoffe umgesetzt werden soll, die Kohlenoxid zusammen mit Wasserstoff, Methan, weiteren höherwertlgen Kohlenwasserstoffen. Chlor und/oder Schwefelverbindungen enthalten, daß dabei höhere Reaktionstemperaturen erzielt werden können als bei Müllverbrennungsöfen, weil der unverbrannte Müll eine laufend sich erneuernde Wärmedämmung darstellt, und daß die höheren Verbrennungstemperaturen zu höherer Reaktionsgeschwindigkeit, Schmelzung der Metallteile, flüssigem Schlackenabstich und damit kleinem Volumen mit besserer Verwendungsmöglichkeit führen. Im Gaserzeuger wird gegebenenfalls mit erhöhtem Druck gearbeitet.
In dem Bestreben, bei einem weiten Bereich von Abfallzusammensetzungen leicht beseitigbare Rückstände zu erhalten, haben Prozesse zur vollständigen Abfallverbrennung in den letzten Jahren Beachtung gefunden. So ist es bekannt (US-PS 35 11 194), einem ichachtofen unten ein auf 980° bis 1200° C vorgewärmtes Gemisch aus Luft und Wasserdampf zuzuführen, das mit Abfallstoffen reagiert, die im Ofen nach unten rutschen, wobei Heißgase im Gegenstrom zu den nach unten fallenden Abfallstoffen hochsteigen und die Abfallstoff^ unter Bildung von Gas, flüssigen Kohlenwasserstoffen und Verkohlungsprc-dukten {Schwelkoks, Halbkoks) thermisch zerlegen. Das aus dem oberen Bereich des Ofens austretende brennbare Gas wird in einer Nachbrennkammer zusammen mit zusätzlicher Luft vollständig verbrannt. Das Verbrennungsabgas wird In einem Abhitzekessel gekühlt und dann mit Hilfe von Filtern gereinigt. Die Durchführung des Verfahrens hängt von der Fähigkeit ab, am unteren Endes des Schachtofens durch Verbrennen der nach unten rutschenden Verkohlungsprodukte mit vorgewärmter Luft ausreichend Wärme zu übertragen. Die dabei erzielbare Wärmeübertragung Ist jedoch unter den Bedingungen, die Im Feuerraum erforderlich sind, um Eisen in schmelzflüssigem Zustand zu halten und die Bildung von korrodierendem Eisenoxid zu verhindern, bestenfalls gerade noch tragbar. Bei schwankender Mollzusammensetzung kann die Temperatur im Feuerraum unter den Wert abfallen, bei dem die Schlacke und das Metall für den Abstich hinreichend fließfähig sind. Dadurch wird der ?rozeßablauf gestört. Durch das Vorhandensein einer großen Sticksloffmenge in dem eingeblasenen Oxidationsgas (Luft) wird das aus dem Ofen abziehende brennbare Gas stark verdünnt; sein Heizwert wird erheblich verringert; die potentielle Nutzbarkeit des Gases als chemischer Rohstoff wird zunichtegemacht. Die Nachverbrennung des Gases erfordert die Zufuhr von weiterer Luft und damit von Stickstoff, wodurch das Gasvolumen welter erhöht wird, die Konzentration der darin vorhandenen Schmutzstoffe verringert wird und die Reinigung der In die Atmosphäre abgegebenen Gase kostspielig wird. Eine Analyse der Wärme-Qbergangsgeschwindlgkelt im Feuerraum des Schachtofens zeigt die Schwierigkeit, einen Gegenstrombetrieb aufrechtzuerhalten, wenn vorgewärmte oder auch mit Brennstoff angereicherte Luft als Oxidationsmittel benutzt wird. Für einen kontinuierlichen Betrieb Ist es wesentlich, die Feuerraumtemperatur bei etwa 1650r C zu halten, um ausreichende Fließfähigkeit des Metalls und der Schlacke Im unteren Bceich des Ofens sicherzustellen. Hohe Wärmeübergangsgeschwindigkeiten sind Infolgedessen unbedingt erforderlich. Die Verwendung eines Oxidationsmittels mit niedriger Sauerstoffkonzentration, beispielsweise Luft, führt jedoch selbst bei hohen Vorwärmtemperaturen im Feuerraum des Ofens stets zu Wärmeübergangsgeschwindigkeiten, die allenfalls gerade noch erträglich oder aber unbrauchbar sind. Selbst die Zugabe eines Hllfsbrennstoffes, beispielsweise Methan, der zusammen mit der vorgewärmten Luft cingeblasen wird. Ist unter reduzierenden Bedingungen von wenig
Wert. Unter Umständen kann der Hilfsbrennstoff sogar den Feuerraum abkühlen, statt ihn aufzuheizen.
Es ist auch bekannt (ASME-Paper »1970 National Incinerator Conference«, Seiten 116 bis 217), die Verbrennungsluft in einer Anlage zur vollständigen Müllverbrennung mit 0,3 bis 0,4 ι Sauerstoff je t Müll anzureichern. Dabei rutschen in einem Schachtofen Abfallstoffe nach unten, währenri ein mit Sauerstoff angereicherter Luftstrahl unten eintritt, um die im Feuerraum erforderliche Temperatur von 16500C, bei der fließfähige Schlacke abgeführt werden kann, aufrechtzuerhalten. Das den Ofen oben mit einer Temperatur von etwa 820° C verlassende brennbare Gas wl.d mit Luft in einer Nachbrennkammer vollständig verbrannt, bevor die Reinigung erfolgt. Obwohl diese Lösung prinzipiell attraktiv erscheint, was den Wärmeübergang im Feuerraum anbelangt, führt insbesondere das hohe Verhältnis von Sauerstoff zu Müll zu Problemen- Es werden dadurch unerwünschte Oxidationsbedingungen im Feuerraum geschaffen. Bei dem hohen Sauerstoffverbrauch reagiert Eisen rasch unier Bildung von Eisenoxid, was lücke braune Rauchwolken zur Folge hat und zu einem chemischen Angriff auf die hitzebeständige Auskleidung des Feuerraumes führt. Außerdem verursacht ein so großer Überschuß an Sauerstoff im Feuerraum übermäßig hohe Temperaturen innerhalb des gesamten Ofens, wodurch es zwangsläufig zu einer raschen Abnutzung der feuerfesten Auskleidung kommt. Durch das hohe Verhältnis von Sauerstoff zu Abfallstoffen wird ferner der Heizwert und der mögliche chemische Wen des den Schachtofen ver- i< > lassenden Gases nachteilig beeinflußt. Beispielsweise wird bei Vorliegen übermäßiger Mengen an Sauerstoff im Ofen ein Teil der brennbaren gasförmigen Bestandteile, wie CO und H_-, zu CO: bzw. H;O oxidiert, wodurch der Wert des Gases uls Brenngas drastisch vermindert wird. Jj Aus ähnlichen Gründen wird das Gas praktisch unbrauchbar als Synthesegas oder reduzierendes Gas. Durch die Anwendung einer großen Sauerstoffmenge hat weiterhin da. den Ofen verlassende Gas übermäßig hohe Austrittstemperaturen. Dies führt zu einer starken War- w mebelastung der Gaskühlanlage, die das Gas kühlen und dessen Volumen verringern muß, bevor die Reinigung erfolgt. Problematisch ist auch, daß ebenso wie bei dem Verfahren nach der US-PS 35 11 194 das große Volumen an Gas gereinigt werden muß. das die Nachbrennkam- ·»■? mer verläßt. Wie groß dieses Problem ist, läßt sich abschätzen, wenn man berücksichtigt, daß ein elektrostatischer Gasreiniger oder ein Naßskrubber die in Teilchenform in einem Gasstrou vorliegenden Stoffe auf eine Konzentration von ungefähr 48 mg/m' behandeltes Gas ><> verringern kann. Bei einer herkömmlichen Verbrennungsaiilage müssen ungefähr 17 000 ml Gase für jede Tonne an verarbeitetem Müll gereinigt werden. Nach der Reinigung verbleiben damit 0.82 kg von in Teilchenform vorliegenden Stoffen in den Gasen bei jeder Tonne an verarbeitetem Müll. Bei dem Verfahren nach der US-PS 35 11 194 wird die Menge des zu reinigenden Gases auf ungefähr 5660 m' je t Müll verringert. Dies vermindert die Menge an in Teilchenform vorliegenden Stoffe nach dem Reinigen aui ungefähr 0,27 kg je t Müll. Das dringende Bedürfnis nach einer Verbesserung der Umweltbedingungen erfordert jedoch eine Verringerung des Wertes dr Luftverschmutzungsstoffe, der über die selbst mit einem solchen Verfahren erreichbaren Werte weit hinausgeht.
Es Ist ferner bekannt rÜE-AS 11 76 308), Gaserzeuger zum Vergasen von Brennstoffen mit flüssiger Aschenaustragung, bei denen dem Brennstoff Zuschlüge zur Bildung einer leicht flüssigen Schlacke zugemischt werden, mit Kaltluft oder mit Heißluft mit oder ohne Sauerstcffanreicherung zu betreiben.
Des weiteren ist es bekannt (»Ullmanns Enzyklopädie der technischen Chemie« 12. Band, 1960, Seite 574), daß die mittlere Zusammensetzung von Müll von Land zu Land und von Stadt zu Stadt unterschiedlich und auch jahreszeitlichen Schwankungen unterworfen ist, die entsprechende Schwankungen des Heizwertes des Mülls bedingen.
Schließlich ist es bekannt («Ullmann's Enzyklopädie der technischen Chemie«. 10. Band, 1958. Seite 406), daß bei der Kohlevergasung eine hohe Temperatur in den Düsenflammen zu hoher Dampfzerseizung und relativkleinem CO;-Gehalt des Gases führt, und daB durch Vorwärmung des Vergasungsmittel Sauerstoff eingespart werden kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten An so auszugestalten, daß die Verfahrenkosten relativ niedrig bleiben, bei geringen Energieverlusten ein auch als Synthesegas nutzbares Gas von vergleichsweise kleinen Volumen und hohem Heizwert erzeugt wird, zugleich aber eine für ein einwandfreies Abstechen geeignete Fließfähigkeit der geschmolzenen unorganischen Bestandteile gewährleistet ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen Sauerstoff und eingegebenem Abfall ein Gewichtsverhältnis zwischen 0,15 : I und 0,28 : 1 eingestellt wird, dergestalt, daß in der Verbrennungszone eine bei 1650'C liegende Temperatur gegebenenfalls durch Vorwärmen des Vergasungsmittels aufrechterhalten wird.
Das Verfahren nach der Erfindung hat einen besonders geringen Sauerstoffverbrauch. Dies hält nicht nur die Verfahrenskosten niedrig, sondern gewährleistet auch, daß ein Produktgas mit einem kleinen Anteil an oxidierten Stoffen erhalten wird, das einen Heizwert von mehr als 7450 kj/m', und vorzugsweise zwischen 9300 und 13 000 kJ/m1, gemessen bei 2PC und Atmosphärendri'ck, hat. Zugleich wird in der Vergasungs- und Schmelzzone des Schachtofens eine thermische Triebkraft, definiert als die im Gas für eine Wärmeübergang bei über I65O=C zur Verfugung stehende Energie in Joule dividiert durch den Wärmeinhdt der Verbrennungsprodukte in J/grd. bereitgestellt, die einen über 870 grd liegenden Wert hat. wodurch ein besonders hoher thermischer Wirkungsgrad erzielt wird, weil die Wärnieaustauschgeschwindigkeit zwischen den hochsteigenden Gasen und den nach unten rutschenden Feststoffen groß ist. Der Abfall wire'auf diese Welse rasch zerlegt. An die Umgebung geht nur wenig Wärme verloren. Im miUleren und oberen Bereich des Schachtofens bleiben die Temperaturen vergleichsweise niedrig, während andererseits in der Verbrennungs- und Schmelzzone ausreichend Energie zur Verfügung sieht, um die geschmolzenen anorganischen Bestandteile hinreichend fließfähig zu halten. Wegen des raschen Wärmeaustausche in Kombination mit einer re'-uiv kleinen Sauerstoffmenge hat das Produktgas bei seiner Entnahme aus dem Schachtofen neben einem hohen Heizwert eine relativ niedrige mittlere Temperatur von zweckmäßig unter ^60''C und vorzugsweise nur zwischen 821 C und 121° C. Das anfallende Gasvolumen bleibt klein. Eine Gasreinigung gestaltet sich dadurch einfach und verhältnismäßig kostengünstig. Auf eine zusätzliche Zugabe von Kalk oder ähnlichen Stoffen kann verzichtet werden. Insgesamt erzeugt das Verfahren wesentlich mehr Energie, als es verbraucht. So kann mit einem Teil des Energieinhalts des den Schacht-
ofen verlassenden Procluktgases der Energiebedarf für die Erzeugung des In den Schachtoren eingespeisten Sauerstoffs gedeckt werden; gleichwohl verbleibt ein wesentlicher Anteil des Produktgases als Energiequelle für andere Anwendungen oder als Synhthesegas.
Bei einem Gewichtsverhältnis zwischen Sauerstoff und eingegebenem Abfall von über 0,28 : I sinkt der Heizwert des Produktgases unter den genannten Wert von 7450 kJ/m1. Die Betriebskosten steigen wegen des Sauerstoffraehrverbrauchs. Es kommt zu erhöhten Ofentemperaturen, die eine Erosion der Anlagenielle und ein unerwünscht hellies Produktgas zur Folge haben. Andererseits steht bei einem Gewiehisverhilltnls zwischen Sauerstoff und eingegebenem Abfall von unter 0,15 : I selbst bei Vorwärmen des Vergasungsmittel* nicht mehr genügend Energie für den Hcl'leb des Schachtofens zur Verfügung. Es kommt /u niedrigen Temperaturen In der Verbrennungs- und Schmelzzone, zu unverbranntem Material im Rückstand, einer Erstarrung von Metall und Schlacke im unteren Teil des Ofens und dem Aufbau von Abfall im oberen Teil des Ofens. Das bevorzugte Gewichtsverhältnis von Sauerstoff zu Abfall liegt zwischen 0,18: I und 0.22: I.
Vorzugsweise wird im Schachtofen ein Überdruck aufrechterhalten. Als zweckmäßig erwies es sich ferner, den Schachtofen mit mindestens 1220 kg/hm' Abfall zu beschicken. Eine derart hohe Vergasungsgeschwindigkeit verbessert den Wirkungsgrad des Verfahrens und hält die Grolle des Schachtofens, die notwendig ist, um eine vorgegebene Abfallmenge zu verarbeiten, vergleichsweise uering.
Das Produktgas wird vorteilhaft mit Wasser gewaschen und anschließend durch Auskondensieren getrocknet, wobei zweckmäßig die GaswaschflQssigkeit in eine organische Phase. Hugnsche und eine wäßrige Phase zerlegt wird, wovon ein Teil der wäßrigen Phase zusammen mit ticm beim Trocknen des Gases anfallenden Kondensat als Waschflüssigkeit verwendet wird, während die Flugasche zusammen mit der organischen Phase In den Schachtofen /urückgeleitet wird. Dabei wird vorzugsweise ein 1 eil des gereinigten Produktgases in einer Sau-LTstolluewinnungsanlage zur Erzeugung des im Verfahren erforderlichen Sauerstoffs verwendet. Auf diese Weise wird ein integriertes Verfahren erhalten.
Unter dem Begriff »Abfallstoffe« sollen vorliegend Hausmüll ebenso wie Gewerbe- und Industriemüll verstanden werden. Der Begriff soll brennbare Stoffe, wie Papier. Kunststoffe. Kautschuk, Leder, Textilien, Holz und Nahrungsniittelresic, sowie nicht brennbare Stoffe. wie Metalle. Glas und zementartige Stoffe, umfassen, die im Schachtofen geschmolzen werden. Abfallstoffe enthalten normalerweise eine beachtliche Menge an Wasser, das meist von porösen Feststoffen absorbiert ist. Unter dem Begriff »Abfallstoffe« sollen auch die Stoffe fallen, die normalerweise bei Industriemüll anzutreffen sind, beispielsweise Schrott und Schlamm, und die mittels des vorliegenden Verfahrens zusammen mit HausmQll verarbeitet werden können. So kann beispielsweise zu Hausmüll Schrott zugesetzt werden, um letzteren in ein geschmolzenes Metallprodukt umzuwandeln. Der Hausmüll dient dabei als Brennstoff- und Kohlenstoffquelle. Auch Klärschlamm und eine Vielzahl unterschiedlicher industrieller Abfallstoffe kann unter Anwendung des vorliegenden Verfahrens zusammen mit Hausmüll zerlegt werden.
Unter »Schmutzstoffen« sollen vorliegend toxische und nichttoxische Verbrennungsnebenprodukte verstanden werden, die nicht frei in die Atmosphäre abgelassen werden können. Unter diesen Begriff fallen feste IcIlchenförmlge Stoffe, wie Flugasche, Dampfe und Rauch, wie SOj, NO, HCI, organische Stoffe, wie Essigsaure, und Kohlenwasserstoffe, wie Methan, Pentan und Hexan.
Der nichtmetallische, geschmolzene, abgestocher.: anorganische Anteil der Abfallstoffe wird vorliegend auch als Schlacke bezeichnet. Die Schlacke besteht in erster Linie aus Materialien wie Glas und zementartigen Stoffen. Wird der Feuerraum unter leicht oxidierenden ίο Bedingungen betrieben, enthalt die Schlacke auch etwas oxidiertes Metall. Wird der Feuerraum jedoch unter reduzierenden Bedingungen gefahren. Ist die Schlacke Im wesentlichen frei von Melalloxidcn. Die Schlacke kann dann aus dem Schachtofen getrennt von dem geschmolzenen Metall abgestochen werden, da die Schlackeschicht auf dem schmelzflüsslgcn Metall schwimmt. Geschmolzenes Metall und Schlacke können periodisch oder kontinuierlich abgestochen werden. Man UiUt diese Ströme dann zu einem inerten kompakten RücRmuuü erstarren, der als Müllauffüllung benutzt werden kann. Die Ströme können auch vor der Erstarrung weiterverarbeitet werden. Das geschmolzene Glas kann beispielsweise versponnen werden, wahrend das geschmolzene Metall gefeint, gefrischt oder vergossen werden kann.
Die Erfindung Ist Im folgenden anhand von Ausführungstwlsplelen In Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt
Fig. ! srtnen schematischen Schnitt eines Schachtofens und der zugehörigen Anlagenteile, ·
Fig. 2 ein schcrnatlsches Schaubild einer zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung geeigneten Gesamtanlage, und
Fig. 3 ein Schaltbild, das die thermische Triebkraft als Funktion der VorwSrmtemperatur des Vergasungsmittels für unterschiedliche Sauerstoffkonzentrationen erkennen laßt.
Fig. ! zeigi eiricri Schachtofen 1 mSl einer hü oheren Bereich liegenden Trockenzone 2, einer im mittleren Bereich befindlichen thermischen Zerlegungszone 3 und •to einer im unteren Ofenbereich angeordneten Verbrennungs- und Schmelzzone 4. Ganz oben befindet sich ein im wesentlichen offener Kopfraum 5. innerhalb dessen sich das Gas von den größeren Teilchen der mitgerissenen Feststoffe trennt. Der Schachtofen 1 kann aus einem zylindrischen metallischen Mantel bestehen, wobei die Verbrennungs- und Schmelzzone 4 (die vorliegend auch als Feuerraum bezeichnet wird) in nicht veranschaulichter Weise mit feuerfesten Ziegeln ausgekleidet ist, um der hohen, in der Größenordnung von 1650° C liegenden Temperatur standzuhalten, die Im Feuerraum 4 aufrechterhalten wird. Die. Trockenzone 2 kann nur aus Metall aufgebaut oder in nicht veranschaulichter Weise isoliert sein, um Wärmeverluste zu vermeiden und innerhalb des Schachtofens gleichförmigere Temperaturbedingungen herzustellen. Der Schachtofen 1 ist mit einem Einlaß 6 für das gasförmige Vergasungsmittel, einem Gasauslaß 7 und einem Stichloch 8 für das geschmolzene Material versehen. Ein Abfallaufgabetrichter 9, der über einen Schieber 10 mit einem Füllschacht 11 in Verbindung steht, ist an der Oberseite des Schachtofens 1 fest angebracht. Ein zweiter Schieber 12 dient in Verbindung mit dem Schieber 10 der Abdichtung des Schachtofens I. während Abfall eingefüllt wird.
Im Betrieb werden Abfallstoffe 13, die keine Vorbehanuiung erfordern, in der. Trichter 9 eingebracht. Die Schieber 10, 12, beispielsweise Gleitschieber oder Drehklappen, dichten den Schachtofen während der Abfalleingabe ab. so daß im Ofen ein Überdruck aufrechterhalten
werden kann. F-Ur diesen Zweck wird bei geschlossenem Schieber 12 der Schieber 10 geöffnet, worauf Abfall 13 aus dem Trichter 9 In den Füllschacht 11 fallen kann. Darauf wird zunächst der Schieber 10 geschlossen und dann der Schieber 12 geöffnet. Der im Füllschacht M befindliche Abfall fällt In den Schachtofen 1. Soll der Abfs./T kontinuierlich aufgegeben werden, kann an Stelle der Schieber 10, 12 ein einziger Drehschieber vorgesehen werden, der für eine druckdichte Abdichtung sorgt. Die Abfallstoff müssen dabei auf geeignete Größe zerklelnert werden, um durch die Taschen des Drehschiebers hindurchzutreten.
Die aufgegebenen Abfallsioffe durchlaufen die Trokkcnzone 2, innerhalb deren der größte Teil des Feuchtigkeitsgehalts verdampft wird. Die Temperatur im oberen Bereich der Trockenzone 2 wird unter 260" C und vorzugsweise zwischen 80 und 12O0C gehalten. Die gciföikneten Autöuätuiic Γϋι5€π6Π uänü ϋπι€Γ uctu Lifi fluß der Schwerkraft nach unten In die thermische Zerlegungszone 3. In der der organische brennbare Anteil Ins- besondere In vorwiegend aus Kohlenstoff bestehende V'erkohlungsprodukte, Kohlenmonoxid, Wasserstoff und Wasserdampf sowie In geringerem Umfang in Kohlendioxid und organische Dämpfe zerlegt wird. Metalle, zementartige Stoffe, Glas und andere nlchtbrennbare Stoffe rutschen zusammen mit den Verkohlungsproduklen im Schachtofen welter nach unten In die Verbrennungs- und Schmelzzone 4, wo die Verkohlungsprodukte mit dem in den Ofen über den Einlaß 6 eintretenden Vergasungsmittel 14 exotherm reagieren. Dadurch wird die Wärme erzeugt, die notwendig ist, um die metallischen Anteile des Abfalls zu schmelzen und das Glas und andere zementartlge Stoffe in eine fließfähige Schlacke zu überführen. Metall und Schlacke sammeln sich als Schmelzbad 15 Im unteren Teil des Schachtofens ! an. Das Schmelzbad 15 trill über eine (jberlaufkante 16 über und verläßt den Schachtofen 1 über das Stichloch 8. Es fällt in einem feuerfest ausgekleideten Schacht 18 nach unten in einen Wasserabschrecktank 19, wo Metall und Schlacke in körniger Form erstarren und sich auf dem Boden des Tanks absetzen. Der Spiegel 20 des Wassers 21 Im Tank 19 liegt höher als das untere Ende des Schachts 18, um den Ofen druckdicht zu halten. Schmelzflüssiges Metall und Schlacke suchen sich im Bad 15 unter reduzierenden Bedingungen innerhalb des Feuerraums voneinander zu trennen, wobei die Schlacke eine auf dem geschmolzenen Metall schwimmende Schicht bildet. Infolgedessen können Schlacke und Metall gesondert abgestochen werden. Werden sie dagegen in der veranschaulichten Weise abgeschreckt, bilden sie diskrete Teilchen aus Metall- und Schlackerückstand 22, wodurch die anschließende Trennung des Metalls von der Schlacke auf verhältnismäßig einfache Welse, beispielsweise durch magnetisches Abscheiden, erfolgen kann. Herrschen im Feuerraum leicht oxidierende Bedingungen, wird eine einheitliche fließfähige Schlacke gebildet, die das Metall in erster Linie In Oxidform enthält.
Die heißen, gasförmigen Verbrennungsprodukte, die durch die Reaktion zwischen den Verkohlungsprodukten und dem Sauerstoff im Feuerraum 4 gebildet werden und bei denen es sich infolge der im Feuerraum 4 aufrechterhaltenen reduzierenden Bedingungen in erster Linie um Kohlenmonoxid und Wasserstoff handelt, steigen Im Gegenstrom zu den nach unten rutschenden Abfallstoffen nach oben. Die hochsteigenden heißen Gase durch- laufen zunächst die thermische Zerlegungszone 3, wo sie einen Teil ihrer fühlbaren Wärmeenergie abgeben, um den organischen Anteil der Abfallstoffe auf thermischem Wege in gasförmige Bestandteile und Verkohlungsprodukte zu zerlegen. Die Gase gelangen dann weiter nach oben In die Trockenzone 2, wo ein weiterer Anteil des Wärmegehaits der Gase verbraucht wird, um die Feuchtigkeit in dem nach unten rutschenden Abfall zu verdampfen. Die gasförmigen Produkte, die den Schachtofen 1 über den Gasauslaß 7 verlassen, bestehen aus Wasserdampf, den verdampften Bestandteilen der Abfallstoffe und aus etwaigem Stickstoff, der gegebenenfalls als Bestandteil des Vergasungsmittels 14 eingeführt wurde. Das austretende Gas 23 enthüll ferner eine geringe Menge an mitgerissener Flugasche und einen feinen Nebel aus kondensierten flüssigen organischen Bestandteilen.
Die Zusammensetzung des den Schachtofen 1 über den Gasiiuslaß 7 verlassenden Gases hilngt In gewissem Umfang von der Art der Abfallstoffe ab. Infolge tier
* U-IU A~„ C»U..~U»nr~»~ ....r^A»U>A-Unl«^«n» U..lil<..>U~n
IIIIII.I ιιαιν tivd akiiu^iuuibirj uuMbk<iicnmii(.iivti nuujkiii.ii
Arbeitsbedingungen ist die Zusammensetzung des Gases 23 jedoch verhältnismäßig stabil. Sie liegt in dem In der Tabelle I angegebenen Bereich.
Tabelle I
Gasanalyse (VoI.".. iiul Trockcnbasls)
32 bis 54
CO 18 bis 31
H1 9 bis 25
CO1 2 bis 6
CO, 0,5 bis 2
Höhere organische Stoffe 0.2 bis 30
Stickstoff
Der Stickstoffgehalt des Gases wird fast ausschließlich durch die Menge des Stickstoffes im Vergasungsmittel bestimmt. Wenn reiner Sauerstoff benutzt wird, ist oer Stickstoffanteil im Produktgas kleiner als 1%. Enthält das Vergasungsmittel nur 40% Sauerstoff, liegt der Sticksloffantell im Produktgas bei ungefähr 30%. Der Gehalt an Wasserdampf Im feuchten Gas schwankt In erster Linie in Abhängigkeit von der Menge an freier Feuchtigkeit Im Abfall zwischen ungefähr 25 und 55 Vol.V Der im feuchten Gas enthaltene Wasserdampf macht typischerweise ungefähr 40 Vol.% aus.
Der Heizwert des Gases 23 liegt (auf Trockenbasis) zwischen ungefähr 7450 und 13 000 kJ/m1, gemessen bei 21° C und Atmosphärendruck. Aus Tabelle I folgt, daß mindestens 50% des Gases aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff bestehen. Ein solches Gas eignet sich wegen seines hohen Heizwertes als Brenngas und als Synthesegas, beispielsweise für die Herstellung von Methanol. Da3 trockene Produktgas hat eine Flammentemperatur und einen Wärmeübergangswert, die ähnlich denjenigen von Erdgas sind. Wegen des verhältnismäßig geringen Volumens, das auf die kleine Stickstoffmenge und die niedrige Temperatur zurückzuführen ist, ist außerdem die nachfolgende Beseitigung der im Gas enthaltenen Flugasche und Feuchtigkeit verhältnismäßig einfach und kostensparend, so daß die Reinigung mit vernünftigen Kosten vor der vollständigen Oxidation ausgeführt werden kann.
Das Gas 23 gelangt über eine Leitung 24 zu einem Gaswäscher 25, wo Schmutzstoffe, wie Flugasche, HCl, NO, SO: und kondenslerbare organische Verbindungen, aus dem Gas ausgewaschen werden. Vom Gaswäscher 25 hochsteigendes Gas 31 wird durch einen Kondensator 26 hindurchgeleitet, wo im wesentlichen der gesamte im Gas enthaltene Wasserdampf kondensiert wird, so daß
ein trockenes Gas der In der Tabelle I angegebenen Zusammensetzung erhalten wird. Waschwasser 27, das auch das aus dem Gas auskondensierte Wasser einschließt, strömt Im Gaswäscher 25 nach unten und wird in einem Absetztank 28 aufgefangen. Die dort angesammelte Flüssigkeit kann beispielsweise mit Calclumcarbonat chemisch geouffert werden, um HCl und andere Siluren zu neutrr'isleren.
Die Flüssigkeit trennt sich im Absetztank 28 In eine obere organische Schicht 29 und eine untere wäßrige Schicht 30. Die organische Phase 29 besteht In erster Linie aus kondensierten organischen Stoffen und etwas Flugasche. Die in der wäßrigen Phase 30 enthaltene Flugasche kann beispielsweise durch Filtration abgetrennt werden, tin Teil des geklärten Abwassers kann dann zurückgeleitet und Im Gaswäscher als Waschwasser benutzt werden. Die ausgefilterte Flugasche wird mit der organischen Phase 29 gemischt und in der in Fig. 2 veranschaulichten Welse zum Schachtolen 1 zurückgeführt. Restliches geklärtes Abwasser wird abgelassen.
Fig. 2 zeigt ein schematisches Fließschema einer gesamten Abfallverwertungsanlage. Abfallstoffe 31' und Sauerstoff 32 oder mit Sauerstoff angereicherte Luft, die mindestens 40% O. enthält, werden in den Ofen 33 eingebracht, wo der Abfall in geschmolzenes Metall und Schlacke, die als Rückstand 34 aus dem unteren üfenteil abgelassen werden und ein feuchtes abströmendes Gas 35 zerlegt wird, das aus dem oberen Teil des Ofens 33 austritt. Das Gas 35 wird In einen Gaswäscher 36 eingeleitet. Feuchtes gewaschenes Gas 37 kann unmittelbar einer .Sauerstoffgewinnungsanlage 38 zugeführt oder durch einen Kondensator 39 geleitet werden. Soll der Kondensator 39 umgangen werden, werden Ventile 40, 41 geschlossen, während ein Ventil 42 geöffnet wird, so daß das Gas 37 in eine Umgehungsleitung 43 gelangen kann, von wo es zum Teil über eine Leitung 46 zu der Anlage 38 strömt und zur.? Toil ::\ss einer ProdukÜeitung 44 aus= tritt. Soll das Gas getrocknet werden, werden die Ventile 40. 41 geöffnet, und das Ventil 42 wird geschlossen, so dali das Gas 37 in den Kondensator 39 gelangt. Mit Hilfe von Kühlwasser 57 wird die Kondensalionswarme abgeführt. Aus dem Gas 37 stammendes Kondensat 45 fällt in den Gaswäscher 36 zurück. Getrocknetes Produktgas wird vom oberen Teil des Kondensators 39 abgezogen. Ein Teil des trockenen Gases dient als Brennstoff für den Betrieb der Sauerstolfgewinnungsanlage 38. Das Brenngas wird mit Luft 47 verbrannt, um die Energie zu gewinnen, die lür die Herstellung der erforderlichen Menge (oder, falls erwünscht, auch einer größeren Menge) von Sauerstoff aus zugeführter Luft 48 erforderlich Ist. Das Brenngas kann unmittelbar, beispielsweise in einer Gasturbine, oder mittelbar benutzt werden, um Dampf oder elektrischen Strom für den Betrieb der Sauerstoffgewinnungsanlage 38 zu erzeugen. Die Anlage 38 kann in beliebiger herkömmlicher Weise aufgebaut sein. L:s kann sich beispielsweise um eine Tieftemperaturdestillationsanlage oder eine mit selektiver Adsorption arbeitende Anlage handeln. Im letztgenannten Falle kann mit einem Druckkreisprozeß oder einem thermischen Kreisprozeß gearbeitet werden. Durch die Verbrennung der Luft 47 und des über die Leitung 46 zugeführten Brennstoffes werden ein Abgas 49 und Energie erzeugt. Mittels letzterer wird in der Anlage 38 der in der Luft 48 enthaltene Sauerstoff 32 von dem Stickstoff und Edelgasen 50 abgetrennt. Letztere können abgeblasen oder zurückgewonnen werden. Der Sauerstoff 32 wirü dann in den Ofen 33 eingeleitet.
Aus detri Gaswäscher 36 abströmende Flüssigkeit 51 gelangt In einen Absetztank 52, wo sie sich In eine obere organische Phase 53 und eine untere wäßrige Phase 54 trennt. Die waßrlje Phase 54 wird einem Filter 55 zugeleitet, das Flugasche 56 aus dem Wasser 57' ausscheidet. Ein Teil des geklärten Wassers 57' wird über eine Leitung 58 In den Gaswäscher 36 zurOckgeleltet. während Überschußwasser 59 abgelassen wird. Die Flugasche 56 wird einem Mischer 60 zugeführt, wo sie mit der aus dem Absetztank 52 ausgelragenen organischen Phase 53 gemischt wird. Das Gemisch 61 aus Flugasche und flüssigen organischen Stoffen wird zum Ofen 33 zurückgeleltet.
Die Reihenfolge von Relnigungs- und die Trockenstufe kann vertauscht werden. Erfolgt die Reinigung
ij nach der Trocknung, wird das aus dem Kondensator abströmende Wasser unmittelbar in den Absetztank 51 geleitet. In einem solchen Falle können für die Reinigung des Gases an Stelle eines Naßskrubbers auch beliebige andere bekannte Gasrclnlgungsaniagen verwendet
>o werden, beispielsweise elektrostatische Gasreiniger, Beutelfilter oder t'yclonschelder.
Bei einer Integrierten Anlage der in Fig. 2 veranschaulichten Art dienen als Rohstoffe nur Abfall und Luft. Die einzigen Produkte des Systems sind ein brauchbares
J5 Brenn- oder Synthesegas, ein aus festem Metall und Schlacke bestehender uichter Rückstand und eine kleine Menge Abwasser, das nach entsprechender Behandlung abzuführen ist. Die Anlage ist autark, wobei das Kondenswasser zum Waschen des aus dem Ölen abströmen-
)0 den Gases benutzt und nur ein kleinerer Teil des Produktgases für den Betrieb der Sauerstolfgewinnungsanlage herangezogen wird. Der größere Teil des Gases kann als sauberes (trockenes oder feuchtes) Brenn- oder Synthesegas benutzt werden. Die Anlage liefert also einen Überschuß an nutzbarer Energie.
Die In Fig. 3 als Ordinate aufgetragene thermische Triebkraft stellt ein Maß für die Geschwindigkeit dar, mit der Wärme unter reduzierenden Bedingungen von dem gasförmigen Vergasungsmittel auf die im Feuer-
JO raum 4 befindlichen Feststoffe übertragen werden kann, wenn letztere eine Temperatur von etwa 1650 C haben. Die die Dimension einer Temperatur aufweisende thermische Triebkraft ist definiert als die im Gas für einen Wärmeübergang bei über 1650^C zur Verfügung ste-
4i hende Energie dividiert durch den Wärmeinhalt der Verbrennungsprodukte. Die Energie kann ausschließlieh als fühlbare Wärme vorhanden sein. In einem solchen Fall entspricht die thermische Triebkraft weitgehend dem Temperaturwert über 1650' C. Die Energie kann aber auch als eine Kombination von fühlbarer Wärme und dissoziierten Anteilen vorliegen, die unter Freisetzung von Energie an einer Feststoffoberfläche rekombinieren können.
Im Bereich des Feuerraums 4 kann die Verbrennungsreaktion wie folgt ausgedrückt werden:
2C {1650° C) +■ O. (T0C) + RN. T0C) = 2CO + RN..
Die im wesentlichen aus reinem Kohlenstoff bestehenden, nach unten in den Feuerraum rutschenden Verkoh-
<j0 lungsprodukte sind auf eine Temperatur von nahezu 1650° C vorgewärmt. Das Vergasungsmittel tritt in den Ofen mit einer Temperatur T ein. die von dem Maß der Vorwärmung abhängt. Wegen der im Feuerraum 4 herrschenden reduzierenden Bedingungen stellt Kohlenmo-
&5 iioxid die höchste im Gas vorhandene Oxidationsstufe dar. Fig. 3 läßt erkennen, daß die thermische Triebkraft durch die Verwendung von mit Sauerstoff angereicherter Luft oder von reinem Sauerstoff an' Steile von vorge-
wärmier Luft erheblich gesteigert, wird. Beim Einsatz von auf Kaumtemperatur befindlichem reinem Sauerstoff hat die thermische Triebkraft mit 2500 grd einen Wert, der mehr als viermal so groß wie der Wert von 593 grd für Luft Ist, die auf 980' C vorgewärmt Ist. Die thermische Triebkraft muß über 870 grd liegen, um für einen weiten Bereich unterschiedlicher Abfallzusammensetzungen einen einwandfreien Betrieb sicherzustellen. Vorzugswelse hat das Vergasungsmittel eine Konzentration von mehr als ungefähr 42% Sauerstoff; es kann dann ohne Vorwärmung des Vergasungsmittel eins thermische Triebkraft von mehr als 870 grd erzielt werden.
Bei dem vorliegenden Verfahren reicht die niedrige Sauerstoifmcnge von 0,15 bis 0.28 kg Oj/kg Abfall aus, well das Verfahren einen hohen thermischen Wlrkungsgrad hat und nur minimale Energieverluste eintreten. Ein hoher thermischer Wirkungsgrad wird erzielt, well durch den üegenstrombetrieb die hohe thermische Triebkraft der vom Feuerraum hochsteigenden Verbrennungsprodukt weitgehend ausgenutzt wird urd die Massen- stromdichten zwischen den hochsteigenden Gasen und den nach unten rutschenden Feststoffen Im Schachtofen ausgeglichen sind. Die hohe thermische Triebkraft führt zu einer hohen Geschwindigkeit des Wärmeaustausche zwischen den hochsteigenden Gasen und den nach unten fallenden Feststoffen; der Abfall wird rasch zerlegt; die Wärmeverlusie sind besonders klein. Ein Ausgleich der Massen zwischen den hochsteigenden Gasen und den nach unten rutschenden Feststoffen bewirkt, daß keine Energie den Ofen als fühlbare Wärme nutzlos verläßt. Wenn beispielsweise 1 t Abfall oben In den Ofen eingegeben wird und unten 0.21 O. zugeführt werden, wird ungefähr 1 t Produktgas erzeugt und oben abgezogen, während ungefähr 0,21 schmelzflüsslger Rückstand unten aus dem Ofen austreten. Dieses Gleichgewicht J5 wird Innerhalb des gesamten Schachtofens aufrechterhalten; es sorgt für einen wirkungsvollen Wärmeaustausch zwischen den den Schachtofen durchlaufenden Strömen.
Bei niedrigem Sauerstoffverbrauchsverhältnis Im Feuerraum des Ofens bleiben reduzierende chemische Bedin- gungen aufrechterhalten, so dali die Metalle schmelzen, statt oxidiert zu werden, und daß sich der Kohlenstoff Im Metall lust, wodurch dessen Schmelzpunkt abgesenkt wird, so daß es fließfähiger wird und leichter abgestochen werden kann.
Das Arbeiten mit einem Gewichtsverhältnis von Sauerstoff/Abfall, das wesentlich kleiner als der für die stöchlometrlschc Verbrennung des Abfalls erforderliche Wert Ist, führt zur Erzeugung eines Gases mit hoher Konzentration an brennbaren Bestandteilen wie Kohlenmonoxid und Wasserstoff.
Ein Anzeichen für den erzialten hohetV therfnlschen Wirkungsgrad ist die erreichbare hohe Vergasungspeschwindlgkeit, die definiert als kg verarbeitete Abfallstoffe je h je mJ Querschnittsfläche des Ofens bei herkömmlichen Vergasungsprozessen bei 294 kg/hm"' liegt. Mit dem vorliegenden Verfahren können Vergasungsgeschwindigkeiten von mehr als 1220 kg/hm' leicht erzielt werden.
Die Konzentration an Wasser in dem mit dem vorliegenden Verfahren erhaltenen Gas liegt im Bereich von 25 bis 55%, im allgemeinen bei ungefähr 40 Vol.ν Dies erlaubt eine wirkungsvolle Beseitigung des Wassers aus dem anfallenden Gas. Das kondensierte Wasser kann als Waschmedium In einem Skrubber verwendet werden. Wasserverschmutzungsprobleme sind besonders klein gehallen.
Well die Gasreinigung unmittelbar nach dem Austritt des Gases aus dem Schachtofen erfolgt, braucht nur ein verhältnismäßig kleines Gasvolumen gereinigt zu werden. Da die Gesamtmenge an Schmutzstoffen, die in einem Gasstrom nach dem Reinigen verbleibt, unmittelbar proportional dem Volumen des Stromes ist, wird vorliegend die an die Atmosphäre freigesetzte Schmutzstoflmenge beträchtlich verringert.
Das den Schachtofen 33 verlassende Gas enthält neben Flugasche kondensierte Tröpfchen einer organischen Flüssigkeit. Das Gemisch aus flüssigen organischen Stoffen und Flugasche bildet zuweilen eine klebrige Masse, die an den Wandungen der von dem Feuchtgas 35 durchströmten Leitung anhaftet und schließlich die Leitung verstopfen kann. Dies kann durch Einsprühen von Wasser z. B. aus der Leitung 57' oder einer anderen Flüssigkeit In den Gasstrom 35 nahe dem Gasauslaß des Ofens verhindert werden.
Ein leichter Überdruck von mindestens 63 Pa gewährleistet, daß keine Luft In den Ofen dringt. Dadurch wird jeder Explosionsgefahr vorgebeugt.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Erzeugen von brennbarem, auf Trockenvolumenbasis mindestens 50% Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthaltendem Produktgas durch Vergasung von brennbare organische und unbrennbare anorganische Stoffe enthaltenden festen Abfallstoffen In einem Schachtofen, in dem die Abfallstoffe, insbesondere Müll, durch mindestens auf 40 Vol.-% Sauerstoff angereicherte Luft unter Vortrocknen und Vorentgasen vergast werden und der anorganische Anteil geschmolzen wird, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Sauerstoff und eingegebenem Abfall ein Gewichtsverhälinis zwischen 0,15:1 und 0,28:1 eingestellt wird, dergestalt, daß in der Verbrennungszone eine bei 1650° C liegende Temperatur gegebenenfalls durch Vorwärmen des Vergasungsmittels aufrechterhalten wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Schachtofen ein Überdruck aufrechterhalten wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schachtofen mit mindestens 1220 kg/hm2 Abfall beschickt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Produktgas mit Wasser gewaschen und anschließend durch Auskondensieren getrocknet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Jie üaswaschflüssigkeit in eine organische Phase, Flugasche ynd eir-Λ wäßrige Phase zerlegt wird, wovon ein Teil der wäßrigen Phase zusammen mit dem beim Trocknen des Grms anfallenden Kondensat als Waschflüssigkeit verwendet wird, und die Flugasche zusammen mit der organischen Phase in den Schachtofen zurückgeleitet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnei, daß ein Teil des gereinigten Produktgases in einer Sauerstoffgewinnungsanlage zur Erzeugiing des im Verfahren erforderlichen Sauerstoffs verwendet wird.
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