DE2247841C3

DE2247841C3 - Verfahren zur Naßoxydation von kohlenstoffhaltigem Abfallmaterial

Info

Publication number: DE2247841C3
Application number: DE2247841A
Authority: DE
Inventors: Donald W. Bridges; Martin W. Fassell
Original assignee: Michigan Tech Fund Houghton Mich (vsta)
Current assignee: Michigan Tech Fund Houghton Mich (vsta)
Priority date: 1972-09-29
Filing date: 1972-09-29
Publication date: 1981-02-12
Also published as: NL7312989A; CA977621A; BE805462A; US3920548A; DE2247841B2; BR7306978D0; NL186759C; DE2247841A1; NL186759B

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Naöoxydation von kohlenstoffhaltigem Abfallmaterial, wobei eine wäßrige Dispersion des Materials für eine ausreichende Zeit und bei ausreichender Temperatur und Druck zur Bewirkung einer wesentlichen Oxydation des Materials mit einem oxydierenden Gas in Koniakt gebracht wird.

Die Erfindung bezieht sich also allgemein auf die Oxydation kohlenstoffhaltiger Abfallmaterialien zur Erzeugung von ökologisch akzeptierbaren Abwässern bzw. Abfällen, spezieil ist die Erfindung auf die Naßoxydation von Abfallmaterial, nämlich insbesondere städtischen Klärschlamm gerichtet unter Verwendung einer speziellen Ausrüstung und unter speziellen Bedingungen, um die Wirksamkeit der Oxydation zu verbessern und die Genauigkeit der einzuhaltenden Bedingungen sowie die Kosten für Ausrüstung und Betrieb, die in Verbindung mit bestehenden Naßoxydationstechniken auftreten, zu reduzieren. Bei der Behandlung von Abwässern, Abfallstoffen u.dgl., insbesondere von städtischen Abwässern, stellt vermutlich die Beseitigung und Verfügbarkeit des sich ergebenden Klärschlamms das ungelöste Hauptproblem im Gesundheitswesen dar. Eine übliche Wasserbehandlung umfaßt eine Reihe von physikalischen und biochemischen Einheitsbchandlungsstufcn, in denen der organische Abfall als Schlamm abgetrennt wird. Eine übliche städtische Gemeinschaft von etwa 200 000 Einwohnern erzeugt täglich etwa 20 Tonnen Klärschlamm. Die Beseitigung dieses Schlamms ist kostspielig, ein Vergraben desselben erbringt ohne Sterilisation einen Unsicherheitsfaktor, auch seine Verwendung ist begrenzt, da er sich kaum als Düngemittel oder Brennstoff eignet.

Darüberhinaus erschweren auch die physikalischen Eigenschaften des Klärschlammes seine weitere Handhabung und Verarbeitung. Eine Sedimentation ist umständlich, auch enthält abgesetzter Schlamm etwa 95 bis 99% Wasser, wobei eine Entwässerung schwierig ist.

In den vergangenen 30 oder 40 Jahren sind eine Vielzahl von Vorschlägen für die Behandlung und Beseitigung von Klärschlamm gemacht worden. Ein bekanntes, in der US-PS 20 75 274 beschriebenes Verfahren umfaßt die Erhitzung des Schlamms in einem unter Druck gesetztem Gefäß für 15 bis 30 Minuten unter selbsterzeugtem Druck auf eine Temperatur von 182 bis etwa 200° C Dies führt zu einer Sterilisierung des Schlamms und begünstigt seine Fähigkeit zur Filtrierung und Ausfällung und Setzung, erzeugt jedoch eine scharf riechende, gefärbte und verschmutzteisfissigkeit. Etwa seit 1912 konzentrierte sich dann das Interesse auf die sogenannte Naßoxydation (siehe US-PS 11 41 420). Später ergaben sich dann Verfahren (US-PS 26 55 249), bei weichen eine wäßrige Dispersion des kohlenstoffhaltigen Abfallmaterials für eine ausreichende Zeit bei ausreichender Temperatur und Druck mit einem oxydierendem Gas in Kontakt gebracht wird, um eine unter der Oberfläche ablaufende, flammenlose Oxydation der Abfälle hervorzurufen. Unlösliche organische Bestandteile werden in einfachere lösliche organische Verbindungen umgewandelt, die ihrerseits oxydiert und gegebenenfalls zu Kohlendioxid und Wasser umgewandelt werden. Organischer Aminstickstoff wird dabei schließlich zu Ammoniak, Schwefelverbindungen zu Sulfaten und organische Phosphorverbindungen zu unlöslichen Phosphaten umgewandelt.

Wie ursprünglich vorgeschlagen (US-PS 26 55 249) wurde dieser sogenannte »Zimmermann«- bzw. »Zinnpro«-Prozeß entweder badweise oder kontinuierlich durchgeführt, und zwar in einem vertikalen Reaktorgefäß bei Temperaturen oberhalb von 232° C, üblicherweise aber bei Temperaturen oberhalb von 260 bis 316°C. Die Reaktoren wurden mit Luft unter Druck gesetzt, wobei die Drücke bei den Reaktionstemperaturen üblicherweise im Bereich zwischen 105 kg/cm² bis 140 kg/cm² lagen. In nachfolgenden Behandlungseinheiten wurden die Arbeitstemperaturen auf 225 bis 277° C reduziert mit entsprechenden Drücken zwischen etwa 34 bis 123 kg/cm². Zwar dürfte es zweifelsohne ökonomische Vorteile haben, bei diesen geringen Temperaturen und Drücken zu arbeiten, es hat sich dabei jedoch ergeben, daß die Qualitä: ^_er Abwasserflüssigkeit bei einer Niedrigtemperatur-Naßoxydation nich' besser ist als die (ohne Oxydation) durchgeführte Wärmebehandlung nach dem Porieous-Verfahren, wie in der weiter vorn schon genannten US-PS 20 75 224 beschrieben. Der im Anspruch I angegebenen Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Naßoxydationsverfahren für Klärschlamm und anderes kohlenstoffhaltiges Abfallmaterial zu schaffen, bei welchem mit relativ geringen Temperaturen und Drücken gearbeitet werden kann, das jedoch in der Lage ist, ein gereinigtes Abwasser hoher Qualität zu erzeugen,

Dabei wird in Übereinstimmung mit erfindungsgemäßen Merkmalen die Naßoxydation des kohlenstoffhaltigen Abfallmalerials mit einem oxydierenden Gas in einem in Horizontalrichtung verlängerten Reaktorgefäß durchgeführt, welches in eine Vielzahl von im allgemeinen zylindrischen, miteinander verbundenen Abteilen unterteilt ist. Nahe dem einen Ende des Reaktorgefäßes wird eine wäßrige Dispersion des Abfallmaterials kontinuierlich eingeführt und fließt von

einem Abteil zum anderen durch das Gefäß und wird schließlich am entgegengesetzten Ende entnommen. In die in der Vielzahl der Abteile befindliche Dispersion wird kontinuierlich oxydierendes Gas eingeführt, während Rührwerke die Dispersion in diesen Abteilen heftig umrühren, um das oxydierende Gas zu dispergieren, wodurch die Oxydation des Abfallmaterials bewirkt und ein ökologisch akzeptierbares (gereinigtes) Abwasser erzeugt wird.

Während die wäßrige Dispersion für einen Zeitraum von etwa I bis 30 Minuten durch das Reaktorgefäß geführt wird, wird diese auf einer durchschnittlichen Temperatur von etwa 204 bis 246°C aufrechterhalten, dabei wird vorzugsweise ihr pH-Wert im Säurebereich, beispielsweise bei einem pH-Wert von 2,0 bis 7,0 aufrechterhalten. Der Druck ist dabei autogen, also selbst erzeugt bzw. liegt darüber.

Als Folge dieser Maßnahmen werden extrem schnelle Reaktions-(Oxydattoas)-Raten innerhalb von Zeiträumen, Temperaturen und Drücken erzielt, die bis jetzt als nicht ausreichend für eine im wesentlichen vollständige Naßoxydation des Klärschlammes angesehen wurden. Als zusätzlich hierbei auftretende Vorteile halten sich auch Ausrüstungs- und Betriebskosten auf einem Niveau, welches ausreichend niedrig ist, um die Naßoxydation für kleinere Bereiche (beispielsweise an Bord eines Schiffes), aber auch im großen Maßstab (für städtische Anwendungszwecke) attraktiv zu machen.

Entwurf und Konstruktion des Reaktionsgefäßes bzw. des Reaktors folgen /orzugsweise den Prinzipien, die erfolgreich angewendet wurdec bei un; j hohem Druck arbeitenden metallurgischen Extnktionsrekatoren (siehe Fasseil, »Hyper-Atmospheric Extracts Metallurgy, Its Past, Present and Future«, in der Zeitschrift »Pure and Applied Chemistry«, Band 5, auf den Seiten 683-699, 1962). Für kleinere Größen wird der Reaktor vorzugsweise ganz aus Titan hergestellt bzw. es werden alle inneren Oberflächen des Reaktors mit Titan ausgekleidet. Auch die Rührwerke bestehen vorzugsweise aus geschweißtem Titan. Bis zu den Stopfbüchsen bestehen die Rührwerkwellen gleichfalls aus Titan, wobei zur Durchführung durch die Stopfbüchsenpakkungen Carpenter 20 oder eine ähnliche Legierung verwendet wird. Lageroberflächen werden mit Legierungen mit hohem Chromgehalt metallisiert, sämtliche freien Teile sind von einerTitanummantelung geschützt.

Es hat sich herausgestellt, daß die Wirkungsweise der Naßoxydation in beträchtlichem Ausmaß von der Geometrie des Reaktors und der Rührwerke beherrscht und beeinflußt ist. Vorzugsweise stellt daher das Reaktorgefäß ein in Horizontalrichtung verlängertes Druckgefäß dar, welches in eine Vielzahl von Unterteilungen bzw. Abteile unterteilt ist, wobei Vorkehrungen getroffen sind, die einen Fluidumsdurchfluß von Abteil zu Abteil in einer Richtung entlang der Reaktorachse ermöglichen.

Die Proportionen der einzelnen Abteile sind so, daß diese am besten horizontale kreisförmige Zylinder bilden, dessen Länge annähernd gleich ihrem Durch« messer ist. Zentral in jedem Abteil angeordnet ist ein Rührwerk, positioniert entlang einer vertikalen Achse senkrecht zur Mittellinie des Reaktorgefäßes, dabei zentral bezüglich jedes einzelnen Abteils angeordnet. Das Rührwerk verfügt über zwei Flügelräder bzw. Propeller, jeder mit einem Durchmesser etwa gleich einem Drittel des Abteildurchmesscrs; der untere Propeller ist etwa um ein Drittel des Durchmessers oberhalb des Bodens des Reaktorgefäßes angeordnet.

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der obere Propeller hält zum Boden einen Abstand von zwei Drittel des Djrchmessers ein. Jeder Propeller besteht aus einer Scheibe von geradeverlaufenden, vertikalen Flügeln, die an der unteren Seite angeordnet sind und sich entlang von Radien der Scheibe erstrecken.

Die soeben erläuterten Grundsätze der Reaktionsjefäß- und Rührwerksgeometrie sind weitestgehend erforscht und untersucht worden, siehe den Aufsatz von Levine und Fasseil, »Technique of Gas Oxidation During Pulp Agitation«, in der Zeitschrift »AIME Transactions« (Mining), Band 223,1962.

Die Drehzahlen der Propeller für maximale Verwendung der Eingangsleistung ändern sich in etwa mit dem Propellerdurchmesser. Allgemein sind für Propeller, die einen kleineren Durchmesser als etwa 10 cm haben, Drehzahlen zwischen 1500 bis 3000 Umdrehungen pro Minute erwünscht, während bei größeren Propellern oder Flügelrädern.die bestmöglichste Drehzahl augenscheinlich etwas geringer ist. Luft wird durch die hohlen Propellerwellen eingeführt.

Das heftige Umrühren trägt in vorteilhafter und günstiger Weise zu mehreren physikalischen und mechanischen Gesichtspunkten einer Naßoxydations-Reaktion bei. Zunächst werden die Feststoffe der kohlenstoffhaltigen Abfallmaterialien innig dispergiert, so daß sie gegenüber flüssigen und gasförmigen Phasen mehr zugänglich sind. Zweitens wird das oxydierende Gas durch das wäßrige Medium in Form von unzähligen feinen Blasen dispergiert, so daß die Sauerstoffaufnahme und die Entwicklung von gasförmigen Oxydationsprodukten, in der Hauptsache Kohlendioxid, erleichtert wird.

Eine Mischung beschleunigt daher beträchtlich die Naßoxydation. Das Vermischen dispergiert das sauerstoffhaltige Gas in der Flüssigkeit in Form kleiner Blasen und vergrößert auf diese Weise den wirksamen Grenzflächenbereich für die Massenübenragung. Auch wird die Diffusionsrate des gelösten Gases durch die Flüssigkeitsmasse vergrößert. Zusätzlich bewirkt das Mischen eine Zirkulation der Flüssigkeit in schnellen Wirbelströmen, wodurch das Entweichen von Luftblasen aus der Flüssigkeit verzögert und die Kontaktzeit für die Massenübenragung vergrößert wird. Schließlich wird eine turbulente Scherkrafteinwirkung erzielt, so daß sich die Dicke des stagnierenden Flüssigkeitsfilms und damit auch sein Widerstand gegenüber einer Massenübertragung reduziert. Diese soeben geschilderten Effekte treten zusätzlich zu der physikalischen Dispersion der Feststoffe des Abfallmaterials auf, die durch u'as intensive Rühren hervorgerufen wird.

Indem man die Oxydation in einer Reihe von als Abteile ausgebildeten Reaktionszonen durchführt, und nicht nur in einer einzigen Reaktionszone, ergibt sich der Vorteil, daß sowohl ein sogenanntes Kurzschließen der Feststoffe verhindert wird, (daß also ein direkter Fluß eines Teilchen vom Einlaß zum Auslaß ohne eine ausreichende Verweilzeit auftritt), als auch ein unnötig langes Zurückhalten. Beim einem einstufigen Reaktion*= gefäß, dessen Inhalt umgerührt und bewegt wird, ist es nicht nur möglich, sondern wahrscheinlich, daß sämtliche inkrementalen Bestandteile des Reaktionsfluidums nicht für den gleichen Zeitraum in der Reaktionszonc verbleiben. Als Folge daraus sind einige Bestandteile des reaktionsfähigen Gemisches nicht ausreichend umgewandelt bzw. konvertiert, während andere während eines übertrieben langen Zeitraumes in der Reaktionszone verblieben sind. Indem man eine

Vielzahl von Zonen bzw. Abteilen verwendet, in welchen der Inhalt jedes Abteils unabhängig gerührt und bewegt wird und indem das zu reagierende Fluidum von Abteil zu Abteil fließt, verringert man die Wahrscheinlichkeit, sowohl des weiter oben schon erläuterten Kurzschlusses als auch eines übertrieben langen Zurückhaltens. Darüberhinaus erlaubt die Verwendung einer Vielzahl von Abteilen, daQ die Konditionen für jedes Abteil optimal eingestellt werden können, d. h. daß da, wo Katalysatoren verwendet werden, diese Katalysatoren vorteilhafterweise nur in den Endreaklionsslufen verwendet werden.

Claims

Patentanspruch:

Verfahren zur Naßoxydation von kohlenstoffhaltigem Abfallmaterial, wobei eine wäßrige Dispersion des Materials für eine ausreichende Zeit und bei ausreichender Temperatur und Druck zur Bewirkung einer wesentlichen Oxydation des Materials mit einem oxydierenden Gas in Kontakt gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktierung und die Oxydation in einem in Horizontalrichtung verlängerten Reaktionsgefäß durchgeführt wird, welches in eine Vielzahl von im aligemeinen zylindrischen, miteinander verbundenen Abteilen unterteilt ist, daß nahe einem Ende des Reaktionsgefäßes kontinuierlich die wäßrige Dispersion des Abfailmaterials eingeführt und von Abteil zu Abteil durch das Reaktionsgefäß bewegt wird und die oxydierte Dispersion nahe dem entgegengesetzten Ende des Reaktionsgefäßes entnommen wird, daß die durchschnittliche Temperatur der Dispersion im Bereich etwa zwischen 204 bis 246° C und der pH-Wert der Dispersion im Säurebereich aufrechterhalten wird, daß in einer Vielzahl der Abteile kontinuierlich oxydierendes Gas in die Dispersion eingeführt wird und daß in der Vielzahl der Abteile die Dispersion zur feinen Verteilung des oxydierenden Gases in derselben heftig gerührt und bewegt wird, derart, daß eine schnelle Oxidation des Abfallmaterials zur Erzeugung eines ökologisch akzeptierbaren Abwassers bewirkt wird.