DE2251302A1 - Verfahren zur trocknung und anschliessenden verbrennung von in wasser geloesten und/oder suspendierten organischen stoffen vornehmlich zum zwecke der abfallbeseitigung - Google Patents

Description

• Verfahren zur Trocknung und anschliessenden Verbrennung von in Wasser gelösten und/ oder suspendierten organischen Stoffen vornehmlich zum Zwecke der Abfallbeseitigung.
• Die Erfindung betrifft die Beseitigung von organischen Abfallstoffen insbesondere wenn diese in Wasser gelöst oder suspendiert sind, (Abwasser) erfolgt vorwiegend dadurch, dass diese Stoffe oxidiert (mineralisiert) werden. Die auch in einzelnen Fällen mögliche anaerobe Ausfaulung ffihrt nicht zu vollständigem Abbau der organischen Stoffe. Das in wässerigem Milieu vielfach gut wirksame Belebtschlammverfahren ist anfgllig gegenüber zu konzentrierten oder giftigen oder zu stark mineralölhaltigen Abfällen. Im übrigen fallen auch bei der Abwasserreinigung nach dem Belebtschlammverfahren wiederum wasserhaltige organischa Abfälle in irorm des Ueberschussschlammes an, die erneut anderweitig beseitigt werden müssen.
• Um diesen Mängeln abzuhelfen, wurden Verfahren vargeschlagen, die entweder auf Oxidation mit Luft oder besser Sauerstoff bei hoher Temperatur und entsprechend hohen Drucken direkt in der wdsserigen Phase beruhen sollten oder die eine konventionelle Trocknung der Abfallstoffe (ovtl. nach vorhergehender mehrstufiger Verdaipfuq des Wassers) und anschliessende Verbrennung der organischen Stoffe bei Normaldruck zum Ziel hatten. Das erstere Verfahren ist technisch aufwendig, wegen des zumeist erforderlichen reinen oder in Luft angereicherten Sauerstoffes.
• Hinzu kommt der Aufwand rur Erwärmung des Reaktionagemisohes sowie die Rtlckgewinnung der Wärme in Austauschern, die schnell verkrusten und pflegebedürftig sind. Diese letzteren Nachteile gelten auch für Eindampfungsverfahren.
• Hinzu kommt hier noch, dass in den kondensierten Erden der iehrstufigen Eindempfung sich die flüchtigen und ort übel riechenden organischen Abfallstoffe ansaseeln und somit dem Reinigungsverfahren entziehen. Beide Verfahren sind kostspielig.
• Geilss der Erfindung werden die oben genannten X!izigel weitgehend vermieden, wenn das Abwasser in einer ausreichenden Menge Luft vernebelt wird und diese dann durch adiabatische Verdichtung über die kritische Temperatur des 'Vassers, ggfl. auch höher bis zur Zündtemperatur des Gemisches erhitzt wird. Bei diesem Zustand verpufft die gesamte verbrennbare Substanz augenblicklich. Je nach Konsistenz, Heizwert, Wassergehalt und anderen Kriterien, wie z.B. Zündgeschwindigkeit, Viskosität, chemische Aggressivität usw. kann es auch verteilhaft sein, die Verbrennungsluft zunächst für sich allein auf die nötige Temperatur zu komprimieren und dann unter fortschreitender Verdichtung das Abwasser einzuspritzen.
• In beiden Fällen ist es nur eine Infrage der Xompressious-und Expansionsverhältnisse, die zur Ermöglichung und Einleitung des Verbrennungsprozesses aufgewendete Energie bei der nach der Verbrennung folgenden Expansion soweit zurückzugewinnen, dass zur Aufrechterhaltung des periodisch zu wiederholenden oder auch kontinuierlich ablau-Senden Vorganges die Verbrennungswowme der zur oxidierenden Stoffe ausreicht.
• wenn dem System mechanische Energie nicht entnommen wird - was Ja auch nicht der primäre Sinn des Verfahrens ist -genügt es bei Verwendung von Kolbenmaschinen schon zum Ausgleich von Wirkungsgradverlusten (Reibung - Abwärme), wenn das eingespritzte Abwasser etwa 5 - 10% organischer Trockenmasse mit einem oberen Heizwert von etwa 4.000 bis 5.000 /kg enthält, was bei biologischen Stoffen wie iweissen und Kohlehydraten z.B. aus Schlachthäusern Nolkereien, Leimfabriken, Brennereien, Zellstoffwerken, Papierfabriken, insbesondere aber auch fiir abzemtrifugierten Ueberschusschlamm aus flarwerken und viele andere Chemieabfälle im allgemeinen zutrifft; bei Fetten, Zettsäuren, Kohlenwasserstoffen, Oelen usw. liegen die Terhältnisse noch günstiger. Halogenierte organische Terbindungen können mit mineralischen Alkalien zusammen zu unschädlichen Verbrennungsprodukten verarbeitet werden.
• Sollten zu wenig Verbrennungswärme enthaltende Abwässer nach diesem Verfahren mineralisiert werden, so kann es immer noch wirtschaftlich sein, die fehlende Energie a) durch Beimischung von Autoalt81, Teeröl, schwerem oder leichtem Heizöl, Holzmehl, Kohlenstaub, Papiermehl, geschmolzenem Polyäthylen oder anderen wohlfeilen oder zu beseitigendem Stoffen zu ersetzen.
• b) oder die Verbrennungsluft in einem mechanisch angetriebenen vorverdichter vorzuspannen und vorzuwärmen, was im Ubrigen einer wesentlichen Verkleinerung des der Verbrennung dienenden Hauptkompressors dienen kann, zumal wenn in diesem Falle zweckmässigerweise ein Kurbeltriebkonpressor mit genitgend grossem Schwungrad verwendet wird, oder c) den Verdichter, in welchem der Oxidationsprozess durchgerilhrt wird, zusätzlich mechanisch oder elektromagnetisch anzutreiben.
• Bei Ueberschuss an mechanischer Energie kann umgekehrt diese von dem Verdichterkolben mechanisch bzw. elektromagnetisch oder durch Drosselung des Abgasstromes auch thermisch abgeleitet werden, um die frequenz der Verbrennungsvorgänge unter Kontrolle zu halten.
• Das vorbeschriebene Verfahren weicht von dem bekannten Dieselverfahren in mehrfacher Hinsicht grundlegend ab a) Der Zweck ist nicht die Gewinnung mechanischer Energie durch Verbrennung, sondern die Beseitigung von in Wasser befindlichen organischen Abfallstoffen.
• b) Bei dem Verfahren gemäss der erfindung messen erheblich höhere Verdichtungsverhältnisse und Drucke als beim Dieselverfahren angewendet werden. Die Arbeitstempera turen sind dagegen eher niedriger und es kann aur Kishlung des Arbeitsraumes weitgehend oder ganz verzichtet werden.
• c) Während beim Dieselverfahren die Verbrennungsluft adiabatisch verdichtet wird, geht die Verdichtung hier entweder bei Vernebelung des Abwassers in die Ansaugluft polytrop mit sehr niedrigen Kappa-wert vor sich oder bei späterer Einspritzung zunächst adiabatisch, anschliessend aber nahezu isotherm (wegen der inneren Kühlung durch die Wasser-Verdampfung). Die thermodynamischen Vorgänge ähneln als in mancher Beziehung eher denen in Dampfmaschinen.
• d) Der Anfall an Mineralstoffen im wässerigen Abgasnebel ist in den meisten Fällen um Grössenordnungen höher als bei Verbrennungsmaschinen.
• Dieses alles erheischt auch besondere technische vorkehrungen.
• Von den vielfachen möglichen vorrichtungen zur Durchfuhrung dieses Verfahrens soll hier nur eine besonders geeignete zusammen mit einem DurchfMirungsbeispiel beschrieben werden : In einem senkrecht stehenden Zylinder, der an beiden Enden geschlossen ist, und zweckmässig federnd befestigt ist, befindet sich ein frei beweglicher und möglichst schwer gebauter kolben (Freikolben) mit Abdichtungsringen. Materialrra'gen können hier ausser Betracht bleiben, da die 'l'echnologie der n8cflstdruckdampfturbinen oder Gasturbinen und der Verbrennungskrartmaschinen sowie der Chemiepumpen und -ompressoren hochwarmfeste, korrosionsboständige, abriebfeste, ermtidungsfreie und sonst geeignete Werkstoffe sowie deren tombinationen in genügender Zahl ermittelt hat). Durch einen beispielsweise pneumatischen Anlassvorgang wird der Kolben in Richtung von einem auf das andere Ende des Zylinders in Bewegung versetzt; er verdichtet dabei die vor ihm befindliche Luft vom Anfangszustand 300°K/1 ata adiabatisch auf 700 0K- 20 ata (volumstrisches Verdichtungsverhältnis ca. 1 : 9). Das nunmehr singespritze Abwasser (ca. 8 - 9% des Gewichtes der verdichtoten Luft) wird über seine kritische Temperatur {646°K1 erhitzt und geht unabhängig vom herrschenden Druck in den tiberhitzten Gaszustand über. Damit die verdichtete Luft und das verdampfte Wasser ) nicht durch weitere Abgabe von Verdampfungswärme an das noch unverdampfte Wasser abgekühlt wird, ist anschliessende isotherme Verdichtung in dem Masse nötig, dass die hierbei zugeführte Energie zur vollständigen Verdampfung und Trocknung bzw.
• Vergasung der organischen Stoffe ausreicht. Im vorliegenden Beispiel ist hierzu eine Verdichtung auf ca. 7000K/ 350 ata erforderlich. Daa volumetrische Verdichtungsverhlltais beträgt dann etwa 1 : 150 (es jibertrifft dasJenige von Dleselmaschinen um das 7 bis 9-rache). Die nunmehr eintretende Verbrennung erwärmt das Gemisch unter der Annahas, dass im Abwasser 5 - 6% brennbare Stoffe mit unterem Heizwert von ca. 5.000 WE/kg vorhanden sind, von 700°K auf 775°K. Die hierdurch zugeftihrte Energie reicht au8, um dem freigängigen Kolben bei der nun folgenden Expansion soviel mechanische Energie mitzuteilen, dass auf der anderen Seite des Kolbens ein weiterer Verdichtungsvorgang usw., wie oben beschrieben, vor sich gehen kann. Es werden also die Volumina beiderseits des Kolbens nach dem Zweitaktprinzip gentitzt. Bei Abwässern mit geringem Heizwert kann noch durch entsprechende Anordnung der Einless-und Auslasschlitze bzw. Ventile das Anssugvolumen verkleinert und das Expansionsvolumen vergrössert werden, sodass ein optimaler Wirkungsgrad erreicht wird. Reicht dieses nicht aus, 30 werden die oben beschriebenen Hilfen zur Energiezufuhr angewandte Aus dem Vorgetragenen ergeben sich folgende Konstruktionsprinzipien für geeignete Vorrichtungen zur DurohfUhrung des Trocknungs- und Verbrennungsverfahrens 1) Der Verdichtungsraum sollte möglichst lang im Verhältnis zum Durchmesser sein, damit bei den hohen volumetrischen Verdichtungsverheltnissen ein nicht zu flacher Restraum verbleibt ( ungilzistiges VerhSltnis von Oberfläche zu Volumen mit der unermünschten Folge zu grosser Wärmeableitung und Verkrustung zu grosser Flächen, sowie Gefahr des direkten mechanischen Schlages des Kolbens auf die Innenwand des Zylinderkopfes).
• 2) zeine Freikolben- (oder Freizylinder)-konstruktion bietet bei der möglichen Verkrustung des Zylinderkopfes oder des Kolbenbodens den Vorteil, dass mechanische Beschädigungen vermieden werden, weil sich der Kolbenhub den Verhältnissen anpasst. Im übrigen gestattet der treibkolben auch extreme Verhältnisse von Hubhöhe zu Kolbendurchmesser, wie sie bei Kurbeltrieben nur mit grossem Aufwand realisiert werden könnten.
• 3) Im Gegensatz zu Verbrennungsmaschinen sollte der Freikolben oder Freizylinder besonders schwer sein, weil dadurch die laufgeschwindigkeit niedriger gehalten werden kann und bei den auftretenden hohen Drucken auf einem längeren kolben mehr Dichtringe oder Labyrinthkaminern aufgebracht werden können.
• 4) Angesichts der Länge des Epansionsraunies und des wegen des aschehaltigen Abgases vorteilhaften Zweitaktverfahrens sollte Niederkruckspülluft angewendet werden.
• Diese sollte zweckmässigerweise durch Ventile und Schlitze, die an der Stelle angeordnet sind, wo sich der Kolben befindet, wenn sich schon mittlere äompressionsdrucke beispielsweise 5 - 15 ata einstellen, eingeblasen werden, sobald die Auspuffschlitze vom Kolben freigegeben sind. Die Spülluftschlitze sollten so augerichtet sein, dass auch das nahe gelegene Zylinderkopfende des Verbrennungsraumes gespült wird.
• 5) Die Geschwindigkeit, mit welcher der Freikolben die Mitte des Zylinders durohflhrt, gestattet es, die für den laufenden Kompressionsvorgang verfügbare Energie zu ermitteln und damit festzustellen, für welche Zinspritzmenge von Abwasser diese Energie zur Verdampfung und Ueberhitzung ausreicht und damit diese Menge entsprechend zu bemessen, evtl. aber auch eine ebenso ermittelte Menge Zusatzbrennstoff hinzu zu dosieren.
• 6) Bei senkrecht stehendem Zylinder ist zu berücksichtigen, dass der untere Verdichtungsraum mehr katzen kann als der obere, weil ihm zu der Antriebsenergie aus dem oberen Verdichtungsraum zusätzlich die Fallenergie des äolbens zugeführt wird. Dementsprechend sind die Ansaugmengen verschieden zu bemessen, was durch sinngeässe unsymetrische Anordnung der Ein- oder Auslassventile bzw.-Schlitze erreicht werden kann. Auch die inspritzmengen sind betroffen. Im Ubrigen bietet aber der senkrechte Zylinder den Vorteil, dass der schwere Freikolben keine seitlichen Kräfte auf die Wandungen aushebt und somit Verschleiss allgemein und insbesondere unsymietrischer Verschleiss hintangehalten wird, was angesichts der hohen Drucke und der entsprechenden Diohtungsanforderungen bedautsam ist.

Claims (9)

P a t e n t a n s p r ü c h e

1. Verfahren zur Trocknung und anschliessenden Verbrennung von in Wasser gelösten und/oder suspendierten organischen Stoffen zwecks Abfallbeseitigung, dadurch gekennzeichnet, dass die zu oxidierende Lösung und/oder Suspension in eine Luftmenge fein verteilt wird, welche durch adiabatische oder polytrope iLompression so hoch erhitzt wird, dass das Wasser vollständig oder weitgehend verdampft wird, dass der in der Luftmenge auf hohen Teildruck verdichtete Sauerstoff die fein verteilten und weitgehend trockenen organischen partikel oder Dämpfe in kurzer Zeit verbrennt und dass anschliessend das Gemisch der Luft, des asserdampfes und der Verbrennungsprodukte durch adiabatische Expansion weitgehend entspannt und gegebenenfalls bis unter den blaupunkt abgekühlt wird, dass die zuvor aufgewendete Kompressionsenergle zurückgewonnen und zur Kompression, Trocknung und Verbrennung der folgenden Mengen benutzt wird.

2. Verfahren nach P a t e n t a n s p r u c h 1, dadurch gekennzeiohnet, dass bei zu geringem Wirkungsgrad des sompressions-,Verbrennungs- und Expansionsvorganges und, oder infolge unsureichenden Heizwertes der in der wässerigen Lösung und/oder Suspension vorhandenen organischen Stoffe zusätzlich Brennstoffe wie z.B. Heizöle, Teere, Kohlenstaub, eapierstaub, faulgas, Erdgas etc. in solcher Lienge zugeführt vjerden, dass der Verbrennungsvorgang in ständiger Wiederholung oder fortlaufend mit der gewbnsohten Temperatur sowie Geschwindigkeit bzw. Breqiienz abläuft.

3. Verfahren nach den P a t e n t a n s p r ü c h e n 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die in Patentanspruch 2 bezeichneten Zusatz stoffe in anderen Verbrennungsräumen unter Gewinnung mechanischer Energie verbrannt wurden und dass die gewonnene. mechanische Energie genutzt wird, um den im Patentanspruch 1 bezeichneten Prozess aufrecht zu erhalten.

4. Verfahren nach den P a t e n t a n s p r ü c h e n 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die im P a t e n t a n t a n s p r u c h 2 und 3 angestrebten Ziele durch teilweise Vorverdichtung der Verbrennungslurt in mechanisch bzw. elektrisch angetriebenen Kompressoren erreicht werden.

5. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in den P a t e n t a n s p r ü c h e n 2 und 3 angestrebten Ziele durch direkten, mechanischen, elaktrisohlen, pneumatischen oder anderweitigen Antrieb der rar den Verbrennungsprozess benötigten Verdichtungsorgane erreicht werden.

6. Vorrichtung und Verfahren nach den PatontansprUchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Zylinder ein Freikolben hin- und her- bz, aur- und absohwingt, sodass die bei der Verbrennung und Bxpansion auf der einen Seite des Kolbens frei werdende energie dazu dient, auf der anderen Seite des Kolbens die I:onpraosion neuer Verbrennunealuft und somit die Trocknung der in wässeriger Lösung oder Suspension eingebrachten brennbaren Stoffe sowie anschliessender Zündung und Verbrennung zu bewirken.

7. Vorrichtung nach den PatentansprUchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in einem mechanisch angetriebenen Vorverdichter Luft verdichtet und anschliessend in einem Hauptverdichter zur Verbrennung der in eingespritztem Abwasser enthaltenen organischen Stoffe verwendet wird.

8. Vorrichtung und Verrahren nach den Patentansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtungs- und Verbrennungsräume nach dem Zweitaktprinzip evtl. unter Verwendung von Spülluftgeblässen beschickt und betrieben werden.

9. Vorrichtung und Verfahren nach den Patentansprtichen 1 bis 5 sowie 7 und 8, dadurch gekennzelchnet, dass der Kolben feststeht und der oder die Zylinder bewegt werden.