DE2321423A1 - Wirbelbettsystem fuer festen abfall - Google Patents

Wirbelbettsystem fuer festen abfall

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Description

Die Erfindung bezieht sich, auf ein System zur Rückgewinnung verschiedener Produkte aus festen Abfallstoffen unter Verwendung eines Wirbelbettreaktors (auch Fließoder Fluidalbettreaktor genannt). Dabei handelt es sich um die Pyrolyse oder die Veraschung von festen Abfällen in einem Wirbelbettreaktor.
Die Beseitigung von festen Abfällen wird zu einem immer größer werdenden Problem. Es wurde bereits versucht, Verfahren und Vorrichtungen für die Beseitigung von festen Abfällen und insbesondere zur Rückgewinnung von Produkten aus festen Abfällen zu entwickeln.
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-Z-
Die Wirbelbett-Technologie ist allgemein bekannt. Die Vorteile des Wirbelbettsystems liegen in der Möglichkeit einer sehr großen volumetrisehen Wärmeerzeugung, so daß es möglich ist, eine sehr leistungsfähige Einrichtung von kompakten Ausmaßen zu schaffen. Müllverbrennungsofen mit einem Wirbelbett sind laufend im Einsatz zur Veraschung von städtischen Kanalisationsschlamm.
Feste Abfälle als Aufgabegut zur Pyrolyse oder Veraschung enthalten vielfach unbrennbare Bestandteile, die weder pyrolisiert noch verascht werden können» Die festen Abfälle enthalten z. B«, Glas, Metalle und Steine, die nicht vollständig ausgesondert werden können. Sie verursachen Verfahrensprobleme in diesem System wegen der Schwierigkeit ihrer■Aussonderung während des Arbeitsganges. Sie sammeln sich an, verstopfen die Auslässe und setzen so ganz allgemein den Wirkungsgrad herab.
Bei der Erfindung wird ausgegangen von einem Wirbelbettsystem zur Umsetzung fester Abfälle, die aus einer Mischung von brennbaren und unbrennbaren Teilen bestehen.
Ausgehend von den .bisher bekannten Systemen zur Spaltung und Veraschung werden durch die Erfindung die anstehenden Probleme weitgehend gelöst.
Gemäß der Erfindung ist das System gekennzeichnet durch
a) einen vertikal angeordneten geschlossenen Reaktor mit einer ersten Innenkammer einschließlich einem stark verwirbelten Wirbelbett aus inerten verwirbelten Fest-
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stoffen und mit einer zweiten, direkt unter und in Verbindung mit der ersten Kammer angeordneten Innenkammer einschließlich einem mäßig verwirbelten wirksamen Wirbelbett aus inerten verwirbelten Feststoffen,
b) eine Verteilerplatte zwischen diesen beiden Kammern und in Verbindung mit ihnen, die ein Bett von inerten Feststoffen in der ersten Innenkammer trägt und deren Wand sich von der Wand der ersten Innenkammer nach unten geneigt in Richtung auf die Längsachse der ersten Innenkammer erstreckt, wobei sowohl die Verteilerplatte als auch die Wände der zweiten Innenkammer eine Vielzahl von Durchlässen für das Trägergas aufweisen,
c) Mittel zur Zuführung von Trägergas durch diese Durchlässe in der Verteilerplatte und der zweiten Innenkammer, um eine kräftige Verwirbelung in der ersten und eine mäßigere in der zweiten Innenkammer zu erreichen,
d) Mittel zum Aufheizen des Wirbelbetts,
e) eine Einrichtung zum Zuführen der Abfallstoffe in die erste Innenkammer, die auch eine Abdichtung zwischen dem Innenraum des Reaktors und der Atmosphäre enthält, um ein Ausströmen des Trägergases über diese Einrichtung zu verhindern,
f) eine Austrageeinrichtung zum Abführen der nicht umgesetzten Feststoffe aus der zweiten Innenkammer ohne . Unterbrechung des Arbeitsprozesses.
Ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung wird anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
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Fig. 1 eine schematische Darstellung des Pyrolysensystems, teilweise geschnitten;
Fig. 2 eine Teilansicht der Außenfläche des Stempels;
Fig. 3 eine Teilansicht, teilweise geschnitten, der Ausbildung der Verteilerplatte und der zweiten Kammer des Pyrolysereaktors nach Fig. 1; und
Fig. 4 eine schematische Darstellung der Verwirbelung im ersten und zweiten Wirbelbett beim Pyrolysereaktor nach Fig. 1.
Die Fig. 1 zeigt einen vertikal angeordneten, geschlossenen Reaktor für die Pyrolyse oder Veraschung. Dem Reaktor wird fester Abfall 12 mittels einer Zuführeinrichtung 14 zugeführt. Eine erste Förderschnecke 15 ist drehbar im Gehäuse 16 angeordnete Diese Förderschnekke 15 erstreckt sich nicht über die gesamte Länge des Gehäuses, so daß am Ausstoßende der Förderschnecke eine Ausstoßzone entsteht. Die Förderschnecke preßt die festen Abfallstoffe 12 gegen einen Stempel 18. Dieser weist eine Oberfläche 20, ferner eine Welle 22 und einen Kolben 24 auf und ist drehbar und hin- und herverschiebbar in einem Zylinder 25 geführt. Das Drehmoment kann in irgendeiner geeigneten Weise durch ein Getriebe und einen Motor erzeugt werden (nicht gezeigt).
Wenn die festen Abfallstoffe vom Einführende 26 zum Austragende 28 im Fördergehäuse 16 gefördert werden, wird das Material 12 zu einem kräftigen, porenfreien Pfropfen
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zusammengepreßt. Dieser Pfropfen 30 steht aus dem Gehäuse 16 etwas vor und dient als Dichtung, um im Reaktor 10 einen erhöhten Arbeitsdruck zu ermöglichen» Der Stempel ist gleichachsig mit der Förderschnecke angeordnet und dreht sich um seine Längsachse. Die Oberfläche 20 des Stempels 18 weist entlang ihres Umfangs Schneidmittel 32 auf. Diese besitzen eine oder mehrere Schneiden, so daß sie während der Drehbewegung den aus dem Gehäuse 16 austretenden Pfropfen abschneiden bzw. abbrechen und so zur Förderung in den Reaktor 10 aufbereiten.
Sollte zu irgendeiner Zeit während der Tätigkeit des Reaktors die Dichtwirkung des Pfropfens 30 ausfallen, kann der Stempel 18 infolge einer bestimmten Druckminderung im Reaktor auf das Auslaßende 28 des Gehäuses 16 zu bewegt werden, um so eine Abdichtung zwischen dem rückwärtigen Ende Jk der Stempelfläche 20 und dem Auslaßende 28 des Gehäuses 16 zu erzielen. Die Zuführeinrichtung dichtet somit also, wie eben beschrieben, entweder durch den Pfropfen oder durch den Stempel den Reaktor ab. Es ergibt sich aus der vorhergehenden Beschreibung, daß die Abdichtung von der Außenfläche des Reaktors getrennt ist und von der heißen Zone entfernt liegt.
Die festen Abfallstoffe 12 werden durch die erste Förderschnecke 15 in eine Expansionskammer j6 geführt, in welche die Feststoffe des Pfropfens durch den sich drehenden Stempel gebrochen werden. Sie werden dann durch eine zweite, in einem Gehäuse 38 drehbar gelagerte Förderschnecke 37 zum Reaktor 10 durch eine Öffnung in einer Verteilerplatte 40 geführt. Vorzugsweise wird das Material an der Seite der Verteilerplatte eingeführt. Es kann aber auch oberhalb der Verteilerplatte und sogar von der
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Oberseite des Reaktors her aufgegeben werden.
Die Verteilerplatte 40 erstreckt sich von der Mantelfläche des Reaktors abwärts in Richtung auf dessen Längsachse. Sie kann wie im Ausführungsbeispiel die Form eines Kegelstumpfs aufweisen. Die Verteilerplatte 40 geht an ihrem unteren Ende 41 in einen länglichen Zylinder oder eine Röhre 42 über, die sich von der Platte aus nach unten erstreckt und dort den Boden des Reaktors bildet» Damit ist der Reaktor 10 in zwei Kammern geteilt. Die erste Innenkammer 44 erstreckt sich von der Mittellinie 46 der konischen Verteilerplatte 40 nach oben, ist durch aufsteigende Seitenwände begrenzt und endet am oberen Abschluß 48 des Reaktors 10. Die zweite Kammer 50 erstreckt sich von der Mittellinie 46 der konischen Verteilerplatte 40 nach unten bis zum Boden 52 des Zylinders 42. Die Verteilerplatte 40 und die zweite Innenkammer sind besonders aus der Figur 3 zu ersehen.
Aus den Figuren 1 und 4 ist zu erkennen, daß die erste Kammer 44 und die zweite Kammer 50 miteinander in Verbindung stehen. Ein Sammelraum 54 ist direkt unter der Verteilerplatte 40 angeordnet und hat zwei Zuführungsanschlüsse in der Außenwand des Reaktors 10. Ein zur Verwirbelung dienendes Gas oder Trägergas wird durch Einlasse 56 und 58 zugeführt. Das Gas strömt durch eine Vielzahl von Durchgängen oder Bohrungen 62 in der Verteilerplatte 40 und Bohrungen im Rohr 42, die den Sammelraum 54 mit der ersten und der zweiten Kammer 44 bzw. 50 verbinden.
Um die erste Kammer 44 des dargestellten Reaktors 10 · zu erhitzen, sind Flachbrenner vorgesehen (nicht gezeigt).
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Die Wärme dringt durch die Wände des Reaktors zu dem Wirbelbett. Eine Heizkammer 64 ist um den Reaktor angebracht, trägt die Brenner und verteilt die Wärme auf einen weiten Bereich der Reaktorwand. Es können aber auch andere Möglichkeiten zur Heizung des Reaktors eingesetzt werden, wie z. B. die Erhitzung des Trägergases. Die Auswahl dieser Mittel hängt von dem Verfahren ab, für das der Reaktor eingesetzt werden soll, z.. B0 Pyrolyse, Teilveraschung oder Vollveraschung.
In der Fig. k sind die Arbeitsweisen der Wirbelbetten 74 und 76 in der ersten und der zweiten Kammer schematisch dargestellt. Im Wirbelbett 76 der zweiten Kammer erfolgt nur eine "mäßige" (vgl« unten) Verwirbelung. Im ersten Wirbelbett 74 in der ersten Innenkammer 44 findet dagegen eine "starke" (vgl. unten) Verwirbelung statt« Das Ausmaß der Verwirbelung in den einzelnen Kammern ist grundsätzlich abhängig vom Strom des Trägergases, der seinerseits durch die Größe der Durchlässe, dem durch eine Pumpe oder Kompressor erzeugten Druck, der Größe der Kammer, durch die das Gas strömt, und der Dichte und Korngröße des Wirbelguts, d. h. des Materials, aus dem das Bett gebildet ist, abhängig ist. Das Ausmaß der Verwirbelung ist außerdem abhängig von der Art der nichtbrennbaren und nicht umgesetzten Feststoffe, die sich in der zweiten Kammer ansiedeln.
Beim Betrieb des Wirbelbettreaktor-Systems gemäß der Erfindung wird also der feste Abfall von der ersten Förderschnecke 15, durch die er zusammengedrückt wird, und dann anschließend von der zweiten Förderschnecke 37 in den Reaktor gefördert. Der Reaktor ist indirekt durch
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Flachbrenner auf eine Temperatur von ca. 1OOO - 14OO F vorgewärmt« Bei dar Inbetriebnahme ist es zweckmäßig, auch noch das einströmende Trägergas mit einem Flächenbrenner 60 (direkte Hitze) auf ca. 1000 bis I6OO °F zu erhitzen.. Das Trägergas strömt in den Sammelraum und weiter durch Öffnungen 62 in der Verteilerplatte kO und Öffnungen 63 im Zylinder 42. Als Trägergas kann eingesetzt werdens Luft, wenn das Reaktorsystem als Verascher (Müllverbrennung) arbeitet, oder ein Gas, das absolut frei von Sauerstoff ist, wie Stickstoff, Kohlendioxyd oder eine Mischung aus beiden, wenn das System nach Art der Pyrolyse arbeiten soll. Das System kann aber auch mit Luft oder einem sauerstoffhaltigen Gas in Verbindung mit einem inerten Gas betrieben werden, wenn es teilweise pyrolysieren und auch veraschen soll. Bei der Pyrolyse können die Zersetzungsgase rückgewonnen und als das Trägergas zurückgeführt werden. Bei der Pyrolyse entstehen als Zersetzungsprodukte leichte Kohlenwasserstoffe wie Methan, Äthan, Äthylen, Wasserstoff und Kohlendioxyd, ferner Öle und Teer. Der Reaktor wird sowohl bei der Pyrolyse als bei der Veraschung mit einem erhöhten bzw. einem Überdruck von ca. 0,07 at - 0,7 at (1 psi bis 10 psi) betrieben. Bei der Veraschung sind die Zersetzungsprodukte im wesentlichen Kohlendioxyd und Wasser.
Während des Arbeitsvorgangs des Reaktors gelangen sowohl die gasförmigen als auch die vom Wirbelbett hochgeschleuderten Stoffe vom Oberteil des Reaktors 10 in einen Zyklonabscheider 66, in dem die festen von den gasförmigen Stoffen getrennt werden. Das Trägergas und die im Reaktor erzeugten Gase strömen zu einer Gaskolonne zur Rückgewinnung von verschieden in ihnen enthaltenen Korn-
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ponenten, zur Trennung und zur Weiterbehandlung, um eine Luftverschmutzung zu vermeiden.
Nicht brennbare Bestandteile, wie Glas, Metall und anorganische Stoffe, sinken in das zweite Wirbelbett ab. Der Druckunterschied entlang des zweiten Wirbelbetts resultiert teilweise vom Unterschied im Gasstrom entlang der einzelnen Stufen im Reaktor und dient als Triebkraft zum Abführen des nichtbrennbaren Rückstandes aus dem zweiten Wirbelbett. Es kann nach den verschiedensten Arten abgeführt werden. Eine zweckmäßige Art des Abführens besteht darin, an. dem unteren Ende der zweiten Kammer einen Abschluß 68 vorzusehen. Der feste Rückstand fällt in den Abschluß, wenn der Schieber 70 offen ist. Wird der Schieber 70 periodisch geschlossen und dabei der Schieber 72 geöffnet, kann der nicht brennbare Rückstand aus dem Reaktor entfernt werden. Das feste Material kann dann getrennt werden in Bettmaterial und andere Feststoffe. Das Bettmaterial kann bei Bedarf wieder verwendet werden. Es können auch andere Methoden zur Entfernung des Rückstandes aus der zweiten Kammer verwendet werden, wie z. B. hochtemperaturbeständige drehbare Luftschieber.
Bei dem Wirbelbettreaktor gemäß der Erfindung ist es notwendig, daß in dem ersten Wirbelbett eine kräftige Verwirbelung stattfindet, um so einen großen Wärmeübergang vom Bettmaterial auf die eingebrachten Abfallstoffe zu erreichen und zu bewirken, daß durch ein großes Maß von Wärmeübertragung die bei der Reaktion entstehenden Gase abgeführt werden. Wenn das Wirbelbett zur Pyrolyse eingesetzt wird, verläuft die Reaktion endotherm. Es ist also notwendig, ein Trägermedium einzusetzen, das in der Lage
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ist, eine große Wärmemenge von der Wärmequelle auf das Bettmaterial zu übertragen» Das untere Wirbelbett muß in direkter Verbindung mit dem oberen Wirbelbett stehen. Die treibende Kraft, die das Glas, Metall oder andere nicht brennbare Materialien zum Absinken vom oberen zum unteren Wirbelbett zwingt, ist die Schwerkraft; diese Teilchen haben beispielsweise eine größere Dichte als die Teile, die noch aufgewirbelt sind. Der besondere Vorteil der Arbeitsweise, bei der im unteren Wirbelbett eine niedrigere Oberflächengeschwindigkeit des Gases herrscht, besteht darin, daß ein Wirbelbett von größerer Dichte entsteht und es so unmöglich ist, daß irgendein nicht brennbarer Feststoff, der einmal in den unteren Raum eingetreten ist, wieder nach oben geschüttelt wird.
Unter "mäßiger" Verwirbelung wird hier ein Gasstrom durch das Bettmaterial verstanden, der nicht größer ist als das 2,Ofaehe der Minimum-Verwirbelungsgeschwindigkeit und im allgemeinen das 1,2- bis 1,5fache beträgt. Unter "starker" Verwirbelung versteht man einen Gasstrom durch das Bett von mehr als 2,0 der errechneten Minimum-Verwirbelungsgeschwindigkeit.
Das Minimum U „ der Verwirbelungsgeschwindigkext ergibt sich aus folgender Formel;
( f sdp)2 (g s - g) g(gmf)3 ft
|nf = 7"5O ^ (I£mf)3 ~s~
dp = Durchmesser der Bettpartikel (ft) §g = Dichte des Trägergases (lb/ftJ)
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s = Kugelformbeiwert
/U = Gasviskosität (ib./ft. -s)
£mf = Porosität bei Minimum-Verwirbelungsgeschwindigkeit.
Diese Formel kann zufriedenstellend verwendet werden, um die Mindest-Verwirbelungsgeschwindigkeit für ein Wirbelbettsystem zu bestimmen, in dem die Reynold1sehe Zahl des strömenden Gases kleiner ist als 20. Diese Gleichung ist im einzelnen erklärt ins Kunii, D. and Levenspiel, 0., Fluidization Engineering, John Wiley & Sons, 1969.
Das Wirbelbettmaterial, das bei dem Wirbelbettreaktorsystem verwendet wird, kann irgendein für diesen Zweck geeignetes Material sein. Insbesondere kann es Sand, Kohlenstoff und Aluminiumoxyd enthalten.
Der Wirbelbettreaktor gemäß der Erfindung, der vorstehend beschrieben ist, kann sowohl bei Pyrolyse als auch bei Veraschung verwendet werden. Pyrolyse ist dabei als thermische Zerlegung eines brennbaren Materials in Abwesenheit von Sauerstoff zu verstehen. Veraschung dagegen bedeutet die Verbrennung eines brennbaren Materials in den zugeführten Abfallstoffen in Abwesenheit von einer ausreichenden Menge von Luft, um als Reaktionsprodukt im wesentlichen Kohlendioxyd und Wasser zu erhalten.
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Claims (6)

  1. Patentansprüche
    ί1.Jwirbelbettsystem für die Pyrolyse und Veraschung fester Abfälle, die brennbare und nicht brennbare Feststoffe enthalten, gekennzei chne t durch
    a)"einen vertikal angeordneten geschlossenen Reaktor (1O) mit einer ersten Innenkammer {hk) einschließlich einem stark verwirbelten Wirbelbett (7^) aus inerten verwirbelten Feststoffen und mit einer zweiten, direkt unter und in Verbindung mit der ersten Kammer angeordneten Innenkammer (50) einschließlich einem mäßig verwirbelten Wirbelbett (?6) aus inerten verwirbelten Feststoffen,
    b) eine Verteilerplatte (4θ) zwischen diesen beiden Kammern und in Verbindung mit ihnen, die ein Bett von inerten Feststoffen in der ersten Innenkammer trägt und deren Wand sich von der Wand der ersten Innenkammer nach unten geneigt in Sichtung auf die Längsachse der ersten Innenkammer erstreckt, wobei sowohl die Verteilerplatte als auch die Wände der zweiten Innenkammer (50) eine Vielzahl von Durchlässen (62, 63) für das Trägergas aufweisen.
    c) Mittel {56, 58) zur Zuführung von Trägergas durch diese Durchlässe in der Verteilerplatte und der.zweiten Innenkammer, um eine kräftige Verwirbelung in der ersten und eine mäßigere in der zweiten Innenkammer zu erreichen,
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    d) Mittel (6k) zum Aufheizen des Wirbelbetts,
    e) eine Einrichtung (i4 - 38) zum Zuführen der Abfallstoffe (i2) in die erste Innenkammer, die auch eine Abdichtung zwischen dem Innenraum des Reaktors und der Atmosphäre enthält, um ein Ausströmen des Trägergases über diese Einrichtung zu verhindern,
    f) eine Austrageeinrichtung zum Abführen der nicht umgesetzten Feststoffe aus der zweiten Innenkammer ohne Unterbrechung des Arbeitsprozesses.
  2. 2. Wirbelbettsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die festen Abfallstoffe (12) in der ersten Innenkammer (kk) an einen Zuführpunkt oberhalb der Verteilerplatte (ho) eingebracht werden.
  3. 3· Wirbelbettsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die festen Abfallstoffe (12) über eine Öffnung in der Seitenwand der Verteilerplatte (4o) eingebracht werden.
  4. k. Wirbelbettsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägergas frei von Sauerstoff ist, wenn das System zur Pyrolyse der Abfallstoffe eingesetzt wird.
  5. 5. Wirbelbettsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägergas Luft ist, wenn das System zur Veraschung eingesetzt wird.
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    232H23
  6. 6. Wirbelbettsystem nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß zum Austragen der festen Rückstände aus der zweiten Innenkammer ein Abschluß (68) mit einem Sammelraum und je einem Schieber (70, 72) am Ein- und Auslaß vorgesehen ist, so daß die Rückstände bei offenem oberen und geschlossenem unteren Schieber sich.im Sammelraum ansammeln und bei geschlossenem oberen und offenem unteren Schieber ausgetragen we den können.
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