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"Verfahren zum Verbrennen von als Abfall
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anfallenden Reisschalen" Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum
Verbrennen von als Abfall anfallenden Reisschalen.
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Bei der Herstellung und Anwendung feuerfester Erzeugnisse spielen
neben Schmelzpunkt, Druckfeuerbeständigkeit, Wärmeleitzahl und anderen die Dehnungskoeffizienten
bei der Erwärmung und Abkühlung bzw. Umwandlung eine besondere Rolle. Sie sind eine
einem jeden Stoff eigentümliche Konstante. Der reversiblen Wärmeausdehnung steht
die bleibende Dehnung gegenüber, d,h., bei der Erkaltung erfolgt keine Rückwandlung
von Hochtemperaturformen zu Tieftemperaturformen der gristall-Modifikationen. Eine
bleibende Dehnung tritt z. B.
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bei der Umwandlung der Quarz-Kieselsäure in die Hochtemperatur-Eristallarten
Knstobalit und Tridymit auf. Diese Modifikationen sind daher bei der Herstellung
von Feuerfestmaterial besonders geeignet, ebenso wie Silizium zur Herstellung von
Siliciumkarbid gefragt ist.
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Kieselsäure (sir2) ist ein in der Brdkruste sehr häufig auftretendes
Mineral. Zur Verwendung bei der Herstellung von Feuerfestmaterial muß das die Kieselsäure
enthaltende Gestein jedoch durch eine Reihe von Verfahrensschritten erst aufbereitet
werden.
Daneben gibt es aber auch Pflanzen oder Pflanzenbestandteile, deren Asche zu einem
großen Teil aus Kieselsäure besteht, die wegen des bei der Verbrennung erreichbaren
möglichen Reinheitsgrades besonders zur Zumischung zu Feuerfestmaterialien geeignet
ist. Solche Pflanzen bzw. Pflanzenbestandteile bzw. Rückstände sind z. B. die Reisschalen,
die bei der Reisproduktion anfallen.
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Mehr als 300 Mio. t Reis werden auf der Erde im Jahr geerntet. Der
Anteil der Reisschalen beträgt dabei, je nach Reissorte, 1/7 bis 1/3 des Reisgewichtes.
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Kieselsäure aus Reisschalen wird auch heute schon gewonnen, z. B.
in Italien, wo die Reisschalen in einer Art Meiler verbrannt werden.
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Diese Meiler haben sehr viel Ähnlichkeit mit den Teilern der Holzkohlenherstellung.
Man entzündet zunächst einen kleineren Haufen Reisschalen, deckt dann diesen brennenden
Teil ab, so daß zum Schluß ein kegelförmiges Gebilde entsteht, aus dem keine offenen
Flammen austreten.
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Die zur Verbrennung erforderliche Luftmenge wird infolge des dort
entstehenden Unterdruckes durch die nach oben aus einer Öffnung austretenden Schwel-
bzw. Verbrennungsgase durch die Außenschicht nach innen gesaugt. Bei diesem Verfahren
treten allerdings Aschen auf, deren Kohlenstoffgehalt in der Regel oberhalb 2 %
liegt, meistens zwischen 2 und 3 %. Außerdem erfolgt durch die austretenden Dämpfe
oder Schwelgase eine erhebliche Belästigung der Umwelt,
was dazu
geführt hat, daß man diese Art der Veraschung aus Gründen des Umweltschutzes nicht
mehr zulassen wird.
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Reisschalen werden auch zur Erzeugung von Dampf als Brennstoff benutzt,
nachdem man ihnen zuvor Furfurol entzogen hat.
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Bei der schnellen Verbrennung der Reis schalen in einem Feuerraum
erhält man jedoch nur eine schwarze Asche, d. h. Asche mit Kohlenstoffgehalten weit
über 3 %. Offenbar wird bei dieser schnellen Erhitzung der Asche der Kohlenstoff
in eine Modifikation überfuhrt, die sehr widerstandsfähig gegenüber dem Abbau durch
Sauerstoff ist Versucht man, von solchen kohlenstoffreichen Aschen im Labor eine
Aschebestimmung durchzuführen, so dauert es mehr als 8 Stunden, ehe überhaupt eine
Änderung des Kohlenstoffgehaltes in dieser Asche erfolgt.
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Bekannt ist auch, daß Temperaturen von- 5500 erreicht werden müssen,
um den Kohlenstoff bei Vorliegen der günstigsten Modifikation abbauen zu können.
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Die Kieselsäure der Asche liegt bei Temperaturen um 5500 jedoch noch
in einer Modifikation vor, die nicht für den Einsatz im Feuerfestmaterial geeignet
ist. Die entsprechende Umwandlung zu Kristobalit und erst recht Tridymit erfolgt
bei Temperaturen oberhalb 8000, erst in diesem Zustand ist die Kieselsäure
der
Reisschalen verwendungsfähig. Auch diese ist bekannt, und es erscheint auch möglich,
durch Zugabe bestimmter Zusatzstoffe, diesen Umwandlungapunkt der Modifikationen
erheblich zu erniedrigen.
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Die Reisschalen bestehen zu etwa 15 % aus Asche, 15 «o aus fixen Kohlenstoff
und 70 % aus flüchtigen Bestandteilen. Der Heizwert der Reisschalen beträgt etwa
3 500 kcal/kg.
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Die Asche besteht zu 90 % und mehr aus Kieselsäure (Si02) und zu einigen
Prozenten aus Kaliumoxyd (K20) und Calziumoxyd (ao). In den Reisschalen ist auch
Furfurol enthalten, ein Grundstoff für die Chemie. Umfangreiche Untersuchungen und
Versuche haben außerdem gezeigt, daß wesentliche Anteile der flüchtigen Bestandteile
Wasserstoff und Kohlenmonoxid sind, d. h., es können erhebliche Mengen an Synthese-Gas
bzw. Reduktionsgas durch Entgasung gewonnen werden. Schließlich ist es auch möglich,
den C-Fix-Anteil noch mit Wasserdampf zu vergasen und damit die Synthesegasmenge
noch weiter zu erhöhen. Man kann aber auch den C-Fix-Anteil verbrennen und die frei
werdende Wärme zur Dampferzeugung benutzen, wobei der Dampf gegebenenfalls für den
Furfurol prozeß oder ähnlichem eingesetzt werden könnte.
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Die Reisschalen sind daher aus mehreren Gründen interessant, besonders
auch im Hinblick auf die Energieplanung: wegen des hohen Kieselsäuregehaltes der
Asche, wegen der Gewinnung von Furfurol, der Gewinnung von Synthesegas
und
schließlich auch wegen der Gewinnung von Dampf.
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Zur Gewinnung der Asche ist es unerheblich, ob z. 3. das Furfurol
vorher aus den Reisschalen entzogen wurde oder nicht, dies geschieht im allgemeinen
durch Behandlung mit verdünnter Mineralsäure bei Temperaturen unterhalb 1000 C.
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Bei der Veraschung der Reisschalen erhält man eine weiße Asche dann,
wenn ihr Rohlenstoffgehalt kleiner als 1 % ist. Steigt der C-Gehalt über einen Gehalt
von 3 %, so ist die Asche schwarz, zwischen diesen beiden Werten durchläuft die
Asche alle Graufärbungen. Für die Verwendung als Zusatzstoff bei der Herstellung
feuerfester Naterialien spielt dieser Restkohlenstoffgehalt aber eine besondere
'Rolle Er muß, sollen alle Vorteile dieser aus Reisschalen gewonnenen Kieselsäure
nutzbar gemacht werden, kleiner als 1 % sein.
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Die vorliegende Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, ein Verfahren
aufzuzeigen, daß es ermöglicht, mit oder ohne Wärmenutzung aus Reis schalen, aber
auch aus anderen cellulosehaltigen Rückständen, wie z. B.
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Stroh, Holz, Maiskolben, Weizenkleie usw., silicinmhaitige Asche mit
Kohlenstoffgehalten weniger als 2 %, vor zugsweise weniger als 1 %, zu erzeugen,
sowie Gase, insbesondere Synthesegase.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Herfahren zum Verbrennen von als
Abfall anfallenden Reisschalen mit oder ohne Wärmenutzung sowie mit Vorbehandlung
der Reisschalen vor Eingabe in eine Verbrennungsanlage vorgeschlagen, wobei die
in den Reisschalen enthaltenen Bestandteile teilweise bei der Vorbehandlung gewonnen
werden, teilweise bei der Verbrennung und/oder Vergasung anfallen, gekennzeichnet
durch folgende Verfahrens-Schritte: a) Vorbehandlung der Reisschalen durch Entgasen
unter LuStabschluß zur Gewinnung von Synthesegas; b) langsame Verbrennung und/oder
Vergasung des Reisschalen-Kokses zur Gewinnung von weißer hochsiliciumhaltiger und
kohw lenstoffarmer Asche.
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Allgemein -für die Verarbeitung von Reisschalen sind spezielle Daten
erarbeitet wordengelten folgende Merkmale: a) Kohlenstoff-Restgehalte in der Asche
von weniger als 2 %, vorzugsweise weniger als 1 %;
b) ruhende und/oder
bewegte Schüttung der zu behandelnden Stoffe oder Rückstände; c) Einhaltung bestimmter
Grenztemperaturen an den Zuteilstellen der Stoffe oder Rückstände in die Behandlungsräume;
d) Einhaltung bestimmter Temperatur-Gradienten bei der Erwärmung, während der Entgasung
und/oder Vergasung und/oder Verbrennung der organischen Bestandteile; e) Zugabe
von Sauerstoffträgern und gegebenenfalls Wasserdampf für Vergasung und/oder Verbrennung
erst nach Erreichen einer bestimmten Temperatur; f) Deckung des Wärmebedarfes durch
direkte yerbrennuni oder indirekte (Außenbeheizung) Wärme zufuhr derart, daß der
Temperatur Gradient bei der Erwärmung eingehalten wird; g) Erhitzung mindestens
bis zu der Temperatur, bei der die Umwandlung zu der geamnschten Mineral-Modifikation
erfolgt.
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Die Erfindung beinhaltet also drei Verfahrens-Schritte: Gewinnung
von Gas durch Entgasen unter Luftabschluß; Gewinnung von weißer Asche durch Verbrennung
und/oder Vergasung; Gewinnung von Wärme.
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Hauptziel ist die Erzeugung weißer, hochsiliciumhaltiger und kohlenstoffarmer
Asche.
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Die zusätzliche Gewinnung von Wärme z.B. in Form von Dampf wird immer
von den örtlichen Notwendigkeiten bestimmt werden.
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Grundsätzlich kann das Verfahren mit oder ohne Wärmenutzung durchgeführt
werden. Die Art der Wärmenutzung hängt von den örtlichen Gegebenheiten ab; Wärme
kann z.B.
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in Form von Dampf genutzt werden, in Form von Heißwasser oder auch
zur Aufheizung anderer Medien. Die
Deckung des Wärmebedarfes zur
Umwandlung der Reisschalen kann durch indirekte und/oder direkte Wärmezufuhr erfolgen.
Zur Entgasung erfolgt die Wärmezufuhr indirekt, bei der Verbrennung und Vergasung
direkt, d. h. durch Verbrennung von Reisschalenbestandteilen selbst, wozu auch zusätzlich
eine indirekte Beheizung eingeschaltet sein kann. Die Wahl der Behandlung -Entgaslmg,
Verbrennung, Vergasungbestimmt auch zur Einhaltung der Temperatur-Gradienten die
Menge der zugegebenen Oxidations- und Vergasungsmittel sowie die apparativen Notwendigkeiten
zur Beheizung oder Kühlung der Behandlungsräume und der Rückstände, z. B. durch
im Behandlungsraum eingebaute Heiz- oder KühLflächen. Durch Verbrennen des C-Fix-Anteiles
und/oder des Gases aus den Reisschalen kann der Wärmebedarf von den Reisschalen
selbst gedeckt werden.
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Nach den jeweiligen Bedürfnissen richtet sich die Entscheidung, ob
eine Verbrennung oder eine Vergasung oder beides gemeinsam gewählt wird. Dabei wird
man der Verbrennung dann den Vorzug geben, wenn Wärme, s.B. zur Gewinnung von Dampf
benötigt wird;
man wird der Vergasung den Vorzug geben, wenn große
Gasmengen benötigt werden. Zweckmäßigerweise wird man die Vergasung, wozu Sauerstoffträger
und Wasserdampf benotigt werden, in Temperaturbereichen oberhalb 5000 C durchführen,
wobei auch hier die Aufheizung auf dieses Temperatur-Niveau mit den angegebenen
Temperatur-Gradienten erfolgt.
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Zur Behandlung können die Reis schalen sowohl in ruhender als auch
in bewegter Schüttung vorliegen. Die Wahl hängt von der Zuführung der zur Aufrechterhaltung
des Temperatur-Gradienten erforderlichen Wärme und der Sauerstoffträger ab.
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Im weiteren Ausbau der Erfindung ist noch zu erwähnen, daß die Reisschalen
vor ihrer Verarbeitung auch noch zerkleinert werden können.
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Bei der Verarbeitting der Reisschalen sollte die Temperatur im Behandlungsraum,
insbesondere zur Verbrennung oder Vergasung, an der Zugabestelle kleiner als 100°
C sein. Der Sauerstoffträger zur Verbrennung, z. B. Luft, kann sofort zugegeben
werden, muß es aber spätestens bei ca. 2500 C.
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Seine Menge ist so bemessen, daß - abhängig von der Art der Wärmezufuhr
- ein Temperatur-Gradient von 250 0/min. + 100 0/min.
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eingehalten wird. Bei einer Entgasung wird diese Temperatursteigerung
durch indirekte Beheizung, Rauchgase, Dampf, elektrisch o. ä,, geregelt, bei der
Verbrennung durch Einhaltung bestimmter Luftüberschüsse. Erfolgt die Deckung des
Wärmebedarfs nur durch direkte Verbrennung der Schalenbestandteile, liegt die Luftziffer
bei n = 2 - 4, ist eine zusätzliche indirekte Beheizung zur Deckung des eigentlichen
Wärmebedarfs vorhanden, bei n = 4 - 6. Sind Kühlflächen zur Wärmeabfuhr und Regelung
des Temperatur-Gradienten eingesetzt, liegt die Luftziffer bei n = 1,5 - 2,5. Im
Falle der Vergasung bestimmt deren Wärmebedarf die Menge an Sauerstoffträgern, die
Luft ziffer liegt dabei unter n = 1. Die Aufheizung erfolgt mit dem angegebenen
Temperatur-Gradienten auf eine Temperatur von etweder 5500 - 6000 oder mit gleicher
Steigung auf über 8000 0. Im Falle der Verbrennung kann entweder die erreichte Temperatur
von 5500 - 6000 über weitere 40 Minuten konstant gehalten werden -Gesamtbehandlungszeit
dann ca. 1 Stunde -oder mit 250 C/min. + 100 C/min. auf über 8000 ansteigen - Gesamtbehandlungszeit
dann ca. 1/2 - 3/4 Stunde. Im Falle der Vergasung oder der Entgasung können ebenfalls
beide Wege beschritten werden. Zur Vergasung sollte der benötigte Dampf bei aD°
-6000 zugeführt werden, im Falle der vorausgegangenen
Entgasung
dem Rückstand -gegebenenfalls mit nachfolgender Kühlung- die Sauerstoffträger und
evtl. Vergasungsmittel bei 550 °C bis 600 °C zugegeben werden. In allen Fällen wird
am Ende eine Asche mit weniger als 1 % C anfallen. Sauerstoffträger und Vergasungsmedium
können kalt oder vorgewärmt zugegeben werden.
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Kommen die drei Verfahrens-Schfiitte zur Anwendung -Gas, Asche, Wärme-
erfolgt die Entgasung unter LuStabschluß bei 550 0 C bis 600 ° C, gegebenenfalls
aber auch bis über 800 °C.
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Die anschließende Stufe zur Verbrennung und/oder Vergasung des C-Fix-Anteiles
im Reisschalen-Koks wird zweckmäßigerweise in einer von der Entgasungsstufe räumlich
getrennten Stufe bei 550 0 C bis 600 °C oder ansteigend von dieser Temperatur bis
über 800 0 C erfolgen. Beide Stufen können aber auch ineinander übergehen. Dazu
wird -da Sauerstoffträger in der Verbrennungs- und/oder Vergasungsstufe eingesetzt
wird- ein Pufferraum angeordnet, beispielsweise ein Zwischenbunker oder Zwischenschacht
oder eine Regulierung unterschiedlicher Drücke in den beiden Stufen, z.B. durch
Absaugung. Bei der Verbrennung des C-Fix-Anteiles im Reisschalen-Soks entsteht Wärme,
die außerhalb dieser Stufe oder auch schon innerhalb dieser Stufe beispielsweise
zur Erzeugung von Dampf oder ähnlichem genutzt werden kann.
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Wird eine reine Vergasung des C-Fix-Anteiles
durchgeführt
-mit Sauerstoffträger und Wasserdampf- kann in dieser Stufe entweder Wärme zusätzlich
von außen zugeführt oder der Wärmebedarf der Vergasung durch Teilverbrennung des
C-Six-Anteiles allein gedeckt werden.
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Die Vorteile der vorliegenden Erfindung sind eindeutig: Batzbarmachung
der Bestandteile des Abfallstoffes in Form von Gas, Asche und Wärme; Vermeidung
der Umweltschädigung; Deckung des Wärmebedarfes zur Verarbeitung aus dem Abfallstoff
selbst; variable Erzeugung von Gas und Wärme durch Kombination von Entgasung, Vergasung
und Verbrennung.