DE2723567A1

DE2723567A1 - Verfahren zum beseitigen von abfall

Info

Publication number: DE2723567A1
Application number: DE19772723567
Authority: DE
Inventors: John Erling Anderson
Original assignee: Union Carbide Corp
Current assignee: Union Carbide Corp
Priority date: 1976-05-26
Filing date: 1977-05-25
Publication date: 1977-12-08
Also published as: DE2723567B2; GB1520240A; IT1079671B; FR2352873A1; JPS52144370A; DE2723567C3; PH12572A; MY7900119A; FR2352873B1; US4017273A; HK10679A; CA1089233A; JPS5535438B2

Description

PATENTANWALT DIPL.-ING. GERHARD SCHWAN

BÜRO: SOOO MÜNCHEN S3 - ELfENSTKASSE 31

L-1O568-G

UNION CARBIDE CORPORATION 27O Park Avenue, New York, N.Y. 10017, V.St.A.

Verfahren zum Beseitigen von Abfall

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FERNSPRECHER: Oil 1/C01103» ■ KABEL: ELECTRICPATENT MÜNCHEN

Die Erfindung befaßt sich allgemein mit einem Verfahren zum Beseitigen von festem Abfall, insbesondere Müll, und zum Wiedergewinnen von darin enthaltenen Nutzwerten. Das Verfahren nach der Erfindung liefert ein brauchbares Brenn- oder chemisches Synthesegas. Es stellt insbesondere eine Verbesserung des Verfahrens gemäß der US-PS 3 729 298 dar, das im folgenden kurz als Anderson-Verfahren bezeichnet wird.

Historisch gesehen war das am wenigsten aufwendige Verfahren zum Beseitigen von festem Abfall das Ablagern in offenen Deponien. Deponien für nicht verarbeiteten Müll bringen jedoch ernsthafte Probleme mit sich..Durch Auslaugen kommt es zu Grundwasserverschmutzungen. Wertvolle Bodenflächen gehen verloren. Brände können entstehen. Häufig treten in größerem Umfang Nagetiere auf. Ein günstigeres Verfahren, das diese Probleme verringert, besteht in einer sanitären Geländeauffüllung durch Kompostieren und Abdecken des Mülls mit Erde. Dessen ungeachtet wurde in größeren städtischen Bereichen dieses Vorgehen in zunehmendem Maße unattraktiv, da geeignete Platze immer weniger zur Verfugung stehen. Beide vorgenannten Verfahren wurden durch eine Verbrennung des Mülls vor der Geländeauffüllung ergänzt. Die herkömmliche Müllverbrennung sorgt zwar für eine wesentliche Volumenverminderung des Abfalls und vermindert in gewissem Umfang die durch Auslaugen verursachte Verschmutzung, bringt jedoch neue Umweltsprobleme, beispielsweise eine Luftverschmutzung,

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mit sich. Obwohl Volumenverringerungen von 8O bis 9O % möglich sind, ist der Rückstand oder die Asche nicht biologisch inaktiv, so daß weiterhin eine Geländeauffüllung notwendig ist. Des weiteren ist bei der herkömmlichen Verbrennung die Wiedergewinnung von Nutzwerten im allgemeinen minimal.

Eine besonders günstige Lösung der vorstehend genannten Probleme wird durch das Anderson-Verfahren (US-PS 3 729 298) erzielt. Dabei wird Abfall in den oberen Teil und Sauerstoff in den unteren Teil eines aufrecht stehenden Schachtofens eingeführt. Der Ofen (oder Konverter) hat drei Funktionszonen, nämlich eine Trockenzone im oberen Teil, eine thermische Zerlegungs- oder Pyrolysezone im mittleren Teil und ei-

ne Verbrennungs- und Schmelzzone (oder Feuerraum) im unteren Teil. Während der Abfall in dem Ofen nach unten gelangt, wird er zunächst mittels des im Ofen hochsteigenden Heißgases getrocknet und dann pyrolysiert. Die Pyrolyse stellt einen Prozeß dar, bei dem in dem Abfall enthaltenes organisches Material unter Sauerstoffmangel thermisch zerlegt und gekrackt wird, wobei ein Verkohlungsprodukt (ein holz-, knochen- oder tierkohleartiges Material), Öle und ein Gas gebildet werden, das eine hohe Konzentration an CO und H₂ hat. Während sich der Abfall durch die Pyrolysezone hindurch nach unten bewegt, wird er in hochsteigende flüchtige Stoffe und Verkohlungsprodukte umgewandelt, die nach unten in die Verbrennungszone gelangen. Dort werden die Verkohlungsprodukte mit Sauerstoff verbrannt. Es werden Kohlenmonoxid und

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Kohlendioxid erzeugt, die für die Wärme sorgen, die erforderlich ist, um die in dem Abfall enthaltenen anorganischen Feststoffe, beispielsweise Glas und Metall, zu schmelzen. Der schmelzflüssige Rückstand wird aus dem Feuerraum des Ofens kontinuierlich abgestochen und in einem Wasserbad abgeschreckt. Ein Gas, das auf Trockenbasis mindestens 50 % CO plus H₂ enthält, verläßt den oberen Teil, des Ofens. Im Anschluß an eine Reinigungsstufe kann das Gas als Brenngas mit mittlerem Heizwert oder als chemisches Synthesegas verwendet werden.

Bei dem oben erläuterten Anderson-Verfahren ist Sauerstoff im Ofen für zwei Zwecke erforderlich. Der eine besteht darin, die Verkohlungsprodukte durch Oxydation zu vergasen, um in erster Linie Kohlenmonoxid zu bilden; zum anderen soll durch Verbrennung Wärme angeliefert werden, um den Energiebedarf des Verfahrens zu decken.

Das bei dem oben erläuterten Anderson-Verfahren benötigte sauerstoffhaltige Gas muß mindestens 4O Vol.% Sauerstoff enthalten, um dem Feuerraum ausreichend Energie zuzuführen, um die anorganischen Feststoffe zu schmelzen. Ein derartiges Gas kann erhalten werden, indem Luft mit Sauerstoff angereichert wird. Es kann auch mit Sauerstoffkonzentrationen von über 4O % gearbeitet werden; vom technischen Gesichtspunkt her wird vorzugsweise handelsüblicher Sauerstoff benutzt. Wirtschaftliche Erwägungen bestimmen innerhalb des Bereichs von

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4O bis 1OO % die genaue Sauerstoffmenge, die in einem vorgegebenen Fall zu verwenden ist; dies hängt auch von der Zusammensetzung und dem Feuchtigkeitsgehalt des Abfalls ab.

Wie im einzelnen in der US-PS 3 729 298 (vergleiche insbesondere Spalte 6, Zeilen 23 bis 42) ausgeführt ist, zeigte es sich, daß das Gewichtsverhältnis zwischen dem Sauerstoff und dem in den Schachtofen eingebrachten Abfall ein wichtiger Parameter des Anderson-Verfahrens ist. Insbesondere wurde gefunden, daB das Anderson-Verfahren auf sehr wirkungsvolle Weise mit niedrigen Sauerstoff/Abfall-Verhältnissen durchgeführt werden kann, nämlich einem Gewichtsverhältnis zwischen dem Sauerstoff und dem in den Schachtofen eingebrachten Abfall im Bereich von ungefähr 0,15 : 1 bis 0,28 : 1.

Die mit dem Anderson-Verfahren erzielten und auf die Verwendung von niedrigen Sauerstoff/Abfall-Verhältnissen zurückzuführenden Vorteile sind zahlreich. Am augenfälligsten sind die Kosteneinsparungen, die mit niedrigen Sauerstoff/Abfall-Verhältnissen verbunden sind; die Sauerstoffkosten werden auf diese Weise nämlich minimiert. Weitere Vorteile ergeben sich hinsichtlich der Zusammensetzung des den Schachtofen verlassenden brennbaren Gases. Arbeitet man mit einem Gewichtsverhältnis von Sauerstoff/Abfall im Bereich von 0,15:1 bis 0,28:1 im Reaktor, d. h. mit einem Wert, der erheblich unter dem für die stöchiometrische Verbrennung des Abfalls erforderlichen Wert liegt, wird ein Gas erzeugt, das eine

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hohe Konzentration an brennbaren Bestandteilen wie Kohlenmonoxid und Wasserstoff hat. Auf diese Weise kann das Gas als chemisches Synthesegas, beispielsweise bei der Synthese von Methanol, oder als reduzierendes Gas in Anwendungsfällen wie der Reduktion von Eisenerzpellets in metallisches Eisen, benutzt werden. Statt dessen kann die Wärmeenergie des brennbaren Gases ausgenutzt werden, indem das Gas vollständig verbrannt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Anderson-Verfahren dadurch weiter zu verbessern, daß die Verkohlungsprodukte teilweise aus dem Ofen entfernt werden, Das bei dem Anderson-Verfahren erforderliche Verhältnis von Sauerstoff zu Abfall soll vermindert werden. Durch die teilweise Beseitigung der Verkohlungsprodukte soll der spezifische Heizwert des erzeugten Brenngases gesteigert werden.

Ausgehend von einem Verfahren zum Beseitigen von Abfall, insbesondere Müll, unter gleichzeitiger Erzeugung eines nutzbaren gasförmigen Produkts und eines inerten festen Rückstands, bei dem (a) Abfall in den oberen Teil eines aufrecht stehenden Schachtofens eingebracht wird, (b) ein sauerstoffhaltiges Gas in den unteren Teil des Ofens eingeleitet wird, (c) der organische Anteil des Abfalls pyrolisiert wird, (d) der anorganische Anteil des Abfalls fluidisiert wird, (e) die gasförmigen Produkte oben aus dem Ofen abgeführt werden und (f) das fluidisierte anorganische Material aus dem unteren

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Teil des Ofens abgestochen wird, wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelost, daß Verkohlungsprodukte aus dem Ofen in solcher Menge entfernt werden, daß der Sauerstoffverbrauch des Verfahrens vermindert wird, während eine ausreichende Menge an brennbaren Stoffen im Ofen belassen wird, um bei deren Oxydation den Energiebedarf des Verfahrens zu decken, wobei die Menge der beseitigten Verkohlungsprodukte (in kg Verkohlungsprodukt/t Abfall) kleiner als 5OX/Y ist, wobei

X = kg Kohlenstoff in 1 t Abfall,

Y = Gew.% Kohlenstoff in dem Verkohlungsprodukt, und daß der Bereich des SauerstoffVerbrauchs für eine gegebene Menge an beseitigten Verkohlungsprodukten innerhalb der durch die Gleichung

R = B- (8 χ 10"⁶) (CY) bestimmten Werte liegt, wobei

R - Sauerstoffverbrauch (t Sauerstoff/t Abfall) C = Verkohlungsproduktbeseititung (kg Verkohlungsprodukt/t Abfall),

Y = wie oben definiert und
B = zwischen 0,15 und 0,28.

Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform wird die Menge des beseitigten Verkohlungsprodukts zwischen 1OX/Y und 30X/Y gehalten.

Die Erfindung ist im folgenden näher erläutert. Die beilie-

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gende einzige Figur zeigt den Bereich des SauerstoffVerbrauchs als Funktion der Verkohlungsproduktbeseitigung.

Es wurde gefunden, daß das Anderson-Verfahren dadurch weiter verbessert werden kann, daß das durch die Pyrolysereaktion, d. h. durch das Zerlegen und thermische Kracken von organischen Stoffen,erhaltene Verkohlungsprodukt teilweise aus dem Ofen entfernt wird. Durch eine derartige kontrollierte Verkohlungsproduktbeseitigung kann mit einem niedrigeren Verhältnis von Sauerstoff zu Abfall gearbeitet werden, als es bisher erforderlich war, wodurch der Gesamtwirkungsgrad des Anderson-Verfahrens im Vergleich zu einem Betrieb ohne Verkohlungsproduktbeseitigung verbessert wird.

Bei der Durchführung des vorliegenden Verfahrens muß sichergestellt werden, daß ausreichend brennbare Stoffe (in erster Linie Verkohlungsprodukt, CO₁ H_)- im Ofen verbleiben, um den Energiebedarf des Verfahrens durch Oxydation der brennbaren Stoffe zu decken. Dieser Energiebedarf basiert auf dem Erfordernis, die anorganischen Stoffe (z. B. Metall und Glas) zu schmelzen oder zu fluidisieren, den organischen Anteil des Abfalls zu pyrolisieren und zu vergasen, das Wasser zu verdampfen und den Wärmeverlust des Ofens durch Abstrahlung sowie den Verlust an fühlbarer Wärme in den Abgasen und dem abgestochenen schmelzflüssigen Rückstand aus Metall und Schlacke zu kompensieren.

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Bei der praktischen Durchführung des vorliegenden Verfahrens kann das Verkohlungsprodukt auf jede beliebige zweckentsprechende Weise entfernt werden. Eine bevorzugte Art der Beseitigung des Verkohlungsprodukts besteht darin, daß es von dem Produktgas mitgerissen und mit diesem nach außen geführt und anschließend von dem Gas mit Hilfe eines Wasserskrubbers oder anderer Feststoff-Gas-Trennverfahren, die als solche bekannt sind, abgetrennt wird. Das aus dem organischen Anteil des Abfalls erhaltene Verkohlungsprodukt besteht in erster Linie aus Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff und Asche. Seine genaue Zusammensetzung hängt von den Arbeitsbedingungen innerhalb des Ofens, der Stelle der Abführung des Verkohlungsprodukts und ähnlichen Faktoren ab. Die Hauptkomponente des Verkohlungsprodukts ist Kohlenstoff.

Bei der Durchführung des vorliegenden Verfahrens hängt der Bereich der zu verwendenden Sauerstoffdurchflußmenge von der Menge des beseitigten Verkohlungsprodukts ab. Die beiliegende graphische Darstellung zeigt den Bereich des Sauerstoffverbrauchs als Funktion der Verkohlungsproduktbeseitigung. Aus der Darstellung ist zu erkennen, daß ohne Beseitigung von Verkohlungsprodukt das Verhältnis von Sauerstoff zu Abfall das aus der US-PS 3 729 298 bekannte Verhältnis, d. h. 0,15 : 1 bis 0,28 : 1 t Sauerstoff/t Abfall,ist. Wenn jedoch entsprechend dem vorliegenden Verfahren Verkohlungsprodukt beseitigt wird, wird der Bereich des Sauerstoffverbrauchs wesentlich vermindert. Wenn beispielsweise eine Verkohlungs-

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Produktbeseitigung in solchem Ausmaß erfolgt, daß die Menge des in dem Verkohlungsprodukt abgeführten Kohlenstoffs 75 kg/t Abfall beträgt, wird der Bereich des SauerstoffVerbrauchs auf 0,09 : 1 bis 0,22 : 1 t Sauerstoff/t Abfall" vermindert. Das beseitigte Verkohlungsprodukt kann beispielsweise als Reduktionsmittel oder als Brennstoff benutzt werden.

Während die vorliegende Erfindung nicht auf eine bestimmte Wirkungstheorie beschränkt ist, besteht eine mögliche Erklärung für die in hohem Maße erwünschte Verminderung des Sauerstoff Verbrauchs, wie sie mit de/n vorliegenden Verfahren erzielt wird, in folgendem^ Die Oxydation des Verkohlungsprodukts zur Bildung von Kohlenmonoxid ist bei der Anwendung von Sauerstoff nicht in gleichem Maße thermisch wirkungsvoll wie konkurrierende Gasverbrennungsreaktionen. Dies ergibt sich beispielsweise aus den folgenden Reaktionen:

	+ 1/2 O₂ -	(g)	Reaktionswärme
	+ 1/2 O₂ -	(kcal/kg Sauerstoff)
C	+ 1/2 O₂ -	1647
co		4223
H₂		3581
	» CO
	—+ co₂
* H₂O

Die Verbrennung von CO zu CO₂ sowie von H₂ zu H₂O setzt mehr Energie je kg an verbrauchtem Sauerstoff frei als das Ver-

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brennen von Kohlenstoff zu CO. Wenn Verkohlungsprodukte aus dem Ofen beseitigt werden, reagiert ein größerer Anteil des Sauerstoffs mit dem gasförmigen Brennstoff im Feuerraum (CO + H₂). Dies bewirkt, daß mehr Verbrennungsenergie je kg Sauerstoff freigesetzt wird und daß infolgedessen weniger Sauerstoff erforderlich ist, um den Energiebedarf des Ofens zu decken. .

Die Beseitigung von Verkohlungsprodukten erlaubt nicht nur eine Verminderung des SauerstoffVerbrauchs, sondern hat auch einen günstigen Einfluß auf den spezifischen Heizwert des erzeugten Brenngases (gemessen in kcal/m für trockenes Gas bei 21⁰C und Atmosphärendruck). Das Brenngas wird in dem Ofen in der Hauptsache durch zwei Mechanismen erzeugt. Der eine ist die Pyrolyse des organischen Anteils des Abfalls, der andere die Oxydation des Verkohlungsprodukts zu Kohlenmonoxid. Die Pyrolysereaktion setzt ein Brenngas frei, das einen spezifischen Heizwert von ungefähr 3500 bis 4500 kcal/m hat. Das durch die Oxydation des Verkohlungsprodukts gebildete. Kohlenmonoxid hat einen spezifischen Heizwert von ungefähr 2760 kcal/m . Die durch Pyrolyse und Oxydation des Verkohlungsprodukts erzeugten Gase vereinigen sich und verlassen den Ofen als ein Brenngas, dessen spezifischer Heizwert zwischen den Werten für die gesonderten Gase liegt, die auf jeden der beiden Mechanismen zurückzuführen sind. Wenn Verkohlungsprodukt aus dem Ofen beseitigt wird, wird die Menge des durch Verkohlungsproduktoxydation erzeugten Gases mit niedri-

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gerem spezifischem Heizwert gegenüber dem durch Pyrolyse erzeugten Gas mit höherem spezifischem Heizwert herabgesetzt. Dadurch wird der spezifische Heizwert des den Ofen verlassenden kombinierten Gases erhöht; die Brauchbarkeit und der wirtschaftliche Wert des im Ofen gebildeten Brenngases werden verbessert.

Das vorliegende Verfahren kann entsprechend dem aus der US-PS 3 729 298 bekannten Grundverfahren durchgeführt werden, mit der Abwandlung jedoch, daß beispielsweise 100 kg Verkohlungsprodukt pro t ankommenden Abfalls aus dem Ofen abgeführt werden. Wenn das Verbrennungsprodukt 75 Gew.% Kohlenstoff enthält, kann dabei entsprechend der graphischen Darstellung mit einem SauerstoffVerbrauchsbereich von 0,09 : 1 bis 0,22 : 1 t Sauerstoff/t Abfall gearbeitet werden.

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Claims

Ansprüche

.) Verfahren zum Beseitigen von Abfall, insbesondere Müll, unter gleichzeitiger Erzeugung eines nutzbaren gasförmigen Produkts und eines inerten festen Rückstands, bei dem (a) Abfall in den oberen Teil eines aufrecht stehenden Schachtofens eingebracht wird, (b) ein sauerstoffhaltiges Gas in den unteren Teil des Ofens eingeleitet wird,

(c) der organische Anteil des Abfalls pyrolysiert wird,

(d) der anorganische Anteil des Abfalls fluidisiert wird,

(e) die gasförmigen Produkte oben aus dem Ofen abgeführt werden und (f) das fluidisierte anorganische Material

aus dem unteren Teil des Ofens abgestochen wird, dadurch gekennzeichnet, daß Verkohlungsprodukte aus dem Ofen in solcher Menge entfernt werden, daß der Sauerstoffverbrauch des Verfahrens vermindert wird, während eine ausreichende Menge an brennbaren Stoffen im Ofen belassen wird, um bei deren Oxydation den Energiebedarf des Verfahrens zu decken, wobei die Menge der beseitigten Verkohlungsprodukte (in kg Verkohlungsprodukt/t Abfall) kleiner als 5OX/Y ist, wobei

X = kg Kohlenstoff in 1 t Abfall, Y = Gew.% Kohlenstoff in dem Verkohlungsprodukt, und daß der Bereich des Sauerstoffverbrauchs für eine gegebene Menge an beseitigten Verkohlungsprodukten innerhalb der durch die Gleichung

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ORIGINAL IN3PECTEIX

el

R = B - (8 χ 1Ο"⁶) (CY) bestimmten Werte liegt, wobei R = Sauerstoffverbrauch (t Sauerstoff/t Abfall), C = Verkohlungsproduktbeseitigung (kg Verkohlungs-

produkt/t Abfall), Y ■ wie oben definiert, B = zwischen O,15 und O,28.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, da3 die Menge des beseitigten Verkohlungsprodukts zwischen 1OX/Y und 3OX/Y gehalten wird.

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