DE2831349A1 - Vorrichtung zum verbrennen partikelfoermigen abfallmaterials - Google Patents
Vorrichtung zum verbrennen partikelfoermigen abfallmaterialsInfo
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Description
Vorrichtung zum Verbrennen partikelförmigen A bf all mate rial s
Die Erfindung betrifft die Verbrennung von Abfall material, welches
als Festkörpermaterial oder als halbfestes Material anfällt.
Insbesondere betrifft die Erfindung die Verbrennung von Polymer-Abfall,
so Polyäthylen, Kun ststoffmassen, Gummiverbindungen,
halbfestem Schlamm und von anderen verbrennbaren Materialien, wie ataktisches Polypropylen, für welche sich das Verfahren und
die Vorrichtung vorliegender Art insbesondere eignen.
Bei allen Kunststoffherstellungsprozessen fallen Produkte an, welche
nicht in der Spezifikation liegen und sogenannte Nebenprodukte, für welche kein entsprechender Markt besteht.
Bisher konnten die nicht den Vorschriften entsprechenden bzw. nicht
in der Spezifikation liegenden Produkte nicht durch Vermischung beseitigt werden und die anfallenden Nebenprodukte konnten nicht
verkauft werden, weshalb diese Materialien für das Auffüllen von Land etc. eingesetzt wurden. Dieses Verfahren erweist sich nicht
nur als teuer, sondern steht in zunehmendem Maße den Bestimmungen des Umweltschutzes entgegen.
Die Probleme des Umweltschutzes und der steigenden Brennstoffkosten
haben die Verbrennung dieser Kunststoffabfall massen zum Zwecke der Dampferzeugung als zukunftsträchtige Lösung erscheinen
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lassen. Die erforderliche Technologie ist jedoch nicht als einfach anzusehen
und ist für einige Kunststoffmassen erst seit kurzem verfügbar.
Die meisten Kunststoffe besitzen im allgemeinen die Eigenschaft, dass sie nicht leicht verflüssigbar und verkleinerbar sind, um eine
Verbrennung in Suspension vorzunehmen. Es ist auch nicht im allgemeinen praktisch, die Festkörper in eine feine, durch Luft
transportierbare Form umzusetzen, um eine Verbrennung in Suspension vollziehen zu können.
Das praktischste Verfahren ist offensichtlich die "Kern"-Verbrennung,
bei welcher der Kunststoff in jeder Form auf den Boden eines Ofens aufgebracht wird und dort mit einer Rate verbrennt, welche proportional
ist zur freiliegenden Fläche. Das Problem besteht hierbei in der Steuerung der Verbrennungsrate, öfters angesichts chargenweiser
und willkürlicher Eingabe des Materials.
Falls der Kunststoff beträchtliche Aschemengen enthält., wie dies für
gewisse ataktische Polypropylene der Fall ist, wird der Verbrennungsprozess durch eine beträchtliche "Verblindung" der Oberfläche des
geschmolzenen Polymers wesentlich kompliziert, da diese Verblindung aus einer Ascheschicht besteht, welche die Verbrennungsrate beträchtlich
verzögert oder beeinträchtigt.
Je nach den Anteilen der Asche kann diese auch in weitem Umfang als
Agens für hitzebeständige Schlacke wirken und kann auf diese Weise den Abgashitzekessel verunreinigen. In jedem Fall muss die Asche
aus dem Rauchgas bzw. Abgas entfernt werden.
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Gewisse Kunststoffe erzeugen bei Verbrennung Säurebestandteile, so HCl und P0O im Abgas. Diese Bestandteile führen zu ernsthaften
Korrosionsproblemen in den strömungsabwärts liegenden Bauteilen. PVC erzeugt offensichtlich HCl, einige ataktische Polypropylene
erzeugen jedoch nicht derart offensichtlich sowohl HCl und PO .
ed. ö
Bisher wurden grosse Mengen von Kunststoffabfall in herkömmlichen Verbrennungsöfen verbrannt, wobei beträchtliche Schwierigkeiten
in Kauf zu nehmen waren. Viele Probleme entstehen angesichts unvollständiger Verbrennung und daraus resultierender Verunreinigung
der Atmosphäre mit Rauch und toxischen Chemikalien. Andere Probleme sind durch die überhöhten Temperaturen in den Verbrennungseinrichtungen
etc. bedingt.
Davon ausgehend besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein Verbrennungssystem
zu schaffen, mittels welchem Festkörpermaterialien, so Polymere, welche bei vorbestimmter Temperatur schmelzen, unter
Konditionen gesteuerter Temperatur und vollständig verbrennen können, wobei die Verbrennungshitze nutzbringend angewendet wird.
Es wurde gemäss der Erfindung ein System geschaffen, bei welchem
das Festkörpermaterial unter Reduzierbedingungen in einem ersten Abschnitt geschmolzen und verdampft wird, um Verbrennungsprodukte
zu erhalten, welche in einen Nachbrennerabschnitt strömen. Dort werden die Gase vollständig mit Luftüberschuss unter gesteuerten
Temperaturbedingungen verbrannt, derart, dass die Entstehung von Stickstoffo>yden unterbunden ist.
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Das System bzw. die Vorrichtung eignet sich insbesondere zum
Verbrennen von Polymer-Abfallmaterial, wobei das Festkörpermaterial in Form einer Schmelze ausschmilzt und die Verbrennung
unter Reduzierbedingungen an der Oberfläche der Schmelze vonstatten geht. Die dabei entstehenden Verbrennungsprodukte steigen
nach oben in eine Nachbrennerkammer, wo die Verbrennungsprodukte mit Luftüberschuss vollständig verbrannt werden.
Die Erfindung ist in einer zylindrischen Vorrichtung mit drei jeweils
tandemförmig zueinander angeordneten Abschnitten verwirklicht, wobei ein Basisabschnitt eine Öffnungseinrichtung aufweist,
um das Abfallmaterial in die untere Kammer eingeben zu können, während ein Brenner oder eine andere geeignete Einrichtung vorgesehen
ist, um das Festkörpermaterial zu zünden. Die Teil verbrennung
des Festkörpermaterials schafft eine Arbeitstemperatur, bei welcher das Material schmilzt und eine Schmelze an der Basis
der Kammer bildet. Verbrennungsluft wird unter Druck durch mehrere Röhren in die Kammer eingestrahlt, um die Teilverbrennung
des Materials unter Reduzierbedingungen herbeizuführen. Ein kreisförmiger, Öffnungen aufweisender Sprenkler oder Zersprüher
ist in das geschmolzene Kunststoffmaterial eingebracht und wird mit Dampf oder unter Druck stehender Luft gespeist. Diese
strömt durch die Perforationen nach oben und erzeugt im geschmolzenen
Material eine Turbulenz, derart, dass die Ascheschicht auf der Oberfläche der Schmelze aufbricht und die Verbrennungsrate erhöht
wird.
Die gasförmigen Verbrennungsprodukte passieren eine an der Oberseite
des Basisteils befindliche Drossel aus Keramikmaterial und gelangen in einen Nachbrennerabschnitt, welcher auf der Oberseite
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der Verengung oder Drossel angebracht ist. Hier ist ein Brenner
vorgesehen, welcher die verbrennbaren und die Drossel passierenden Dämpfe zündet. Ausserdem wird Verbrennungsluft im Überschuss
und unter Druck durch mehrere tangential zur Nachbrennerkammer angeordnete Röhren eingeleitet, wobei die Luft eine längere Verweilzeit
und eine turbulente Durchmischung auslöst. Auf diese Weise wird eine vollständige Verbrennung aller brennbaren Bestandteile
des Abfall materials sichergestellt.
Dampf, Wasserpartikel, Wasserdampf bzw. Nassdampf, Luft oder Inertgase können gesteuert in die Nachbrennerkammer eingespritzt
werden, um die Temperatur in bestimmter Weise zu begrenzen. Bei diesem Verfahren werden die Verbrennungsprodukte verdünnt und
gekühlt, bevor sie die Kammer verlassen. Die Verbrennungsprodukte passieren daraufhin einen einen Teil der Verbrennungshitze zurückgewinnenden
Abgashitzekessel und gelangen von dort in den Abgaskamin.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erläutert.
Fig. 1 ist eine vertikale Schnittansicht der Vorrichtung nach der
Erfindung;
Fig. 2 ist eine vergrösserte Einzelansicht der unteren bzw. reduzierenden Kammer;
Fig. 3 ist eine Einzelansicht der unteren Kammer unter Darstellung
des Systems zum Einleiten von Verbrennungsluft;
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Fig. 4 ist eine Einzelansicht der unteren Kammer unter Darstellung
der Öffnung zur Eingabe von Festkörpermaterial und unter Darstellung des Brenners; und
Fig. 5 ist eine Darstellung der Konstruktion des Brenners, wie er an der unteren reduzierenden Kammer und an
der Nachbrennkammer zur Anwendung kommt.
Die in der Primärstufe bei Verbrennung von Kunststoffen auftretenden
Gesamtreaktionen sind nachfolgend wiedergegeben (unter Verwendung von Polypropylen als Beispiel):
festes (C_H ) + Wärme » flüssiges (C0H0) (1)
3 6 η 3 ο η
flüssiges (C0H0) + Wärme ■>
C0H0 + andere Gase (2)
OO OO
(3) (4) (5)
Obwohl der Kunststoff als Festkörper einführbar ist, scheint der die
Reaktionsrate bzw. -geschwindigkeit begrenzende Schritt die Pyrolysereaktion (2) zu sein, was im wesentlichen ein Wärmeübertragungsproblem darstellt.
Die Rate der Wärmeübertragung auf das geschmolzene Kunststoffmaterial
ist proportional zur Temperatur, zur Oberfläche und zur Turbulenz. Die Oberfläche ist nicht leicht steuerbar, insbesondere,
wenn Kunststoff als Festkörperklumpen chargenweise eingegeben wird. Das beste Verfahren zur Steuerung der Verbrennung bzw. der
Verbrennungsrate besteht demnach in der Verwendungeines zweistufigen
Systems. In der ersten Stufe unterliegt das Polymermaterial
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+ | °2 > | co2 + | H2O + | Warme | |
+ | co2 + | H2O + | Hitze | 3> CO + H, C. |
|
*H6 | C | >+°2 | » CO2 + H2C | D + Wärme | |
CO + |
in einer untei—stöchiometrischen Umgebung einer Teilverb rennung,
einer Pyrolyse und einer Reformierung bzw. Umformung. Die Verbrennungsrate wird durch Regulierung der Zuführung von Verbrennungsluft
gesteuert.
Pyrolysegase werden daraufhin in einer zweiten Stufe unter Luft-Überschussbedingungen
bis zur vollständigen Zerstörung aller brennbaren Materialteilchen verbrannt.
Bei diesem Verfahren wird ein hohes Ausmaß von Turbulenz in der
Pyrolysezone aufrechterhalten, nicht nur um die Pyrolyserate zu erhöhen bzw. günstig zu beeinflussen, sondern auch um eine Ascheschicht
zu durchbrechen, welche die Neigung besitzen könnte, die Polymeroberfläche zu "verblinden" . In der Tat besteht ein wesentliches
Merkmal des Verfahrens nach der Erfindung darin, dass ein hohes Ausmaß von Turbulenz aufrechterhalten wird, derart, dass
die gesamte Asche in den Pyrolysegasen gehalten und aus dem Reaktor bzw. Ofen herausgetragen wird und mechanische Ascheabführung
nicht erforderlich wird. Das Verbrennverfahren kann also kontinuierlich wie das Zuführungssystem für die Polymermasse gefahren werden.
Die turbulenten Einsatzbedingungen werden durch geeignete Ausgestaltung
und Plazierung der primären Luft-Einspritzdüsen erzielt. In einigen Fällen werden umlaufende Verbrennungsgase aus dem
stromabwärts liegenden Bereich des Abgashitzekessels verwendet. Die Erzielung der Turbulenz wird durch einen perforierten Sprenkler
oder Strahler erleichtert, welcher am Boden des Basisabschnittes installiert ist und in das geschmolzene Kunststoff eintaucht. Dampf
oder unter Druck stehende Luft werden dem Sprenkler zugeleitet, um diese Turbulenz zu unterstützen. Natürlich wird durch die Ent-
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fernung der Asche die Oberfläche des geschmolzenen Materials geöffnet,
so dass ein verbesserter Kontakt mit der Luft und folglich eine verbesserte Verbrennung möglich sind.
Theoretisch kann der Pyrolyseabschnitt bei jeder Temperatur von
ο ο
beispielsweise 649 C bis über 1093 C betrieben werden. Diese
Temperatur steht in Beziehung zur Luftmenge, welche der Einheit pro Flächeneinheit der Kern- oder Auflagefläche zugeleitet wird.
Je höher die Temperatur ist, desto mehr Kunststoff wird natürlich pro Flächeneinheit der Kern- oder Auflagefläche verbraucht.
Die obere praktische Grenze wird durch die Aschenschmelztemperatür
bestimmt. Falls die Asche erweicht und klebrig wird, hat sie die Neigung des Zusammenbackens, wobei es nahezu unmöglich wird,
diese Asche aus der pyrolysierenden Kunststoffmasse zu entfernen.
Es können sehr zufriedenstellende Pyrolyseraten von 1,46-2,43kp
pro Stunde und dm bei Temperaturen im Bereich von 649 C bis
871 C erzielt werden, wo es möglich ist, die Ascheschmelzung in
nahezu allen Fällen zu verhindern.
Ein weiterer Vorteil der Arbeitsweise in der ersten Stufe unter Reduzierbedingungen
ist darin zu sehen, dass bei Melaminharzen die Entstehung von NO auf ein Minimum reduziert werden kann.
Die Pyrolysegase aus der Primärkammer können ausser den normalen Abgasanteilen verschiedne Kohlenwasserstofffragmente enthalten, so
CO, H-, Koks, Asche, HGl und Verbindungen von Phosphor oder
Schwefel.
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Eine vollständige Oxydation aller brennbarer Anteile wird erzielt,
indem Sekundärluft so eingestrahlt wird, dass eine schnelle und innige Durchmischung stattfindet. Dabei wird ausreichende Verweilzeit
für alle Reaktionen erreicht, so dass sie bis zum "Gleichgewicht" fortschreiten können. Normalerweise wird diese Reaktion
mit einem Luftüberschuss von etwa 25 % durchgeführt.
Falls keine Anordnung für die Kühlung vorgesehen ist, kann die Temperatur in der Oxydationskammer auf mehr als 1650 C ansteigen.
Wenn man mit derartigen Temperaturen arbeitet, sind Probleme des Hitzeschutzes zu beachten.
Es ist ferner erwünscht, die Gase aus dem Oxydationsofen direkt in einen Abgashitzekessel einzuleiten, um mit diesem Dampf zu
erzeugen.
Auch in diesem Fall ist das Problem der Ascheschmelzung zu beachten.
Ein Kessel kann nicht mit Abgasen oder Rauchgasen gefahren werden, in welchen geschmolzene Asche enthalten ist. Die
Asche bleibt auf den Röhren als "Glas" haften und kann durch Russblasen nicht entfernt werden. Das "Glas" sammelt sich an, bis der
Kessel vollständig funktionsunfähig ist.
Es ist infolgedessen von äusserster Wichtigkeit, dass die in den Kessel eintretenden Gase eine Temperatur aufweisen, bei welcher
die Asche verfestigt und brüchig ist. In vielen Fällen kann die Temperatur 1093 C - 1204 C betragen. In einigen wenigen Fällen
darf sie nur 704 C - 816 C betragen.
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Aus diesem Grund wird die Temperatur im Nachbrennerabschnitt gesteuert
und die Ascheschmelzung verhindert. Dies kann auf verschiedene Weise geschehen, so durch Einspritzen von Wasser, durch
einen hohen Luftüberschuss oder durch eine Umlaufführung von kühlem Gas. Das Rückführen kühler Gase aus dem strömungsabwärts
befindlichen Bereich des Kessels stellt das bevorzugte Verfahren dar, da auf diese Weise die Wärmerückgewinnung auf ein
Maximum gebracht wird.
Sogar bei Anfallen verfestigter Asche muss der Kessel in vielen Fällen besonders ausgestaltet sein. Um eine Anpassung an Russgebläse
zu ermöglichen, wird in herkömmlicher Weise der Kessel mit Wasserrohren verwendet. Falls die Asche erodierend ist, sollten
die Geschwindigkeiten auf etwa 15,2 - 18,3 m/sec beschränkt werden. Es können Rippen benutzt werden, der Abstand sollte jedoch auf etwa
zwei Rippen pro 25,4 mm Baulänge beschränkt bleiben.
Falls Säurebestandteile, so HCl oder PnO vorhanden sind, muss
2 5
den Metalltemperaturen im gesamten Kesselbereich besondere Beachtung
gewidmet werden. Der Taupunkt muss vermieden werden. Während dies bei HCl nicht zu schwierig ist, kann es unmöglich
wenden, wenn eine ausreichend grosse Menge von P-O vorhanden
2 ο
ist. Andererseits sollten die Metalltemperaturen auch nicht zu hoch
sein. HCl wird gegenüber Kohlenstoffstahl bei Temperaturen von weit über 316 C korrodierend.
Die Reinigung von Abgasen oder Rauchgasen kann das Entfernen
und/oder die Absorption von partikel förmigen Teilchen enthalten. Das Abführen der Partikel kann mit Zyklonfiltern, mit Venturi-Einrichtungen,
mit ESP-Elementen, mit Sackfiltern etc. geschehen.
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Eine typische Partikelgrosse ist in Tabelle I aufgezeigt. Die Partikel
sind verhältnismässig grob im Vergleich zu denjenigen, die man in suspensionsgebundenen Verbrennungsprozessen findet.
Zyklonfilter sind sehr wirksam, um die Masse an Partikeln zu entfernen.
Einige ataktische Polypropylene können jedoch bis zu 15 % Asche enthalten. Bei diesen starken Staubbelastungen ist es nicht
möglich, den zur Zeit bestehenden scharfen Umweltschutzbestimmungen mit Zyklonfiltern allein gerecht zu werden.
In diesen Fällen kann es jedoch zweckmässig sein, einen heissen Zyklonfilter stromaufwärts des Abgaskessels zu verwenden, um die
Verschmutzung zu reduzieren und um die Russ-Blasbedürfnisse herabzusetzen, derart, dass die Partikel mit einem sehr wirksamen
Gerät am rückwärtigen Bereich des Systems abgezogen werden können.
Falls der Kunststoff Chlor enthält, dann kann ein gepackter Absorber
im Bereich nach dem Abgaskessel vorgesehen werden, um das HCl zu absorbieren und ein HCl-Produkt von bis zu 20 % Konzentration
zu erzeugen, wobei dieses Produkt verfügbar ist oder erneut seiner Verwendung zugeführt werden kann.
In Fig. 1 der Zeichnung ist in vertikaler Schnittansicht die vollständige
Vorrichtung 10 nach der Erfindung dargestellt. Die Vorrichtung umfasst drei wesentliche Teile einschliesslich eines bei Bedarf verwendeten
Abgashitzekessels und eines Kamins. In einer unteren Verbrennungskammer bzw. einem Basisteil 16 besteht eine Reduzieratmosphäre,
in welche das Festkörpermaterial durch die Öffnung 46 zusammen mit Verbrennungsluft von weniger als stöchiometrischer
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Menge eingegeben wird. Die Vorrichtung ist ferner mit einem mittleren
Abschnitt 52 versehen, welcher eine keramische Drossel mit einer reduzierten mittleren Öffnung darstellt. Durch diese Öffnung passieren
die Verbrennungsprodukte aus der unteren Kammer. An der Oberseite des verengten Querschnittes bzw. der Drossel ist ein dritter Abschnitt
12 vorgesehen, in welchem die durch die reduzierende Atmosphäre der unteren Kammer erzeugten Gase vollständig mit überschüssiger
Luft verbrannt werden.
Mit Bezugsnummer 16 ist im wesentlichen der untere Basis- oder Reduzierabschnitt in Form einer Kammer bezeichnet. Mit Bezugsnummer 14 ist der Abgashitzekessel bezeichnet und der Kamin trägt
die Bezugszahl 66. Aus dem Kamin werden die Verbrennungsprodukte in die Atmosphäre ausgestossen. Der Basisabschnitt bzw. die untere
Kammer 16 umfasst eine vertikale zylindrische Kammer mit einer Basis 21, mit einer Aussenwand 17 und einem oberen Flansch 53,
der zur Befestigung mit dem Drosselteil dient.
In der Kammer befindet sich ein keramischer Einsatz bzw. Sockel
30. Festkörpermaterial wird durch eine Öffnung 46 in den Innenraum 29 eingedrückt. Diese Anordnung ist nachfolgend im einzelnen im
Zusammenhang mit den Fig. 2 und 4 erläutert.
Das System eignet sich zur Verbrennung von Abfall materialien,
welche bei vorbestimmter Temperatur schmelzen, so zur Verbrennung von Polymermaterialien, wie Polyäthylen, Polypropylen und
im allgemeinen thermoplastischen Materialien. Die Temperatur, welche in der unteren Kammer gehalten ist, dient zum Schmelzen
dieser Materialien. Es wird dadurch ein Schmelzbad 30 mit einer Oberfläche 38 gebildet.
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In der Wand der unteren Kammer ist eine Öffnung 70 vorgesehen, in welcher ein Brenner eingeführt ist. Dieser Brenner stellt eine Einrichtung
zum Zünden des Festkörpermaterials dar und zum Verbrennen des Materials an der Oberfläche 38 des Schmelzbades 32.
Die Einzelheiten des Brenners sind nachfolgend unter Bezugnahme auf Fig. 5 der Zeichnung erläutert.
Mehrere tangentiale Rohre 36, welche unter Bezugnahme auf Fig. 3 erläutert sind, erstrecken sich oberhalb der Oberfläche 38 des geschmolzenen
Materials durch die Wand der unteren Kammer. Eine Sammelleitung 34 umgibt die untere Kammer 16 und verbindet die
Rohre 36 über eine Drossel bzw. einen Schieber 35 und eine Leitung 37 mit einem Kompressor, mit einem Gebläse oder einer anderen
Druckluftquelle 36. Mit Hilfe der Drossel 35 wird die Strömungsrate
der Verbrennungsluft in den Raum 29 gesteuert, derart, dass eine Reduzieratmosphäre aufrechterhalten wird. Dies bedeutet, dass die
Luftmenge geringer ist als zur vollständigen Verbrennung der Elemente in dem zu verbrennenden Material erforderlich ist. Infolge
Verwendung eines reduzierten Volumens von Verbrennungsluft sind die in der unteren Kammer erzeugten Verbrennungsprodukte immer
noch brennbar und bewegen sich nach oben in die Nachbrennerkammer bzw. obere Kammer 12.
Mit Hilfe der Drossel 52, welche infolge der hohen Temperatur aus Keramikmaterial besteht, wird der Öffnung 54 ein reduzierter Querschnitt
verliehen, derart, dass die im Raum 29 befindlichen Gase gebündelt oder eingeschnürt werden, wenn sie nach oben durch die
Öffnung 54 strömen.
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Die obere Kammer 12 erstreckt sich von der Drossel nach oben und kann ein Teil der Drossel sein oder getrennt an dieser befestigt sein.
Die obere Kammer 12 weist eine Aussenwand 48 auf, deren Innenseite
mit einer thermischen Isolierung 50 ausgestattet ist.
Nahe der Basis der oberen Nachbrennkammer sind mehrere Lufteinlassröhren
54 vorgesehen. Diese sind den Röhren 36 in der unteren Kammer vergleichbar, sind jedoch schräg nach oben und tangential
angestellt, so dass eine verwirbelnde, schraubenförmige Bewegung der Gase im oberen Abschnitt entsteht. Infolgedessen ist eine innige
Vermischung und eine längere Verweilzeit und infolgedessen eine vollständigere Verbrennung gewährleistet. Mit Hilfe einer Sammeloder
Verteilerleitung 42 wird die Luft in die Röhren 44 eingegeben.
Gemäss Fig. 1 ist die Verteilerleitung 42 mittels eines Rohres 43
und einer sekundären Luftdrossel 41 und eines Rohres 40 mit dem Luftvorrat bzw. dem Drucklufterzeuger 36 verbunden. Die Drossel
41 wird verwendet, um zusätzliche Luft zum Zwecke der Verbrennung in die Nachbrennkammer 51 einzuleiten, derart, dass alle Verbrennungsprodukte vollständig verbrennen, bevor sie nach oben durch
den Abschnitt 64 in den Kamin 66 gelangen.
Um eine vorbestimmte maximale Temperatur in der oberen Kammer aufrechtzuerhalten, erstrecken sich mehrere Röhren 62 durch die
Wand der oberen Kammer nahe deren Oberseite. Die Röhren 62 sind mit einer Dampf-Verteilerleitung 60 verbunden, welche in herkömmlicher
Weise Dampf über ein Ventil 58 und eine Röhre 56 zuleitet. Anstelle von Dampf können Wasserpartikel oder Flüssigkeitsdampf,
Luft oder Inertgase oder rezirkulierte kühle Abgase des Kamins verwendet wenden.
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Wie im Falle der Basiskammer 16 ist eine Brenneröffnung 70 vorgesehen,
welche insbesondere in Fig. 5 dargestellt ist.
In Fig. 2 ist in Einzelschnittansicht der Aufbau der unteren Basiskammer
der Vorrichtung nach der Erfindung wiedergegeben. Diese Kammer weist eine Basisplatte 21 auf, an welcher eine zylindrische
Aussenwand 17 angeschweisst ist. Die Wand ist ausserdem an einem
oberen Flansch 53angeschweisst und ist durch eine thermische Isolierung 20 geschützt. Mit Bezugsnummer 36 sind die Luftröhren
bzw. -leitungen bezeichnet, die sich oberhalb des keramischen Materials 30 befinden. Dieses Material bedeckt als Sockel die Basis
der unteren Kammer. Die tangentiale Position der Luftröhren ist im Zusammenhang mit Fig. 3 erläutert.
Es ist eine Brenneröffnung 70 mit einem Verbindungsflansch 72
vorgesehen, so dass eine Brennerflamme nach innen und nach unten gerichtet auf die Oberfläche 38 des flüssigen Materials 32 geleitet
werden kann, also auf das Material, das sich auf der Oberseite des aus Keramikmaterial bestehenden Sockels 30 bildet.
Auf der Oberseite 100 des Sockels 30 befindet sich ein ringförmiger,
Öffnungen aufweisender Sprenkler bzw. Zerstäuber 104 , welcher Schenkel oder Stützen 112 aufweisen kann. Der als kreisförmiges
Rohr 104 ausgebildete Zerstäuber weist mehrere Öffhungen 106 an
seiner Unterseite auf. Die gesamte Anordnung kann vollständig in die Schmelze 32 aus Kunststoff, d.h. ausserhalb des Flammbereiches
oberhalb der Oberfläche 38, eingebracht werden.
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Auf der Oberfläche 38 bildet sich Asche 102 und verbleibt auf ihr.
Dies ist ein Nachteil, da ein Teil der Oberfläche abgedeckt wird und die Berührung der Schmelze mit der Verbrennungsluft aus
den Röhren 36 begrenzt wird.
Luft oder unter Druck stehender Dampf wird über die Leitung 108
gemäss Pfeildarstellung 110 in den Zerstäuber eingeleitet. Die
Luft strömt aus den Öffnungen oder Perforationen 106 und sprudelt nach oben durch das geschmolzene Material, wie durch die Pfeile
114 aufgezeigt ist. Durch diese Versprudelung wird ein Walzen und
Aufsieden der Flüssigkeit erreicht. Infolge der Turbulenz wird die Oberfläche aufgebrochen und von der Asche befreit, welche von der
Oberfläche abgewandt nach oben geblasen wird. Der vorgenannte Nachteil wird also beseitigt, derart, dass ein grösserer Anteil der
Oberfläche freiliegt und die Verbrennung erleichtert wird.
Falls Luft als Gas dem Sprenkler oder Zerstäuber zugeleitet wird, dann wird sie Bestandteil der Verbrennungsluft. So muss die über
die Röhren 36 zugeleitete Luft reduziert werden, so dass die Gesamtluftmenge
derjenigen bei Zuleitung durch die Röhren oder Leitungen 36 entspricht, wenn Dampf oder Inertgas in den Sprenkler oder
Zerstäuber eingeleitet wird.
In Fig. 3 ist eine Verteilerleitung 34 dargestellt, welche den Basisabschnitt
ausserhalb der Aussenwand 17 umgibt. Es sind mehrere
Leitungen oder Röhren 36 vorgesehen, welche in jeder beliebigen Anzahl bestehen können, welche zum Zwecke einfacher Erläuterung
aus vier Röhren wiedergegeben sind. Diese Röhren werden mit unter Druck stehender Luft aus der Verteilerleitung 34 gespeist.
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Mit Bezugsnummer 39 ist eine flexible Kupplung bezeichnet, so eine
Gummimuffe, welche zwischen den Röhren 36 und der Verteilerleitung 34 verwendbar ist. Wie vorstehend erwähnt und in Fig. 1
dargestellt ist, dient ein Schieber bzw. eine Drossel 35 zur Steuerung der Strömung von Luft aus dem Luftverdichter oder Gebläse
36 (Fig. 1) über die Leitung 37 in die untere Kammer.
Ein vertikales Rohr 40 (welches zum Zwecke vereinfachter Darstellung
horizontal wiedergegeben ist) erstreckt sich über eine zweite Drossel 41 und ein Rohr 43 in die Luftröhren 44, die sich
durch die Wand der oberen Kammer gemäss Fig. 1 erstrecken. Die Verteilerleitung und die Röhren entsprechen den in Fig. 3 dargestellten,
mit der Ausnahme, dass die Röhren 44 nach oben angeschrägt sind.
In Fig. 4 ist im Querschnitt die untere Kammer in der Ebene 4-4 nach Fig. 1 dargestellt. Es sind die innere und die äussere Wand
17 und 18 und die Brenneröffnung 70 mit dem Flansch 72 wiedergegeben.
Die Öffnung 46 durchsetzt gemäss Darstellung die Wand und weist eine Luftdichtung 84 als auch eine Belastungseinrichtung bzw. Ladeeinrichtung
auf, so einen Fluid-Verteiler, einen Plunger oder eine
Förderschnecke, mittels welchen Polymer-Abfallmaterial in die
Kammer eingedrückt werden kann. Die Lade- bzw. Eingabevorrichtung 84 und 96 ist von herkömmlicher Anordnung. Es sei lediglich
darauf hingewiesen, dass ein Atmosphärendruck übersteigender Druck in der unteren Kammer besteht, so dass eine Einrichtung vorgesehen
sein muss, um das Entweichen von heissen Produkten der Verbrennung aus der Öffnung 46 zu verhindern. Dies ist Bestandteil der her-
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kömmlichen Anordnung 86.
Öffnungen 70 sind sowohl in der unteren Kammer 16 als auch in der oberen Kammer 12 befindlich dargestellt. Diese dienen zum Zünden
des Festkörpermaterials und des flüssigen Materials in der unteren Kammer als auch zum Zünden des gasförmigen Materials in der
oberen Kammer, also zum Zünden der Gase, welche die Öffnung 54 der Drossel passieren. In Fig. 5 ist eine Ausführungsform des
Brenners wiedergegeben. Dieser weist ein Brennerrohr 74 auf, welches axial innerhalb der Öffnung 70 mittels einer nicht dargestellten
Einrichtung von bekannter Konstruktion gehalten ist. Gas wird dem Brenner über ein Ventil 76 und ein Rohr 78 zugeleitet. Am Ende
des Brennerrohres 74 ist eine herkömmliche Öffnung vorgesehen, so dass ein langer Strahl 80 mit hoher Geschwindigkeit vom Ende
des Brennerrohres 74 austreten kann. Durch die hohe Geschwindigkeit des Gasstrahls 80 wird Verbrennungsluft durch den Ringraum
zwischen dem Brennerrohr 74 und der Wand 70 in Form des durch die Pfeile 78 dargestellten Luftstromes angesaugt. Der durch einen
erweiterten Teil 79 der Öffnung angesaugte Luftstrom passiert den ringförmigen Zwischenraum und gelangt in das Innere 29 der Kammer
16, wie durch die Pfeile 82 dargestellt ist, so dass der Gasstrahl mit der Luft 82 vermischt wird und verbrennt. Die das Gas 80 zündende
Flamme wird durch herkömmliche Mittel erzeugt, weshalb eine weitere Erläuterung nicht erforderlich ist.
Als Beispiel der Wirtschaftlichkeit des Systems wird nachfolgend auf eine Anlage Bezug genommen, bei welcher 453 kp/Stunde
ataktischen Polypropylens mit einem Ascheanteil von 8 - 10 % verbrannt wird. In diesem Fall sind in den Abgasen bzw. Rauchgasen
keine Säurebestandteile enthalten.
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Der Nettowärmewert des Kunststoffs beträgt etwa 10 842 kcal/kp,
so dass die Gesamtwärmefreigabe im System etwa 4,51 χ 10 kcal/ Stunden beträgt. Das System erzeugt 7167 kp/Stunde gesättigten
Dampfes mit einem Überdruck von 42,2 bar aus Kesselspeisewasser einer Temperatur von 104 C. Dies ergibt eine thermische Ausbeute
von nahezu 90 %.
Die Wirtschaftlichkeitsrechnung des Systems ist etwa wie folgt:
A. Hauptausrüstungskosten S" 600.000 (einschliesslich aller Kessel, Behälter,
werkstattseitiger Einbauten und hitzebeständiger Teile, Leitungen, Gebläsen, Steuerungen, Leitern, Plattformen, Bauwerken
etc., jedoch ausschliesslich der Einrichtungen für den Kunststofftransport
und für die Ascheentfernung).
B. Installationskosten £600.000 (einschliesslich der Bauplatzaufbereitung,
der Fundamente, der Errichtung, der
Verrohrung und der Verdrahtung etc.).
Verrohrung und der Verdrahtung etc.).
C. Gesamtinvestition £ 1.200.000
D. Einkommen (basierend auf 8600 Stunden/Stunde) Dampfwert bei jB 3.00/454 kp £ 407.640
Einsparungen von 2 cent pro 0,454 kp Bereitstellungskosten £ 172.000
Gesamt £ 5 79.640
809886/0771 -25-
E. Ausgaben
Elektrische Anlagen - 100 KW bei 3 cent £ 25.800 Arbeitskosten - 0,25 Maschinenführer-
kosten bei £ 15.—/Stunde £ 32.250
0,25 Inspektorkosten bei £ 50.000/Jahr £ 12.500
Abschreibung bei 10 % £ 120.000
Wartung mit3% & 36.000
Diverses £ 20.000
Gesamt £ 246.555
F. Erlös
£579.640-£246.555 = £ 333.085
G. Bruttobezogen auf Investitionskosten 28 %
eine
Offensichtlich stellt dies /sehr rohe wirtschaftliche Analyse dar, jedoch
ist sie genau genug, um zu veranschaulichen, dass die Verbrennung von Kunststoffabfall zum Zwecke der Dampferzeugung als
sehr erfolgversprechend angesehen werden kann, insbesondere wenn die gesetzgeberischen Maßnahmen des Umweltschutzes keine weitere
Alternative zulassen.
Typische Partikelverteilung von Asche bei "Kern"-Verbrennung von
Kunststoff.
Pa rtikelg rosse, Mikron Gewichtsprozent
850+ 0,86
420 - 850 4, 1 7
250-420 10,54
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-26 -
2831343
150 - 250 - 27,82
75-150 39,45
37- 75 8,0
19-37 4,0
10 - 19 2,0
10 und weniger 3,2
Es wurde vorstehend ein dreiteiliger Aufbau beschrieben, mittels welchem in Klumpeng rosse, d.h. in für Verbrennung geeignete
Grosse gemahlene Festkörper aus Kunststoff durch eine Ladeöffnung in eine untere Verbrennungskammer eingegeben werden. In dieser
Kammer werden die Kunststoffklumpen oder -partikel durch einen Brenner gezündet. In der Verbrennungskammer wird eine vorbestimmte
Verbrennungstemperatur gehalten, welche ausreicht, um das eingegebene Material zu schmelzen, derart, dass sich eine
Schmelze an der Basis der Kammer bildet. An der Oberfläche 38 dieser Schmelze verbrennt das Material. Die Verbrennung der
Flüssigkeit 32 wird dur ch Luft erleichtert, welche unter Druck durch mehrere tangentiale Rohre 36 eingeleitet wird, um eine turbulente
und innige Vermischung der von der Oberfläche 38 aufsteigenden Gase zu erreichen.
Luft oder Dampf, welcher unterhalb der Oberfläche der Schmelze eingeleitet wird, löst eine Turbulenz der Oberfläche der Schmelze
aus, wodurch eine Lage von Asche aufgebrochen wird und die Asche mit der Flamme aufsteigt. Auf diese Weise wird die geschmolzene
Oberfläche der Schmelze freigelegt und wird die Verbrennung unterstützt.
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Es sind weniger als stöchiometrische Luftmengen erforderlich, so dass eine reduzierende Atmosphäre im Raum 29 besteht und verbrennbare,
gasförmige Produkte durch eine Drossel 52 nach oben in die Nachbrennkammer 12 gelangen. Hier ist ein Brenner vorgesehen,
welcher die Gase zündet, als auch mehrere tangentiale Luftröhren 44. Es ist eine Einrichtung vorgesehen, welche den Luftstrom
steuert, derart, dass weniger als eine stöchiometrische Luftmenge in der unteren Kammer zur Verfügung steht, während in der
oberen Kammer mehr Luft bzw. mehr Luft als erforderlich zur Verfugung steht, derart, dass eine vollständige Verbrennung aller vei—
brennbaren Materialien sichergestellt ist. Die tangentiale Strömung von Luft in beide Kammern erleichtert die Vermischung und die
Verbrennung der Gase. Zusätzlich wird bei Bedarf ein Dampfstrom in die obere Kammer eingeleitet, um eine begrenzte maximale Temperatur
aufrechtzuerhalten.
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Claims (1)
- 2831349 Licht, Schmidt, Hansmann & Herrmann PatentanwälteLicht, Schmidt. Hansmann. Herrmann ■ Postfach 701205 ■ 8000 München 70 * Dipl.-tng. Martin LichtDr. Reinhold Schmidt Dipl.-Wirtsch.-lng. Axel Hansmann JOHN ZINK COMPANY Dipl.-Phys. Sebastian Herrmann4401 South PeoriaAlbert-Roßhaupter-Str. 65 Tulsa, Oklahoma 8000 München 70V, St, A. Telefon: (089)7603091Telex: 52t2284patsd . Telegramme: Lipatli München17. Juli 1978 Ho/LüPATENTANSPRUCH EQ/ Vorrichtung zum Verbrennen partikelformigen Abfall materials, dadurch gekennzeichnet» dass die Vorrichtung einen zylindrisch geformten Basisteil (16) mit einer mit hitzebeständigem Material ausgekleideten zylindrischen Wand (17) aufweist, wobei der zylindrischen Wand eine Vorrichtung (84, 86> zugeordnet ist» um partikelförmiges Festkörpermaterial von vorbestimmter thermischer Eigenschaft und Verbrennungscharakteristik an einer Öffnung (46) nahe der Oberseite des Basisteils (16) einzugeben» dass die Unterseite des Basisteils (16) mittels einer Einrichtung (30) thermisch isoliert ist, um das partikelförmige Material in Festkörperform als auch in flüssiger Form aufnehmen zu können» dass sich im Basisteil eine Brennereinrichtung (70, 74) befindet, um das partikelförmige Material zu zünden, dass der Vorrichtung ferner eine Einrichtung (34, 36) zugeordnet ist» um Druckluft gesteuert zum Zwecke der Verbrennung des partikelformigen Materials unter Reduzierbedingungen mit einem den stochiometrischen Anteil unterschreitenden Mengenanteü einzublasen, dass an der Oberseite des Basisteils (16) in8098867 07 7t ~2~Deutsche Bank München. KtCv-Nr. 82/08050 (BLZ 7QQ70QI0i Postscheck München Nr. 163397-802ORIGiNALlNSPECTEDZwischenlage ein Drosselteil (52) vorgesehen ist, welches aus hitzebeständigem Material besteht und in der Mitte eine Öffnung (54) aufweist, wobei die Öffnung der Drossel einen kleineren Durchmesser besitzt als dem Durchmesser des Basisteils entspricht, dass an der Oberseite des Drosselteils (52) eine Nachbrennkammer (12) aufgesetzt ist, wobei alle drei vorgenannten Teile in geeigneter Weise befestigt und gegenseitig abgedichtet sind, dass die Nachbrennerkammer (12) mit hitzebeständigem Material (50) ausgekleidet ist, dass mittels einer Einrichtung (40, 41, 42, 43) Verbrennungsluft im Überschuss und unter Druck einblasbar ist, um die bei der Teil verbrennung im Basisteil anfallenden Verbrennungsprodukte vollständig zu verbrennen, dass d&r Vorrichtung ferner eine Abgashitze-Kessel einrichtung (14) zugeordnet ist, als auch ein Kamin (66), welcher mit der Aussenluft in Verbindung steht und die in der Nachbrennerkammer anfeilenden Verbrennungsprodukte ableitet, dass eine kreisförmige, Öffnungen aufweisende Sprüheinrichtung (104) auf der Oberseite der thermischen Isolierung (30) des Basisteils (16) angeordnet ist und vollständig in das geschmolzene Material eintauchbar ist, welches sich auf d&r Oberseite der thermischen Isolierung befindet, und dass der Vorrichtung eine Einrichtung (108, 110) zugeordnet ist, mittels welcher Gas unter Druck mit vorbestimmter Strömungsrate d&r Sprüheinrichtung einspeisbar ist, derart, dass durch die durch die Gasströmung erzeugte Turbulenz die auf der Oberseite des geschmolzenen Materials sich bildende Aschenlage aufgebrochen wird und die Asche in den Kamin abzieht, wodurch ein grösserer Anteil d&r Fläche des geschmolzenen Materials freigelegt und die Verbrennungsrate des Materials vergrössert wird.-3 -809888/077*2„ Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Nachbrennkammer eine Zündeinrichtung vorgesehen ist, wetche die im Basisteil sich bildenden Gase zündet.3. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (56, 58, 60), welche steuerbar Dampf in die Nachbrennkammer einsprüht, um die Temperatur in dieser zu steuern.4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Luft unter Druck einblasende Einrichtung mehrere Röhren aufweist, welche die Wand des Basisteils durchsetzen und tangential bezüglich des Innenvolumens des Basisteils ausgerichtet sind.5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckluft einblasende Einrichtung mehrere Röhren aufweist, welche die Wand der Nachbrennerkammer nahe der Basis desselben durchsetzen .6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das partikelförmige Material Teile enthält, die bei einer Temperatur unterhalb der Brenntemperatur schmelzen und eine Schmelze auf dem Basisteil bilden.7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das partikelförmige Abfall material Festkörper-Polymermaterial ist.8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymere aus der Klasse von Polyäthylen, ataktischem Polypropylen und thermoplastischen Gummimassen bestehen.809886/07719. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das der Sprüheinrichtung zugeleitete Gas wenigstens aus Dampf besteht.10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das der Sprüheinrichtung zugeleitete Gas wenigstens aus Luft besteht.11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das der Sprüheinrichtung zugeleitete Gas aus einem Gemisch von Dampf und Luft besteht.12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der der Sprüheinrichtung und dem Basisteil zum Zwecke der Verbrennung des partikelförmigen Materials unter Reduzierbedingungen zugeleitete Luftgesamtstrom konstant ist.13. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Einrichtung, mittels welcher steuerbar gekühlte Kamingase im Rücklauf in die Brennkammer eingeleitet werden, um die darin bestehende Temperatur zu steuern.14. Vorrichtung zum Verbrennen partikelförmigen Abfallmaterials, insbesondere zum Verbrennen von Polymer-Abfall material, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen zylindrischen Basisteil mit einer zylindrischen Kammer aufweist, die mit hitzebeständigem Material ausgekleidet ist, dass der Vorrichtung eine Einrichtung zugeordnet ist, um Polymermaterial bestimmter thermischer Eigenschaft und Verbrennungscharakteristik über eine Öffnung oberhalb der Basis der Kammer einzugeben, dass über dem Boden der Kammer-5 -809886/0771eine thermische Isolierung vorgesehen ist, welche das Polymer-Material trägt, dass eine im Basisteil vorgesehene Brennereinrichtung das Material zündet, dass Luft unter Druck gesteuert mittels einer Einrichtung einblasbar ist, um das Material mit weniger als dem stöchiometrischen Luftmengenanteil unter Reduzierbedingungen zu verbrennen, dass sich oberhalb des Basisteils eine hitzebeständig ausgekleidete Nachbrennkam mer befindet, welche am Basisteil befestigt und gegenüber diesem abgedichtet ist, dass mittels einer Einrichtung zusätzliche Verbrennungsluft unter Druck einblasbar ist, um die von der Teilverbrennung in der zylindrischen Kammer anfallenden Verbrennungsprodukte vollständig zu verbrennen, dass die Verbrennungsprodukte der Nachbrennkammer mittels eines Kamins in die Atmosphäre ableitbar sind, dass eine perforierte Sprüheinrichtung auf der Oberseite der thermischen Isolierung in der zylindrischen Kammer angeordnet ist und vollständig in das geschmolzene Polymermaterial eintauchbar ist, das sich auf der Oberseite der thermischen Isolierung befindet, und dass der Vorrichtung eine Anordnung zugeordnet ist, um ein bestimmtes Fluid unter Druck mit vorgesehener Strömungsrate in die Sprüheinrichtung einzuleiten, wodurch die durch den Strom von Gas erzeugte Turbulenz die Ascheschicht auf der Oberfläche des geschmolzenen Materials aufbricht und die Asche in den Kamin abstreicht, derart, dass ein grösserer Anteil der Oberfläche des geschmolzenen Materials freigelegt und die Verbrennungsrate des Materials verbessert ist.809888/0771
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