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Verfahren und Anlage zur thermischen
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Behandlung von Schlamm Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine
Anlage zur thermischen Behandlung von Schlamm, insbesondere Abwasserschlamm, unter
erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur.
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Aus der DE-PS 23 24 351 ist eine derartige Anlage bekannt geworden,
bei der in einem Konditionierreaktor das bei der Konditionierung entstehende Inertgas,
das überwiegend aus CO, besteht, abgezogen wird. Dem Konditionierreaktor ist ein
Druckreduzierorgan in Form eines Drosselventils vorgeschaltet, das es ermöglicht,
den Druck des Schlammes während des letzten Teils der Aufheizung auf die Konditioniertemperatur
höher zu halten und damit eine Verkrustung der Wärmeaustauscherflächen zu vermeiden.
Für die Konditionierung wurde der Druck dann praktisch auf den Sattdampfdruck des
Schlammes (Wasser) abgesenkt.
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Diese Anlage arbeitet zufriedenstellend, erfordert jedoch einen Reaktor,
aus dessen oberem Teil die entstehenden
Gase abgezogen werden können,
damit sie nicht nach der Druckabsenkung im nachgeschalteten Sedimentationsgefä#
zu einer Aufschäumung führen und damit die Sedimentation zumindest erheblich behindern
können. Außerdem würde eine Ausscheidung dieser Gase in den offenen Sedimentationsgefäßen
zu einer Geruchsbelästigung führen. Die sich aus der Forderung des Gasabzuges im
Konditionierreaktor ergebenden Reaktorgefäße müssen wegen der nötigen Verweilzeit
im Konditionierreaktor (45 Minuten oder darüber) einen relativ großen Querschnitt
haben. Typische Abmessungen sind ca. 8 m Höhe und 1 m Durchmesser. In einem solchen
Gefäß läßt sich nur schwer eine reine Kolbenströmung aufrechterhalten, die zusätzlich
noch durch die Turbulenzen bei der Gasabscheidung behindert wird. Es ist also nur
schwer sicherzustellen, daß der gesamte Schlamm die notwendige Mindestzeit im Konditionierreaktor
bleibt.
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Aus der GB-PS 653 984 ist es bekanntgeworden, einen Rohrreaktor zu
verwenden, d.h. einen Reaktor mit großer Durchflußlänge und geringem Querschnitt.
Hierin läßt sich eine Kolbenströmung besser verwirklichen. Es ist jedoch schwierig,
ihn zu verwirklichen, weil eine vertikale Aufstellung aus Platzgründen meist ausscheidet
und bei horizontaler Anordnung Verstopfungen durch Ablagerung von Sand und anderen
Feststoffen auftreten.
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Aus der DE-OS 21 43 067 ist es bereits bekanntgeworden, zur Erzielung
einer Kolbenströmung mehrere vertikale Reaktoren (Autoklaven) hintereinander zu
schalten, wobei jeweils der Schlamm im unteren Teil eines Reaktors abgezogen und
im oberen Teil des anderen Reaktors zugeführt wird.
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Gas wird aus dem oberen Teil jedes der Reaktoren abgezogen, und der
letzte Reaktor enthält eine als Pufferraum für das abzuscheidende Gas dienende,
über dem normalen Schlammniveau liegende Kammer. Da bei dieser Anlage
eine
Gasabscheidung in jedem Teil des Reaktors er folgen kann, muß aus jedem einzelnen
Reaktorgefäß Gas abgezogen werden, um zu vermeiden, daß sich bildendes Gas einen
der Reaktoren leerdrückt, sodaß der Schlamm praktisch ohne Verweilzeit durch den
gasgefüllten Reaktor hindurchfällt. Wegen eines geringfügigen Druckunterschiedes,
der aus den Leitungswiderstanden entsteht, ist dabei das Schlammniveau in den Abzugsrohren
unterschiedlich hoch. Ein Problem bei dieser Anordnung besteht darin, daß Verstopfungen,
insbesondere in den Verbindungsleitungen zwischen den einzelnen Autoklaven, einen
Schlammrückschluß über die Abgasleitungen zur Folge haben kann, was unbedingt vermieden
werden muß. Es ist daher notwendig, den gesamten Reaktor auf derartige Verstopfungen
hin aufmerksam zu überwachen und über gesonderte Ablaßleitungen Feststoffausscheidungen
im Schlamm rechtzeitig abzuziehen. Dabei ist es aber möglich, daß nicht ausreichend
konditionierte Schlamm-Mengen dem Sedimentationsgefäß zugeführt werden.
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Die Einhaltung einer bestimmten Verweilzeit ist aber für die Konditionierung
unerläßlich. Aus der DE-AS 19 06 158 ist bekanntgeworden, daß die Güte der Konditionierung,
die zu einer ausreichenden Koagulation der vorher als Emulsion vorliegenden Stoffe
führt, um diese durch Sedimentation und ggf. Filterung ausscheiden zu können, von
drei die Konditionierungsgüte steigernden Faktoren abhängt: steigende Temperatur,
längere Verweilzeit und geringerer pH-Wert. Zu diesem Zwecke soll nach der DE-AS
19 06 158 dem Schlamm Säure zugesetzt werden, was jedoch außer zusätzlichen Kosten
für die Säure auch Schwierigkeiten mit der Belastung des Abwassers mit der Säure
ergibt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Anlage zu schaffen,
mit der eine verbesserte Konditionierung möglich ist und insbesondere Schwierigkeiten
infolge einer unerwünschten Durchmischung im Reaktor vermieden sind.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Kennzei chen der
Ansprüche 1 und 4 gelöst.
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Der Schlamm wird also nach der Erfindung zunächst auf einen so hohen
Druck gebracht, daß er beim Erwärmen auf die zur Konditionierung erforderliche Temperatur,
die meist über 450 K (175 °C) liegt und auch bei der nachfolgenden Konditionierung,
bei der der Schlamm für eine erhebliche Zeit in der Größenordnung von einer halben
Stunde bis zu zwei Stunden unter diesen Bedingungen gehalten wird, kein Gas abscheidet,
sondern die Gase in gelöster Form enthält.
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Danach wird eine Teilabsenkung des Druckes durchgeführt und die ausgeschiedenen
Gase werden abgezogen. Anschließend wird der weitgehend entgaste Schlamm abgekühlt
und auf Atmosphärendruck entspannt.
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Die Konditionierung unter einem erhöhten Druck, bei dem während der
Konditionierung selbst praktisch keine Gasabscheidung stattfindet, beseitigt die
eingangs beschriebenen Probleme mit einer Durchmischung des Schlammes während der
Konditionierzeit. Ferner konnte es bei nach den bisherigen Verfahren arbeitenden
Anlagen zu Schaumbildungen im Reaktor kommen, wenn infolge natürlicher Regelschwankungen
der Druck abgesenkt wurde und in erhöhtem Maße Gasabscheidung stattfand. Diese Schaumbildung,
die zu Verstopfungen an Leitungen und Regelventilen führen konnte ist nach der Erfindung
im Reaktor nicht möglich. Die Gasabscheidung kann gleich anschließend an die Konditionierung
unter im wesentlichen der gleichen Temperatur, d.h.
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der Temperatur, die sich nach einer Teil-Entspannung des Schlammes
selbst einstellt, stattfindet.
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Nach einem vorteilhaften Merkmal der Erfindung ist es möglich, den
Konditionierreaktor aus mehreren im wesentlichen senkrecht angeordneten, nacheinander
vom Schlamm durch strömten Rohrreaktorgefäßen auszubilden. Hierbei können also Rohrreaktoren
verwendet werden, deho Reaktoren mit relativ geringem Strömungsquerschnitt, von
denen zum Erreichen einer ausreichenden Verweilzeit mehrere, vorzugsweise mit jeweils
nach unten gerichteter Strömungsrichtung hintereinander geschaltet werden können.
Dies bedeutet gegenüber einzelnen großvolumigen Reaktorgefa'ßen keinen wesentlichen
baulichen Mehraufwand.
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Durch die Erfindung entsteht im Reaktor außer dem Vorteil einer definierten
Verweilzeit durch die verbesserte Kolbenströmung ein weiterer Vorteil für die Güte
der Konditionierung, da während der gesamten Konditionierung das zu ca.
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95 % aus C02 bestehende Gas im Schlamm als Kohlensäure gelöst bleibt
und damit den pH-Wert des Schlammes absenkt.
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Die Gasabscheidung erfolgt in einem dem Konditionierreaktor nachfolgenden
Gasabscheidegefäß, in dem durch ein Druckreduzierorgan der Druck etwa um den Partialdruck
des CO, erniedrigt wird. In diesem Gasabscheidegefäß wird das während der Konditionierung
im Schlamm gelöste Gas abgezogen. Durch den weitgehenden Abzug des Gases werden
auch im Schlamm enthaltene störende Geruchstoffe vermehrt ausgestrippt, so daß der
Schlamm anschließend wesentlich weniger riecht. In dem Gasabscheidegefäß kann, im
Gegensatz zu den vorgeschalteten Reaktoren, ein Gas/Schlammniveau durch eine Niveauregeleinrichtung
aufrechterhalten werden, die das Entspannungsventil, durch das der
fertig
behandelte Schlamm nach Wärmeabgabe in einem Wärmeaustauscher austritt, regelt.
Vorzugsweise wird das Druckreduzierorgan vom Druck im Reaktor (ggf. in Abhängigkeit
von der Reaktortemperatur, falls diese nicht konstant gehalten wird) geregelt, während
der Druck im Gasabscheidegefäß über das Gasabzugsventil so geregelt wird, daß Gas
in ausreichendem Maße abgeschieden wird, ohne daß zuviel Wasserdampf entweicht und
dadurch Temperaturverluste entstehen. Der genaue Betrag der Druckabsenkung richtet
sich also nach den Anforderungen an das Maß der Gasabscheidung.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen
und der Beschreibung im Zusammenhang mit der Zeichnung hervor.
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Die einzige Zeichnungsfigur zeigt eine schematische Darstellung einer
Konditionieranlage.
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Der dargestellten Konditionieranlage wird Schlamm, insbesondere Abwasser-
bzw. Klärschlamm, durch die Leitung 11 zugeführt und von einer Speisepumpe 12 auf
Reaktordruck (zuzüglich der Strömungsverluste) gebracht. Danach durchströmt er einen
Wärmeaustauscher 13, der über ein Wärmeträgersystem 14 von einem Wärmetauscher 15
beheizt wird, der den fertig behandelten Schlamm herunterkühit.
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Durch die indirekte Wärmeübertragung lassen sich die Wärmeaustauscher
so bauen, daß sie schlammseitig leicht zu reinigen sind. Zur Aufheizung des Schlammes
auf seine endgültige Konditioniertemperatur, d.h. zum Ausgleich von Wärmeverlusten,
ist dem Wärmetauscher 13 ein weiterer Wärmetauscher 16 nachgeschaltet, der von einem
Wärmeträger, z.B. in einem Kessel 17 erhitztem Thermoöl, beheizt wird.
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Danach strömt der Schlamm in den Konditionier-Reaktor 20, der aus
der Hintereinanderschaltung von vertikal aufgestellten Rohrreaktoren 18 besteht.
Er wird dem oberen Abschnitt des ersten Rohrreaktors 18 zugeführt, wobei jeweils
der untere Teil des vorigen Reaktors mit dem oberen Teil des nachfolgenden über
eine Verbindungsleitung 19 verbunden ist. Es sind beispielsweise drei Rohr-Reaktoren
dargestellt, es können jedoch beliebig viele Reaktoren hintereinander geschaltet
werden. Dem letzten Reaktor 18 ist ein Druckreduzierorgan 21 nachgeschaltet, das
in Abhängigkeit vom Reaktordruck geregelt wird. Bei dem Druckreduzierorgan kann
es sich vorzugsweise um ein Drosselventil handeln, dessen Uffnung in Abhängigkeit
vom Reaktordruck geregelt wird. Es können jedoch auch beliebige andere bekannte
Druckreduzierorgane verwendet werden, einschließlich fester Drosseln, sofern der
Druck auf andere Weise, beispielsweise durch Regelung der Speisepumpe, konstant
gehalten wird.
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Der Reaktordruck wird auf einem Wert gehalten, der dem Sattdampfdruck
des Schlammes, d.h. des darin enthaltenen Wassers, plus dem Partialdruck der im
Schlamm gelösten und größenteiis erst während der Konditionierung entstehenden Gase
zuzüglich einer gewissen Sicherheitsmarge entspricht. Da es sich bei dem Gas überw-iegend
um Kohlendioxid handelt, kann mit dem Partialdruck von Kohlendioxid gerechnet werden.
Eine gute Konditionierung wird bei folgenden Werten erreicht: Schlammtemperatur
ca. 570 K (ca.
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200 °C) entsprechend einer Sattdampftemperatur von 16 bar; Partialdruck
des C02 5 ba-r; Sicherheitsmarge (Oberdruck) 1 bar: ergibt 22 bar Druck im Konditionierreaktor
20. Unmittelbar hinter dem Druckreduzierorgan, d.h. ohne zwischengeschaltete lange
Leitungen, Wärmeaustauscher o.dgl., ist ein Gasabscheidegefäß 22 angeordnet, das
eine übliche Form mit einem unteren Abzugstrichter und einer oberen
Gasabzugskammer
22' haben kann. Im oberen Teil ist Uber eine Gasabzugsleitung ein Gasabzugsventil
24 angeschlossen, das in Abhängikeit von dem Druck in der Gasabzugskammer regel
bar ist. Das abgezogene Gas wird Uber eine Leitung 25 abgezogen und in üblicher
Weise weiterbearbeitet, d.h. gereinigt etc.. Im obengenannten Beispiel können im
Gasabscheidegefäß 17 bar Druck herrschen (Sattdampfdruck + 1 bar, um übermäßiges
Ausdampfen zu verhindern).
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Der weitgehend entgaste Schlamm wird über eine Leitung 27 und den
Wärmeaustauscher 15 sowie ggf. einen nicht dargestellten Nachkühler einem Entspannungsventil
28 zugeführt und dort auf den während der weiteren Bearbeitung herrschenden Druck,
meistens Atmosphärendruck, abgesenkt. Daran schließt sich eine Eindickung durch
Sedimentation o.dgl. an.
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Das Entspannungsventil 28 wird durch eine Niveaureguliereinrichtung
26 im Gasabscheidegefäß 22 geregelt, so daß im Gasabscheidegefäß ein konstantes
Schlammniveau aufrechterhalten wird.
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Dadurch, daß im gesamten Konditionierteil einschließlich der Schlammerwärmung,
d.h. zwischen der Speisepumpe 12 und dem Druckreduzierorgan 21, der erhöhte Druck
eingehalten wird, wird die Gasabscheidung in den zur ErwUrmung des Schlammes dienenden
Wärmeaustauscher und den Reaktoren vermieden. Dadurch wird auch vermieden, daß im
End-Wärmeaustauscher 16 eine Schlammverkrustung durch Ausdampfen auftreten kann.
In den Reaktoren 18 braucht daher kein ständiger Gasabzug vorgenommen zu werden.
In der Praxis sind lediglich Entluftungsleitungen und Ventile auf den einzelnen
Reaktoren vorgesehen, die bei Betriebsbeginn die vollständige Füllung der Reaktoren
ermöglichen.
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Diese nicht dargestellten Leitungen, die beispielsweise an die Leitung
25 angeschlossen sein- können, sindKjedoch im Betrieb abgesperrt, so daß keine unerwünschten
Kurzschlüsse zwischen den einzelnen Reaktoren über diese oberen Leitungen erfolgen
können. Wenn sich also Feststoffe in einem Reaktor absetzen" so werden sie von der
Schlammströmung selbst durchgeschoben, ohne daß eine ständige Oberwachung und Abziehung
der Feststoffablagerungen notwendig wäre.
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Statt der sehr vorteilhaften relativ schlanken Rohrreaktoren, in denen
sich eine gute ungestörte Kolabenströmung einstellen kann, ist es jedoch auch--möglich,
beispielsweise aus Platzgründen, mit etwas voluminöseren Reaktoren zu arbeiten,
insbesondere, wenn von diesen mehrere hintereinandergeschaltet sind, weil sich auch
schon damit ein gleichmäßigeres Verweilzeitspektrum ergibt.
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Die Wirkung der Absenkung des pH-Wertes durch das während der Konditionierung
gelöste C02 ergibt eine wesentliche Verbesserung der Konditionierung, -die sich
in einer Verringerung des'spezifischen Filtrationswide-rstandes um Zehnerpotenzen
ausdrückt. Zu den Druckverhältnissenwist zu bemerken, daß der Druck während der
Konditionierung zwar den Sattdampfdruck plus dem CO27Partialdruck über schreiten
soll, jedoch die Größe der Sicherheitsmarge darüber sich den jeweiligen Bedingungen
anpassen kann, und beispielsweise auch auf die Strömungsverluste im Konditionierreaktor
hin bemessen sein sollte. Im Gasabscheidegefäß sollte der Druck dagegen# etwa auf
den Sattdampfdru'c-k.
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von Wasser bei der vorliegenden-Temperatur erniedrigt werden, zuzüglich
eines gewissen kleinen Teils des Parti-aldruckes des C02. Bei Absenkung auf den
Sattdampfdruck wäre die Gefahr der übermäßigen Ausdampfung von Wasser zu groß, ohne
daß das CO vollständig entfernt werden könnte. Der
genaue Druck
wird also von Fall zu Fall als Optimum zwischen der Forderung einer guten Entgasung
und geringen Ausdampfens (Energieverlustes) bestimmt. In der Praxis kann der Partialdruckrest
bei einem vorherigen Gesamtpartialdruck von 6 bar ca. 1 bar betragen und damit in
etwa der Sicherheitsmarge entsprechen, so daß eine Druckabsenkung im Druckreduzierorgan
etwa um den Partialdruck des C02 erfolgt. Durch die Erfindung wird also ein Verfahren
und eine Anlage geschaffen, die eine weitgehende konstruktive Freiheit bei der günstigsten
Ruswahl des Konuitionierreaktors ermöglichen, insbesondere im Hinblick auf geringe
Durchmischung und ein vorteilhaftes Verweilzeitspektrum, so daß eine gleichmäßige
Konditionieruny a'len Schlammpartikel sichergestellt ist. Ferner wird die ,Xonditionierung
durch die Absenkung des pH-Wertes wesentlich verbessert, und Mch die Gasabscheidung
kann in einem dafür speziell ausgebildeten nachgeo schalteten Gefäß erfolgen und
ist dementsprechend genau und unabhängig von den übrigen tconditionierbedingungen
regelbar und ermöglicht eine besonders gute und g7eichma'S#ge Abscheidung des Gases
einschließlich der Geruchsbestandteile.
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