DE3221495A1

DE3221495A1 - Verfahren und vorrichtung zur konvertierung von klaerschlamm in oel und kohle

Info

Publication number: DE3221495A1
Application number: DE19823221495
Authority: DE
Inventors: Bernhard Dipl.-Ing. 8032 Gräfelfing Sinning
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Bayer AG
Priority date: 1982-06-07
Filing date: 1982-06-07
Publication date: 1983-12-08
Also published as: DE3221495C2

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Konvertierung
von Klärschlamm in di und Kohle Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Konvertierung von Klärschlamm in öl und Kohle, bei dem der Klärschlamm getrocknet, zerkleinert und unter anoxischen Bedingungen bei erhöhten Temperaturen zu kohlenwasserstoffhaltigen Gasen und Kohle konvertiert wird, bei dem die entstehenden Gase kondensiert und die bei der Kondensation anfallenden ölfraktionen, die wäßrige Phase und die Restgase gesammelt und/oder abgezogen werden sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Aus Haushalten und Industrie fällt immer mehr Klärschlamm an, dessen Aufarbeitung und Deponierung zunehmend Schwierigkeiten bereitet, umsomehr, da aufgrund des hohen Gehaltes an giftigen Schwermetallen die Verwendung des Klärschlamms als Dünger nicht in jedem Falle gegeben ist. Klärschlamm enthält andererseits jedoch durchschnittlich 5 % organische Substanzen oder Biomasse. Die Biomasse und insbesondere kohlenhydrathaltige Abfälle aus der Landwirtschaft werden heute bereits als Energiequelle diskutiert.
Untersuchungen haben ergeben, daß die Verbrennungswärme von Lipiden oder Proteinen annähernd doppelt so groß ist wie die von Kohlenhydraten. Aus diesem Grunde wurde ein Verfahren entwickelt, bei dem Mikroorganismen als neue Energiequelle angesehen werden (Bild der Wissenschaften, 9, 1981, Seiten 68 bis 77). Da Bakterien zu 60 bis 80 % aus Proteinen und Lipiden bestehen, sind aus diesen Substanzen die Heteroatome zu Kohlenwasserstoffen abzuspalten. Bei dem bekannten Verfahren wird unter Luftabschluß ein Teil der Biomasse in kohlenwasserstoffarme Kohle und der andere Teil in Kohlenwasserstoffe mit hohem H-Gehalt übergeführt. Dazu wird in einer geschlossenen Anlage trockenes, festes Schüttgut (entwässerter Klärschlamm), das pulverisiert oder körnig ist, in dosierten Mengen auf Temperaturen zwischen 250 und 330 OC, bevorzugt auf 300 OC erhitzt. Aus dem Schüttgut treten dabei kohlenwasserstoffhaltige Gase aus, die bei verschiedenen Temperaturen kondensieren und als wäßrige Phase, Öle und Gase gesammelt werden.
Mit diesem Verfahren können Öle gewonnen werden, die leicht verdampfbar sind und somit bei Crackprozessen zur Benzingewinnung, aber auch als Chemierohstoffe verwendet werden können. Die Konvertierung des Klärschlamms führt überwiegend zu öl, doch entsteht auch ein Teil Kohlenrückstand, der aber relativ kohlenstoffarm ist und die Schwermetalle in anorganischer Form enthält. Diese Schwermetalle können in biologischen Zyklen schwer mobilisiert werden und sind somit deponierbar.
Der Nachteil des bekannten Verfahrens besteht darin, daß der Klärschlamm vor der Konvertierung getrocknet werden muß. Dazu wurden bisher Kammerfilterpressen oder Zentrifugen verwendet. Mit diesen mechanischen Entwässerungsverfahren verbleibt jedoch im Schlamm ein Wassergehalt von 40 bis 60 %, in älteren Anlagen bis zu 70 bis 90 %.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß der Klärschlamm vor der Konvertierung auf einfache und konstengünstige Weise weitestgehend von Wasser befreit wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Kohle zumindest teilweise verbrannt wird und daß Verbrenw nungsgase zumindest teilweise bei der Trocknung des Klärschlamms verwendet werden.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß bei dem ##ekannten Verfahren durch die Verdampfung des im Klärschlamm vor handenen Restwassers am meisten Energie verbraucht wird, Das erfindungsgemäße Verfahren überwindet diesen Nachteil, indem die Trocknung des Klärschlammes vor der Konvertierung mittels verfahrenseigenen Verbrennungsgasen durchgefü1#rt wird. Da die Kohle bei der Konvertierung feinkörnig und trocken anf&llt, ist sie zur Verbrennung geeignet und weist einen guten Heizwert von normalerweise 2000 bis 2500 koal/kg Faulschlamm oder 3000 bis 3500 kcal/kg Frischschlamm auf. Da der Kl#rschlamm zerkleinert wird, ist eine hohe spezifische Verdampfungsleistung erreichbar, da die Verdampfung aue die Verdampfung von Wasser von einer nassen, freien Oberfläche reduziert wird.
Mit Vorteil wird dabei die Trocknung des Klärschlamms in direktem Wärmeaustausch zwischen Verbrennungsgasen und Klärschlamm durchgeführt. Auf diese Weise werden die normaler weise begrenzenden Faktoren - Wärmeleitung in einen körper hinein oder Diffusion von Dampf durch einen Körper - eliminiert und beeinflussen damit die Verdampfungsleistung nicht.
Nich einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindÜngsgemäßen Verfahrens wird die Trocknung des Klärschlamms bis auf einen Wassergehalt von 5 bis 15 % durchgeführt. In einigen Fällen kann sogar ein Restwassergehalt von nur 3 % erreicht werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, die Verbrennungsgase vor ihrer Verwendung bei der Trocknung zumindest teilweise bei der Konvertierung des Klärschlamms als Heizmedium einzusetzen. Die bei der Kohleverbrennung anfallenden Verbrennungs- oder Rauchgase fallen üblicherweise mit Temperaturen von c. 600 bis 900 0C an. Da zur Trocknung des Klärschlamms bereits geringere Temperaturen von ca. 250 bis 300 0C ausreichen, bedeutet der Einsatz der Verbrennungsgase als Heizmedium bei der Konvertierung eine weitestmögliche Ausnutzung der vorhandenen Energie der Verbrennungsgase.
Überdies ist erfindungsgemäß die Möglichkeit vorgesehen, daß das bei der Trocknung des Klarschlamms im direkten Wärmeaustausch anfallende Trockengut-Verbrennungsgasgemisch getrennt wird, daß das Trockengut der Konvertierung zugeführt wird und die Verbrennungsgase zur Vorwärmung der bei der Verbrennung der Kohle benötigten Einsatzgase verwendet werden. Durch diese Verfahrensführung ist eine weitere optimale Ausnutzung der nach der Trocknung immer noch 100 bis 160 ° heißen Verbrennungsgase gegebene Verbrennungsgase können ihre Verdampfungswärme beispielsweise in einem Wärmetauscher an die Einsatzluft abgeben, die anschließend vorgewärmt bei der Kohleverbrennung zur Verfügung steht.
Die Erfindung betrifft überdies eine Vorrichtung zur Durch führung des Verfahrens mit einer Trockeneinrichtung, einer Zerkleinerungseinrichtung und einem Konvertierofen, die durch eine mit Kohle betriebene Brennkammer mit einer mit der Trockeneinrichtung in Verbindung stehenden Verbrennungsgasleitung gekennzeichnet ist. Mit Vorteil kann dabei die Trockeneinrichtung und die Zerkleinerungseinrichtung gemeinsam als Mahltrockner ausgebildet sein, wodurch eine Einrichtung eingespart wird.
Nach einer weiteren Ausgestaltungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung ist die Verbrennungsgasleitung über einen am Konvertierofen angeordneten Heizraum an die Trockeneinrichtung angeschlossen. Weiterhin kann dem Mahltrockner ein Abscheider nachgeschaltet sein und der Abscheider eine Verbindungsleitung zum Konvertierofen und eine Abgasleitung aufweisen. Die Abgasleitung wiederum ist vorteilhaft mit einem Wärmetauscher verbunden, der über eine Einsatzgasleitung an die Brennkammer angeschlossen ist.
Im Folgenden sei das erfindungsgemäße Verfahren anhand eines in der Figur schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel näher erläutert.
In einer mechanischen Trockeneinrichtung 1, die als Filterpresse, Siebbandpresse oder Zentrifuge ausgebildet sein kann, wird Klärschlamm auf einen Wassergehalt von etwa 50 bis 60 % vorgetrocknet und über Leitung 2 einem Schlammsilo 3 zugeführt. Aus dem Schlammsilo 3 wird der vorgetrocknete Klärschlamm kontinuierlich über Leitung 4 einem Mahltrockner 5 aufgegeben. In diesem Mahltrockner wird der Klärschlamm gleichzeitig zerkleinert und soweit getrocknet, daß der Schlamm als feinkörniges oder pulverisiertes und vorgewärmtes Gut für die Konvertierung einsatzfähig ist.
Über eine Leitung 6 wird dem Mahltrockner Rauchgas oder Verbrennungsgas zugeführt. Schlamm und Rauchgas werden demnach dem Mahltrockner am gleichen Ende zugeführt und gehen im Gleichstrom durch den Trockner. In der ersten Phase des Trocknungsvorganges wird der Schlamm durch einen Rotor 7 nach außen geschleudert, an den Nocken zerkleinert und vorgetrocknet. In der zweiten Phase wird das Gut durch die Gase auf die Hinterseite des Rotors getragen und dort im Zusammenspiel zwischen den rotierenden und stationären Stiften weiter zerkleinert und getrocknet. Aufgrunde der Trenn- wirkung einerseits durch die Fliehkraft und andererseits durch die Gasschleppkraft können nur Teilchen ausgetragen werden, die eine gewisse Feinheit und damit einen hohen Trocknungsgrad erreicht haben.
Die spezifische Verdampfungsleistung des Mahltrockners ist sehr hoch ( bis zu 1000 kg/h verdampftes Wasser pro m3 Trocknervolumen da durch die laufende Zerkleinerung des Schlammes die Verdampfung auf die Verdampfung von Wasser von einer nassen, freien Oberfläche reduziert wird. Es wird ein Restwassergehalt von 5 bis 15 %, in manchen Fällen bis zu 3 % erreicht.
Das Trockengut und die Verbrennungsgase verlassen den Mahltrockner 5 gemeinsam über Leitung 8. In einem anschließen-Sen Abscheider 9, z.B. einem Zyklonabscheider, wird das rrockengut aus dem Verbrennungsgasstrom ausgeschieden. Über Leitung 10 wird das Trockengut zum einen Teil einem Sammelbehälter 11 für Trockengut aufgegeben und zum anderen Teil leber eine Zweigleitung 24 mit dem zu trocknenden Schlamm rückgemischt. Der Mahltrockner ist für eine einstellbare Rückmischung des Trockengutes und zu trocknenden Schlammes ausgerüstet; damit wird sein Betrieb unabhängig vom Wassergehalt des Schlammes. Der Schlamm wird immer so aufbereitet, daß er optimal im Mahltrockner verarbeitet werden kann.
Die Verdampfungsleistung wird durch die Rückmischung nicht beeinflußt.
Aus dem Sammelbehälter 11 für Trockengut wird dieses in bekannter Weise dosiert, z.B. über eine Dosierschnecke, in einen Konvertierofen 12 eingebracht, dort durch verschiedene Temperaturzonen transportiert und dabei auf Temperaturen zwischen 250 und 330 OC erhitzt. Durch die Erhitzung treten kohlenwasserhaltige Gase aus dem Trockengut aus und es entsteht Kohle, in der giftige Schwermetalle in anorganischer Form gebunden sind. Die kohlenwasserstoffhaltigen Gase werden bei verschiedenen Temperaturen kondensiert und die in der Hauptsache anfallenden Ölfraktionen beispielsweise gesammelt 113). Restgase können über eine Leitung 14 abgezogen und aufbereitet werden.
Die bei der Konvertierung entstehehdE Kohle wird gesammelt (15). Die Kohle ist so feinkörnig und trocken, daß sie zur Verbrennung in einer üblichen Brennkammer 16 geeignet ist. Sie wird über Leitung 17 und Dosierschnecke mit variabler Drehzahl in den Primärluftstrom eindosiert und über einen Staubbrenner in die Brennkammer 16 eingeblasen. Der Staubbrenner besteht grundsätzlich aus zwei konzentrischen Rohren; im Innenrohr strömt die Primärluft mit der Kohle, im Außenrohr die Sekundärluft. Beide Luftströme können durch verstellbare Schaufeln so geformt werden, daß die Flammenlänge und -breite damit eingestellt werden kann.
Die bei der Kohleverbrennung anfallenden Verbrennungs- oder Rauchgase treten mit Temperaturen von ca. 550 bis 600 0C aus der Brennkammer 16 aus und werden zumindest teilweise über eine Verbrennungsgasleitung 18 dem Heizraum des Konvertierofens 12 zugeführt. Nach ihrer Verwendung als Heizmedium gelangen die Verbrennungsgase mit niedrigeren Temperaturen von ca. 250 bis 300 0C über Leitung 6 zum Mahltrockner 5. Es versteht sich von selbst, daß die Verbrennungsgase auch direkt zum Trocknen des Klärschlammes verwendet werden können, ohne vorher als Heizmedium bei der Konvertierung zu dienen. Die in der Brennkammer 16 anfallende Asche wird abgezogen und deponiert.
Die Verbrennungsgase, die den Abscheider 9 über Leitung 19 mit Temperaturen von ca. 100 bis 160 0C verlassen, können ihre Verdampfungswärme in einem Wärmetauscher 20 an das bei der Kohleverbrennung benötigte Einsatzgas (Luft und/oder Sauerstoff} aus Leitung 21 abgeben, das vorgewärmt in die Brennkammer 16 eintritt. Die abgekühlten Verbrennungsgase werden in einem Wasserbehälter 22 weiter gekühlt und über Leitung 23 den Restgasen in Leitung 14 aus der Konvertierung beigemischt und ebenfalls aufbereitet. Diese Verfahrensführung bietet den Vorteil, daß die üblicherweise nötige Wäsche der Verbrennungsgase entfallen kann, da diese zusammen mit den Restgasen abgezogen und aufbereitet werden.
Die beschriebene Verfahrensführung stellt eine höchstmögliche Ausnützung der vorhandenen Energien dar. So werden die Verbrennungsgase der Brennkammer vor ihrer Verwendung zum Trocknen des Klärschlammes als Heizmedium und nach ihrer Verwendung zum Trocknen zur Vorwärmung der bei der Kohle verbrennung benötigten Einsatzgase benutzt.
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Claims

Patentansprtlche 1. Verfahren zur Konvertierung von Klärschlamm in öl und Kohle, bei dem der Klärschlamm getrocknet, zerkleinert und unter anoxischen Bedingungen und bei erhöhten TemDeraturen zu kohlenwasserstoffhaltigen Gasen und Kohle konvertiert wird, bei dem die entstehenden Gase kondensiert und die bei der Kondensation anfallenden ölfraktionen, die wäßrige Phase und die Restgase gesammelt und/oder abgezogen werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohle zumindest teilweise verbrannt wird und daß die Verbrennungsgase zumindest teilweise bei der Trocknung des Klärschlamms verwendet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trocknung des Klärschlamms in direktem Wärmeaustausch zwischen Verbrennungsgasen und Klärschlamm durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Trocknung bis auf einen Wassergehalt von 5 bis 15 % durchgeführt wird.
4. Verfahren nach einen der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungsgase vor ihrer Verwendung bei der Trocknung zumindest teilweise bei der Konvertierung des Klärschlamms als Heizmedium eingesetzt werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das bei der Trocknung des Klärschlamms im direkten Wärmetausch anfallende Trockengut-Verbrennungsgasgemisch getrennt wird, daß das Trockengut der Konvertierung zugeführt wird und die Verbrennungsgase zur Vorwärmung der bei der Verbrennung der Kohle benötigten Einsatzgase verwendet werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungsgase nach ihrer Verwendung zur Vorwärmung der Einsatzgase zusammen mit den Restgasen abgezogen und aufbereitet werden.
7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 mit einer Trockeneinrichtung, einer Zer-;#leinerungseinrichtung und einem Konvertierofen, gekennzeichnet durch eine mit Kohle betriebene Brennkammer mit einer mit der Trockeneinrichtung in Verbindung stehenden Verbrennungsgasleitung.
8.beynrrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Trockeneinrichtung und die Zerkleinerungseinrichtung l£emeinsam als Mahltrockner ausgebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, die dieVerbrennungsgasleitung über einen am Konvertierofen Heizraum Heizraum an die Trockeneinrichtung angeschlossen ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 dadurch-gekennzeichnet, daß dem Mahltrockner ein Abscheider nachgeschaltet ist und daß der Abscheider eine Verbindungsleitung zum Konvertierofen, eine Abgasleitung und eine Rückführung der Feststoffe zum Mahltrockner aufweist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasleitung mit einem Wärmetauscher verbunden ist und daß der Wärmetauscher über eine Einsatzgasleitung an die Brennkammer angeschlossen ist.