DE3604318C2 - Verfahren zur Verbrennung von Kuhmist - Google Patents

Verfahren zur Verbrennung von Kuhmist

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbrennung von Kuhmist.
Bei der Haltung von großen Herden von Kühen auf relativ kleinen Flächen fallen große Mengen an Kuhmist an, die von Zeit zu Zeit entfernt werden müssen. Dieser Kuhmist enthält je nach Futterart relativ hohe Gehalte an Alkalien und Chlor. Eine Deponie des Kuhmistes oder Verwendung als Dünger ist deshalb in vielen Fällen nicht möglich.
Aus der US-PS 38 64 458 ist ein Verfahren zur Verbrennung von wäßrigen, organischen Abfallschlämmen bekannt, die einen hohen Chlor-Gehalt in Form von Alkali- oder Erdalkalichloriden enthalten. Solche Abfallschlämme entstehen z. B. in den Kläranlagen von Städten, in Raffinerien oder als Ballastwasser von Tankern. Die Verbrennung erfolgt in einer stationären Wirbelschicht unter Zugabe von Schwefelverbindungen, vorzugsweise Schwefelsäure, bei einer Temperatur von 621°C bis 788°C sowie evtl. Brennstoffzugabe. Die Schwefelzugabe dient dazu, den Chlorgehalt weitgehend oder vollständig in Form von HCl zu verflüchtigen und mit den Abgasen abzuführen. Dadurch wird die Bildung von niedrig-schmelzenden Alkalichloriden bzw. von niedrig-schmelzenden eutektischen Verbindungen vermieden. HCl muß aus den Abgasen durch Wäsche mit CaCO3 oder Kalk entfernt werden. Dabei fallen jedoch größere Mengen an schwer-deponierbaren Stoffen an. Außerdem treten bei den hohen HCl-Konzentrationen starke Korrosionsprobleme in den gasseitig nachgeschalteten Aggregaten auf.
In der US-PS 39 07 674 ist beschrieben, daß in dem Verfahren gemäß US-PS 38 64 458, selbst bei einer vollständigen Verflüchtigung des Chlorgehaltes als HCl, einer vollständigen Umwandlung der Alkalien in Sulfate und einer Verbrennungstemperatur unterhalb der Verflüchtigungstemperatur der Alkalichloride im Bereich von 620°C bis 787°C, die Anwesenheit von anderen Elementen, wie Magnesium, zur Bildung niedrig-schmelzender Eutektika führt und damit zum Zusammenbruch der Wirbelschicht. Deshalb wird das Verfahren in der Weise geändert, daß die Verbrennung in Gegenwart von Schwefel oder schwefelhaltigen Verbindungen bei Temperaturen zwischen 800°C und 1000°C unter Zusatz von feinkörnigem SiO2 unter 44 µm und mindestens einem Metalloxid der Gruppe CaO, MgO, Al2O3 und Fe2O3 erfolgt. Dadurch wird ein beträchtlicher Teil der Alkalichloride verflüchtigt und mit dem Abgas abgeführt, während der Rest mit den Metalloxiden hoch-schmelzende, kristalline Alkaliverbindungen bildet. Die verflüchtigten Alkalichloride führen jedoch zu Korrosionsproblemen in den gasseitig nachgeschalteten Aggregaten, zur Bildung von Belägen und Ansätzen in Dampfkesseln und Gasreinigungsanlagen und damit zu starken Betriebsstörungen.
Aus der DE-OS 29 45 500 ist ein Verfahren zur Verbrennung von Kot-Stallstreugemischen, die bei der Intensivtierhaltung anfallen, mit folgenden Schritten bekannt: Ein Brennrost, der aus mit Belüftungsöffnungen versehenen Rohren besteht, wird mit einem zu verbrennenden Gemisch mit einem Wassergehalt von 20 bis 50 Gew.-% beschickt. Das Gemisch wird entzündet. Die Verbrennung wird durch Einblasen von Luft in die auf dem Rost aufliegende Schicht in Gang gehalten.
Aus der DE-OS 27 32 630 ist ein Verfahren zur Behandlung von Alkalimetalle enthaltendem Abfallmaterial in einem Gegenstromofen bekannt. Dabei wird im Ofen direkt nahe der Oberfläche des in Behandlung befindlichen Materialbettes eine maximale Temperatur unterhalb etwa 760°C aufrechterhalten.
Aus der DE-OS 25 14 046 ist ein Verfahren zur Wirbelschichtveraschung eines wäßrigen brennbaren organischen Abfallstromes, der mit mindestens einem Alkalichlorid verunreinigt ist, in Gegenwart von Schwefel oder schwefelhaltigen Verbindungen bekannt. Bei diesem Verfahren wird die Wirbelschicht auf einer Temperatur im Bereich von etwa 800°C bis 1000°C gehalten, wobei das organische Material verbrennt und das Alkalichlorid verflüchtigt wird.
Aus der EP-PS 00 03 831 ist ein Verfahren zur Verbrennung von salzbeladenen Rückständen in einem Wirbelbett bei Temperaturen von 730°C bis 900°C unter Abziehen von Wirbelbettmasse bekannt.
Der vorstehend erläuterte Stand der Technik zeigt keine wirksame Möglichkeit, Kuhmist so zu verbrennen, daß überwiegend Produkte entstehen, die ohne Umweltbelästigung deponierbar sind. Das gilt insbesondere für die Einbindung des bei der Verbrennung von Kuhmist freiwerdenden Chlors.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verbrennung von Kuhmist zu ermöglichen, wobei die Nachteile der Verbrennung von wäßrigen organischen Abfallschlämmen vermieden werden, und praktisch nur Produkte entstehen, die ohne Umweltbelästigung deponierbar sind.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß dadurch, daß der Kuhmist unter Zusatz eines oder mehrerer aluminiumhaltiger Stoffe der Gruppe Bauxit, Kaolin oder Aluminiumverbindungen enthaltender Asche aus Trockenfeuerungsanlagen bei einer Temperatur von 500°C bis 780°C verbrannt wird und der größte Teil der im Kuhmist vorhandenen Alkalien und ein großer Teil des Chlors in der Verbrennungsasche eingebunden bleiben.
Die Verbrennung erfolgt unter Bewegung des Materials im Ofen. Besonders gute Betriebsergebnisse wurden unter Zugabe von Bauxit erzielt. Die Zugabe von Bauxit, Kaolin oder Aluminiumverbindungen enthaltender Asche erfolgt bei der Aufgabe des Kuhmists in den Verbrennungsofen. Beim Anfahren des Ofens wird vorzugsweise zunächst ein Bett aus diesen Zuschlagstoffen aufgegeben und dann erst Kuhmist chargiert. Dadurch werden Betriebsprobleme bis zur Stabilisierung des Betriebes vermieden. Als Verbrennungsöfen können z. B. zirkulierende Wirbelschichten, stationäre Wirbelschichten, Etagenwirbler, Etagenöfen oder Drehrohröfen verwendet werden. Die Zuschlagstoffe werden in einer Korngröße von unter 2 mm eingesetzt. Die Wahl der Zuschlagstoffe und die Wahl der Temperatur erfolgt in der Weise, daß die Alkalien und Chlorverbindungen zum größten Teil in der Verbrennungsasche eingebunden werden und damit die Verflüchtigung von Chlor in Form von HCl und die Verflüchtigung von Alkalichloriden niedriggehalten wird.
Eine vorzugsweise Ausgestaltung besteht darin, daß die Verbrennung bei einer Temperatur von 650°C bis 780°C erfolgt. In diesem Temperaturbereich werden besonders gute Ergebnisse erzielt.
Eine vorzugsweise Ausgestaltung besteht darin, daß der Zusatz der aluminiumhaltigen Stoffe 3 bis 30 Gew.-%, bezogen auf trockenen Kuhmist, beträgt. Dieser Bereich ergibt gute Arbeitsbedingungen für die Verbrennung und eine gute deponierbare Verbrennungsasche.
Eine vorzugsweise Ausgestaltung besteht darin, daß der Zusatz der aluminiumhaltigen Stoffe 4-25 Gew.-%, bezogen auf trockenen Kuhmist, beträgt. Dieser Bereich ergibt besonders gute Arbeitsbedingungen für die Verbrennung und eine gut deponierbare Verbrennungsasche.
Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung besteht darin, daß der Zusatz der aluminiumhaltigen Stoffe 4-20 Gew.-%, bezogen auf trockenen Kuhmist, beträgt. Dieser Bereich ergibt ganz besonders gute Arbeitsbedingungen für die Verbrennung und eine gut deponierbare Verbrennungsasche.
Eine vorzugsweise Ausgestaltung besteht darin, daß die Verbrennung in einer durch sauerstoffhaltiges Fluidisierungsgas und sauerstoffhaltiges Sekundärgas betriebenen zirkulierenden Wirbelschicht erfolgt. Die zirkulierende Wirbelschicht zeichnet sich dadurch aus, daß - im Unterschied zur "klassischen" Wirbelschicht, bei der eine dichte Phase durch einen deutlichen Dichtesprung von dem darüber befindlichen Gasraum getrennt ist - Verteilungszustände ohne definierte Grenzschicht vorliegen. Ein Dichtesprung zwischen dichter Phase und dem darüber befindlichen Staubraum ist nicht existent, jedoch nimmt innerhalb des Reaktors die Feststoffkonzentration von unten nach oben ständig ab. Die mit den Gasen aus dem Wirbelschichtreaktor ausgetragenen Feststoffe werden derart in den Wirbelschichtreaktor zurückgeleitet, daß der stündliche Feststoffumlauf mindestens das 5-fache des im Wirbelschichtreaktor befindlichen Feststoffgewichtes beträgt. Das Zirkulationssystem für die zirkulierende Wirbelschicht besteht aus Wirbelschichtreaktor, Abscheider und Rückführleitung. Die Kühlung des Feststoffes kann durch Kühlflächen im Wirbelschichtreaktor und/oder einem Wirbelschichtkühler erfolgen, der als klassische Wirbelschicht betrieben wird. In diesen Wirbelschichtkühler wird ein Teil des abgeschiedenen Feststoffes geleitet, dort mittels vom Boden eingeblasener Luft fluidisiert, an Kühlflächen gekühlt und dann in den Wirbelschichtreaktor zurückgeleitet. Die aufgeheizte Kühlluft wird in den Wirbelschichtreaktor - zweckmäßigerweise als Sekundärluft - geleitet. Der Produktaustrag kann am Boden des Wirbelschichtreaktors, aus der Rückführleitung oder nach dem Wirbelkühler erfolgen.
Bei der Definition der Betriebsbedingungen der zirkulierenden Wirbelschicht über die Kennzahlen von Froude und Archimedes ergeben sich die Bereiche:
bzw.
0,01 Ar 100,
wobei
sind.
Es bedeuten:
u die relative Gasgeschwindigkeit in m/sec.
Ar die Archimedes-Zahl
Fr die Froude-Zahl
ρg die Dichte des Gases in kg/m3
ρk die Dichte des Feststoffteilchens in kg/m3
dk den Durchmesser des kugelförmigen Teilchens in m
ν die kinematische Zähigkeit in m2/sec.
g die Gravitationskonstante in m/sec.2
Wegen Einzelheiten zum Betrieb von zirkulierenden Wirbelschichten wird auf L. Reh et al "Wirbelschichtprozesse für die Chemie und Hüttenindustrie, die Energieumwandlung und den Umweltschutz", Chem. Ing. Techn. 55 (1983), Nr. 2, Seiten 87-93 sowie die DE-PS 25 39 546 bzw. die US-PS 41 65 717 sowie DE-OS 26 24 302 bzw. US-PS 41 11 158 verwiesen. Die zirkulierende Wirbelschicht ermöglicht eine große Durchsatzleistung. Durch die schnelle Verteilung des aufgegebenen frischen Kuhmists und damit Verdünnung durch die Asche im Wirbelschichtreaktor sowie die zweistufige Verbrennung mittels Primär- und Sekundärluft wird eine Überhitzung in einzelnen Bereichen und damit von Sinterung und Anbackungen mit Sicherheit vermieden.
Eine weitere vorzugsweise Ausgestaltung besteht darin, daß die Verbrennung in einem Mehretagenofen erfolgt. Der Mehretagenofen kann als Ofen mit Krählarmen ausgebildet sein, die das Material von Etage zu Etage befördern. Der Mehretagenofen kann auch als Mehretagenofen mit darunter angeordneter klassischer Wirbelschicht ausgebildet sein, wobei das Material in den Etagen mit Krählarmen vorgewärmt wird und dann in die Wirbelschicht fällt, welche die Verbrennungszone bildet. Ein solcher Ofen ist in der DE-OS 20 37 561 beschrieben.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird anhand eines Beispiels und eines Fließschemas für eine zirkulierende Wirbelschicht näher erläutert.
Der Wirbelschichtreaktor (1) hatte einen inneren Durchmesser von 0,7 m und eine Höhe von 10 m. Über die Aufgabeleitung (2) wurde Kuhmist aus einem Bunker (3) in einer Höhe von etwa 1,8 m über dem Düsenboden in den Wirbelschichtreaktor (1) eingetragen. Der Eintrag erfolgte mittels einer wassergekühlten, einwelligen Schnecke oder pneumatisch. Aus dem Bunker (4) können aluminiumhaltige Stoffe aufgegeben werden. Der Ölbrenner (5) diente zum Anheizen. Über Leitung (6) wurde die Primärluft in den Düsenboden des Wirbelschichtreaktors (1) geleitet. Im oberen Teil des Wirbelreaktors (1) waren Kühlflächen (7) angeordnet. Die Gas-Feststoff-Suspension wurde über Leitung (8) in den Rückführzyklon (9) geleitet. Der abgetrennte Feststoff wurde über Leitung (10) in den U-förmigen Tauchtopf (11) geleitet, aus dem ein Teil über Leitung (12) direkt in den Wirbelreaktor (1) zurückgeleitet wurde und ein Teil über Leitung (13) in den Wirbelschichtkühler (14). Die Regelung der Teilmengen erfolgte durch einen verstellbaren Spieß (15). Der im Wirbelschichtkühler (14) gekühlte Feststoff wurde über Leitungen (16, 17) in den Wirbelschichtreaktor (1) zurückgeleitet. Von dem Gebläse (18) wurde Fluidisierungsluft über Leitungen (18a, 18b) in den Boden des Wirbelschichtkühlers (14) geleitet. Die aufgeheizte Fluidisierungsluft wurde über Leitungen (19, 20) als Sekundärluft in einer Höhe von etwa 3 m in den Wirbelschichtreaktor (1) eingeleitet. Ein Teilstrom der vom Gebläse (18) gelieferten Luft konnte über Leitung (21) direkt als Sekundärluft in die Leitung (20) geführt werden. Ein weiterer Teilstrom wurde über Leitung (22) als Fluidisierungsluft in den Tauchtopf (11) geleitet. Aus dem Rückführzyklon (9) wurde das Gas in den Venturiwirbler (23) geleitet, in den über die Schnecke (24) aluminiumhaltige Stoffe chargiert wurden. Die Gas-Feststoff-Suspension gelangte über Leitung (25) in den Abscheidezyklon (26). Der abgeschiedene Feststoff wurde über die Rückführleitung (27) in den Wirbelschichtreaktor (1) geleitet. Das Gas wurde über Leitung (28) in den Abscheidezyklon (29) geleitet, aus dem der abgeschiedene Feststoff ebenfalls in die Rückführleitung (27) gelangte oder abgezogen wurde. Das Gas wurde über Leitung (30) in den zweistufigen Abgaskühler (30a, 30b) geleitet und dort indirekt gegen Luft gekühlt, die vom Gebläse (31) und/oder Drehkolbengebläse (32) geliefert wurde. Erwärmte Kühlluft aus der ersten Stufe (30a) wurde über Leitung (37) als Primärluft in die Leitung (6) geführt. Das gekühlte Gas wurde über Leitung (38) in ein Gewebefilter (33) und dann in den Kamin (34) geleitet. Vor dem Gewebefilter (33) wurde zur Senkung der Gastemperatur Falschluft abgesaugt. Über einen Walzenverschluß (35) wurde am Düsenboden des Wirbelschichtreaktors (1) Verbrennungsasche entnommen und in einem Kühler (36) gekühlt.
Der Rindermist war luftgetrocknet und mit Hilfe eines Schredders auf unter 25 mm zerkleinert. Der Wassergehalt betrug 27,7%.
Die Analyse, bezogen auf trockenes Material, war wie folgt:
Asche
39,3%
Flüchtige
48,3%
C - fix 12,4% @ S - total 0,75% @ C - total 30,6% @ Wasserstoff 3,93% @ Chlor 1,49% @ Stickstoff 2,44%
spezifischer Brennwert Ho = 12 490 kJ/kg
spezifischer Heizwert Hu = 11 630 kJ/kg
Die Asche hatte folgende Zusammensetzung:
SiO2
52,8%
Al2O3
5,6%
Fe2O3 1,9% @ CaO 9,8% @ MgO 3,5% @ K2O 9,4% @ P2O5 5,5% @ TiO2 0,31% @ Na 3,9%
Der Bauxit hatte eine Korngröße unter 2 mm und folgende Analyse:
SiO2
2,9%
Al2O3
45,0%
Fe2O3 17,3% @ CaO 0,62% @ K2O 0,38% @ Mn 0,35%
Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, daß eine reibungslose Verbrennung des Kuhmists mit hoher Durchsatzleistung ermöglicht wird, wobei die Alkalien weitgehendst in der Verbrennungsasche verbleiben und in Form von unschädlichen Verbindungen vorliegen, der Chlorgehalt zu einem großen Teil ebenfalls in Form von unschädlichen Verbindungen in der Verbrennungsasche verbleibt und damit die Korrosionsprobleme in den der Verbrennungsapparatur nachgeschalteten Aggregaten wesentlich verringert werden und die Entfernung des restlichen Chlorgehaltes aus den Abgasen wesentlich vereinfacht wird.

Claims (6)

1. Verfahren zur Verbrennung von Kuhmist, dadurch gekennzeichnet, daß der Kuhmist unter Zusatz eines oder mehrerer aluminiumhaltiger Stoffe der Gruppe Bauxit, Kaolin oder Aluminiumverbindungen enthaltende Asche aus Trockenfeuerungsanlagen bei einer Temperatur von 500°C bis 780°C verbrannt wird und der größte Teil der im Kuhmist vorhandenen Alkalien und und ein großer Teil des Chlors in der Verbrennungsasche eingebunden bleiben.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennung bei einer Temperatur von 650°C bis 780°C erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatz der aluminiumhaltigen Stoffe 3 bis 30 Gew.-%, bezogen auf trockenen Kuhmist, beträgt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatz der aluminiumhaltigen Stoffe 4-25 Gew.-%, bezogen auf trockenen Kuhmist, beträgt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennung in einer durch sauerstoffhaltiges Fluidisierungsgas und sauerstoffhaltiges Sekundärgas betriebenen zirkulierenden Wirbelschicht erfolgt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennung in einem Mehretagenofen erfolgt.
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