DE3734281A1 - Verfahren zum entwaessern von wasserhaltigen und insbesondere von kontaminierten wasserhaltigen schlamm- und feststoffaggregaten und hierzu geeignete vorrichtung - Google Patents
Verfahren zum entwaessern von wasserhaltigen und insbesondere von kontaminierten wasserhaltigen schlamm- und feststoffaggregaten und hierzu geeignete vorrichtungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft die Entwässerung von wasserhaltigen
und insbesondere von kontaminierten wasserhaltigen Schlamm-
und Feststoffaggregaten, wie Abwasserschlämmen, Fällungsschlämmen,
Flockulationsschlämmen, flüssigen Abfällen industrieller
oder kommunaler Herkunft und kontaminierten
feuchten Böden. Hierzu wird ein neues Entwässerungsverfahren
und eine zu dessen Durchführung geeignete Vorrichtung bereitgestellt.
Zur Trocknung von mehr oder weniger formgestalteten Gütern
werden seit ca. 10 Jahren auf den Gebieten der Textiltrocknung,
Lebensmitteltrocknung, Tabaktrocknung und Papiertrocknung
Hochfrequenztrockenverfahren angewendet. Ziel dieser
Verfahren ist es, dem bereits vorgeformten Material mindestens
einen Teil der Feuchtigkeit zu entziehen.
Auf dem Gebiet der Abfallbehandlung, Abfallbeseitigung und
Altlastsanierung besteht das zu behandelnde Substrat häufig
aus verschiedenartigen Schlämmen aus Fällungs- und Flockulationsprozessen
bzw. aus feuchten kontaminierten Böden.
Die Entwässerung dieser Schlamm- und Feststoffaggregate
stellt aufgrund des Masseneffektes, der Heterogenität und
der ökonomischen und ökologischen Auswirkungen ein besonders
schwieriges Problem dar. "Schlämme" können definiert werden
als heterogene Gemische von Feststoffen, Schleimen und
Flüssigkeiten, deren Konsistenz zwischen dem niederviskosen
flüssigen Bereich und dem festen bzw. stichfesten Bereich
einzuordnen ist. Der flüssige Anteil besteht meistens
aus Wasser, er kann jedoch auch mehr oder weniger große
Anteile an nichtwäßrigen Flüssigkeiten wie z. B. Öle enthalten.
Der Flüssigkeitsgehalt, der bei rein wäßrigen Systemen
im wesentlichen dem Wassergehalt entspricht, liegt bei
Schlämmen in einem weiteren Bereich von 90% oder mehr bis
zu 10%. Kennzeichnend für alle diese Schlämme ist, daß sie
neben physikalischen Emulsions-, Suspensions- oder Kolloidalsystemen
in der Regel stets einen gewissen Anteil an
gelösten Stoffen aufweisen und sich hierin von nassen Textilgütern
und dergleichen unterscheiden lassen, da bei
letzteren die Feuchtigkeit fast ausschließlich aus Hydratationswasser
besteht.
Außer Schlämmen bezieht die Erfindung auch andere formlose
Feststoff/Flüssigkeitsgemenge mit ein, für die die
wasser- oder flüssigkeitshaltigen kontaminierten Böden
mit unterschiedlichen Flüssigkeitsgehalten (meistens Wassergehalten)
als Beispiel stehen.
Zur Entwässerung der vorgenannten Schlamm- und Feststoffaggregate
wurden bisher grundsätzlich die folgenden Verfahren
angewendet:
- 1. Abtrennung der flüssigen Phase von der Feststoffphase durch Dekantiervorgänge, worunter im weitesten Sinne Vorgänge wie Absetzen, Zentrifugieren und dergleichen verstanden werden. Verfahren dieser Art haben den Nachteil, daß die Entwässerung nur bis zu einem bestimmten Grenzwert geführt werden kann, d. h. ein Feststoffgut erhalten wird, dem noch erhebliche Flüssigkeitsmengen anhaften, die in Nachbehandlungsschritten beseitigt werden müssen.
- 2. Trennen der flüssigen Phase von der festen Phase durch Filtrationsprozesse, z. B. durch Filtrieren über ein Siebband, Vakuumdrehtrommelfilter oder über Filterpressen.
Durch die vorgenannten mechanischen Entwässerungsvorgänge
wird der Wassergehalt meistens nur unwesentlich verändert.
Oft resultieren thixotrope und nicht ausreichend "stichfeste"
Schlämme mit relativ hohen Wassergehalten, die
beispielsweise bei der Ablagerung in einer Deponie zu
Standfestigkeits- und Sickerwasserproblemen führen und bei
einer nachfolgenden thermischen Behandlung einen erhöhten
Energieaufwand erfordern. Ein hoher Wassergehalt macht
die Lagerung und den Transport dieser Schlämme aufwendig
und kostspielig.
- 3. Verdampfen der flüssigen Phase mit oder ohne Kondensation der Brüden.
Da das Ziel aller Trocknungsprozesse eine vollständige bzw.
nahezu vollständige Entwässerung der Schlämme und Böden ist,
wird beim wirksamsten Verfahren gemäß (3) der Wassergehalt
durch Wasserverdunstung unter Eintrag von thermischer Energie
weiter herabgesetzt, die direkt in Form von Heizgasen
oder indirekt durch Wärmeübertragung vermittels Wärmetauscherflächen
und Trennwände zugeführt wird. Der letztgenannte
Trocknungsprozeß (3) führt meistens zu einer vollständigen
Abtrennung der Flüssigphase von der Feststoffphase.
Da der Trocknungsprozeß sehr energieaufwendig ist,
werden vielfach die unter (1) und (2) angegebenen Entwässerungsverfahren
vorgeschaltet, so daß nur noch die verbleibende
Restfeuchte durch Energiezufuhr verdampft werden
muß.
In einigen Fällen hat man auch schon Strahlungsenergie in
Form von Infrarotstrahlung zur Trocknung verwendet.
Bei der Heißlufttrocknung und der Trocknung mit Strahlungswärme
bilden sich jedoch an der Schlammoberfläche häufig
Verkrustungen oder Häute, die den weiteren Verdampfungsvorgang
behindern. Aufgrund der Tatsache, daß Heißluft und
Strahlungswärme im wesentlichen nur auf die Oberfläche des
Schlammaggregats einwirken, ist es vielfach erforderlich,
den Trocknungsvorgang durch mechanische Vorgänge, wie Durchmischung,
zu unterstützen. Aber auch hierbei wird eine homogene
Durchtrocknung des Gutes innerhalb vertretbarer Zeiten
und Kosten nur unzureichend erreicht. Bei der indirekten
Beheizung treten an den Wärmetauscherflächen oft Anbackungen
in Form von Inkrustrationen auf, die den Wärmeübergang
durch unbeabsichtigte Isolationswirkung beeinflussen
und hemmen. Als Ausweg werden Kratz- oder Wischvorrichtungen
in Form mechanischer Hilfsmittel verwendet, um die
Wärmetauscherflächen freizuhalten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Trocknungsverfahren
und eine entsprechende Trocknungsvorrichtung für
wäßrige und insbesondere für wäßrige kontaminierte Schlamm-
und Feststoffaggregate bereitzustellen, bei dem bzw. der
das zu trocknende formlose Gut ohne direkte oder indirekte
externe Zufuhr von Wärme oder Strahlungsenergie und ohne
Bildung von Verkrustungen an der Schlammoberfläche oder von
Inkrustrationen an den Wärmetauscherflächen innig durchgetrocknet
wird und ein trockenes, leicht zu handhabendes
Material erhalten wird, dessen Lagerungs- und Transportkosten
niedrig sind.
Hierzu schlägt die Erfindung nach Anspruch 1 ein Verfahren
zum Entwässern von wasserhaltigen und insbesondere von
wasserhaltigen kontaminierten Schlamm- und Feststoffaggregaten,
wie Abwasser-, Fällungs- und Flockulationsschlämmen
und kontaminierten feuchten Böden vor, bei dem das Entwässerungsgut
mit einer verhältnismäßig hohen Ausgangsfeuchte
in einem geschlossenen System auf einer Transporteinrichtung,
wie einem Transportband, in einem Drehrohr, auf einer
Vibrationsrinne oder auf einem Stabrost durch mindestens
ein Hochfrequenzfeld geführt und dabei weitgehend bis auf
eine niedrige Restfeuchte entwässert wird, das entwässerte
Material ausgetragen und die erhaltenen abgedampften Brüden
zur Vorerwärmung des Entwässerungsgutes benutzt und dann
nachbehandelt werden. Vorzugsweise wird bis zur vollständigen
Trocknung der Schlämme und Böden entwässert, denn dies erlaubt
die Erzeugung eines besonders heizwertreichen Feststoffs,
vermindert die Transportkosten, verbessert wegen
der trockenen krümeligen Konsistenz und der Volumendegression
die Mengenhandhabung und gewährleistet eine sichere
abwasserlose Weiterbehandlung bzw. Beseitigung der Trockensubstanz.
Im erfindungsgemäßen Verfahren werden sehr verschiedenartige
Entwässerungsgüter getrocknet. Speziell sind die vorstehend
genannten Substrate geeignet, die sich durch einen
relativ hohen Feuchtegehalt auszeichnen. Im einzelnen wird
der Feuchtegehalt vom jeweiligen Entwässerungsgut bestimmt.
Im allgemeinen liegt die Feuchtigkeit in einem Bereich von
10 bis 95 Gew.-% Wassergehalt, bevorzugt bei 50 bis 95 Gew.-%
und besonders bevorzugt bei 75 bis 95 Gew.-%. Es hat sich
gezeigt, daß die Entwässerung von relativ stark wasserhaltigen
Schlamm- und Bodenstoffaggregaten gleichzeitig eine
günstige Dekontaminierung des Entwässerungsgutes bewirkt,
da beim Vorgang der "inneren" Verdampfung zusätzlich bestimmte
flüchtige Schadstoffe, wie z. B. Lösemittel, wasserdampfflüchtige
Phenole, Amine und Ammoniakverbindungen als auch
flüchtige Schwermetallverbindungen ausgetrieben werden. Über
eine geeignete Temperatur- und Drucksteuerung kann dieser
Zusatzreinigungseffekt noch gezielt verstärkt werden.
Das anzuwendende Hochfrequenzfeld liegt vorzugsweise in einem
Bereich von 10 bis 50 MHz, bevorzugt bei 25 bis 30 MHz.
Günstig ist die Anwendung mehrerer Hochfrequenzfelder, wobei
unterschiedliche Hochfrequenzen angelegt werden, um mit
zunehmender Entwässerung den Trocknungseffekt noch zu verstärken.
Die Temperatur der in der Entwässerungsvorrichtung gebildeten
Brüden wird in erster Linie durch die spezielle Verdampfungstemperatur
des Wassers bestimmt. Sie liegt normalerweise im
Bereich von 100°C, kann jedoch je nach aufgegebenem Entwässerungsgut
bis zu 150°C oder bei anliegendem Vakuum auch
niedriger, z. B. bis zu 50°C liegen.
Das Entwässerungsgut kann in die Entwässerungsvorrichtung
mit einer im Bereich der Umgebungstemperatur liegenden Temperatur
eintreten. Günstiger und bevorzugt ist jedoch eine
vorausgehende Vorerwärmung des Gutes, so daß die Eintrittstemperatur
über 50°C, bevorzugt bei mindestens 60°C und
bevorzugter bei mindestens 75°C liegt. Diese Vorerwärmung
wird im erfindungsgemäßen Verfahren durch indirekten Wärmeaustausch
mit den Verdampfungsbrüden erreicht. Durch diese
Vorerwärmung kann das Verfahren praktisch ohne größere Temperaturdifferenzen
und damit auf einem außerordentlich
günstigen Energieniveau ausgeführt werden.
Die vorzugsweise kondensierten Verdampfungsbrüden führen in
der Regel eine Reihe von Schadstoffen ab und müssen nach
dem Wärmeaustausch mit einzuleitendem Gut wie Klärschlamm
einer Nachbehandlung unterzogen werden. Hierzu geeignet
sind die an sich bekannten Methoden der chemischen, physikalischen
oder physikalisch-chemischen Nachbehandlung, wie
z. B. Adsorption an Aktivkohle, Fällung mit speziellen Fällungsreagentien
und anschließende Filtration, Eindampfung
unter entsprechender pH-Einstellung und dergleichen.
Es ist vorteilhaft, wenn diejenigen Materialien, die sich
innerhalb des HF-Feldes bewegen, aus einem HF-nichtkopplungsfähigen
Material bestehen, wie Polyester, Glas, Keramik.
Bei Verwendung eines Transportbandes als Transporteinrichtung
hat sich ein Polyesterband gut bewährt, glasfaserverstärkte
Kunststoffe sind ebenfalls einsetzbar.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, daß es in
einem abgeschlossenen System einer Trocknungseinrichtung
ohne Auftreten von Geruchsbelästigungen oder gasförmigen
Schadstoffausträgen durchgeführt wird. Das Trocknungsgut
wird ohne Verkrustungen seiner Oberfläche und ohne Inkrustrationen
erhalten, die eine Wärmeübertragung stören. Es
erfolgt ein homogener Energieeintrag in die gesamte, zu
trocknende Masse. Die Flüssigkeitsphase wird jeweils nur
bis auf die jeweilige Verdampfungstemperatur erhitzt, eine
Erhitzung bis auf die Umgebungstemperatur eines zugeleiteten
Heizgases entfällt. Das Arbeiten ohne Heiz- und Heißgase
führt zu einer willkommenen Vermeidung von Abgasvolumina.
Insgesamt ist im Verfahren der Erfindung der apparative
Aufwand, verglichen mit konventionellen Trocknungsanlagen
mit aufwendiger Abgasführung und Abgasbehandlung,
wesentlich geringer und somit kostengünstiger.
Während bei den vorgenannten herkömmlichen Trocknungsverfahren
unter Einsatz von Heizgasen die anfallenden Abgase
je nach Inhaltsstoffen gewaschen und gegebenenfalls thermisch
nachbehandelt werden müssen, wird erfindungsgemäß
vor der HF-Trocknung eine Vorerwärmung des zu trocknenden
Schlamms oder Bodens vorgenommen, indem z. B. die Brüden
kondensiert werden, wodurch sowohl Heizluftmengen vermieden
werden als auch die Kondensationswärme zur Aufheizung
der Schlämme verwendet und wirtschaftlich genutzt wird.
Das Ergebnis des erfindungsgemäßen Verfahrens ist bei
gleichzeitiger Brüdenkondensation ein in einen transport-
und lagerungsfähigen Feststoffkörper überführtes Gut und
das Brüdenkondensat, das mengenmäßig durch den ursprünglichen
Feuchtigkeitsgehalt begrenzt ist und nach üblichen Methoden
nachbehandelt werden kann.
Die Erfindung schlägt auch eine Vorrichtung zum Entwässern
von wäßrigen und insbesondere von wäßrigen kontaminierten
Schlamm- und Feststoffaggregaten vor, mit einem wärmeisolierten,
länglichen Reaktorgehäuse 1, in dem eine Transporteinrichtung
2 verläuft, die das Entwässerungsgut von einer
Dosieraufgabe 5 zu einem Feststoffmaterialaustrag 6 befördert,
mit einer Reihe von hintereinander geschalteten Hochfrequenzkondensatorplatten
7 bis 11 mit variierbarem Plattenabstand
und isolierten elektrischen Zu- und Ableitungen
und mit mindestens einem Abzug 14 im Reaktorgehäuse zur Entnahme
von Brüden und Kondensat. Das Reaktorgehäuse ist vorzugsweise
doppelwandig ausgeführt und die Verdampfungsbrüden
durchziehen den Zwischenraum und sorgen auf diese Weise
für eine indirekte Beheizung des Reaktorinnenraums. Als
Transporteinrichtung kommen Transportbänder, bewegt von
Transportwalzen 3, 4, gegebenenfalls auch ein Drehrohr aus
einem HF-nichtkopplungsfähigen Material oder Vibrationsrutschen
aus einem HF-nichtkopplungsfähigen Material in
Betracht. Das Reaktorgehäuse kann aus Keramik, Glas, nichtkorrodierenden
Metallen bestehen, während die Transporteinrichtung
z. B. die Transportbänder vorzugsweise aus einem
HF-nichtkopplungsfähigen Material wie Polyester oder glasfaserverstärktem
Polyester bestehen.
Die Beheizung mit Hochfrequenz beruht auf der Tatsache,
daß polare Substanzen im Hochfrequenzfeld derart in Schwingung
versetzt werden, daß die entstehende Reibungsenergie
der Verdampfungsenergie entspricht. Das Hochfrequenzfeld
wirkt dabei auf den Gesamtbereich des Materials ein und
nicht nur auf dessen Oberfläche, was zu einer innigen Durchtrocknung
des gesamten Gutes führt. Es hat sich gezeigt,
daß bei der HF-Einwirkung nicht nur die stark dipolaren
Wassermoleküle verdampft werden, sondern wegen der "inneren"
Verdampfung auch eine beträchtliche Menge der Kontaminationen
eines Klärschlamms mitreißen. Auf diese Weise ist
es möglich, über die erfindungsgemäße HF-Trocknung gleichzeitig
den Klärschlamm zu dekontaminieren. Die abgezogenen
Schadstoffe werden dann mit den Brüden kondensiert und können
gezielt nachbehandelt werden.
Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß die HF-Trocknung
in vielen Fällen einer konventionellen Trocknung durch thermische
Klärschlammbehandlung wirkungsgradmäßig und energetisch
überlegen ist. Dies wird anhand der folgenden Gegenüberstellung
gezeigt.
Klärschlämme, die in kommunalen Kläranlagen hinter dem Faulprozeß
anfallen, enthalten ca. 5% Trockensubstanz und
95% Wasser. Im Durchschnitt besteht die Trockensubstanz
zu ¹/₃ aus anorganischen, meist mineralischen Materialien
und zu ²/₃ aus organischer Substanz. Der Klärschlamm enthält
in hohem Maße Krankheitserreger (Bakterien, Viren,
Wurmeier) und oft in nicht unbeträchtlichen Mengen Schwermetalle.
Die Schlammenge, die z. B. in drei Kläranlagen von Frankfurt
(Informationsschrift Schnellinformation Klärschlamm und
Flüssigabfälle A 1458, 1.83) anfällt, wird mit 3500 t/d
angegeben. Dieser Klärschlamm mit ca. 5% TS wird durch
maschinelle Entwässerung bei erhöhter Temperatur und Zusatz
von Polyelektrolyten auf eine Schlammenge von 350 t/d mit
ca. 30% Feststoffanteil entwässert. Ob durch die Wärmezufuhr
vor der Entwässerung eine Hygienisierung des Klärschlammes
eintritt, geht aus der Schrift nicht hervor. Der
vorentwässerte Schlamm kann z. B. in Fällen des Stillstandes
der Schlammverbrennungsanlage gegebenenfalls mit Kalk stabilisiert
und verfestigt werden, damit er auf einer Deponie
abgelagert werden kann.
Für die Erwärmung des Klärschlammes vor der Zentrifuge sind,
unter der Voraussetzung, daß der Schlamm um 40°C erwärmt
wird, 40 × 1000 × 3500 = 140 Mio. Kcal/d erforderlich,
die in diesem Falle durch das Wärmeträgeröl aus der Verbrennungsanlage
geliefert werden müssen.
Das entwässerte Material mit 70% Wassergehalt = 245 t
Wasser und 105 t Trockensubstanz wird nun in den kombinierten
Wirbelschichtreaktor mit aufgesetztem Trockner behandelt.
Hierbei werden ca. 50% des Wassergehaltes = 122,5 t
in der Trockenzone mit 850°C heißen Rauchgasen (dazu wird
laut Angabe 30-60% des Rauchgases aus der Verbrennung benötigt,
Mittelwert ca. 45%) verdampft, wobei die Temperatur
am Austritt des Trockners ca. 300°C aufweist.
Für die Verdampfung dieses Wasseranteils werden somit
- - 66,15 Mio Kcal/d als Verdampfungsenergie benötigt
- - 11,37 Mio Kcal/d für die Aufheizung des Dampfes um 200°C auf 300°C.
- - Die Aufheizung der Trockensubstanz dürfte nur ca. 21 000 Kcal/d erfordern und kann somit vernachlässigt werden.
Gelangt das Material vorgetrocknet auf das Wirbelbett, so
tritt selbsttätige Verbrennung ein, wobei das restliche Wasser
also nochmal 122,5 t/d verdampft und auf 850°C erwärmt
werden muß. Für diesen zweiten Schritt werden somit
- - 66,15 Mio Kcal/d als Verdampfungswärme und
- - 42,63 Mio Kcal/d zur Aufheizung auf 850°C benötigt.
Die entstehenden Rauchgase müssen nochmals im ersten Wärmeaustauscher
den Wasserdampf aus der Trocknung von 300°C auf
500°C aufheizen, wofür abermals 11,37 Mio Kcal/d benötigt
werden.
Wenn also bei der Verbrennung von 105 t/d Trockensubstanz
(Hu = 4000 Kcal/kg) 420 Mio Kcal/d enthalten, so müssen
hiervon für die Wasserverdampfung und Dampfaufheizung
197,67, d. h. ca. 200 Mio Kcal aufgewandt werden. Somit verbleiben
ca. 220 Mio Kcal/d für die Aufheizung des Thermoöls
im zweiten Wärmespeicher.
Von dieser Wärmeenergie ist die Energie für die Klärschlammaufwärmung
vor der Zentrifuge 140 Mio Kcal/d in Abzug zu
bringen. Restlich verbleibende Energie wird zur Rauchgaswiedererwärmung
sowie zur Beheizung der Anlage aufgewandt. Für
die Rauchgaswiedererwärmung von 65 auf 105°C dürften nochmals
ca. 116 Mio Kcal/d anzusetzen sein.
Alle bei der Klärschlammverbrennung freiwerdende Energie
wird somit im Inselbetrieb verbraucht. Elektrische Energie
muß von außen bezogen werden.
Geht man davon aus, daß vorentwässerter Klärschlamm durch
HF-Behandlung unter Verwendung von Fremdstrom getrocknet
würde, so müßten dazu 245 t/d verdampft werden. Dies entspricht
einer Verdampfungswärme von 132,3 Mio Kcal/d.
Führt man den bei der Verdampfung entstehenden Sattdampf
zur Erwärmung des Klärschlammes vor der Zentrifuge ab, so
würden die 132,3 Mio Kcal/d an den Klärschlamm abgegeben.
Das dabei anfallende Kondensat kann als Reinwasser abgeleitet
werden. Der getrocknete Klärschlamm würde auf diese Weise
- - sterilisiert
- - zwischenlagerungsfähig
- - in seinem Gewicht und Volumen um ca. ²/₃ verringert
- - verwertbar oder deponierbar anfallen.
Wenn der getrocknete Klärschlamm verbrannt werden soll, so
kann dies in jeder Art von Feuerungsanlage geschehen. Setzen
wir den Heizwert Hu für den getrockneten Klärschlamm wie vorher
auch mit 4000 kcal/kg an, so ergibt sich folgende Rechnung:
Die Verbrennung liefert 416 Mio Kcal/d. Bei einem Wirkungsgrad
von 60% entspricht dies 245 Mio Kcal/d = 0,3 Mio KW/d.
Die für die Verdampfung im HF-Feld benötigte Energie berechnet
sich bei 20% Verlust wie folgt:
Damit wird ein theoretischer Energieüberschuß selbst unter
Berücksichtigung von 60% Wirkungsgrad bei der Verbrennung
und 20% Wärmeverlust bei der HF-Verdampfung von 0,12 Mio KW/d
verbleiben.
Eine Wiederaufheizung der Rauchgase ist hierbei nicht erforderlich.
Sollten die Rauchgase dennoch gewaschen werden,
so sollte nach dem Wäscher eine Kondensationsstufe in Kombination
mit einem Naßelektrofilter nachgeschaltet werden. Hierbei
könnte die Kondensationswärme ebenfalls an den Klärschlamm
abgegeben werden.
Die erfindungsgemäße Schlammbehandlung wird vorzugsweise
wie folgt durchgeführt:
In einem wärmeisolierten, doppelwandigen Gehäuse aus geeignetem
Material befindet sich ein Förderband, das z. B. aus einer
Polyestergewebebahn besteht. Die Geschwindigkeit des Bandes
kann dem Trocknungsvorgang angepaßt werden. Der obere Teil
des Förderbandes fördert das feuchte Material in ausgebreiteter
Form von der Dosieraufgabe in Richtung auf den Feststoffaustrag,
der am Ende der Förderbahn durch Abrakeln des
trockenen Materials vom Band erfolgt.
Oberhalb und unterhalb des oberen Förderbandes sind die
HF-Kondensatorplatten oder Stäbe angebracht.
Die entstehenden Brüden werden durch die Doppelwand des
Gehäuses abgezogen und dienen zunächst der Aufheizung der
Gehäusewand. (Dies kann auch zusätzlich durch andere heiße
Abgase getrennt vom Brüdenkreislauf erfolgen.) Die Brüden
verlassen die Doppelwand am Boden des Gehäuses und werden
zur Aufwärmung der Aufgabeschlämme durch einen Wärmetauscher
geleitet und restlos kondensiert. Das Kondensat wird durch
eine mit Syphon ausgestattete Vorlage aufgefangen, wobei
das nicht-kondensierte Gas (gegebenenfalls auch Inertgas)
mit einer Pumpe in den Apparat gefördert wird, um den entstehenden
Wasserdampf aus dem System in den Kondensator zu
treiben. Das Gas wird im Doppelmantel durch Rohre geführt,
wo es auf ca. 100°C aufgeheizt werden kann.
Eventuell an der Innenwand kondensierte (Anfahrphase) Wassertropfen
laufen zum Boden des Apparategehäuses ab und können
durch einen Syphon in die Behälterzwischenwand gelangen.
Bei den technischen Verfahren werden in der Praxis folgende
Frequenzbereiche benutzt:
13,56 MHz ± 0,05%
27,12 MHz ± 0,6%
40,68 MHz ± 0,05%.
27,12 MHz ± 0,6%
40,68 MHz ± 0,05%.
In vielen Anwendungsfällen wird bevorzugt die Frequenz von
27,12 MHz eingesetzt, da bei dieser Frequenz die günstigsten
Werte für die Elektrodenspannung vorliegen, die mögliche
Durchschläge niedig halten.
Die Wärmemenge, die bei der HF-Trocknung zugeführt wird,
entsteht durch den Wechsel der Polarität zwischen den Kondensatorplatten.
Durch diesen Wechsel werden polare Moleküle
(z. B. Wassermoleküle) ständig umorientiert, wobei sie in
Schwingungen geraten, die ihrerseits die Wärme im Medium erzeugt.
Unpolare Moleküle oder Aggregate werden nicht in Schwingung
versetzt und somit nicht durch das HF-Feld erwärmt (Polyester).
Ein wesentlicher Vorteil der HF-Trocknung besteht darin, daß
der Trocknungsvorgang gleichmäßig in dem zu trocknenden Material
verteilt erfolgt. Es treten somit keine lokalen Überhitzungen
an wärmeübertragenden Flächen auf, wodurch auch
Schaumbildung und Blasenbildung in der Regel vermindert wird.
Die durch Hochfrequenz eingetragene Energie wird z. T. zur
Erwärmung des im Material enthaltenen Wassergehaltes bis zur
Verdampfungstemperatur benötigt. Hierbei wird sekundär auch
das andere umgebende Material des Schlammes mit auf die Siedetemperatur
des Wassers angehoben.
Der Energieanteil für die Aufheizung in (KW) beträgt:
In dieser Formel müssen die Gewichtsanteile und dazugehörige
spezifische Wärmen des Wassers sowie der anderen Materialbestandteile
(Fasern, Sand usw.) eingesetzt werden.
Zusätzlich zum Wärmebedarf für die Aufheizung ist für die
Verdampfung des Wassers Wärmeenergie aufzubringen. Dieser
Wärmebedarf wird erfahrungsgemäß mit 1 KW pro 1,6 kg Wasser
angesetzt.
Zum Ausgleich von Strahlungs- und Konvektionswärmeverlusten
werden in der Regel 10-20% an Energie zusätzlich angesetzt.
In einer Versuchsanlage (Bild 1), die aus einem HF-Feld
bestand, wurden im Labor Versuche zur Trocknung durchgeführt.
Die Brüden des Trocknungsprozesses wurden z. T. über einen
Laborkühler kondensiert und als Flüssigphase zurückgewonnen.
Andere Versuche wurden in einem HF-Feld ohne Rückkühlung
also mit freier Verdunstung gefahren.
In allen Fällen wurde vom Ausgangsmaterial der Trocknungssubstanzgehalt
durch Trocknung im Trockenschrank bei 106°C
ermittelt. Der Trockensubstanzgehalt (TS) wird in Prozent
bezogen auf die feuchte Einwaage angegeben.
Die Versuche im HF-Feld wurden in der Regel solange
durchgeführt, bis der TS sich eingestellt hatte.
Die Bilder 2 bis 6 zeigen verschiedene Böden bzw. Baumaterialien,
wie sie z. B. bei Altlastsanierungsfällen vorkommen
können. In Bild 2 bis Bild 5 sind verschiedene Oberbodenproben,
die humusreich oder sandig waren, dargestellt.
Sie wurden mit dem gerade vorliegenden Feuchtigkeitsgehalt
in den Versuch eingesetzt. Der Wassergehalt der jeweiligen
Proben in Prozent ergibt sich aus der Differenz 100 abzüglich
dem TS-Gehalt. Die jeweils eingewogene Menge E ist
auf dem Diagramm vermerkt. Der Trocknungsvorgang ist gegen
die Zeit in Minuten aufgetragen.
Bei Bild 6 handelt es sich um einen Ziegelstein, der über
Nacht in Wasser gelegt wurde, um ihn mit Wasser zu sättigen.
Ein Teil wurde dann zur TS-Bestimmung im Trockenschrank
behandelt, der andere Teil wurde im HF-Feld getrocknet.
Die Versuche 2 bis 6 gingen von Materialien aus, die einen
relativ geringen Wassergehalt aufwiesen (max. 18%).
Bild 7 zeigt die Trocknungskurve von Klärschlamm (Faulschlamm
aus einer mittelgroßen Stadt) mit 10% TS und einer
im Labor hergestellten Zellstoffpulpe, wobei 10 g Zellstoff
in 100 ml Wasser aufgeschlämmt wurden. Das Bild 7 zeigt
den zeitlichen Trocknungsverlauf beider Stoffe bei einer
Einwaage E von 110 g.
Aus dem Bereich einer Sonderabfallbeseitigungsanlage in
Bayern wurden weitere drei typische Schlammproben für Versuche
zur Verfügung gestellt. Diese Schlämme wurden in ein
Becherglas eingewogen und frei in das HF-Feld eingebracht.
Es handelte sich um folgende Schlämme:
- 1. Filterschlammgemisch aus der chemisch-physikalischen Abwasserbehandlung (CPA). In der CPA werden Industrieabwässer, die Cyanide, Nitrit, Chromat, andere Schwermetalle, Dünnschlämme, Säuren und Laugen enthalten, durch Oxydation, Reduktion, Fällung und Neutralisation behandelt. Die bei dieser Behandlung entstehenden Ausfällungen werden auf einer Kammerfilterpresse vorentwässert, um dann in der Sonderabfalldeponie abgelagert werden zu können. Der Filterpressenschlamm wurde im HF-Feld getrocknet.
- 2. Dekantierschlamm: Bei diesem Schlamm handelt es sich um den Schlamm, der hinter einer Zentrifuge als Vorentwässerungsprodukt anfällt. Behandelt werden vorwiegend organisch belastete Abwässer wie z. B. Öl-Wassergemische, Emulsionen, Raffinierschlämme usw. Vor der Trennung in der Zentrifuge werden Polyelektrolyte zugesetzt.
- 3. Sedimatschlamm: Die Sondermüllverbrennungsanlage entstaubt die bei der Verbrennung des Sondermülls anfallenden Rauchgase zunächst in einem Elektrofilter. Die vorentstaubten Rauchgase werden dann in einem Wäscher gewaschen. Das Waschwasser wird im Kreislauf gefahren und durch Zudosieren von NaOH alkalisch gehalten. Die 350 m³ Waschwasser werden in einem Sedimaten von Feststoffen befreit. Diese Feststoffe sind nicht abgeschiedene Filterstäube, Hydroxide aus der alkalischen Rauchgaswasserbehandlung. Es ist nicht auszuschließen, daß diese Schlämme auch Metalle in feiner Verteilung (z. B. Hg) enthalten können.
Wie aus der Zusammenstellung Bild 8 hervorgeht, traten beim
Trocknen dieser Schlämme im HF-Feld bei Probe 1 und Probe 3
verschiedene Erscheinungen auf, die zwar den Trocknungserfolg
nicht beeinträchtigt haben, die aber sicher einer
Untersuchung und weitergehender Interpretation bedürfen.
Im Fall der Probe 1 trat wider Erwarten (anorganischer
Schlamm) brenzlicher Geruch und leichtes Glimmen am Ende
der Trocknung auf. Entweder enthielt der Schlamm organische
Substanz, die kopplungsfähig ist oder er enthielt feinverteilte
Metallanteile, die zu lokalen Überhitzungen geführt
haben. Im Falle der Probe 3 wird davon ausgegangen,
daß mit dem Flugstaub auch Metallpartikel in den Schlamm
geraten sind, die zu diesem Verhalten im HF-Feld geführt
haben.
Claims (26)
1. Verfahren zum Entwässern von wasserhaltigen und
insbesondere von kontaminierten wasserhaltigen Schlamm-
und Feststoffaggregaten, wie Abwasser-, Fällungs- und
Flockulationsschlämmen und kontaminierten feuchten Böden,
dadurch gekennzeichnet, daß das Entwässerungsgut
mit verhältnismäßig hoher Ausgangsfeuchte in einem
geschlossenen System auf einer Transporteinrichtung,
wie einem Transportband, einem Drehrohrförderer, einer Vibrationsrinne
oder einem Stabrost durch mindestens ein
Hochfrequenzfeld geführt und dabei weitgehend bis auf eine
Restfeuchte entwässert wird, das entwässerte Material
ausgetragen und die erhaltenen abgedampften Brüden zur
Vorerwärmung des Entwässerungsgutes benutzt und dann nachbehandelt
werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Hochfrequenzfeld angewendet wird im Bereich
von etwa 10 bis etwa 50 MHz.
3. Verfahren nach Anspuch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Brüden auch zur Beheizung der Entwässerungsvorrichtung
benutzt werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß das Entwässerungsgut auf einer Transporteinrichtung
aus HF-nichtkopplungsfähigem Material
transportiert wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß das Entwässerungsgut auf einem Transportband
transportiert wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß das Entwässerungsgut in einer Vibrationsrinne
oder in einem Drehrohr durch das Hochfrequenzfeld
transportiert wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß das Entwässerungsgut eine Ausgangsfeuchte
von 30 bis 90 Gew.-% aufweist und praktisch
vollständig, mindestens jedoch bis auf eine Restfeuchte
von 10 bis 50 Gew.-% entwässert wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß das Entwässerungsgut vor Eintritt in
das Hochfrequenzfeld chemisch vorkonditioniert wird, um eine
gezielte Umsetzung von Verunreinigungen in flüchtige Umsetzungsprodukte
vorzunehmen.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß das Entwässerungsgut durch ein Hochfrequenzfeld
im Bereich von etwa 25 bis 30 MHz befördert wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, daß das Entwässerungsgut innerhalb des
geschlossenen Systems mehrere Hochfrequenzfelder durchläuft,
die unter gleicher Frequenz oder mit unterschiedlichen
Frequenzen arbeiten.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, daß die Entwässerungsvorrichtung unter einem
Druck im Bereich von 50 mbar bis 1,5 bar betrieben
wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, daß die Entwässerungsvorrichtung unter
Unterdruck bis zu 100 mbar arbeitet.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch
gekennzeichnet, daß das Entwässerungsgut mindestens teilweise
indirekt durch heiße Abgase aufgeheizt wird, die aus
den abgedampften Brüden bestehen oder extern zugeführt werden.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch
gekennzeichnet, daß das Entwässerungsgut indirekt unter Kondensation
der abgedampften Brüden vorerwärmt wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch
gekennzeichnet, daß die nichtkondensierten Abgase gegebenenfalls
nach Zusatz von Inertgas, als Trägergas für das
geschlossene System eingesetzt werden.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch
gekennzeichnet, daß die Brüdentemperatur einen Wert von
150°C nicht übersteigt.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch
gekennzeichnet, daß das entwässerte Material in homogen
durchtrockneter Form ohne Versinterung seiner Oberfläche
entnommen wird.
18. Vorrichtung zum Entwässern von wäßrigen und insbesondere
von kontaminierten wasserhaltigen Schlamm- und
Feststoffaggregaten, gekennzeichnet durch
- - ein wärmeisoliertes langgestrecktes Reaktorgehäuse (1) mit
- - mindestens einer Transporteinrichtung (2), die das Entwässerungsgut von einer Dosieraufgabe (5) zu einem Feststoffmaterialaustrag (6) befördert,
- - eine Reihe von hintereinandergeschalteten Hochfrequenz-Kondensatorplatten (7 bis 11) mit variierbarem Plattenabstand und isolierten elektrischen Zuleitungen und Ableitungen, und
- - mindestens einen Abzug (14) im Reaktorgehäuse zur Entnahme von Brüden und Kondensat.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet,
daß das Reaktorgehäuse eine durchströmbare
Doppelwand (13) aufweist.
20. Vorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch
gekennzeichnet, daß die Transporteinrichtung ein von
Transportwalzen (3, 4) bewegtes Transportband aus HF-nichtkopplungsfähigem
Material enthält.
21. Vorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch
gekennzeichnet, daß die Transporteinrichtung (2) aus einem
Drehrohr aus einem HF-nichtkopplungsfähigen Material besteht.
22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 21,
dadurch gekennzeichnet, daß im oberen Reaktorgehäuse
mindestens eine Austrittsöffnung (12) für den Übertritt
von Brüden und Dämpfen in den Doppelwandraum (13) vorgesehen
ist.
23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 22,
dadurch gekennzeichnet, daß sich im unteren Teil des Reaktorgehäuses
ein Kondensatablauf (15) befindet, der vom
Feststoffmaterialaustrag (6) beabstandet ist.
24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 23,
dadurch gekennzeichnet, daß der Abzug (14) mit einer Kondensationseinrichtung
(16) verbunden ist, in der Brüden
und Dämpfe kondensiert werden.
25. Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet,
daß die Kondensationseinrichtung (16) mit der Entwässerungsgutzufuhrleitung
(17) in Verbindung steht, so daß
die Kondensationswärme des Kondensats durch indirekten
Wärmeaustausch zur Vorerwärmung des Entwässerungsgutes genutzt
wird.
26. Vorrichtung nach Anspruch 24 oder 25, dadurch
gekennzeichnet, daß die Kondensationseinrichtung (16) über
eine Leitung (18) mit dem Reaktorgehäuse (1) in Verbindung
steht, um nichtkondensiertes Gas, gegebenenfalls unter
Zusatz von Inertgas (20) über ein Rohrsystem (19) in das
Reaktorgehäuse (1) zurückzuleiten.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE3734281A DE3734281C2 (de) | 1987-10-09 | 1987-10-09 | Verfahren zum Entwässern von wasserhaltigen und insbesondere von kontaminierten wasserhaltigen Schlamm- und Feststoffaggregaten und hierzu geeignete Vorrichtung |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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