DE3836091C2

DE3836091C2 -

Info

Publication number: DE3836091C2
Application number: DE19883836091
Authority: DE
Inventors: Kurt Dipl.-Ing. 8062 Markt Indersdorf De Kugler
Original assignee: ENVIRONMENT PROTECTION ENGINEERS Inc SOUTHFIELD MICH US
Current assignee: ENVIRONMENT PROTECTION ENGINEERS Inc SOUTHFIELD MICH US
Priority date: 1988-10-22
Filing date: 1988-10-22
Publication date: 1991-12-12
Also published as: DE3836091A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Drehrohrreaktor, insbesondere für die Pyrolyse von Abfallstoffen, mit einer drehbar gelagerten, angetriebenen Trommel für die Aufnahme eines zu behandelnden Gutes und mit einem eine stationäre Aufheizkammer umfassenden Heizsystem für einen flüssigen Wärmeträger innerhalb eines über die Länge der Trommel auf deren Außenseite angeordneten Wärmetauschers.

Herkömmlich ist bei bekannten Drehrohrreaktoren eine Beheizung von außen mittels Rauchgasen (Eintritts-Temperatur maximal 1200°C) vorgesehen, wobei der Wärmeübergang mittels Konvektion und Strahlung erfolgt und relativ gering ist. Es muß mit einer hohen Temperaturdifferenz gearbeitet werden, um über eine möglichst kleine Fläche möglichst viel Prozeßenergie zuführen zu können. Mit wachsender spezifischer Energiedichte kann eine höhere Entgasungsleistung erzielt werden bzw. ermöglicht dies eine kleinere Ausführung der Anlagen. Bei der Abfall-Pyrolyse beträgt die Temperaturdifferenz zwischen dem Rauchgas und der Trommel etwa 200 bis 600°C, wobei es zu lokalen Überhitzungen und unerwünschten Reaktionen im durchzusetzenden Gut kommen kann. Weiterhin nachteilig wirkt sich die hohe Temperaturdifferenz in Form stark wechselnder Drehrohr-Heizflächenbelastungen aus, wodurch es zu veränderlichen Ausdehnungen und Spannungen in den Wandungen kommt. Des weiteren ist die Flexibilität der Prozeßsteuerung durch die hohe Temperaturdifferenz verringert. Weitere Schwierigkeiten ergeben sich beispielsweise bei den stirnseitigen Drehrohrabschlüssen, d. h. bei den Übergängen vom drehenden Teil der Anlage zu dem stationären Teil.

Für die Energiebilanz ergibt sich bei der Verwendung von Rauchgasen unter Vernachlässigung der Förderwiderstände bei mittleren Werten folgendes. Die nutzbare Energie läßt sich bestimmen als

Hierbei bedeuten V_RG Rauchgasvolumen, cp_m mittlere spezifische Wärme und ΔT Temperaturdifferenz. 1 m³_n Rauchgase vermögen somit 750 KJ nutzbare Prozeßenergie zu transportieren. Bei Berück sichtigung des Rauchgasbetriebszustandes und einer mittleren Temperatur von 850°C ergibt sich für den Prozeßenergietransport für 1 m³_RG:

Dies verdeutlicht, daß der Energietransport mittels Rauchgasen den Einsatz großer Volumina und somit entsprechend vom Raum- und Gewichtsbedarf her aufwendige Beheizungssysteme erforderlich macht.

Des weiteren können rauchgasbeheizte Drehrohrreaktoren lediglich mit zwei Laufrollenstationen technisch realisiert werden, wobei die Laufrollenstationen außerhalb der Beheizungszone angeordnet werden müssen. Wie bekannt ist, ist der Durchmesser des Reaktors aus Gründen der Energieübertragung (Materialbetthöhe) begrenzt. Hieraus ergibt sich wiederum eine Begrenzung der Reaktorlänge. Das Durchmesser/Längenverhältnis kann aus statischen Gründen abhängig von Trommeldurchmesser, Temperatur, Material etc. 1 : 7,5 bis 9,0 nicht übersteigen.

In der DE-OS 35 03 069 ist ein Drehrohrreaktor der eingangs genannten Art beschrieben, der ein Mantelrohr und in diesem angeordnete Rohre oder Rohrabschnitte für das durchzusetzende Gut aufweist. Letztere sind einzeln mittels flüssiger Wärmeträger indirekt beheizbar, bei denen es sich beispielsweise um eine Salzschmelze handeln kann. Dieser Aufbau ermöglicht es, die Pyrolyse von Abfallstoffen bei Temperaturen zwischen 350 und 550°C durchzuführen, wobei kleine Temperaturdifferenzen von etwa 20 bis 60°C eine günstige Wärmeübertragung ohne lokale Überhitzung ermöglichen. Es können kleiner dimensionierte Anlagen bzw. leistungsstärkere Anlagen gebaut werden.

Als flüssige Wärmeträger verwendbare Wärmeträgersalze sind z. B. von den Firmen Degussa, ICI, Goering etc. lieferbar. Ein übliches Gemisch eines solchen Wärmeträgersalzes besteht z. B. aus 53% KNO₃, 40% NaNO₂, 7% NaNO₃. Der Schmelzpunkt liegt bei 140 bis 160°C (mit der Zeit durch Umsetzen von Nitrit in Nitrat langsam ansteigend). Der Dampfdruck ist bei Temperaturen bis 550°C vernachlässigbar gering. Die Wärmeträgersalze sind nichtbrennbar und erstarren an der Umgebungsluft rasch. Sie sind chemisch nicht aggressiv und bei Temperaturen bis 550°C für niedrig legierte Stähle einsetzbar. Ein Fabrikat der Fa. Degussa bewirkt bei Dauereinsatz bei 450°C ca. 0,06 mm/a und bei 500°C ca. 0,15 mm/a Materialabtrag. Das Raumgewicht beträgt bei 500°C 1,720 kg/l. Die spezifische Wärme bei 500°C beträgt etwa 1,562 KJ/kg. Die Wärmeträgersalze sind regenerierbar.

Die Vorteile der Verwendung eines flüssigen Wärmeträgers, insbesondere eines Wärmeträgersalzes gegenüber den oben beschriebenen herkömmlich verwendeten Rauchgasen, ergeben sich aus nachfolgender Betrachtung der nutzbaren, transportierbaren Energie pro m³ Wärmeträgersalz. Es wird im nachfolgenden Beispiel angenommen, daß die Vorlauftemperatur 500°C, die Rücklauftemperatur 470°C beträgt, d. h. ΔT = 30°C. Hieraus ergibt sich:

1 m³ Wärmeträgersalz können somit 80 600 KJ nutzbare Energie transportieren. Wird entsprechend der Energiewert von Rauchgasen zu dem von Wärmeträgersalz in Proportion gesetzt, so ergibt sich

182 : 80 600 bzw.
1 : 443

1. Die Vorteile einer Salzbeheizung sind offensichtlich. Ausdehnungs effekte können infolge der kleinen Temperaturdifferenz exakt erfaßt werden, wodurch Material- und Dichtungsprobleme und dergleichen beherrschbar sind.
2. Die Prozeßtemperatur kann in einem sehr engen Temperaturbereich gesteuert werden.
3. Es können Drehrohrreaktoren mit mehreren Laufrollenstationen gebaut werden, was den Bau von Anlagen mit erheblich größeren Durchsätzen ermöglicht.
4. In das Trommelinnere einbaubare Heizflächen vergrößern die Kontaktflächen für die Energieübertragung, wodurch entweder die Leistung vergrößert oder die Anlage verkleinert werden kann.
5. Es ergeben sich Reaktorleistungen von mehr als 15,0 t/h Hausmüll.

Trotz der diversen Vorteile eines mit einem flüssigen Wärmeträger arbeitenden Drehrohrreaktor ergeben sich Schwierigkeiten beim Transport des flüssigen 500 bis 650°C heißen Wärmeträgers vom stationären auf den sich drehenden Reaktorteil. Ein Problem besteht insbesondere darin, daß das Dichtungsmaterial bei diesen Temperaturen zumindest nicht ausreichend dicht und elastisch ist.

Weiterhin ist aus der DE-PS 4 82 712 ein Drehrohrreaktor mit einem äußeren und einem inneren Paar von konzentrisch umeinander angeordneten Gehäusen bekannt, die drei Ringkammern bilden, von denen die mittlere zur Aufnahme des zu behandelnden Gutes dient. Die äußere und die innere Ringkammer können jeweils für sich oder gemeinsam mit herausnehmbaren, mit flüssigem Metall gefüllten Behältern bestückt sein. Über die gesamte Länge des Drehrohrreaktors erstreckt sich eine oben und unten mit Brennern versehene Aufheizkammer.

Ferner zeigt die US-PS 17 17 808 einen Drehrohrreaktor mit einer drehbaren, angetriebenen Trommel, auf der drehfest ein endseitig geschlossenes Mantelrohr befestigt ist. Über einen Füllstutzen an dem Mantelrohr kann flüssiges Metall in dem Raum zwischen dem Mantelrohr und der Trommel eingebracht werden. Eine mit einem Gasbrenner versehene, stationäre Aufheizkammer umgibt die Trommel in ihrer gesamten Länge.

Aus der DE-PS 4 82 712 und der US-PS 7 17 808 sind demnach Drehreaktoren bekannt, bei denen auf der Trommel ein mit flüssigem, nicht strömendem Metall gefüllter Wärmetauscher drehfest angeordnet ist, der sich über die gesamte Trommellänge erstreckt und auch über diese Länge insgesamt mit Rauchgasen beheizt wird. Da keine Umpumpung, d. h. Zwangsführung des flüssigen Metalls erfolgt, wirkt das flüssige Metall wie ein Energiespeicher, der zwar eine Prozeßvergleichmäßigung ermöglicht, jedoch keine gezielte Energieverteilung entsprechend dem Prozeßbedarf gestattet. In den einzelnen Reaktorzonen wird jedoch häufig ein unterschiedlicher Energiebedarf benötigt. So ist beispielsweise bei der Hausmüll- und Klärschlammpyrolyse in den ersten Durchlaufmetern des Drehrohrreaktors der Energiebedarf für die Wasserverdampfung extrem hoch, da dieses Aufgabematerial bis zu 70% Wasser enthält.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Drehrohrreaktor der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem auf einfache Art und Weise eine gezielte Energiezufuhr zu verschiedenen Reaktorzonen möglich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Aufheizkammer die Trommel und den aus einzelnen Rohrpaketen zusammengesetzten Wärmetauscher nur in einem bestimmten Bereich umgibt und daß der flüssige Wärmeträger im Kreislauf über Pumpen, die auf der Trommel befestigt sind, zu verschiedenen, einzeln regelbaren Heizkreisen der Trommel entsprechend dem Energiebedarf förderbar ist.

Durch diese Maßnahmen kann die Prozeßtemperatur exakt gesteuert werden, wodurch ungewollte Prozeßreaktionen eliminiert bzw. auf ein Minimum herabgesetzt werden können. Insbesondere für die Niedertemperaturpyrolyse ergeben sich somit Verbesserungen in bezug auf die Prozeßführung und die Leistung. Da der Wärmetauscher aus einzelnen Rohrpaketen zusammengesetzt ist, ergibt sich ein Aufbau mit relativ großer Übergangsfläche, wobei zugleich mit Baumodulen gearbeitet werden kann. Insgesamt ist ein kompakter Aufbau des Drehreaktors realisiert.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der flüssige Wärmeträger ein Salz. Es sind jedoch auch Anwendungen denkbar, bei denen der Wärmeträger gasförmig ist.

Zweckmäßigerweise sind Ausdehnungsgefäße für den flüssigen Wärmeträger sich mitdrehend auf der Trommel angeordnet, wobei bevorzugt Schleifringläufer für die Stromversorgung von Pumpen, Meßinstrumenten und Ventilen vorgesehen sind. Als Schleifringläufer können Standardbauteile verwendet werden.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes sind zwischen der Trommel und der Wandung der Aufheizkammer Zwischenwände an der Trommel und/oder der Wandung der Aufheizkammer angebracht. Diese Zwischenwände bewirken einerseits Umlenkungen von Heizgasen und andererseits stellen sie Montage- und Stabilisierungshalterungen dar.

Zusätzlich zur Außenbeheizung des Drehrohrreaktors sind bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung im Innern der Trommel Heizflächen angeordnet. Dies ermöglicht einen günstigen Wirkungsgrad der Wärmeübertragung. Um einem raschen mechanischen Verschleiß durch das umwälzende Material vorzubeugen, sind bevorzugt die Heizflächen im Innern der Trommel mit erneuerbaren Panzerungen versehen.

Der der Erfindung zugrundeliegende Gedanke wird in der nachfolgenden Beschreibung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele, die in der Zeichnung dargestellt sind, näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Gesamtansicht eines erfindungsgemäßen Drehrohrreaktors,

Fig. 2 eine Schnittansicht des in Fig. 1 dargestellten Drehrohrreaktors längs der Linie II-II im Bereich der Aufheizkammer,

Fig. 3 einen Ausschnitt einer Längsschnittansicht längs der Linie III-III in Fig. 2, die eine Art der Anordnung von Rohrpaketen des Wärmetauschers veranschaulicht,

Fig. 4 eine zur Ausführung gemäß Fig. 3 alternative Variante der Anordnung der Rohrpakete des Wärmetauschers,

Fig. 5 eine Schnittansicht längs der Linie V-V in Fig. 1, die den Aufbau außerhalb des Bereiches der Aufheizkammer veranschaulicht, und

Fig. 6 einen zur Ausführung von Fig. 5 alternativen Aufbau.

Der in Fig. 1 dargestellte Drehrohrreaktor weist eine drehbar gelagerte Trommel 10 auf, in der sich das zu entgasende Gut befindet und die mit einer mitdrehenden Wiederaufheizung für den flüssigen Wärmeträger ausgestattet ist. Zum Drehen der sich auf drei Lagerstationen 14 abstützenden Trommel 10 ist ein Antrieb 12 vorgesehen. Im mittleren Bereich des Drehrohrreaktors befindet sich eine stationäre Aufheizkammer 20, die auf einer festen Auflage 22, z. B. dem Boden oder einem Sockel, aufgebaut ist. Im unteren Bereich der Aufheizkammer 20 liegt ein Einlaß 24 für das Heizmedium, zweckmäßigerweise ein Gas zur Beheizung des flüssigen Wärmeträgers und im oberen Bereich der Aufheizkammer 20 befindet sich ein Auslaß 26. Stromaufwärts vor der Aufheizkammer 20 sind außen an der Trommel 10 sich mitdrehende Pumpen für flüssige Salze und Ausdehnungsgefäße 30 angeordnet. Vor diesen wiederum stromaufwärts befinden sich Schleifringläufer 32 für die Stromversorgung von Pumpen 30, Meßinstrumenten, Ventilen usw.

Eingangsseitig ist die Trommel 10 des Drehrohrreaktors mit einem stehenden Reaktorabschluß 40 versehen, durch den sich als Materialzuführung eine in das Trommelinnere mündende Zuteilschnecke 42 erstreckt, die von einer vorgeschalteten Materialaufgabe 44 über eine nicht dargestellte Schleuse mit dem zu entgasenden Gut gespeist wird. Auf der Auslaßseite weist die Trommel 10 ein stehendes Auslaufgehäuse 46 auf. Die Trommel 10 dreht sich entgegen dem Uhrzeigersinn, was aus der Lage des Gutes 2 innerhalb der Trommel 10 in der Fig. 5 zu erkennen ist.

Die Funktionsweise des Drehrohrreaktors ist zusammengefaßt folgende: In die Materialaufgabe 44 wird das Aufgabematerial, wie z. B. Müll eingegeben. Das Gut gelangt über die Zuteilschnecke 42 in die sich drehende Trommel 10, in der es zum Trommelausgang weitergefördert wird. In der Trommel 10 wird das Gut indirekt durch den flüssigen Wärmeträger auf die erforderliche Entgasungstemperatur erwärmt und dabei entgast. Das Entgasungsprodukt (Pyrolysegas) wird durch das stehende Auslaufgehäuse 46 an dessen oberem Gasauslaß 48 abgeführt. Die festen Entgasungsrückstände werden über einen Feststoffauslaß 50 abgezogen.

In der stationären Aufheizkammer 20 wird der rückgeführte flüssige Wärmeträger durch Rauchgase wieder auf die Vorlauftemperatur aufgeheizt. Der Eintritt der Rauchgase erfolgt über den Einlaß 24 und der Austritt über den Auslaß 26 der Aufheizkammer 20. Der Restenergieinhalt der Rauchgase kann z. B. in einem Luftvorwärmer weiter benutzt werden.

In Fig. 2 ist ein Querschnitt durch den in Fig. 1 dargestellten Drehrohrreaktor längs der Linie II-II in Fig. 1 veranschaulicht. In diesem Bereich ist die Trommel 10 von der sich auf der Auflage 22 abstützenden, stationären Aufheizkammer 20 umgeben. Mittels der sich mit der Trommel 10 mitdrehenden Rohrpakete des Wärmetauschers 60 wird der rückgeführte flüssige Wärmeträger, z. B. ein Wärmeträgersalz, wieder auf die Vorlauftemperatur aufgeheizt. Als Heizmedium dienen hierbei, wie erwähnt, Rauchgase, die über den Einlaß 24 in die Aufheizkammer 20 eingeführt werden.

In Fig. 3 ist die Rohrpaket-Ausgestaltung des Wärmetauschers 60 veranschaulicht. Fig. 4 zeigt eine zu der Anordnung von Fig. 3 alternative Ausgestaltung des Wärmetauschers 60. Die an sich beliebige Anordnung der einzelnen Rohre ist so gewählt, daß zwischen einzelnen Rohrgruppen Zwischenwände 56, 58 eingebaut werden können, die abwechselnd an der drehenden Trommel 10 und der stehenden Aufheizkammer 20 angebracht sind.

Aus Fig. 5 ergibt sich der Aufbau des Drehrohrreaktors außerhalb des Bereiches der Aufheizkammer 20. Zwischen den Leitungsrohren 54 und einem sich auf radialen Abstandshaltern 74 abstützenden Außenmantel 16 ist eine Isolierung 78 angeordnet. Der Sammler 64 ist ebenfalls von einer Isolierung 80 umgeben, die wiederum mittels eines Außenmantels 82 geschützt ist.

In Fig. 6 ist eine zur Anordnung von Fig. 5 alternative Ausgestaltung dargestellt. Die Trommel 10 ist durch Wände 18 in vier Trommelteilbereiche 90 aufgeteilt. An den Wänden 18 sind Rohre 54 für den flüssigen Wärmeträger angebracht, die mit einer Panzerung ausgestattet sind, um den Verschleiß herabzusetzen. Durch die damit vergrößerten Wärmetauscherflächen erhöht sich die Leistung des Drehrohrreaktors.

Claims

1. Drehrohrreaktor, insbesondere für die Pyrolyse von Abfallstoffen, mit einer drehbar gelagerten, angetriebenen Trommel für die Aufnahme eines zu behandelnden Gutes und mit einem eine stationäre Aufheizkammer umfassenden Heizsystem für einen flüssigen Wärmeträger innerhalb eines über die Länge der Trommel auf deren Außenseite angeordneten Wärmetauschers, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufheizkammer (20) die Trommel (10) und den aus einzelnen Rohrpaketen zusammengesetzten Wärmetauscher (60) nur in einem bestimmten Bereich umgibt, und daß der flüssige Wärmeträger im Kreislauf über Pumpen (30), die auf der Trommel (10) befestigt sind, zu verschiedenen, einzeln regelbaren Heizkreisen der Trommel (10) entsprechend dem Energiebedarf förderbar ist.

2. Drehrohrreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der flüssige Wärmeträger ein Salz ist.

3. Drehrohrreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Ausdehnungsgefäße für den flüssigen Wärmeträger sich mitdrehend auf der Trommel (10) angeordnet sind.

4. Drehrohrreaktor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Schleifringläufer (32) für die Stromversorgung von Pumpen (30), Meßinstrumenten und Ventilen vorgesehen sind.

5. Drehrohrreaktor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Trommel (10) und der Wandung der Aufheizkammer (20) Zwischenwände (56 bzw. 58) an der Trommel (10) und/oder der Wandung der Aufheizkammer (20) angebracht sind.

6. Drehrohrreaktor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Innern der Trommel (10) Heizflächen angeordnet sind.

7. Drehrohrreaktor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizflächen im Innern der Trommel (10) mit erneuerbaren Panzerungen versehen sind.