DE3877347T2

DE3877347T2 - Verfahren und vorrichtung zur sauberen verbrennung von abfaellen.

Info

Publication number: DE3877347T2
Application number: DE8888909151T
Authority: DE
Inventors: William C Pfefferle
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1987-09-21
Filing date: 1988-09-21
Publication date: 1993-08-12
Anticipated expiration: 2008-09-22
Also published as: ATE84358T1; AU2555488A; JPH02501326A; US4918915A; DE3877347D1; EP0331723A1; CA1331317C; EP0331723B1; WO1989002516A1; EP0331723A4

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zum Abbau von kohlenstoffhaltigen Abfällen, wie sie sich aus den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 7 ergeben.
Die Entsorgung von festen und flüssigen gefährlichen/toxischen Abfällen und von deren Abgasen ist ein in der heutigen modernen Zeit bedrückendes Problem. Insbesondere ist die Entsorgung von Abfall wie beispielsweise Hausmüll ein besonders verzwicktes Problem, wobei die herkömmliche Abfallverbrennung zu signifikanten Emissionen von Dioxinen und anderen toxischen partiellen Oxidationsprodukten führt. Selbst bei Recyclisierung und anderen Bemühungen zur Verringerung der Menge an produzierten Abfällen wird wahrscheinlich die Menge an solchen gefährlichen/toxischen Abfällen, die entsorgt werden müssen, ansteigen. Die sichere Entsorgung gefährlicher Abfälle, gleichgültig ob fest, flüssig und gasförmig, ist also ein größeres Problem, mit dem man sich noch angemessen befassen muß.
Derzeitig verfügbare Technologien, die typischerweise auf einer Verbrennung basieren, sind nicht nur kostspielig, sondern - was viel wichtiger ist - sind nicht vollständig verläßlich und führen typischerweise nicht zu einem vollständigen Abbau. Dies führt zu Vorschlägen, Abfalle auf hoher See zu verbrennen. Besonders die Verbrennung halogenierter Kohlenwasserstoffe ist ein Problem, da solche Verbindungen eine Neigung dazu haben, die Verbrennung zu inhibieren und die Flammengeschwindigkeiten zu verringern. Bei in hohem Maße toxischen Verbindungen wie beispielsweise polychlorierten Biphenylen (PCB's) oder Dioxinen kann also eine Verbrennung zu besonders gefährlichen Emissionen führen. Bei bestimmten, in hohem Maße toxischen Verbindungen wird derzeit von der Environmental Protection Agency (EPA) ein Umwandlungswirkungsgrad von 99,9999 % oder besser verlangt. Feste Abfälle, die solche Verbindungen enthalten, sind ein besonderes Problem. Jedoch sind Emissionen der Produkte einer unvollständigen Verbrennung (products of incomplete combustion; PIC's) derzeit ungeregelt und stellen zumindest ein potentielles ernsthaftes Problem für die Gesundheit insofern dar, als Emissionen an PIC's aus herkömmlichen Abfallverbrennungsanlagen oft aus Dioxinen und andern toxischen Verbindungen bestehen.

Flüssige Abfälle:

Herkömmliche thermische Abfallverbrennungsanlagen für gefährliche oder toxische organische Flüssigkeiten erfordern unabhängig davon, ob sie mit herkömmlichen Flammenverbrennungsanlagen oder Fließbett-Verbrennungsanlagen betrieben werden, relativ lange Verweilzeiten, um annehmbar hohe Abbau-Wirkungsgrade zu erzielen. Diese liegen typischerweise in der Größenordnung von 1 bis 5 Sekunden. Derartige Verbrennungsanlagen erfordern typischerweise einen hohen Grad an turbulenter Rückvermischung, um eine Verbrennung aufrechtzuerhalten. Man glaubt, daß die lange mittlere Verweilzeit, die zur Erreichung eines hohen Umsetzungsgrades erforderlich ist, auf die Tatsache zurückzuführen ist, daß ein extensives Rückvermischen zu einem weiten Bereich von Verweilzeiten der Flüssigkeit führt. Folglich strömen selbst bei einer relativ langen mittleren Verweilzeit einige Strömungselemente relativ schnell und im wesentlichen unverbrannt durch die Reaktionszone durch. Außerdem kann sich im Fall von Flammenverbrennungsanlagen Ruß bilden, der organische Stoffe einschließt, was die Ausbrennzeit erhöht.
Flammenverbrennungsanlagen benötigen erhebliches Rückmischen, um Flammenstabilität zu erzielen, da laminare Flammengeschwindigkeiten typischerweise zu gering sind, um hohe Wärmefreisetzungsgeschwindigkeiten ohne Rückmischen zuzulassen. In den Fließbettsystemen wird die Verbrennung durch Turbulenz sowohl in der Gasphase als auch in der festen Phase stabilisiert. Die Feststoffteilchen können ein Problem durch Verschmutzung mit Staub selbst bei guten Filtern hervorrufen, da Feinststaubteilchen eine sehr große Gesundheitsgefahr darstellen. Deswegen sind Fließbetteinheiten nachteilig zur Aufarbeitung flüssiger Abfälle und sind am besten geeignet zur Behandlung von Schlämmen und geschredderten Feststoffen.
Die relativ langen Verweilzeiten, die bei Anwendung gängiger Technologien erforderlich sind, bedingen relativ große Verbrennungsanlagen, was hohe Kapitalkosten und signifikante Wärmeverluste einschließt. Das erforderliche große Kapitalinvestment kann nur über große Abfallvolumina gerechtfertigt werden. Konsequenterweise sind On-Site-Abfallverbrennungsöfen wirtschaftlich nur für sehr große Abfallproduzenten. Dies führt zur Notwendigkeit, Abfälle zu sammeln und zu transportieren, oft durch Bereiche hoher Bevölkerungsdichte. Dies führt zu der Beinahe-Sicherheit, daß Flüssigkeiten auslaufen oder sogar noch eine größere Katastrophe passiert.
Außerdem ist trotz der Tatsache, daß Abfallverbrennungsöfen für Umwandlungen von über 99,99 % konzipiert sind, ein Brennschluß herkömmlicher Brenner nicht unüblich. Dieser könnte jedoch in Abfallverbrennungsöfen verhängnisvoll sein. Jedoch selbst dann, wenn Störungen nicht auftreten, bestehen Sorgen über nicht annehmbare Emissionen von Dioxinen aus Abfallverbrennungsanlagen. Diese inhärente Unzuverlässigkeit von herkömmlichen Abfallverbrennungsanlagen hat dazu geführt, daß man spezielle Verbrennungsschiffe zum Verbrennen der Abfälle auf hoher See baute.
Im Gegensatz zu den vorstehend geschilderten Problemen stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur stabilen Verbrennung bei 99,9999 %iger oder besserer Umwandlung bei Aufenthaltszeiten unter idealer Strömung von weniger als 25 oder 50 msec bereit. Für einen gegebenen Durchsatz sind also Kapitalkosten und Wärmeverluste wesentlich niedriger.

Feste Abfälle:

Herkömmliche thermische Abfallverbrennungsanlagen für gefährliche oder toxische organische Feststoffe erfordern unabhängig davon, ob sie unter Verwendung herkömmlicher Bewegungsbettbrenner oder Fließbettbrenner betrieben werden, lange mittlere Verweilzeiten, um annehmbar hohe Abbau-Wirkungsgrade zu erreichen. Dies führt zu hohen Kapital- und Betriebskosten.
An erster Stelle führt die Verbrennung von Feststoffen typischerweise zu einer Pyrolyse, was die Bildung partieller Oxidationsprodukte und flüchtiger Pyrolyseprodukte (PIC's) nach sich zieht. Diese müssen dann auch verbrannt werden. An zweiter Stelle erfordert die Gasphasenverbrennung der PIC's typischerweise einen hohen Grad an turbulenter Rückvermischung mit Luft zur Aufrechterhaltung der Verbrennung. Wie auch bei flüssigen Beschickungen resultiert die lange mittlere Verweilzeit, die für hohe Umwandlungsgrade erforderlich ist, aus der Tatsache, daß ein extensives Rückvermischen zu einem großen Bereich an Verweilzeiten beim Fluid führt. Folglich laufen selbst bei einer relativ langen mittleren Verweilzeit einige Strömungselemente sehr schnell und im wesentlichen unverbrannt durch. Außerdem können bei einer Carbonisierung organische Stoffe eingeschlossen werden, wie dies auch bei der Rußbildung bei der Verbrennung von mit Brennstoff betriebenen Hilfsbrennern erfolgt. Eine wirklich wirksame Abfallverbrennung erfordert den vollständigen Abbau nicht nur der ursprünglichen Abfälle sondern auch der resultierenden PIC's sowie der im Ruß eingeschlossenen organischen Stoffe.
Wie bereits festgestellt wurde, erfordern Flammenbrenner im wesentlichen Umfang ein Rückvermischen, um Flammenstabilität zu erreichen, da laminare Flammengeschwindigkeiten typischerweise zu niedrig sind, als daß sie ohne Rückmischen hohe Hitzefreisetzungsgeschwindigkeiten erlaubten. In den Fließbettsystemen, die ganz ähnlich wie gerührte Tankbehälter arbeiten, wird eine Verbrennung vornehmlich durch Rückvermischung stabilisiert, und die Gasverweilzeit ist typischerweise viel kürzer als die Verweilzeit der Feststoffe. PIC's, die in dem gerührten Tankbehälter gebildet werden, können nahezu in dem Moment emittiert werden, in dem sie sich bilden. In Abfallverbrennungsanlagen des Bewegungsbett-Typs kann unabhängig davon, ob dies Drehrohröfen oder bewegliche Roste sind, eine Verbrennung durch Überbrennen unter Verwendung eines herkömmlichen Flammenbrenners stabilisiert werden. Bei derartigen Öfen kann die Verweilzeit durch die Zeit beschränkt werden, die erforderlich ist, um große feste Gegenstände vollständig zu verbrennen. Daher ist die Verringerung der Größe der Beschickungspartikel oft erwünscht, obwohl derartige Öfen im Unterschied zu Fließbett-Abfallverbrennungsanlagen so konstruiert werden können, daß mit ihnen die Behandlung von Gegenständen nahezu jeder beliebigen Größe möglich ist.
Wie bei flüssigen Abfallstoffen führen die relativ langen Verweilzeiten, die bei derzeit angewendeten Technologien erforderlich sind, zu hohen Kapitalkosten und signifikanten Wärmeverlusten. Städtische Abfallverbrennungsanlagen, die typischerweise in der Nähe von Besiedlungszentren gelegen sein müssen, sehen sich wegen der emittierten Schadstoffe mit Widerständen konfrontiert. Außerdem bestehen trotz der Tatsache, daß Abfallverbrennungsanlagen für Umwandlungsgrade über 99,99 % konstruiert sind, selbst dann, wenn keine Störungen auftreten, Besorgnisse hinsichtlich unannehmbarer Emissionen von Dioxinen und anderen PIC's aus Abfallverbrennungsaniagen. An der See gelegene Städte entsorgen ihren Müll einfach auf hoher See.
Die US-A 3,928,961 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung des zuerst genannten Typs für die katalysatorunterstützte thermische Verbrennung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe. Das Verfahren umfaßt die adiabatische Verbrennung wenigstens eines Teils des mit Luft vermischten Brennstoffs in Gegenwart eines festen Oxidationskatalysators bei einer Betriebstemperatur, die wesentlich oberhalb der augenblicklichen Selbstentzündungstemperatur des Brennstoff-Luft-Gemisches liegt, d. h. oberhalb von 1.200 K. Dieses Verfahren wurde entwickelt, um die Bildung wesentlicher Mengen von Stickoxid zu verhindern. Zu diesem Zweck bedient man sich einer katalytischen Verbrennung, bei der der Brennstoff bei relativ niedrigen Temperaturen katalytisch verbrannt wird. Zur Vermeidung der Bildung signifikanter Mengen NOx wird der Temperaturbereich der adiabatischen Flamme auf 2.300 K begrenzt. Die erhältlichen Emissionswerte sind ausgezeichnet. Sie sind jedoch nicht ausreichend, um die Erfordernisse vieler gesetzlicher Regelungen zu erfüllen. Insbesondere kann dieses Verfahren und diese Vorrichtung nicht zur Verringerung von Kohlenwasserstoff-Emissionen in einem Gasturbinenbrenner und auch nicht zur Verbrennung beispielsweise chlorierter Stoffe oder zur Behandlung chlorierter Dioxine oder ähnlicher Verbindungen eingesetzt werden, für die heutzutage Emissionswerte im Bereich parts per billion (ppb) erforderlich sind.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Abfallverbrennungsverfahren und eine Abfallverbrennungsvorrichtung bereitzustellen, die eine wirksame Abfallverbrennung und einen vollständigen Abbau nicht nur der ursprünglichen Abfalle, sondern auch der resultierenden Produkte einer unvollständigen Verbrennung und der im Ruß eingeschlossenen organischen Stoffe erlauben.
Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren und die Vorrichtung der Ansprüche 1 bzw. 7. Vorteilhafte Beispiele des Verfahrens und der Vorrichtung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß in der Verbrennungszone ein Umgehen (by- passing) nicht verbrannter Abfälle eliminiert werden muß, und daß ein Schritt, der zur Erreichung dieses Zwecks erforderlich ist, die Aufrechterhaltung der notwendigen Temperatur an jeder Stelle der Verbrennungszone ist, so daß eine im wesentlichen vollständige Verbrennung des gefährlichen Abfallmaterials sichergestellt werden kann. Dementsprechend wurde die Strömungskanäle umfassende Verbrennungszone derart modifiziert, daß die an der Außenwandung liegenden Strömungskanäle der Katalysatorstruktur blockiert werden und die inneren Strömungskanäle nicht blockiert werden. Durch Blockieren der äußeren Strömungskanäle bilden diese Kanäle eine thermische Isolationszone und verhindern auch ein Vorbeiströmen nicht verbrannten Materials. Die inneren Strömungskanäle bilden die Verbrennungszone, in der eine fortwährende und im wesentlichen vollständige Verbrennung von Abfallmaterialien in Mischung mit Luft erfolgt, wodurch eine minimale Flammentemperatur in allen inneren Strömungskanäien aufrechterhalten wird. Eine obere Temperaturgrenze existiert nicht, mit der Ausnahme, daß diese eine die Reaktorwände zerstörende Temperatur nicht überschreiten kann. Die im wesentlichen vollständige Verbrennung des Abfallmaterials führt dazu, daß keine Emissionen unerwünschter Abfallstoffe oder Abfallstoff-Komponenten erfolgen. Dementsprechend können Emissionswerte im parts-per-billion-Bereich (ppb-Bereich) realisiert werden, wie diese beispielsweise für chlorierte Dioxine oder ähnliche Verbindungen verlangt werden. Außerdem können die Kohlenwasserstoffemissionen in Gasturbinenbrennern gesenkt werden.
Das Verfahren und die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung ermöglichen einen zuverlässigen, kosteneffizienten, vor Ort erfolgenden Abbau von Gasen und Rauchgasen sowie von festen kohlenstoffhaltigen Abfällen und flüssigen gefährlichen/toxischen Abfällen. Wegen der hohen Effizienz des Verfahrens und der geringeren Größe der Anlage sowie niedrigerer Kosten ist eine Verbrennung der meisten gefährlichen organischen Stoffe vor Ort in wirtschaftlicher Weise durchführbar.
Die vorliegende Erfindung sorgt für die sichere Entsorgung fester Abfälle durch stabile Verbrennung von Abfällen mit einem Abbau-Wirkungsgrad von 99,99 % oder besser, was die PIC's einschließt. Es wurde nun gefunden, daß dadurch, daß man den gasförmigen Ausfluß einer Feststoff-Abfallverbrennungsanlage herkömmlichen Typs durch einen Plug- Flow- bzw. Gleichströmungsbrenner führt, nicht nur PIC-Emissionen praktisch eliminiert werden können, sondern auch die Größe und damit die Kosten des Abfallverbrennungssystems verringert werden können. Da die Gleichströmungsbrenner der vorliegenden Erfindung so wirksam sind, braucht der Feststoff-Abfallverbrennungsofen die Abfälle nur zu vergasen. Die Verweilzeiten in dem Gleichströmungsbrenner können zur Erreichung einer 99,9999 %igen Umwandlung geringer sein als 50 msec, d. h. viel kürzer als bei einem herkömmlichen Sekundärbrenner. Dementsprechend ist es in einem System gemäß der vorliegenden Erfindung vorteilhaft, die Größe des Feststoff-Abfallverbrennungsofens vornehmlich im Hinblick auf die Vergasung von Feststoffen auszurichten, statt für die vollständige Verbrennung. Dies verringert Größe und Kosten.

Rauchgase

Anders als flüssige oder feste Abfallstoffe müssen Rauchgase vor Ort unter Kontrolle gebracht werden. Offensichtlich ist die Notwendigkeit, das Austreten von Rauchgasen in die Luft zu verhindern, eine Voraussetzung für die gute Auslegung einer Anlage. Nichtsdestoweniger ist es erforderlich, für die Isolation und Niederschlagung ausgetretener Rauchgase zu sorgen. Obwohl Umwandlungsgrade, die beispielsweise so niedrig wie 99 % oder niedriger liegen, oft bei der Niederschlagung von Rauchgasen niedriger Konzentration annehmbar sein können, sind Umwandlungsgrade von 99,99 % oder besser üblicherweise wünschenswert. Wichtiger als der Umwandlungsgrad ist die Rauchgaskonzentration im ausströmenden Medium. Konzentrationen von etwa 100 parts per billion oder niedriger und bei einigen Materialien sogar so niedrig wie 1 bis 2 parts per billion (ppb) sind wünschenswert. Wie bei flüssigen Abfallstoffen kann die Verbrennung dafür eingesetzt werden, organische Komponenten zu Kohlendioxid und Wasser zu oxidieren. Gewählt werden kann zwischen einer thermischen Verbrennung, die eine Erhitzung der rauchgasbeladenen Luft auf hohe Temperatur, typischerweise deutlich über 1.100 K, erfordert, und einer Verbrennung durch katalytische Oxidation. Dieses Verfahren ist sogar bei Temperaturen, die so niedrig liegen wie 600 K, durchführbar und kann zu Abbau-Wirkungsgraden von etwa 99% oder mehr führen. Die Technik jeder der beiden Wahlmöglichkeiten erfordert eine erhebliche Kapitalinvestition. Jedoch sind Brennstoffkosten und damit Betriebskosten für eine thermische Abfallverbrennung wegen der notwendigen hohen Betriebstemperaturen viel höher. Andererseits ist eine katalytische Oxidation wegen der Schädigung des Katalysators und der jedenfalls vorhandenen Gefahr einer unbeabsichtigten Vergiftung des Katalysators bei den eingesetzten gemäßigten Betriebstemperaturen weniger zuverlässig. Eine alternative Wahl ist die Niederschlagung durch Adsorption, beispielsweise die einfache Verwendung von Kappen für den Rezirkulationsbereich mit Kohle. Derartige Einheiten können wirksam sein, sind jedoch teuer im Betrieb und erfordern einen Ersatz oder eine Regeneration des Adsorbens vor dem Durchbruch.
Das Verfahren gemaß der vorliegenden Erfindung macht einen zuverlässigen, kosteneffizienten und vor Ort ablaufenden Abbau von Gasen und Rauchgasen sowie von festen kohlenstoffhaltigen Abfällen und gefährlichen/toxischen flüssigen Abfällen möglich.
Der Begriff "kohlenstoffhaltiger Abfall" wie er in der vorliegenden Beschreibung verwendet wird, bezieht sich nicht nur auf Kohlenstoff enthaltende Verbindungen wie beispielsweise Kohlenwasserstoffe, Dioxine, Alkohole, Ketone, Aldehyde, Ether, organische Säuren, halogenierte Formen der vorstehend genannten organischen Verbindungen und dergleichen, sondern auf alle Materalien, die organische Materie enthalten oder aus dieser aufgebaut sind, beispielsweise im kommunalen Bereich anfallenden Müll oder mit gefährlichen organischen Stoffen kontaminierte Erde. Der Abfall kann bei Normaltemperatur und Normaldruck gasförmig, flüssig oder fest sein.
Der Begriff "Rauch" und "Rauchgase" im Rahmen der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf Mischungen organischer Dämpfe mit Luft oder inerten Gasen in einer zu niedrigen Konzentration, um eine Flamme zu unterhalten, typischerweise in Konzentrationen, die so niedrig liegen wie 1 bis einige 100 parts per million (ppm), bezogen auf das Volumen.
Obwohl die Erfindung, wie sie beschrieben ist, sich auf Luft als das Oxidationsmittel bezieht, versteht es sich, daß Sauerstoff das zum Unterhalten der Verbrennung erforderliche Element ist. Der Begriff "Luft" wird in der vorliegenden Beschreibung in der Weise verwendet, daß er sich nicht nur auf atmosphärische Luft bezieht, sondern auf Sauerstoff enthaltende Nicht-Brennstoffkomponenten von Mischungen einschließlich Wasser, das zur Verbesserung der Verbrennung zugesetzt wird.
Wie im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendet, bedeuten die Begriffe "Vergasung" und "vergasen" die Umwandlung wenigstens eines Teils des Gehalts eines kohlenstoffhaltigen Abfalls an organischer Substanz in die Gasform, sei es durch Oxidation, Pyrolyse, Verflüchtigung oder eine Kombination dieser Schritte.
Der Begriff "augenblickliche Selbstentzündungstemperatur" für eine Brennstoff-Luft- Mischung, wie er in der vorliegenden Beschreibung verwendet wird, ist so definiert, daß er die Temperatur bedeutet, bei der die Verzögerung einer Selbstentzündung der Brennstoff- Luft-Mischung bei Eintritt in die Verbrennungszone vernachlässigbar ist, relativ zur Verweilzeit in der Verbrennungszone der einer Verbrennung unterliegenden Mischung. Der Begriff "Brennstoff" schließt kohlenstoffhaltige Abfälle, die abgebaut werden sollen, einschließlich Rauchgase, Vergasungsprodukte und jeden Ergänzungsbrennstoff ein, der zum Erhalt von Brennstoff-Luft-Mischungen mit ausreichend hohen adiabatischen Flammentemperaturen erforderlich ist. Bei Abfallstoffen mit ausreichend hohem Heizwert kann der Abfallstrom der einzige eingesetzte Brennstoff sein.
Der Begriff "im wesentlichen vollständige Verbrennung" wird verwendet, um einen Grad an Umwandlung anzugeben, der die Erfordernisse für die Entsorgung der abzubauenden Materialien überschreitet. Ein Abbau- und Beseitigungswirkungsgrad (destruction and removal efficiency; DRE) von 99,99 % ist unter U.S. 40 CFR 264.343 für toxische Materialien spezifiziert. Außerdem spezifizieren die U.S. EPA waste codes F020 bis F028 einen DRE-Wert von 99,9999 % für chlorierte Dioxine oder ähnliche Verbindungen (U.S. Federal Register, 14. Januar 1985). Das Erfordernis gemäß DRE ist jedoch nur auf die ursprünglich vorhandenen Materialien anwendbar. Regeln bezüglich der Emissionen von PIC's existieren nicht. Bei Rauchgasen kann das Erfordernis im Hinblick auf eine Konzentration des Rauchgases im ausströmenden Medium angegeben werden, nämlich typischerweise weniger als 0,1 ppm, jedoch oft bei so niedrigen Werten wie 1 bis 5 ppb. Diese Umwandlungsgrade liegen erheblich über denen, die bei einer Primärbrennstoffverbrennung in Kesseln und Gasturbinen erforderlich sind.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung bedeutet der Begriff "stöchiometrische Menge an Luft" die Menge an Luft, die erforderlich ist, um genügend Sauerstoff für eine vollständige Verbrennung des Brennstoffs zu Kohlendioxid und Wasser bereitzustellen.
Der Begriff "plug flow (Gleichströmung)" wie er vorliegend verwendet wird, sollte so verstanden werden, däß er für Strömungssysteme mit einer schmalen Verteilung der Verweilzeit des Gases ohne signifikante Rückvermischung in der Gleichströmungs- Verbrennungszone steht. Mit anderen Worten liegt die minimale Verweilzeit des Gases nahe der mittleren Verweilzeit des Gases.
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung werden gefährliche Abfallströme abgebaut, und der Heizwert wird wiedergewonnen durch Verbrennung einer Mischung eines Brennstoffs und Luft in einer Gleichströmungs-Reaktionszone bei einer Temperatur über 1.350 K und einer Geschwindigkeit oberhalb der laminaren Flammengeschwindigkeit der verwendeten Brennstoffe. Die Temperatur der Wandung der Reaktionszone sollte ausreichend hoch sein, um im wesentlichen ein Quenchen (Abschrecken) der Verbrennung zu vermeiden. Ein Vorbeiströmen (by-passing) an der Verbrennungszone sollte vermieden werden. Ein bekanntes Verfahren zur Stabilisierung der Gleichströmungsverbrennung erfolgt unter Verwendung eines Katalysators, wie er aus der Verfahrensweise der US-A 3,928,961 bekannt ist. Andere Verfahren schließen eine Plasmastrahlstabilisierung (plasma jet stabilization), eine thermische Stabilisierung durch Kontakt mit einer heißen Wandung oder eine Stabilisierung durch Erhitzen wenigstens eines Teils der Mischung aus Brennstoff und Luft auf eine Temperatur oberhalb von oder nahe bei der augenblicklichen Selbstentzündungstemperatur durch Mischen mit heißen Verbrennungsprodukten in einer Venturi-Mischzone vor der Gleichströmungsreaktionszone ein. Wie oben angemerkt wurde, ist bei der augenblicklichen Selbstentzündungstemperatur die Verzögerung der Selbstentzündung vernachlässigbar, und eine Verbrennung läuft schnell ab. Die Verwendung einer Venturi- Anordnung zur Rückführung heißer Verbrennungsprodukte ist besonders wirksam bei Brennstoffen mit hohem Wassergehalt. Zur vollständigen Verbrennung des Brennstoffs ist wenigstens eine stöchiometrische Luftmenge erforderlich. Wenigstens die gegenüber der stochiometrischen Menge doppelte Luftmenge ist bevorzugt. Bei Gasturbinenanwendungen kann die Überschußmenge Luft größer als 400 % sein.
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung werden auch gefährliche feste Abfallstoffe abgebaut, und ihr Heizwert wird wiedergewonnen durch Vergasung und anschließende Gleichströmungsverbrennung (bzw. plug-flow-Verbrennung) der resultierenden Gase in Mischung mit Luft bei einer Temperatur oberhalb von 1.350 K, wie sie vorstehend beschrieben wurde. Typischerweise werden Abfallstoffe durch Verbrennung in einem Feststoff-Abfallverbrennungsofen vergast, was zu einer Pyrolyse und zur Bildung partieller Oxidationsprodukte führt.
Der katalytisch stabilisierte thermische Brenner (catalytically stabilized thermal combustor; CST-Combuster) des vorstehend genannten Patents ist besonders gut als Gleichströmungsbrenner für die vorliegende Erfindung geeignet, da er einen einzigartigen Ansatz zur Verbrennung darstellt, der die besten Merkmale thermischer Flammenbrenner und heterogener katalytischer Oberflächen-Oxidationssysteme vereinigt. Außerdem werden Mischungen aus Brennstoff und Luft, deren Entflammbarkeit deutlich unterhalb der Grenzwerte der normalen schlechten Entflammbarkeit liegt, bereitwillig verbrannt. Für den katalytisch stabilisierten thermischen Brenner wurde gezeigt, daß katalytische Oberflächenreaktionen Hitze und in der Gasphase reaktive Zwischenstufen erzeugen, die eine schnelle Gasphasenverbrennung fördern. Das Ergebnis ist ein wirksamer, mit hoher Wärmefreisetzungsgeschwindigkeit arbeitender Brenner, der gegenüber Strömungsstößen bemerkenswert unempfindlich ist.
Unter Einsatz der Verfahrensweisen der vorliegenden Erfindung lassen sich hohe Umwandlungswirkungsgrade zuverlässig erhalten und sind wesenflich für den wirksamen Abbau toxischer Abfallstoffe. Es wurde nun gefunden, daß die Umwandlung brennbarer organischer Stoffe mit einem Wirkungsgrad besser als 99,9999 %, wie sie für ein PCB- Abfall-Ölverbrennungssystem erforderlich ist, mit einem katalytisch stabilisierten Brenner erreicht werden kann, wenn vorausgesetzt wird, daß ein Vorbeiströmen am Katalysator minimiert wird und daß radiale Hitzeverluste so koritrolliert werden, daß die kühlsten Reaktionskanäle oberhalb einer vorbestimmten Temperatur gehalten werden, typischerweise oberhalb von etwa 1.300 K und noch mehr bevorzugt oberhalb von 1.350 K. Dies geschieht, um sicherzustellen, daß die tatsächliche Flammentemperatur, wie sie in diesen kühlsten Kanälen erreicht wird, wenigstens bei 1.350 K liegt. Die adiabatische Flammentemperatur der einströmenden Brennstoff-Luft-Mischung wird bei einem Wert gehalten, der ausreichend höher als 1.350 K ist, um die gewünschte tatsächliche Flammentemperatur aufrechtzuerhalten. In gleicher Weise können hohe Umwandlungsgrade bei Verwendung von heißgas- oder plasma-jet-stabilisierten und thermisch stabilisierten Gleichströmungsreaktor- Verbrennungssystemen erhalten werden, vorausgesetzt, daß die inneren Wandungsflächen des Reaktors bei einer ausreichend hohen Temperatur gehalten werden, um ein Quenchen (Abschrecken) der Gasphasenverbrennung an der Wand zu vermeiden. Die adiabatische Flammentemperatur der einströmenden Mischung aus Brennstoff und Luft ist vorzugsweise hoch genug, so daß die tatsächliche Flammentemperatur bei vollständiger Verbrennung selbst nahe der Wandung des Brenners wenigstens 1.350 K ist.
Wegen des hohen Umwandlungswirkungsgrades und der geringeren Größe und niedrigen Kosten von Abfallverbrennungsanlagen gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Verbrennung der meisten gefährlichen organischen Stoffe an Ort und Stelle nun wirtschaftlich durchführbar, selbst bei chlorierten Kohlenwasserstoffen. Außerdem sind die Abfallverbrennungssysteme gemäß der vorliegenden Erfindung sehr gut geeignet für den Antrieb von Gasturbinen und damit für die Wiedergewinnung von Energie in Form von Arbeit. Gasturbinen, die zusammen mit Systemen gemäß der vorliegenden Erfindung zum Abbau gefährlicher Materialien betrieben werden, können einen Elektrogenerator betreiben. Damit kann eine Quelle für elektrische Energie bereitgestellt und damit die Kosten des Abbaus der gefährlichen Abfallstoffe verringert werden. Außerdem können Rauchgase einen Teil der Verbrennungsluft der Abfallverbrennungsanlage ausmachen. Bei Anwendungen unter Niederschlagung der Rauchgase ist es wichtig, daß im wesentlichen kein Rauchgas am Brenner vorbeiströmt. Daher ist es vorteilhaft, eine Quelle für saubere Preßluft eines Teils der Verbrennungsluft als Luftkühlung für die Turbine zu verwenden, um das Umgehen der Abfallverbrennungszone durch solche Rauchgase zu vermeiden. Alternativ dazu kann eine nicht gekühlte Turbine verwendet oder ein alternatives Kühlfluid wie beispielsweise Dampf eingesetzt werden.
In dem Maße, wie Abfallstoffe oft eine schwankende, unbestimmte Zusammensetzung (und Verbrennungswärme) aufweisen, insbesondere im Fall von Brennstoff-Wasser-Emulsionen, Wasser enthaltenden wasserlöslichen Flüssigkeiten und kommunalen Abfallstoffen, kann es für einen zuverlässigen Betrieb erforderlich sein, entweder den Abfallstoff zusammen mit einem anderen Brennstoff zu verbrennen, der selbst ein gefährlicher Abfallstoff sein kann, oder ein schnell reagierendes Prozeßsteuerungssystem einzusetzen, das automatisch Veränderungen im Heizwert der Abfallflüssigkeiten kompensieren kann. Die Brennstoff- Luft-Mischungen gemäß der vorliegenden Erfindung können auf verschiedenen Wegen erhalten werden. Prozeß-Rauchgase mit hohem Heizwert, die geeignete Konzentrationen an brennbaren Stoffen und Sauerstoff enthalten, können wie zugeführt verwendet werden. Bei den meisten Rauchgasen organischer Dämpfe in Luft lassen sich Mischungen mit ausreichend hohem Heizwert durch Bilden einer innigen Mischung mit zusätzlichem Brennstoff herstellen. Im Falle flüssiger Abfallstoffe oder gasförmiger Abfallstoffe mit hohem Heizwert können geeignete innige Mischungen dadurch gebildet werden, daß man den Abfallstrom in Luft eindüst. Bei besonders toxischen Abfallstoffen wie beispielsweise hochchlorierten Substanzen ist es vorteilhaft, Brennstoff-Luft-Mischungen zu verwenden, die wenigstens etwa 0,5 Mol Wasser pro Mol Kohlenstoff enthalten, um den Verbrennungswirkungsgrad noch weiter zu erhöhen.
Bei Gasturbinen, die Brenner gemäß der vorliegenden Erfindung verwenden, können geeignete Mischungen dadurch gebildet werden, daß man den Brennstoff dem Turbinenkompressoreinlaß zusammen mit der Einlaßluft zuführt. Dies ist besonders vorteilhaft für gasförmige Brennstoffe wie gasförmige Abfälle mit hohem Heizwert.
Mit PCB (polychlorierten Biphenylen) kontaminierte Kohlenwasserstoff-Öle lassen sich leicht verbrennen. Obwohl reine halogenierte Kohlenwasserstoffe verbrannt werden können, ist es jedoch vorteilhaft, derartige Öle in Kombination mit wenigstens etwa 25 Gew.-% eines Kohlenwasserstoff-Brennstoffs zu verbrennen, um eine effizientere Verbrennung zu erhalten und Chlorwasserstoffsäure im abströmenden Gas zu produzieren und nicht Chlor. Alternativ dazu ist es vorteilhaft, der Brennstoff-Luft-Mischung zur Verbesserung der Verbrennung und als Wasserstoffquelle zur Umwandlung von Chlor in Chlorwasserstoff (Chlorwasserstoffsäure) Wasser zuzuführen, vorzugsweise 1 Mol pro Mol Chlor. Chlorwasserstoffsäure und andere anorganische kontaminierende Stoffe, die in dem aus der Verbrennung stammenden abströmenden Gas zugegen sind, können entweder durch Heißwäsche oder durch Kaltwäsche unter Einsatz herkömmlicher Einrichtungen entfernt werden.
In einer Version der vorliegenden Erfindung werden feste Abfallstoffe in Gasform überführt und zerstört durch Verbrennung in einer herkömmlichen, für Feststoffe geeigneten Abfallverbrennungsanlage. Die Produkte der Vergasung werden einer Plug-Flow- bzw. Gleichströmungsverbrennungszone zum im wesentlichen vollständigen Abbau der Produkte einer unvollstandigen Verbrennung (PIC's) und unverbrannter flüssiger Abfallstoffe zugeleitet. So ist eine viel kürzere Gasverweilzeit in der Feststoff-Verbrennungsanlage erforderlich, was deren Größe und Kosten verringert. Gefährliche Emissionen von Produkten einer unvollständigen Verbrennung (PIC's) werden signifikant verringert oder sogar eliminiert. Anorganische kontaminierende Stoffe in dem aus der Verbrennungszone ab strömenden Gas können entweder durch Heißwäsche oder durch Kaltwäsche unter Verwendung herkömmlicher Einrichtungen entfernt werden.
Die vorliegende Erfindung wird weiter in Verbindung mit den Zeichnungen beschrieben. Es zeigen
- Figur 1 eine schematische Darstellung eines Gasturbinensystems, das einen recyclisierungsgasstabilisierten thermischen Brenner gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung einsetzt;
- Figur 2 eine schematische Darstellung eines Gasturbinensystems, das einen katalytisch stabilisierten thermischen Brenner gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung einsetzt;
- Figur 3 eine schematische Darstellung eines Brenners mit segmentiertem Katalysatorbett zur Verwendung in dem Verfahren der vorliegenden Erfindung;
- Figur 1B eine schematische Darstellung eines Festabfallstoff-Verbrennungsofens vom Typ Drehrohrofen, der einen katalytisch stabilisierten thermischen Plug-Flow- bzw. Gleichströmungsbrenner gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendet;
- Figur 2B eine schematische Darstellung eines Gasturbinen-Feststoffabfall-Verbrennungssystems, das zum Abbau chlorierter Abfallstoffe geeignet ist und ein Fließbett-Abfallverbrennungssystem einsetzt, das mit einem Plug-Flow-Brenner gemaß der Verfahrensweise der vorliegenden Erfindung kombiniert ist;
- Figur 3B eine schematische Darstellung eines Doppelfließbett-Verbrennungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung; und
- Figur 4B eine schematische Darstellung eines Fließbettsystems, das einen durch heiße Feststoffe stabilisierten Plug-Flow- bzw. Gleichströmungsbrenner einsetzt.
Es wird nun Bezug auf Figur 1 genommen. Eine Antriebsachse 12 trägt einen Luftkompressor 10 und eine Antriebsturbine 11. Die Antriebsachse 12 kann mit jedem beliebigen geeigneten Kraftübertragungssystem zur Verwendung der Kraft verbunden werden, die dem Schaft durch die Turbine 11 verliehen wird, beispielsweise mit einem elektrischen Generator. Zum Betrieb bei der Abfallentsorgung wird die Turbine vorteilhafterweise unter voller Belastung betrieben, und die volle elektrische Leistung wird dem elektrischen System zugeführt, wobei die nicht benötigte Überschußenergie in das Energienetz zurückgespeist wird. Der strukturelle Betrieb und die Regelung des Gasturbinensystems sind in diesem Bereich der Technik wohlbekannt. Diesbezüglich werden Einzelheiten aus der Beschreibung weggelassen, da sie zur Erklärung der vorliegenden Erfindung nicht nötig sind. Es wird jedoch angemerkt, daß regenerative Gasturbinen im allgemeinen Druckverhältnisse von etwa 3 : 1 bis 6: 1 haben und einfache Kreislaufgasturbinen ein Druckverhältnis von wenigstens etwa 4 : 1 und noch mehr typisch von wenigstens etwa 10 : 1 aufweisen. Obwohl das System von Figur 1 im Zusammenhang mit einer einfachen Kreislaufgasturbine beschrieben wurde, um zu ermöglichen, daß die Zeichnung etwas besser verständlich ist, ist bei vielen Anwendungen eine Regenerativ- oder Rekuperativ-Gasturbine vorteilhaft.
Luft, die typischerweise Rauchgase enthält, wird dem Kompressor durch Rohrleitung 21 zugeführt, in der Brennstoff aus Leitung 15 mit der eintretenden Luft vermischt wird. Der Brennstoff kann in flüssiger oder gasförmiger Form vorliegen und wird in einer solchen Menge zugemischt, daß die adiabatische Flammentemperatur der Brennstoff-Luft-Mischung, die in die Verbrennungszone eintritt, wenigstens etwa 1.600 K und noch mehr bevorzugt wenigstens etwa 1.700 K ist. Wenn eine Regenerativ- oder Rekuperativ-Gasturbine verwendet wird, kann die Temperatur der Brennstoff-Luft-Mischung hoch genug sein, so daß die adiabatische Flammentemperatur der Brennstoff-Luft-Mischung so niedrig sein kann wie etwa 1.400 oder 1.500 K. Der Kompressor 10 erhöht den Druck und die Temperatur der eintretenden Mischung und unterstützt die Verdampfung von flüssigen Brennstoffen.
Leitung 22 führt die gasförmige Mischung vom Kompressor 10 zur Venturi-Einheit 23, worin sie mit einer ausreichenden Menge von über die Hochtemperatur-Übertragungsleitung 24 angelieferter, im Kreislauf geführter Verbrennungsprodukte vermischt wird, so daß die Temperatur der resultierenden Mischung oberhalb der augenblicklichen Selbstentzündungstemperatur liegt. Die Mischung wird anschließend dem Plug-Flow- bzw. Gleichströmungsbrenner 14 zugeführt. Der Brenner 14 ist thermisch isoliert und schließt typischerweise eine isolierende Buchse aus Keramik oder einen Überzug 65 ein. Sauberes, heißes Verbrennungsprodukt umfassendes Abgas aus dem thermischen Gleichströmungsbrenner 14 wird der Kraftturbine 11 über die Leitung 28 zugeleitet. Ein Teil des heißen abströmenden Gases aus dem Brenner 14 wird von der Leitung 28 über die Leitung 24 mittels der Venturi- Vorrichtung 23 abgezogen. Thermoelemente 37 und 38 sind in den Leitungen 22 und 28 angeordnet, um die Temperatur der Gase, die den Kompressor 10 und den Brenner 14 verlassen, zu messen. Die heißen Verbrennungsprodukte, die der Turbine 11 über Leitung 28 zugeführt werden, werden in üblicher Weise expandiert, um den Umlauf der Turbine anzutreiben, und werden durch Leitung 29 abgeblasen, wobei sie so eine Kraft auf die Welle 12 aufbringen, wobei sie nicht nur die Nettoleistung erbringen, sondern auch die Kraft, die benötigt wird, um den Kompressor 10 anzutreiben. Wenn Chlorwasserstoffsäure in den Verbrennungsgasen zugegen ist, kann sie durch Heißwaschen mit einem festen Absorbens vor der Expansion in der Turbine entfernt werden.
Beim Start wird ein herkömmlicher Brennstoff aus einem Kohlenwasserstoff in dem Brenner/Zünder 31 verbrannt, der in Betrieb ist, bis die Temperatur im Brenner 14 hoch genug ist, um eine effiziente Verbrennung zu unterhalten. Wenn die Temperatur des Brenners hoch genug ist, wie dies vom Thermoelement 38 angezeigt wird, läßt man durch Leitung 26 Brennstoff zuströmen, und der Brennstoffstrom wird verstärkt, was den Brennstoffzustrom zum Brenner 31 ersetzt. Während der Aufwärmphase werden keine toxischen Rauchgase und keine gefährlichen Abfallstoffe als Brennstoff verwendet. Nachdem sich ein stabiler Betrieb eingestellt hat, können schrittweise gefährliche Abfallstoffe die Gesamtmenge oder einen Teil des Brennstoffs ersetzen, und toxische Rauchgase können als Teil oder als Gesamtmenge der zuströmenden Luft eingelassen werden. Saubere Druckluft zum Kühlen wird über Leitung 35 in einer solchen Menge zugeführt, als die Verwendung komprimierter Gase aus dem Kompressor 10 dazu führen würde, daß Brennstoff an der Verbrennungszone vorbeiströmt. Wenn keine signifikanten Rauchgasmengen in der Einlaßluft zugegen sind, ermöglicht eine Eindüsung von Brennstoff durch eine alternative Brennstoffleitung 26 statt über die Brennstoffleitung 15 die Verwendung von Druckluft aus dem Kompressor 10 in einer bei Gasturbinensystemen üblichen Weise.
In der in Figur 2 gezeigten Ausführungsform der Erfindung wird die Verbrennung durch Verwendung eines Verbrennungskatalysators stabilisiert. Einlaßluft tritt in den Kompressor 10 durch die Rohrleitung 21 ein, und Druckluft wird aus dem Kompressor 10 an den Brenner 44 über Leitung 22 geleitet. Brennstoff tritt in den Brenner 44 über Leitung 43 ein und wird mit der Luft aus Leitung 22 im Eingangsbereich des Brenners 44 vermischt. Die Mischung strömt durch den Brennerkatalysator 46, was zu einer im wesentlichen vollständigen Verbrennung des Brennstoffs führt. Typischerweise ist der Eingangsbereich länger als der monolithische Brennerkatalysator 46.
Die Verbrennungsprodukte, die den Brenner 44 über Leitung 28 verlassen, werden der Turbine 11 und nach Expansion zur Drehung der Turbine 11 der Antriebsachse 12 wie in dem System von Figur 1 zugeleitet und verlassen das System über Leitung 29. Die Verbrennungskatalysatoren des US-Patents Nr. 3,928,961 sind bei der Durchführung der vorliegenden Erfindung nützlich und können entweder auf metallische oder keramische monolithische Träger des Waben-Typs aufgebracht sein. Das System gemäß Figur 2 wird jedoch anhand eines Metall-Waben-Katalysators beschrieben, da es bei Verwendung dieses Systems leichter ist, eine ausgezeichnete Abdichtung gegenüber nicht umgewandelter Brennstoff-Luft-Mischung zu erhalten, die an dem Katalysator vorbeiströmt. Der metallische monolithische Verbrennungskatalysator 46 wird an einem Dichtungsring 45 vorzugsweise durch Schweißen befestigt, um die Strömungskanäle im Bereich der kühleren, äußeren 8 mm zu blockieren, um ein Durchströmen durch diese Kanäle und damit ein Vorbeiströmen nicht umgesetzten Brennstoffs zu verhindern. Diese blockierten Kanäle tragen dazu bei, die inneren Kanäle des Katalysators 46 gegen einen Wärmeverlust zu isolieren. Der Dichtungsring 45 ist seinerseits an der Wandung des Brenners 44 festgeschweißt, um ein Vorbeiströmen von Reaktanden an dem Außenbereich des Katalysators 46 zu verhindern. Der Dichtungsring 45 ist hinsichtlich seines Durchmessers geringfügig größer als der Katalysator 46, so daß der Katalysator 46 nicht mit der Brennerwand in Kontakt steht und so für eine weitere Gasfilm-Isolationsschicht sorgt.
Ein Rückhaltering 47 stellt sicher, daß der Katalysator 46 sich nicht stromabwärts bewegen kann. Er schließt Abstandshalter ein, um das stromabseitige Ende des Katalysators 46 von der Wandung des Brenners 44 entfernt zu halten. Die Leitung 35 ist vorgesehen, um saubere Kühlungsluft für die Turbine 11 bereitzustellen und wird dann verwendet, wenn die Einlaßluft Rauchgase enthält.
Figur 3 zeigt einen Brenner, der sich eines in drei Segmente unterteilten Katalysatorbetts bedient. Waben-Verbrennungskatalysatoren 55, 56 und 57 sind mittels Abstandsringen 52 im Abstand voneinander angeordnet. Die Abstandsringe 52 und die Rückhalteringe 51 und 53 sind mit dem Brennergehäuse 50 verschweißt, um die Katalysatoren 55, 56 und 57 an Ort und Stelle zu halten und ein Vorbeiströmen an den Katalysatoren zu verhindern. Mischzonen 59 stellen sicher, daß nicht umgesetzter Brennstoff, der durch einen inaktiven Kanal strömt, verbrannt wird. Obwohl ein aus drei oder vier Segmenten bestehendes Bett bevorzugt ist, bietet selbst ein Katalysatorbett mit zwei Segmenten eine gegenüber einem Ein-Segment-Bett verbesserte Leistung. Die Verwendung von in Segmenten unterteilten Betten ist insbesondere wichtig bei keramischen monolithischen Katalysatoren in Wabenform, da es schwierig ist, eine einheitliche Katalysatorbeschichtung in jedem Strömungskanal sicherzustellen. Monolithische Metallkatalysatoren sind für Einzelsegment-Katalysatorbetten bevorzugt, da die Metallstruktur mit Katalysator überzogen werden kann, bevor man den monolithischen Wabenkatalysator bildet. In ähnlicher Weise können keramische Monolithkatalysatoren, die aus einem katalytisch aktiven keramischen Material gebildet sind, auch das Vorhandensein nicht aktiver Strömungskanäie vermeiden.
Es wird nun Bezug auf Figur 1B genommen. Abfall wird dem Drehrohrofen 1' über die Leitung 5' zugeführt, und Verbrennungsluft wird am gegenüberliegenden Ende über Leitung 2' zugeführt. Die Asche verläßt den Ofen über Leitung 3'. Damit fließt Luft durch den Ofen im Gegenstrom zu dem Feststoffstrom, was ein effizienteres Ausbrennen des Restkohlenstoffs aus der Asche erlaubt und sicherstellt, daß die Asche frei ist von toxischen flüchtigen Stoffen. Brennstoff wird dem Brenner 4' über die Leitung 6' zum Vorheizen des Ofens vor dem Betrieb und zur Wärmezufuhr zur Aufrechterhaltung der Ofentemperatur während des Betriebs zugeführt, wenn dies benötigt wird. Typischerweise ist der Brenner 4' deutlich weiter stromaufwärts im Vergleich zu der Stelle der Entfernung der Asche angeordnet. Obwohl Luft in einer Überschußmenge zu der stöchiometrischen Menge dem Ofen 1' zugeführt werden kann, ist es oft vorteilhaft, nur genügend Luft zuzuführen, um ein effizientes Ausbrennen des Kohlenstoffs aus der Asche zu ermöglichen und ein brennstoffreiches Gas zur Verbrennung in einem Plug-Flow- bzw. Gleichströmungsbrenner 10' zu erzeugen. Das Brennstoffgas aus dem Ofen 1' fließt zu einem Plug-Flow- bzw. Gleichströmungsbrenner 10' über die Leitungen 7' und 9'. Brennstoffgas aus der Leitung 7' wird in der Leitung 9' mit Luft aus der Leitung 8' vermischt, um eine Brennstoff-Luft-Mischung herzustellen, die eine adiabatische Flammentemperatur von wenigstens etwa 1.400 K aufweist und eine Luftmenge im Überschuß zu der stöchiometrischen Menge enthält, die für eine vollständige Verbrennung der Brennstoff-Wertstoffe in der Mischung unter Erhalt von Kohlendioxid und Wasser benötigt wird. Die Verbrennungsprodukte verlassen den Brenner 10' über eine Leitung 11' und strömen in ein Wärmerückgewinnungssystem 12'. Danach werden Sie über Leitung 14' abgelassen. Jeder beliebige, im Gegenstrom arbeitende Feststoffbrenner kann anstelle des Drehrohrofens 1' verwendet werden, beispielsweise ein Brenner oder Ofen mit sich bewegendem Rost (oder Band). Typischerweise schließt der Drehrohrofen 1' Einrichtungen zur Entfernung von Flugasche aus dem Brennstoffgas ein, das in die Leitung 7' eintritt.
In dem System von Figur 2B wird eine Gasturbine 40', die aus einer Kraftturbine 41', einem Kompressor 42' und einer Antriebsachse 44' besteht, dazu verwendet, das System unter Druck zu setzen und Energie in Form von Arbeit zurückzugewinnen. Luft tritt über eine Leitung 12' ein und wird in dem Turbinenkompressor 42' komprimiert. Druckluft aus dem Kompressor 42' wird dem Fließbett-Abfallverbrennungsofen 11' über Leitung 16' zugeleitet. Abfälle aus Leitung 15' und Kalkstein aus Leitung 14' werden dem Abfallverbrennungsofen 11' durch Eindüsen in die Druckluft in Leitung 16' zugeführt. Asche wird über Leitung 17' aus dem Abfallverbrennungsofen 11' entfernt, der Trenneinrichtungen zur Trennung von Gasen und Feststoffen einschließt. Gasförmige Verbrennungsprodukte strömen von dem Abfallverbrennungsofen 11' zu einem Plug-Flow- bzw. Gleichströmungsbrenner 20' über Leitung 18'. Gegebenenfalls kann Druckluft aus dem Kompressor 42', die zum Betrieb des Abfallverbrennungsofens 11' nicht benötigt wird, der Leitung 18' über Leitung 47' zugeführt werden. Die Verbrennung in dem Plug-Flow-Brenner 20' wird thermisch durch die Verbrennungswärme aus dem Abfallverbrennungsofen 11' stabilisiert, der so betrieben wird, daß die Temperatur der Gase, die in den Plug-Flow- bzw. Gleichströmungsbrenner 20' eintreten, nicht niedriger ist als etwa 1.300 K. Gase aus dem Plug-Flow-Brenner 20' strömen über die Leitung 19' zu der Kraftturbine 41', und saubere, bei niedrigem Druck befindliche Abgase strömen über Leitung 46 aus. Die Kraftturbine 41' treibt einen Turbinenkompressor 42' und einen Generator 43' über die Antriebswelle 44'. Dieses System ist besonders vorteilhaft zur Entsorgung chlorierter Abfallstoffe und dergleichen, da die Gegenwart von Kalkstein in dem Fließbett saure Verbrennungsprodukte wie beispielsweise Chlorwasserstoffsäure und dergleichen entfernt.
Figur 3B zeigt ein Doppelfließbett-Abfallverbrennungssystem, das für eine noch vollständigere Ausbrennung von Kohlenstoffwertstoffen in den Feststoffen bei einer gegebenen mittleren Verweilzeit der Feststoffe sorgt. Eine Rückvermischung von Feststoffen in einem Fließbettbrenner führt zu einem weiten Bereich von Feststoffverweilzeiten und damit zum Vorbeiströmen nicht verbrannter Feststoffe, da gerade ein Rückvermischen in einem Gasphasenbrenner zu einem Vorbeiströmen nicht verbrannter Dämpfe führt. Luft und Abfallstoffe treten in den Fließbettvergaser/Brenner 21' über Leitung 22' ein. Typischerweise wird eine geringere Luftmenge als die stöchiometrische Luftmenge zur Erzeugung eines brennstoffreichen Abgasstroms verwendet, der über Leitung 28' zu dem Plug-Flow- Brenner 10' strömt. Da eine Vergasung von Abfallstoffen eine kürzere Verweilzeit der Feststoffe erfordert, als sie für eine vollständige Kohlenstoffverbrennung erforderlich wäre, kann der Brenner 21' relativ klein sein. Verbrannte Feststoffe aus dem Brenner 21' strömen zu einem Sekundär-Fließbettbrenner 31' über Leitung 23'. Verbrennungsluft aus Leitung 24' wird in die Leitung 23' eingedüst, um die Verbrennung der Feststoffe in dem Brenner 31' vollständig zu machen. Um ein maximales Ausbrennen der Kohlenstoffwertstoffe bei minimaler mittlerer Verweilzeit sicherzustellen, schließt der Brenner 31' eine Plug-Flow- bzw. Gleichströmungsreaktionszone vor einem Bereich zur Trennung von Gasen und Feststoffen ein. Asche wird über Leitung 26' abgezogen, und Verbrennungsgase werden über Leitung 25' abgezogen. Gase aus der Leitung 25' werden mit dem Abgas aus dem Brenner 21' in Leitung 28' vermischt. Um die gewünschte Menge überschüssiger Luft bereitzustellen, wenn diese benötigt wird, wird Luft aus Leitung 27' den Gasen in Leitung 28' vor dem Strömen zum Plug-Flow-Brenner 20' zugesetzt. Saubere Gase treten aus dem Brenner 20' über Leitung 29' aus. Dieses System ist besonders geeignet als Brenner zum Betreiben von Gasturbinen in der Weise, wie sie für das System von Figur 2B beschrieben wurde.
Figur 4B zeigt ein weiteres Fließbett-Abfallverbrennungssystem, das sich eines Plug-Flow- bzw. Gleichströmungs-Fließbett-Feststoffbrenners bedient. Luft und Abfallstoffe treten in den Fließbett-Abfallverbrennungsofen 51' über Leitung 52' ein. Die Verweilzeit von Fluiden in dem Abfallverbrennungsofen 51' beträgt tpyischerweise weniger als 0,5 Sekunden, vorzugsweise weniger als etwa 0,1 Sekunden, und eine Rückvermischung ist ausreichend, um eine Verbrennung aufrechtzuerhalten. Fluidisiertes, Gase und Feststoffe enthaltendes Abgas aus dem Abfallverbrennungsofen 51' tritt in die Plug-Flow-Brenner-Übertragungsleitung 50' ein, wo die Verbrennung zum Abschluß kommt. Gegebenenfalls können flüssige Abfallstoffe aus Leitung 58' in den Brenner 50' zur Verbrennung eingedüst werden, und weitere Luft kann über Leitung 57' zugesetzt werden. Die Verbrennungsprodukte aus dem Brenner 50' treten in den Separator 55' ein. Saubere Abgase treten über Leitung 54' aus, und Asche tritt über Leitung 53' aus. Heiße Asche kann über Leitung 56' zur Leitung 52' im Kreislauf zurückgeführt werden, um den einlaufenden Luft-Abfallstoff-Strom zu erhitzen und damit das Rückvermischungsausmaß, das in dem Abfallverbrennungsofen 51' erforderlich ist, zu verringern. Wie bei dem System von Figur 2B kann der Abfallverbrennungsofen von Figur 4B bei erhöhtem Druck gemeinsam mit einem Gasturbinen- Energierückgewinnungssystem betrieben werden.

Beispiel I

In einem Verbrennungssystem, wie es schematisch in Figur 1 abgebildet ist, wird ein Strom von 400 g pro Sekunde einer Mischung aus toxischen Abfallstoffen mit Luft, der eine Temperatur von 700 K aufweist und eine adiabatische Flammentemperatur von 1.725 K aufweist, mit heißen Verbrennungsgasen bei einer Temperatur von 1.700 K in einer solchen Menge gemischt, die ausreichend dafür ist, daß der resultierende Gasstrom eine Temperatur von 1.265 K aufweist. Dieser heiße Gasstrom wird dann durch ein Plug-Flow- bzw. Gleichströmungsreaktionsrohr mit ausreichendem Volumen geleitet, um für eine Verweilzeit von 20 msec zu sorgen. Die Umwandlung des toxischen Abfallstoff-Brennstoffs ist größer als 99,9999 %. Wärme wird aus den heißen Verbrennungsprodukten dadurch zurückgewonnen, daß man die Verbrennungsprodukte einem Dampfkessel zuleitet.

Beispiel II

In einem Turbinensystem, wie es schematisch in Figur 2 abgebildet ist, werden 360 g pro Sekunde Luft, die eine Temperatur von 300 K aufweist und 40 ppm (bezogen auf das Volumen) Benzol enthält, auf einen Druck von 10 Atmosphären komprimiert und innig mit einer ausreichenden Menge Propan vermischt, so daß die adiabatische Flammentemperatur der resultierenden gasförmigen Mischung 1.525 K beträgt. Die resultierende Mischung wird in einem Brenner mit einem monolithischen, metallischen Plug-Flow-Verbrennungskatalysator verbrannt, der eine solche Größe aufweist, daß die Verweilzeit der Verbrennungsgase in der Katalysatorzone etwa 25 msec beträgt. Die Umwandlung des Brennstoffs aus Benzol und Propan ist größer als 99,9999 %. Die heißen Verbrennungsabgase werden einer Kraftturbine zur Energierückgewinnung zugeleitet. Aus den Turbinenabgasen wird die Wärme wiedergewonnen. Saubere Druckluft wird zur Kühlung der Turbine bereitgestellt.

Beispiel III

In einem Verbrennungssystem, wie es schematisch in Figur 1B abgebildet ist, werden toxische Abfallstoffe dem oberen Ende eines geneigten Drehrohrofens mit einer Geschwindigkeit von etwa 10 t pro Stunde unter Verwendung eines Drehschneckenförderers zugeführt. Verbrennungsluft in einer Menge, die gleich etwa 95% der geschätzten stochiometrischen Menge ist, wird dem einen Ende des Ofens zugeführt, und Asche wird vom gegenüberliegenden Ende des Ofens abgezogen. Um ein maximales Entfernen der Kohlenstoffwertstoffe aus der Asche sicherzustellen, wird ein Teil der Verbrennungsluft mit Methan im richtigen Verhältnis vermischt, um eine Mischung mit einer adiabatischen Flammentemperatur von etwa 1.500 K zu erhalten, und die Mischung wird in einem katalytisch stabilisierten thermalen (CST-) Brenner gemäß dem US-Patent 3,928,961 verbrannt, bevor sie in den Ofen eintritt. Ausreichend Methan wird in dem CST-Brenner verbrannt, um das gewünschte Maß an Kohlenstoffausbrennen aus der Asche aufrechtzuerhalten, die aus dem Ofen austritt. Das Abgas aus dem Ofen wird mit einer ausreichenden Menge Luft gemischt, die über der stöchiometrischen Menge liegt, die für eine vollständige Verbrennung benötigt wird, so daß die resultierende Mischung eine adiabatische Flammentemperatur von etwa 1.450 K aufweist. Dieser heiße Gasstrom wird dann durch einen katalytisch stabilisierten thermischen Plug-Flow-Brenner ausreichender Größe geleitet, um eine Verweilzeit von 20 msec sicherzustellen. Die Umwandlung des toxischen Abfallstoff-Brennstoffs ist größer als 99,9999 %. Die Wärme wird aus den heißen Verbrennungsprodukten dadurch zurückgewonnen, daß man die Verbrennungsprodukte einem Dampfkessel zuleitet.

Beispiel IV

5 t pro Stunde pulverförmiger fester Abfallstoffe werden mit öligen Abfallstoffen aufgeschlämmt und in einen unter Rückvermischung arbeitenden Fließbett-Abfallverbrennungsofen/Vergaser zusammen mit Luft in einer Menge von etwa 130 % der stöchiometrischen Menge zur vollständigen Verbrennung gepumpt. Kalkstein wird dem Bett ebenfalls in einer Menge zugeführt, die ausreichend für die Entfernung der gebildeten sauren Gase ist. Der aus dem Bett strömende Strom wird durch einen Plug-Flow-Brenner ausreichenden Volumens geleitet, so daß die Verweilzeit der Gase in dem Plug-Flow-Brenner 20 msec beträgt, wenn der Abfallverbrennungsofen bei der Kapazität arbeitet, für die er ausgelegt ist. Die Abgase aus dem Plug-Flow-Brenner werden einem Mehrstufen-Zyklon-Separator zur Entfernung von Asche und verbrauchtem Kalkstein aus den heißen Gasen zugeleitet. Ausreichend Hilfsbrennstoff wird dem Gasstrom, der in den Plug-Flow-Brenner eintritt, zugesetzt, um die adiabatische Flammentemperatur des Gasstroms bei einem Wert von wenigstens 1.350 K zu halten. Mit Vorteil wird der Luftstrom zu dem Abfallverbrennungsofen mittels eines Gasturbinenkompressors komprimiert, der durch die sauberen Abgase aus dem Abfallverbrennungsofen angetrieben wird.

Beispiel V

2 t pro Stunde an mit Benzin kontaminiertem Erdreich werden einem extern beheizten Ofen zugeführt, um das durch den Ofen laufende Erdreich auf eine Temperatur von etwa 400 K zu erhitzen. Ein Luftstrom wird dem Ofen im Gegenstrom zum Strom des kontaminierten Erdreichs in einer Menge zugeführt, die ausreichend ist, um das Benzin aus dem Erdreich abzuziehen. Die mit Benzin beladene Luft, die den Ofen verläßt, wird dem Lufteinlaß einer Gasturbine zugeführt und wird nach Kompression mit ausreichend zusätzlichem Brennstoff gemischt, um die adiabatische Flammentemperatur der resultierenden Mischung bei einer Temperatur von etwa 1.550 K zu halten. Die Mischung wird einem katalytisch stabilisierten thermischen Brenner zugeleitet und verbrannt. Die sauberen Verbrennungsgase treiben die Turbine, wodurch Verbrennungsenergie in Form nützlicher Arbeit wiedergewonnen wird.

Claims

1. Wärmeverbrennungsverfahren zum Abbau von kohlenstoffhaltigem Abfall, bei dem man

- eine innige Vermischung des Abfalls mit Luft vorsieht, wobei die Vermischung mindestens eine stöchiometrische Menge Luft für eine praktisch vollständige Verbrennung enthält,

- die Vermischung durch eine Plug-Flow- bzw. Gleichströmungsverbrennungszone führt.

- eine katalytisch gestützte anhaltende Verbrennung der Vermischung unter im wesentlichen adiabatischen Bedingungen durchführt und einen erhitzten Verbrennungsausfluß erzeugt, wobei die Vermischung eine adiabatische Flammentemperatur derart besitzt, daß die tatsächliche Flammentemperatur in der Verbrennungszone größer als etwa 1350 ºK ist, und gefährlichen Abfall zerstört, dadurch gekennzeichnet, daß man

- die Verbrennung nur in den inneren Strömungskanälen der Verbrennungszone durchführt,

- während die Strömung durch die äußeren Strömungskanäle blockiert und dadurch ein Vorbeiströmen von unreagiertem Brennmaterial verhindert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Verbrennung dadurch stabilisiert wird, daß man die Brennmaterial/Luft-Vermischung mit heißen Verbrennungsprodukten vor dem Durchleiten durch die Gleichströmungsverbrennungszone vermischt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der kohlenstoffhaltige Abfall vergast wird, bevor man eine innige Mischung des Abfalls mit Luft bildet.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Vergasung des Abfalls eine Hitzeoxidation des Abfalls umfaßt.

5. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Vergasung des Abfalls eine Pyrolyse des Abfalls umfaßt.

6. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zum Betreiben von Gasturbinen.

7. System zum Abbau von kohlenstoffhaltigen Abfällen, umfassend:

- Mittel (10, 22, 43) zur Ausbildung einer innigen Vermischung des Abfalls mit Luft,

- Mittel (44, 46) zum Beibehalten einer adiabatischen Flammentemperatur der Vermischung oberhalb eines vorgegebenen Wertes.

- Plug-Flow bzw. Gleichströmungsverbrennungsmittel (46), dadurch gekennzeichnet, daß

- die Gleichströmungsverbrennungsmittel (46) äußere periphere Strömungskanäle und innere Strömungskanäle umfassen,

- die Gleichströmungsverbrennungsmittel (46) an einen Dichtungsring (45) derart befestigt sind, daß die äußeren Strömungskanäle der Gleichströmungsverbrennungsmittel blockiert werden und

- daß der Dichtungsring (45) an die Wandung der Mittel (44) für die Beibehaltung der adiabatischen Flammentemperatur angeschweißt ist, um ein Vorbeiströmen von Reaktanten rund um die Gleichströmungsverbrennungsmittel (46) zu verhindern.

8. System nach Anspruch 7, bei dem der Dichtungsring (45) einen etwas größeren Durchmesser hat als die Gleichströmungsverbrennungsmittel (46) aufweist, wobei die Gleichströmungsverbrennungsmittel die Wandung der Mittel (44) für die Beibehaltung der adiabatischen Flammentemperatur nicht berühren.

9. System nach Anspruch 7 oder 8, das ferner Mittel (1') zum Vergasen der Abfälle umfaßt.

10. System nach Anspruch 9, bei dem die Mittel (1') um Vergasen der Abfälle ein Gegenstrom-Feststoffbrenner sind, insbesondere ein Drehofen.