DE3900977C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Verbrennungseinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 7.

Als Verbrennungseinrichtungen sind Schachtöfen bekannt, bei denen die Abfälle von oben einem zentralen Schacht zugegeben werden (vgl. DE-PS 26 04 409, DE-PS 33 12 863). Der Schacht bildet eine Zersetzungskammer, die im unteren Bereich durch einen Rost begrenzt wird. In der Zersetzungskammer wird der eingefüllte Abfall im Durchlauf von oben nach unten zunächst getrocknet, dann entgast und schließlich - unter Teilverbrennung - vergast. Im Bereich des Rostes werden dabei Temperaturen um 800°C erreicht. Die für die Zersetzung des Abfalls notwendige Energie wird durch kontrollierte Zugabe von unterstöchiometrischen Mengen an Primärluft und gegebenenfalls auch durch Rückführung von Rauchgas erzeugt. Durch den Rost fallen koksartige Zersetzungsrückstände, Asche und sonstige Inerte in eine Brennkammer, wo sie durch weitere Luftzufuhr ausgebrannt werden.

Die bei dem Zersetzungsprozeß anfallenden Prozeßgase werden aus der Brennkammer abgezogen und in einer die Brennkammer durchdringenden Gasführungsleitung (vgl. DE-PS 33 12 863) oder in einem besonderen Zyklonbrenner unter Zugabe von Sekundärluft bei hohen Temperaturen im Bereich von 1100°C bis 1200°C verbrannt. Hierdurch wird eine vollständige, weil nahezu stöchiometrische Verbrennung der Prozeßgase und damit ein geringes Abgasvolumen erreicht. Die Abgaswerte liegen innerhalb der erlaubten Bereiche. Die Abgasverluste sind vergleichsweise klein. In der Brennkammer selbst können die Temperaturen im Bereich von 800°C gehalten werden. Entsprechend gering ist die Temperaturbelastung der Brennkammerwände. Ferner wird ein Schmelzen der Asche und damit eine Verschlackung vermieden.

In der gattungsbildenden DE-OS 28 16 754 ist eine von den vorbeschriebenen Schachtöfen abweichende Schachtofenausführung offenbart. Er hat ebenfalls einen - allerdings zweigeteilten - Schacht, der als Pyroplysekammer ausgebildet ist, wobei im oberen Teil des Schachtes eine Trocknung und Entgasung des Brennstoffes und im unteren Teil eine Vergasung und Teilverbrennung stattfindet. Unterhalb des Schachtes ist ein Feuerraum mit einem als Rost ausgebildeten Feuerraumboden zum vollständigen Ausbrennen des aus dem Schacht kommenden Brennstoffrückstandes angeordnet. Dabei wird Primärluft im Überschuß zugeführt. Aufgrund der geschlossenen Ausbildung des Feuerraums und der Zuführung von Primärluft strömen die noch Primärluftanteile beinhaltenden Verbrennungsabgase in den Schacht ein und vermischen sich dort mit den Pyrolysegasen. Sie durchströmen den unteren Abschnitt der Pyrolysekammer im Gegenstrom zu den Feststoffen und treten zwischen unterer und oberer Pyrolysekammer in eine oberhalb des Feuerraums angeordnete und von dieser getrennten Verbrennungskammer ein. Hier wird das Gemisch von Verbrennungsabgasen und Pyrolysegasen unter Zufuhr von Sekundärluft verbrannt. Da die Verbrennungskammer den Schacht umgibt, wird dieser von der Nachverbrennung erhitzt und ermöglicht auf diese Weise die Pyrolyse im Schacht.

Das oben zuerst beschriebene Verfahren bzw. die damit betriebenen Verbrennungsöfen haben schon seit langem als sogenanntes "Jülicher Verbrennungsverfahren" (Ullmanns Enzyklopädie der technischen Chemie, 4. Auflage, 1981, Band 6, Seite 602) in die allgemeine Fachliteratur Eingang gefunden. Sie haben jedoch die Entwicklung der Technik von großen Müllverbrennungsanlagen bisher nicht beeinflußt. Dies hängt damit zusammen, daß es sich bei den beschriebenen Verbrennungsöfen - wie auch bei dem nach der DE-OS 28 16 754 - um klassische Schachtöfen handelt, deren Durchsatzmenge begrenzt ist (Ullmanns Enzyklopädie der technischen Chemie, 4. Auflage, 1981, Band 6, Seite 556, 598). Der Einsatz dieser Verbrennungseinrichtungen blieb deshalb trotz zunehmender Verbreitung auf den Kleingewerbebereich beschränkt. Entsprechendes gilt auch für den in der PCT-Publikation WO 87/00258 offenbarten Schachtofen.

Verbrennungsanlagen wie beispielsweise Müllverbrennungsanlagen sind völlig anders aufgebaut. Sie weisen im Regelfall einen großen Feuerraum auf, der nach unten durch einen meist als Rost ausgebildeten Feuerraumboden abgeschlossen ist. Dieser Feuerraumboden ist entweder stark geneigt angeordnet oder weist geeignete Vortriebsmittel auf, beispielsweise Vorschubroste oder dergleichen. An der höchstgelegenen Stelle wird der Abfall dem Feuerraumboden beispielsweise über einen senkrechten Schacht aufgegeben. Der Abfall wandert dann über den Feuerraumboden abwärts und wird dabei verbrannt. Eine solche Müllverbrennungsanlage ist beispielsweise der DE-OS 15 26 076 zu entnehmen.

Bei der Wanderung über den Feuerraumboden verläuft die Verbrennung des Abfalls in vier Phasen. Zunächst trocknet der Abfall unter Verdampfung der Feuchtigkeit aus. Mit der anschließenden Entgasung werden höhermolekulare Verbindungen bei erhöhter Temperatur in niedermolekulare flüchtige Verbindungen und Koks zerlegt. Bei der Vergasung reagieren vor allem Wasser und Kohlenmonoxid. Die flüchtigen und gasförmigen Abgase verbrennen dann schließlich. In den normalen Müllverbrennungsanlagen überlagern sich diese Reaktionen. Sie verlaufen darüber hinaus auch nicht ganz vollständig.

Einen wesentlichen Einfluß auf die Rauchgasemissionen hat dabei die Temperaturführung in der Müllverbrennungsanlage. Damit eine möglichst vollständige Verbrennung der heterogenen Abfallstoffe erreicht wird, sieht die TA-Luft eine Mindesttemperatur von 800°C vor. Für die Verbrennung von PCBs werden sogar 1200°C vorgeschrieben. Hohe Temperaturen haben jedoch den Nachteil, daß durch sie die Stickstoffoxid-Bildung begünstigt wird. Man ist deshalb bemüht, den Temperaturbereich, bei dem die Stickstoffoxide thermodynamisch stabil werden, zu meiden und die Abgase hinreichend lange bei mittlerer Temperatur zu halten. Dies hat jedoch einen schlechten Ausbrand der Abgase und damit entsprechend hohe Schadstoffemissionen zur Folge. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß die in Müllverbrennungsanlagen üblichen Verbrennungstemperaturen zu einer Verschlackung des verbrannten Abfalls führt, was wegen der Neigung zu Ablagerungen Störungen im Betriebsablauf verursacht.

In der DE-PS 8 61 451 ist eine Dampfkesselfeuerung mit einem vorgeschalteten Brennstoffschwelschacht offenbart, bei dem der feste Schwelrückstand auf dem Feuerraumboden verbrannt wird und ein Teil der Verbrennungsgase des Feuerraums unter Beimischung von gereinigtem Schwelgas zur Beheizung des Brennstoffschwelschachtes herangezogen wird. Durch eine Mischung von Verbrennungsgas und gereinigtem Schwelgas wird in einem dem Brennstoffschwelschacht vorgeschalteten Heizraum eine mittelbare Beheizung des Brennstoffschwelschachtes bewirkt und das hierbei gebildete, praktisch sauerstoffreie Verbrennungsgasgemisch als Spülmittel im Brennstoffschwelschacht benutzt.

Ausgehend von dem gattungsbildenden Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu finden, mit dem heterogener Brennstoff mit hohem Durchsatz verbrannt wird und dennoch eine Verschlackung der Asche vermieden und die Entstehung von Schadstoffen im Abgas klein gehalten werden kann. Ferner besteht die Aufgabe, eine Verbrennungseinrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens zu schaffen.

Die erste Aufgabe wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch gelöst, daß die Brennstoffrückstände einer separaten Verbrennungsanlage zugeführt werden und dem dortigen Feuerraum Verbrennungsluft in einem solchen Überschuß zugeleitet wird, daß die Brennstoffrückstände bei einer Temperatur nicht über 900°C verbrannt werden, und daß das Prozeßgas in diesem Feuerraum eingeleitet und dort mit den Restsauerstoff enthaltenen Verbrennungsgasen in stöchiometrischem oder überstöchiometrischem Verhältnis vermischt wird.

Im Unterschied zum Stand der Technik wird also der im Schachtofen vorkonditionierte, also getrocknete, entgaste und vergaste Brennstoffrückstand einer separaten Verbrennungsanlage zugeführt, wobei die Kombination aus einem solchen Schachtofen und der Verbrennungsanlage einen hohen Durchsatz erlaubt, wie er für den Betrieb von Müllverbrennungsanlagen erforderlich ist. Aufgrund der Vorkonditionierung kann jedoch der Feuerraumboden gebenüber normalen Müllverbrennungsanlagen, bei denen der Feuerraumboden die Hauptherstellungskosten verursacht, relativ kurz gehalten werden, da auf ihm nur noch die Verbrennung erfolgt. Die erfindungsgemäße Prozeßführung hat zur Folge, daß der vorkonditionierte Brennstoffrückstand bei vergleichsweise geringen Temperaturen unter 900°C, vorzugsweise bei 800°C, vollständig und insbesondere ohne Schlackenbildung verbrennt. Diese niedrigen Temperaturen werden durch Zuführung von Verbrennungsluft in einem entsprechenden Überschuß erzeugt. Die Verbrennungsabgase enthalten dann noch Restsauerstoff, die für die Verbrennung der aus dem Schacht herausgeführten und in den Feuerraum eingeführten Prozeßgase herangezogen wird. Die Vermischung erfolgt dabei derart, daß zumindest Stöchiometrie gegeben ist. Hierdurch bleiben das Abgasvolumen und die darin enthaltenen Schadstoffanteile gering und die Abgasverluste klein. Außerdem fällt nur ein geringer Staubtransport an, was eine wesentlich herabgesetzte Staubbeaufschlagung vor allem der Wärmetauscherflächen zur Folge hat.

In Ausbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß im Bereich der Einmündung der Prozeßgase in den Feuerraum Sekundärluft zugegeben wird. Dies ermöglicht eine feinfühlige Steuerung der Verbrennung mit dem Ziel, daß möglichst eine leicht überstöchiometrische Verbrennung erreicht wird.

Die Verbrennungsluft sollte den koksartigen Rückständen von der Unterseite des Feuerraumbodens zugeführt werden, da hierdurch das Ausbrennen der Rückstände bei den gewünschten, relativ niedrigen Temperaturen begünstigt wird.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß dem Schacht Vergasungsmittel in zwei übereinander angeordneten Ebenen zugeführt werden. Dabei hat es sich als zweckmäßig erwiesen, wenn die Vergasungsmittel Luft- und/oder Rauchgase enthalten oder daraus bestehen.

Eine nach dem vorbeschriebenen Verfahren arbeitende Verbrennungsanlage ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß dem Schachtofen eine separate, den Feuerraum enthaltende Verbrennungsanlage zugeordnet ist und sich die Nachverbrennungseinrichtung innerhalb des Feuerraums befindet, wobei die Luft der Zuführeinrichtung hinsichtlich der Zuführmenge derart einstellbar ist, daß der im Schachtofen verkokte Rückstand bei Temperaturen unter 900°C, vorzugsweise im Bereich von 800°C, verbrennt und sich der Restsauerstoff der Verbrennungsabgase mit den aus dem Schachtofen in den Feuerraum eingeleiteten Prozeßgasen in der Nachverbrennungseinrichtung zu einem zumindest stöchiometrischen Mengenverhältnis vermischt.

Die erfindungsgemäße Verbrennungsanlage zeichnet sich dadurch aus, daß dem Schachtofen eine separate Verbrennungsanlage zugeordnet ist, in die die im Schachtofen vorkonditionierten Brennstoffrückstände überführt und erst dort verbrannt werden und daß die im Schachtofen entstehenden Prozeßgase in diesem Feuerraum nachverbrannt werden, indem Verbrennungsluft in einem solchen Überschuß zugeführt wird, daß die Verbrennung des Prozeßgases im Feuerraum zumindest stöchiometrisch erfolgt. In einer solchen Verbrennungsanlage fällt lediglich schlackenfreie Asche sowie ein vergleichsweise geringes und zudem noch schadstoffarmes Abgas an. Dabei ist von Besonderheit, daß schon vorhandene Verbrennungsanlagen entsprechend der Lehre der Erfindung mit relativ geringem Aufwand nachträglich umgerüstet werden können.

In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß im Bereich der Einmündung des Abzugskanals in den Feuerraum ein zusätzlicher Sekundärluftzuführkanal mündet, der mit einer Sekundärluftsteuerung derart versehen ist, daß das Prozeßgas zumindest stöchiometrisch verbrennt. Ein solcher zusätzlicher Sekundärluftzuführkanal ermöglicht eine feinfühlige Steuerung des Verbrennungsverhältnisses und stellt eine saubere Verbrennung der im Schachtofen entstehenden Prozeßgase sicher. Die Luftzuführeinrichtung für die Verbrennungsluft sollte grundsätzlich unter dem Feuerraum münden.

Nach der Erfindung ist ferner vorgesehen, daß der Schachtofen Zuführeinrichtungen für die Zufuhr von Vergasungsmitteln aufweist. Dabei ist es von Vorteil, wenn die Zuführeinrichtungen mit dem Kamin des Feuerraums verbunden sind, um eine Abgasrückführung zu ermöglichen. Auch sollten die Zuführeinrichtungen auf zwei übereinander angeordnete Ebenen aufgeteilt sein.

Der Abzugskanal für die Herausführung der Prozeßgase aus dem Schachtofen umgibt diesen zweckmäßigerweise ringförmig, wobei er mit dem Schachtofen mittels über den Umfang verteilter Öffnungen verbunden ist.

In der Zeichnung ist die Erfindung eines schematisch gehaltenen Ausführungsbeispiels näher veranschaulicht. Sie zeigt in einem Vertikalschnitt eine Müllverbrennungsanlage (1). Die Müllverbrennungsanlage (1) ist zweiteilig aufgebaut. Eingangsseitig weist sie einen Schachtofen (3) auf, in den der Abfall (4) ständig nachgefüllt und in etwa in Höhe der Befüllmarke (5) gehalten wird. In diesem Schachtofen (3) wird der Abfall (4) zersetzt, d. h. er wird zunächst getrocknet, dann entgast und schießlich vergast. Die hierfür notwendige Energie wird durch Zugabe von unterstöchiometrischen Mengen an Primärluft erzeugt, und zwar in einer ersten Ebene (6) und einer im Abstand darunter liegenden, zweiten Ebene (7). Hierzu sind in beiden Ebenen (6, 7) Eintrittsöffnungen - beispielhaft mit (8) bezeichnet - angeordnet, über die - was hier nicht näher dargestellt ist - die Primärluft in den Schachtofen (3) geleitet wird.

Zusätzlich ist eine Rauchgasrückführung vorgesehen, so daß mit der Primärluft auch Rauchgase in den Schachtofen (3) bzw. dessen Zersetzungskammer eingeleitet wird. Das Rauchgas unterstützt auf Grund seines hohen Gehaltes an CO₂ und H₂O die Vergasung der Abfälle und sorgt dafür, daß die Temperaturen im unteren Bereich des Schachtofens auf einen Bereich um 800°C begrenzt bleiben. Auf diese Weise wird eine Schlackenbildung vermieden.

Am unteren Ende ist der Schachtofen (3) von einem Ringkanal (9) umgeben. Dieser Ringkanal (9) ist über Öffnungen mit dem Schachtofen (3) verbunden. In ihn strömen die bei der Zersetzung des Abfalls im Schachtofen (3) entstehenden Prozeßgase ein und werden auf diese Weise aus dem Schachtofen (3) abgezogen.

Die verbleibenden, koksartigen Rückstände (10) fallen auf einen schräg nach unten gerichteten Rost (11), der die untere Begrenzung eines Feuerraums (12) bildet. An das untenseitige Ende des Rostes (11) schließt sich ein Ascheabzug (13) an.

An der Unterseite des Rostes (11) befindet sich ein Luftzuführkanal (14), über den die Verbrennungsluft von unten durch den Rost (11) und damit durch die koksartigen Rückstände (10) geblasen wird. Dabei wird der Volumenstrom so eingestellt, daß die koksartigen Rückstände (10) bei ca. 800°C ausgebrannt werden. Zurück bleibt schlackenfreie Asche, die über den Ascheabzug (13) aus dem Feuerraum (12) entfernt wird.

Der Feuerraum (12) verengt sich zunächst nach oben und geht dann in eine Erweiterung (15) über. Im Bereich der Verengung mündet der Ringkanal (9) in den Feuerraum (12).

Die in der Zersetzungskammer des Schachtofens (3) entstehenden Prozeßgase werden also über den Ringkanal (9) in den Feuerraum (12) eingeleitet. Dort werden sie verbrannt, wobei durch entsprechende Luftzufuhr über den Luftzuführkanal (14) dafür gesorgt wird, daß im Bereich der Mündung des Ringkanals (9) noch hinreichend Sauerstoff für eine zumindest stöchiometrische, vorzugsweise leicht überstöchiometrische Verbrennung zur Verfügung steht. Die Verbrennung erfolgt bei Temperaturen von 1100 bis 1200°C, so daß die Prozeßgase sowie die Abgase von der Verbrennung der koksartigen Rückstände (10) im wesentlichen ohne Zusatzenergie ausbrennen, und zwar bei geringem Anfall von Schadstoffen, wie beispielsweise Stickstoffoxiden oder Kohlenmonoxid.

Gegenüber der Mündung des Ringkanals (9) ist ein Sekundärluftzuführkanal (16) angeordnet, über den zusätzlich Sekundärluft eingeblasen werden kann. Dieser Sekundärluftzuführkanal (16) eignet sich zur feinfühligen Steuerung des Verbrennungsprozesses, insbesondere zur Einhaltung der zumindest stöchiometrischen Verbrennung.

Die solchermaßen verbrannten Abgase passieren als Rauchgase die Erweiterung (15) und einen nachfolgenden Dampferzeuger (17) mit Wärmetauscher (18). Untenseitig ist dort eine Entaschungsöffnung (19) vorgesehen. Anschließend gelangen die Rauchgase in einen Rauchgaskanal (20), der zu einem Kamin führt. Von diesem Rauchgaskanal (20) geht ein Anteil Rauchgase über einen Rückführkanal (21) in den Schachtofen (3) als gegebenenfalls zusätzliches Vergasungsmittel, wobei für die Förderung ein Verdichter (22) vorgesehen ist.

Selbstverständlich eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren nicht nur zur Müllverbrennung, sondern auch zur Verbrennung anderer fester Brennstoffe, z.B. Kohle oder dergleichen, zur Wärmeerzeugung.

Claims (12)

1. Verfahren zum Verbrennen von Brennstoffen, insbesondere Abfällen, bei denen die Brennstoffe einem Schacht zugeführt werden, wo sie zunächt getrocknet, dann entgast und vergast werden, und bei dem die Brennstoffrückstände nach Verlassen des Schachtes auf dem Feuerraumboden eines Feuerraums unter Zugabe von Verbrennungsluft im Überschuß und unter Entstehung von Verbrennungsabasen verbrannt werden, wobei im Schacht entstehende Prozeßgase aus diesem herausgeführt und zusammen mit den Verbrennungsabgasen nachverbrannt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffrückstände (10) nach Verlassen des Schachtes (3) in einer separaten Verbrennungsanlage zugeführt werden und dem dortigen Feuerraum (12) Verbrennungsluft in einem solchen Überschuß zugeleitet wird, daß die Brennstoffrückstände (10) bei einer Temperatur nicht über 900°C verbrannt werden, und daß das Prozeßgas in diesen Feuerrraum (12) eingeleitet und dort mit den Restsauerstoff enthaltenen Verbrennungsabgasen in zumindest stöchiometrischem Verhältnis vermischt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Einmündung des Prozeßgases in den Feuerraum (12) Sekundärluft zugegeben wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungsluft den koksartigen Rückständen (10) von der Unterseite des Feuerraumbodens (11) zugeführt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergasungsmittel in zwei übereinander angeordneten Ebenen (6, 7) zugeführt werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergasungsmittel Luft enthalten oder daraus bestehen.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergasungsmittel zurückgeführtes Rauchgas enthalten oder daraus bestehen.

7. Verbrennungseinrichtung zur Verbrennung von Brennstoffen mit einem Schachtofen zur Aufgabe des Brennstoffes und zu dessen Trocknung, Entgasung und Vergasung im Schacht und mit einem Feuerraum mit Feuerraumboden zum Verbrennen des Brennstoffrückstandes unter Entstehung von Verbrennungsabgasen, wobei der Feuerraum mit einer Luftzuführeinrichtung zum Einblasen von Verbrennungsluft im Überschuß versehen ist und wobei im unteren Bereich des Schachtes ein Abzugskanal für den Abzug von im Schacht entstehenden Prozeßgasen vorgesehen ist, der in einer Nachverbrennungseinrichtung zur Verbrennung eines Gemisches von Prozeßgasen und Verbrennungsabgas mündet, dadurch gekennzeichnet, daß dem Schachtofen (3) eine separate, den Feuerraum (12) enthaltene Verbrennungsanlage zugeordnet ist und sich die Nachverbrennungseinrichtung innerhalb des Feuerraums (12) befindet, wobei die Luftzuführeinrichtung (14) hinsichtlich der Zuführmenge derart einstellbar ist, daß der im Schachtofen (3) verkokte Brennstoffrückstand (10) bei Temperaturen unter 900°C verbrennt und sich der Restsauerstoff der Verbrennungsabgase mit den aus dem Schachtofen (3) in den Feuerraum (12) eingeleiteten Prozeßgasen in der Nachverbrennungseinrichtung in einem zumindest stöchiometrischen Mengenverhältnis vermischt.

8. Verbrennungsanlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Einmündung des Abzugskanals (9) in den Feuerraum (12) ein zusätzlicher Sekundärluftzuführkanal (16) mündet, der mit einer Sekundärluftsteuerung derart versehen ist, daß das Prozeßgas zumindest stöchiometrisch verbrennt.

9. Verbrennungsanlage nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftzuführeinrichtung (14) für die Verbrennungsluft unter dem Feuerraumboden (11) mündet.

10. Verbrennungsanlage nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Schachtofen (3) Zuführeinrichtungen (8) für die Zufuhr von Vergasungsmitteln aufweist.

11. Verbrennungsanlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführeinrichtungen (8) mit dem Kamin des Feuerraums (12) verbunden sind.

12. Verbrennungsanlage nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführeinrichtungen (8) auf zwei übereinander angeordnete Ebenen (6, 7) aufgeteilt sind.