DE4011945C1 - Waste material pyrolysis system - compresses material and heats it by friction against chamber walls - Google Patents

Description

Mit zunehmendem Wohlstand werden Industrieabfälle und Hausmüll überdurchschnittlich steigen. Die größere Sensibilität der Bevölkerung für Umweltpro­ bleme führt auch dazu, daß Fragen der Müllentstehung und -entsorgung eine wesentlich höhere Priorität ge­ winnen. Die bisherigen Lösungsvorschläge zur über­ zeugenden Müllentsorgung sind unzureichend.

Die klassische Entsorgungsform von Haus- und Industrie­ abfällen aller Art ist auch heute noch das Deponieren, ohne daß dadurch das Entsorgungsproblem tatsächlich gelöst wäre. Rund 80% aller anfallenden Abfälle wer­ den so behandelt. Die hohe Umweltbelastung und fehlen­ de Deponieflächen zwangen jedoch zu Alternativ-Lösun­ gen.

Einen Ausweg sah man in Müllverbrennungsanlagen. Das Verbrennen von Abfällen beinhaltet eine Vielzahl von Nachteilen, wie z.B. schlechter Wirkungsgrad, hoher Schadstoffanfall und hohe Investitions- und Betriebs­ kosten. Darüber hinaus sind Müllverbrennungsanlagen aufgrund der hohen Kosten nur für Ballungsgebiete wirtschaftlich sinnvoll, ohne daß dabei die Schadstoff­ emission befriedigend gelöst werden konnte.

Mit der Entgasung von organischen Abfällen glaubte man, über eine Möglichkeit zu verfügen, um die Müll­ verbrennung zu vermeiden und Kleinanlagen wirtschaft­ lich betreiben zu können.

In den letzten Jahren wurde daher eine Vielzahl von Pyrolyseverfahren entwickelt und erpropt. Diese Ver­ fahren unterscheiden sich vor allem bezüglich der Ent­ gasungseinheiten, während die nachgeschalteten Aggre­ gate, wie Verbrennungs- und Nachverbrennungskammer, Staubfilterung und Abgasreinigung, weitgehend bei heutigem Stand der Technik vergleichbar sind.

Die heute bekannten Entgasungseinheiten lassen sich in drei Typen einteilen:

• 1. Schachtöfen, in die das Pyrolysegut von oben eingebracht wird, und den Ofenschacht in verti­ kaler Richtung durch Schwerkraft durchwandert.
• 2. Drehrohröfen, bei denen durch Rotation des Rohr­ schachtes das rieselfähige Pyrolysegut durch­ mischt und mit den erwärmten Wänden ständig erneut in Kontakt gebracht wird, und
• 3. Wirbelschichtöfen, bei denen ein in ständig ver­ wirbelter Bewegung befindliches Sandbett für einen Wärmeübergang mit dem Pyrolysegut sorgt.

Die beschriebenen Entgasungsreaktoren, wie beispielsweise aus den AT-PS′en 1 16 725 und 3 63 577 bekannt, sind mit einer Vielzahl von Nachteilen und technisch zur Zeit noch nicht befriedigend lösbaren Problemen behaftet. Allen drei Reaktortypen ist gemeinsam,

• 1. daß zur Verbesserung des Wärmeübergangs die zu pyrolisierenden Abfälle vorzerkleinert werden müssen, was hohe Kosten verursacht,
• 2. daß mit den organischen Substanzen zum Pyrolisieren Atmosphärenluft mit Sauerstoff eingebracht werden muß, der im Pyrolysereaktor zu Verbrennungen und Verpuffungen führt und darüber hinaus die Pyrolyse­ produkte mit Verbrennungsabgasen verdünnt.
• 3. daß die Aufheizung der Abfälle relativ langsam verläuft und mit erheblichen Wärmeverlusten ver­ bunden ist, da der Wirkungsgrad schlecht ist und der eingebrachte Stickstoff miterwärmt und mit­ entsorgt werden muß.
• 4. Die beschriebenen Entgasungsreaktoren müssen aus wirtschaftlichen Gründen ein relativ großes Volumen besitzen und sind bei den herrschenden Temperaturen von über 450°C an der Grenze der mechanischen Be­ lastbarkeit, so daß sie nur für den Betrieb bei et­ wa Atmosphärendruck geeignet sind.
• 5. Des weiteren wird von den Entgasungreaktoren Gas­ dichtheit gefordert, um den Austritt von Schad­ und Wirkstoffen zu verhindern. Aus diesem Grunde besitzen sie aufwendige temperaturbelastete Schleusenkonstruktionen und Dichtungen zum Ein­ und Ausbringen des Pyrolysegutes, bzw. der Pyro­ lyserückstände.

Schachtöfen führen bei Niedertemperatur-Pyrolyse durch Verklebung des Pyrolysegutes zur Kanal- und Brückenbildung. Drehöfen sind wegen ihrer mechanischen Bewegung, ihrer Schleusentechnik und den schmirgelnden Inertbestand­ teilen im Pyrolysegut hohen Verschleißerscheinungen ausgesetzt. Alle Reaktoröfen haben einen so schlech­ ten Wirkungsgrad, daß man bei Dreh- und Wirbelschicht­ öfen vorgeschlagen hat, den Wärmeübergang durch ständig rückgeführten Heißsand und/oder erhitzte Stahl- oder Keramikkugeln zu verbessern.

Hinzu kamen Schwierigkeiten beim Betrieb der Pyrolyse­ einheiten; bei der Niedertemperturpyrolyse durch Ver­ kleben der Pyrolyserückstände aufgrund ihres relativ hohen Gehalts an wachs- bzw. teerartigen Substanzen,; bei der Hochtemperaturpyrolyse durch Aufschmelzen und Verkrusten von Schlacken.

Alle bekannten Verfahren sind aufgrund von technisch nicht zu lösenden Problemen in den Pyrolyseöfen und/oder der negativen Energiebilanz gescheitert. Ca. 80% aller gebauten Anlagen sind zwischenzeitlich stillgelegt. Die Hoffnungen, mit Hilfe der bekannten Pyrolyseverfahren über ein wirtschaftliches und umweltfreundliches ther­ misches Entsorgungskonzept zu verfügen, haben sich nicht erfüllt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ver­ fahren zur Pyrolyse von organischen Substanzen aller Art anzugeben, bei dem die Entgasungseinheit - im folgenden Pyrolysekammer genannt - einen hohen Wirkungs­ grad bei großer Leistung aufweist, störungsfrei und funktionssicher arbeitet und bei der die Pyrolysepro­ dukte, wie Dampf, Gase und Kokse, energetisch optimal genutzt werden. Darüber hinaus sind Entgasungseinheiten zu schaffen, die auch in kleinen Anlagen wirtschaft­ lich arbeiten und gegebenenfalls ortsveränderbar einge­ setzt werden können.

Die Erfindungsaufgabe wird durch den kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst, die Unteransprüche stellen vorteilhafte Weiterbildungen dar.

Durch Verdichten des Pyrolysegutes wird das Porenvo­ lumen reduziert, was die Wärmeleitfähigkeit spürbar verbessert und die Abmessung der Pyrolysekammer mini­ miert. Die kleine Abstrahlfläche der Pyrolysekammer garantiert auch einen relativ geringen Wäreme­ verlust.

Eine Zwangsförderung des verdichteten Pyrolysegutes gewährleistet einen ständigen Druckkontakt zwischen dem Pyrolysegut und den beheizten Kammerwänden, so daß die Wärmeübertragung von den Kammerwänden auf das Pyro­ lysegut optimiert wird.

Zusätzlich wird der Volumenverlust in der Pyrolyse­ kammer durch Entgasung (Pyrolysegas/Wasserdampf) und/oder Austrag fester Bestandteile durch Nachfüllen und Nachverdichten mit Pyrolysegut ausgeglichen.

Da das Pyrolysegut durch hohe Verdichtung nur noch wenig Luftvolumen enthält, ist sein Wäremleitver­ mögen gegenüber der sonst üblichen Schüttdichte bedeu­ tend verbesert, die Isolationswirkung der Luft ist weitgehend reduziert.

Der höhere Druck in der pyrolysekammer garantiert eine bessere Zwangsdurchströmung des Pyrolysegutes und des Pyrolysekokses durch die gasförmigen Pyrolysebestand­ teile, was zu einer besseren Erwärmung und zusätzlich zu einer kürzeren Entgasungszeit führt, so daß eine hohe Leistung der Anlage gewährleistet ist.

Verdichtung, Zwangsförderung und Nachverdichtung des Pyrolysegutes erfolgen in einer vorteilhaften Ver­ fahrensweiterbildung intermittierend.

Die Einbringung des Pyrolysegutes und die Ausbringung der festen Reststoffe können in einfacher Weise da­ durch erfolgen, daß eine rohrförmig ausgebildete Pyrolyse­ kammer an ihrer Ein- und Austrittsseite gegebenen­ falls regelbare Querschnittsverengungen aufweist, so daß sich an der Ein- und Austrittsseite Pfropfen bilden, die das Ausströmen gasförmiger Pyrolysepro­ dukte unterbinden. Durch die fortlaufende Zuführung und Verdichtung von Pyrolysegut wird der selbstdich­ tende Pfropfen ständig erneuert. Es ist auch möglich, an der Austrittsseite den Gegendruck zur selbstdich­ tenden Pfopfenbildung über mechanische Hilfsmittel, wie z.B. federverspannte Teller oder in ihrer Wir­ kungsweise ähnliche Bauelemente, zu erzeugen.

Vorteilhaft sind rohrförmige Pyrolysekammern mit einem lichten Durchmesser zwischen ca. 100-400 mm, wobei das Längen-/Durchmesser-Verhältnis größer 10 : 1 betragen sollte.

Eine schubweise, d.h. intermittierend erfolgende Zwangs­ förderung des Pyrolysegutes bzw. des nachverdichteten festen Reststoffes hat darüber hinaus den Vorteil, daß im Zusammenwirken mit dem Druckkontakt des Pyrolyse­ gutes zu den Kammerwänden Verkrustungen und Anbackungen von Pyrolyserückständen an den Kammerwänden durch stän­ dige Reibung des nachrückenden Pyrolysegutes entfernt werden. Die Pyrolysekammer ist bei derartiger Aus­ führung selbstreinigend. Sie enthält auch keinerlei bewegliche Bauelemente, die bei längerfristigem Be­ trieb zu Störungen führen und vor allem bezüglich der Abdichtung und Schmierung Schwierigkeiten bereiten können.

Die festen Pyrolyserückstände werden vorteilhaft im heißen Zustand (ca. 400°C) in einen Schmelzzyklon (Nachverbrennungskammer) ausgebracht und dort unter Sauerstoffzufuhr verbrannt bzw. zu Schlacke aufgeschmol­ zen.

Der gesamte Energieinhalt des heißen Pyrolysekokses kann so direkt genutzt werden.

Bei Einsatz reinen Sauerstoffs oder wenigstens sauer­ stoffangereicherter Luft muß der hohe Stickstoffanteil der Luft nicht miterwärmt werden, so daß sich das Ab­ gasvolumen erheblich reduziert und die Abgasreinigung technisch gut zu konrollieren und kostengünstiger zu gestalten ist.

Der bei der Niedertemperaturpyrolyse anfallende hohe Kohlenstoffgehalt des Reststoffes besitzt gute schad­ stoffbindende Eigenschaften. Das kann noch dadurch unter­ stützt werden, daß dem Pyrolysegut vor der Verdichtung schadstoffbindende Zusätze beigegeben werden.

Ein weiterer besonderer Vorteil ergibt sich dadurch, daß der Austritt der gasförmigen Pyrolyseprodukte aus der Pyrolysekammer am Ende der Förderstrecke erfolgt. In diesem Falle durchströmen die heißen gasförmigen Pyrolyseprodukte zum einen das Pyrolysegut in voller Länge, zum anderen wird die Pyrolysekammer hierdurch erst unmittelbar vor der Ausbringung drucklos gemacht, was die Abdichtung der Pyrolysekammer an der Austritts­ seite vereinfacht. Gemäß der sich einstellenden Strö­ mung der gasförmigen Pyrolyseprodukte und des dadurch bedingten Druckabfalls längs der Pyrolysekammer herrschen die höchsten Drücke an der Einbringungs­ seite und sorgen hier sowohl für schnelle Durchwär­ mung als auch für schnelle Entgasung.

Optimaler Wärmeübergang durch Druckkontakt, opti­ mierte Wärmeleitfähigkeit durch Minderung des Poren­ volumens und zusätzliche Volumenbeheizung durch die gasförmigen Pyrolyseprodukte selbst sind die schon er­ wähnten Vorteile des erfindungsgemäßen Pyrolyse­ verfahrens bezüglich der Erwärmung des Pyrolysegutes gegenüber dem bisherigen Stand der Technik. Durch die Pyrolyse selbst wird die Wärmeleitfähigkeit des Pyrolyse­ gutes ständig verbessert, vor allem in den Kontakt­ zonen der Wände, so daß die hier schon bevorzugt pyro­ lisierten Bereiche die Wärme auch durch gute Wärme­ leitung an die Innenbereiche, die noch nicht soweit pyrolisiert sind, weitergeben. Ein zusätzlicher Effekt ist dadurch gegeben, daß die kohlenstoffreichen Rest­ stoffe im verdichteten bzw. nachverdichteten Zustand sehr viel bessere Wärmeleitung besitzen als das ur­ sprüngliche Pyrolysegut. Erfindungsgemäßer Verdichtungs­ zustand von Pyrolysegut und Reststoffen sowie der stän­ dige Druckkontakt des Pyrolysegutes mit den Kammer­ wänden minimieren nicht nur die notwendigen Abmessungen der Pyrolysekammer, sie verkürzen auch die notwendige Pyrolysezeit erheblich.

Bei mobilen Anlagen kann es vorteilhaft sein, dem unverdichteten Pyrolysegut in so ausreichender Menge ein warmhärtendes, vernetzendes Bindemittel zuzugeben, daß die Pyrolyserückstände in einen brikettähnlichen, druckfesten Zustand überführt werden, wobei die Staub­ anteile in hohem Maße mit in die Briketts eingebunden bleiben, so daß sie einer anderweitigen Verbrennung auch über größere Strecken problemlos zugeführt werden können. Die staubbindenden Eigenschaften der geringfügigen Binde­ mittelmengen sind darüber hinaus aber auch von Vorteil, da sie den Staub von den Pyrolysegasen fernhalten, so daß deren Reinigung sich vereinfacht und verbilligt.

Aufgrund der hohen Strömungsgeschwindigkeit der kon­ trolliert austretenden gasförmigen Pyrolyseprodukte können diese unmittelbar über eine Kraftmaschine ge­ leitet und energetisch genutzt werden.

Die heißen Abgase, die bei der Verbrennung der Pyro­ lyseprodukte (Gas und Koks) bei 1200°C anfallen, können zum Beheizen der Pyrolysekammer eingesetzt werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Niedertemperaturpyrolysever­ fahren können der Pyrolysekammer alle zum Stand der Technik gehörigen Folgeeinrichtungen - wie beispiels­ weise Spaltgasbildner (Cracker), Staubfilter, Abgas­ wäschen und dergleichen - nachgeordnet werden.

Claims (11)

1. Pyrolyseverfahren zur Entgasung von organischen Substanzen, wie beispielsweise Haus-, Industriemüll und dergleichen, in einer beheizbaren Pyrolysekammer, dadurch gekennzeichnet, daß das Pyrolysegut unter Verdichtung in die Pyro­ lysekammer eingebracht und unter Beibehaltung eines verdichteten Zustandes über den Kammerquerschnitt diese durchläuft, daß die Wärmezufuhr zum Pyrolyse­ gut durch die mit dem verdichteten Pyrolysegut in Druckkontakt stehenden Kammerwandungen erfolgt, und daß die sich bildenden gasförmigen Pvrolyseprodukte bei erhöhtem Druck abgeführt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pyrolysekammer in ihrem Beschickungsbereich durch das verdichtete Pyrolysegut gasdicht ver­ schlossen wird, und daß sie im Abströmbereich der gasförmigen Pyrolyseprodukte einen erhöhten Strömungs­ widerstand durch Nachverdichtung der festen Pyrolyse­ reststoffe besitzt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Pyrolysegut durch eine rohrförmige Pyrolyse­ kammer gefördert wird.

4. Verfahren nach mindestens einem der vorangegan­ genen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhr des Pyrolysegutes, seine Verdichtung und der Durchlauf durch die Pyrolysekammer intermittie­ rend erfolgen.

5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhr des Pyrolysegutes, seine Verdichtung und sein Durchlauf durch die Pyrolysekammer kontinuier­ lich erfolgen.

6. Verfahren nach mindestens einem der vorangegan­ genen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die festen Pyrolyserückstände vor ihrer Aus­ bringung nachverdichtet werden.

7. Verfahren nach mindestens einem der vorange­ gangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die ungekühlten festen Pyrolyserückstände (Pyrolyse­ koks) unter Sauerstoffzufuhr verbrannt werden.

8. Verfahren nach mindestens einem der voran­ gegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgase der Verbrennung der Pyrolyserückstände zumindest teilweise zur Beheizung der Pyrolysekammer genutzt werden.

9. Verfahren nach mindestens einem der vorangegan­ genen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Pyrolysegut schadstoffbindende Zusätze zuge­ geben werden.

10. Verfahren nach mindestens einem der voran­ gegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem unverdichteten Pyrolysegut Bindemittel zugegeben wird.

11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pyrolyse in dem Temperaturbereich zwischen 250°C und 500°C erfolgt.