DE4026245A1 - Verfahren zur thermischen behandlung von abfaellen und reststoffen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein thermisches Verfahren zur Behandlung von Abfällen und Reststoffen.

Die herkömmliche Abfallverbrennung und auch die thermische Behandlung der mineralischen Reststoffe aus der Abfallverbrennung mit der Zielsetzung der Einschmelzung benützt als Oxidationsmittel Luft. Luft wird als billiges Oxidationsmittel angesehen. Sie besteht jedoch nur zu 1/5 des Volumens aus Sauerstoff, der Rest ist der Ballaststoff Stickstoff. Dies bedeutet, daß bei Verwendung von Luft erhebliche Volumina an Bal­ lastmaterial durch sämtliche Stufen der Verbrennung und der nachfolgenden Abgasreinigung gefördert werden müssen. Volumenmäßig werden also alle Abfallverbrennungsanlagen und auch die Anlagen zur thermischen Behandlung der Reststoffe aus der Abfallverbrennung vom Volumen des Ballaststoffs bestimmt.

Die einzelnen wichtigen Anlagenteile der Abfallverbrennung, die Ver­ brennungskammer, die Abgasreinigungsanlage, die Fördereinrichtungen und der Kamin sind auf das Ballastvolumen Stickstoff ausgerichtet.

Erschwert wird das Problem noch dadurch, daß die bei der Verbrennung frei werdenden oder sich bildenden Schadstoffe Quecksilber, Cadmium, Selen, Chlorwasserstoff, Schwefeldioxid, Dioxine und polyaromatische Kohlenwasserstoffe in zum Teil extremer Verdünnung im Abgas vorliegen, etwa 2,5 g/m³. Deren Abscheidung ist dann sehr erschwert und erfordert aufwendige Einrichtungen.

Hinzu kommt noch, daß Stickstoff nicht absolut reaktionsfähig ist. Bei den Verbrennungstemperaturen entstehen Stickstoffmonoxid und Stick­ stoffdioxid, deren Abscheidung aus dem Abgasstrom erhebliche Probleme bereitet. Die entwickelten Abscheideverfahren sind kostenintensiv und belasten die Wirtschaftlichkeit der Abfallverbrennung.

Der bisherige Weg der Abfallverbrennung und der thermischen Behandlung von Reststoffen aus der Abfallbehandlung zum Zwecke des Einschmelzens bestand in einer Aneinanderreihung von einzelnen Aggregaten und Be­ handlungsschritten, um jedes neu auftauchende Problem isoliert zu lösen.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, den Oxidationsprozeß von Grund auf neu zu gestalten. Ziel einer Neugestaltung des Verbrennungsprozesses von Abfällen und der thermischen Behandlung von Reststoffen muß darin bestehen, das Volumen des Abgases zu verringern, um die Abscheidung der Schadstoffe zu erleichtern und das Volumen der Gesamtanlage zu verkleinern, die organischen Schadstoffe - sofern sie gebildet werden - voll zu oxidieren, die Bildung von Stickoxiden zu verhindern und das Einschmelzen der mineralischen Reststoffe aus der Verbrennung zu erleichtern bzw. in einem Prozeß durchzuführen.

Diese Aufgaben und Ziele werden nach dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch gelöst, daß als Oxidationsmittel reiner Sauerstoff ohne Verdünnung eingesetzt und die Verbrennung durchgeführt wird. Bei der üblichen Verbrennung entstehen aus einer Tonne Hausmüll rd. 6000 m³ Abgas. Es besteht volumenmäßig zu 70% aus Stickstoff, zu 10% aus Sauerstoff, zu 8% aus Kohlendioxid und zu 12% aus Wasserdampf.

Wird mit reinem Sauerstoff gearbeitet, dann ist nur ein Abgas mit einem Volumen von 1800 m³ zu arbeiten. Das sind nur 30% des Volumens der üblichen Müllverbrennung.

Die erhebliche Volumenverminderung bedeutet eine höhere Konzentration der Schadstoffe, die dann auch leichter abgeschieden werden können.

Weiterhin können die Anlagenteile einschließlich Brennkammer volumen­ mäßig erheblich reduziert werden. Eine weitere Folge ist, daß die or­ ganischen Schadstoffe, insbesondere Dioxine, die chlorierten Phenole, Hexachlorbenzol, die polyaromatischen Kohlenstoffe und die nicht voll­ ständig verbrannten Schadstoffe in ihrer Emission ganz oder weitestgehend vermieden werden können.

Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß die Verbrennung der Abfälle unter Schmelzen der mineralischen Bestandteile durchgeführt wird.

Diese Form des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, die Temperatur in der Brennkammer so hoch zu halten, daß die bei jeder Verbrennung von Abfällen entstehenden mineralischen Bestandteile zum Schmelzen gebracht werden. Die Schmelztemperatur der mineralischen Bestandteile aus der Hausmüllverbrennung schmelzen etwa im Temperaturbereich von 1200 bis 1400°C. Derartige hohe Temperaturen dürfen mit der üblichen Hausmüllverbrennung auf Rosten nicht erreicht werden, da das Rostsystem derartige Temperaturen nicht verträgt. Der Einsatz von reinem Sauerstoff unter Schmelzen der Rückstände erfordert deshalb auch eine geänderte Verbrennungseinrichtung. Zweckmäßigerweise wird in diesen Fällen ein Drehrohr eingesetzt. Hierzu ist es angebracht, den Müll zu zerkleinern und dann in einem mit keramischem Material aus­ gekleideten Drehrohr zu verbrennen. Die bei dieser hohen Temperatur ent­ stehende Schmelze fließt aus dem Drehrohr ab und kann entweder in Kokillen abgekühlt oder im Wasserbad abgeschreckt werden.

Eine andere Form der Schmelzeinrichtung sind Schmelzzyklone und -wannen. Sehr gut geeignet sind auch Schachtöfen, bei denen der Abfall oben eingegeben und verbrannt sowie unten die Schmelze abgezogen wird. Das Wasser kann auch den Abfällen oder Reststoffen in geforderter Menge zugemischt werden.

Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß zur Verdünnung von Sauerstoff ein Teil der Abgase dem Sauerstoff beigemischt wird.

Die aus der Verbrennungskammer abziehenden Gase werden bei allen Ab­ fallverbrennungsanlagen einer Wärmenutzung und einer Rauchgasreinigung unterzogen. Dabei werden sie auf ein Temperaturniveau von 80 bis 200°C abgekühlt. Zur Vermeidung von Überhitzungen in der Verbrennungskammer kann bei Bedarf dieses abgekühlte Abgas wieder in die Verbrennungskammer zurückgeführt werden. Dies setzt allerdings voraus, daß die Gesamtanlage volumenmäßig entsprechend vergrößert wird.

Eine weitere Form der Verdünnung von Sauerstoff besteht darin, daß Stickstoff, Wasserdampf und/oder Kohlendioxid zugesetzt wird.

Die Verdünnung mit Stickstoff, Wasserdampf und/oder Kohlendioxid bietet sich an, wenn zur Vermeidung von Temperaturspitzen oder zur Regelung der Temperatur in der Verbrennungskammer Verdünnungsgas erforderlich ist. Bevorzugt wird hierbei Wasser, Wasserdampf und/oder Kohlendioxid, da sie mit Sauerstoff keine weitere Reaktion eingehen.

Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß die Temperatur des Verbrennungssystems oberhalb des Schmelzpunktes der mineralischen Bestandteile der Abfälle gehalten wird.

Die bei der Verbrennung von Abfällen entstehenden Rückstände stellen für sich wieder ein Problem dar. Sie sind mit Schwermetallen, im geringen Maße auch mit organischen Stoffen und mit löslichen Salzen belastet. Bei der Ablagerung dieser Stoffe treten deshalb Probleme auf. Außerdem ist es extrem schwierig, für diese auslaugbaren Reststoffe Deponien zu finden. Wird die Verbrennung jedoch so geführt, daß die Rückstände in geschmolzener, d. h. verglaster Form vorliegen, dann können die verglasten Stoffe ohne Probleme abgelagert werden oder einer Verwertung zugeführt werden. Es ist deshalb erfindungsgemäß angebracht, die Temperatur im Verbrennungssystem so zu führen, daß sie oberhalb der Schmelztemperatur der mineralischen Bestandteile der Ab­ fälle liegt. Durch die Verwendung von reinem Sauerstoff wird dieses Verfahren sehr begünstigt. Falls der Heizwert der Abfälle nicht ausreicht, dann kann dieses durch Zugabe von Kohle und/oder Braunkohle erreicht werden.

Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß den Abfällen oder Reststoffen Stoffe zugesetzt werden, die unterhalb des Schmelzbereiches der mineralischen Bestandteile der Abfälle und/oder der Reststoffe oder im gleichen Temperaturbereich schmelzen.

Da bei der Verbrennung von Abfällen unter Sauerstoff erhebliche Wärme­ mengen frei werden, kann ein Teil der Wärme dazu benützt werden, andere Abfallstoffe, und zwar mineralische Abfallstoffe, die ebenfalls eingeschmolzen werden sollen, im gleichen Prozeß einzuschmelzen. Beispiele für derartige Stoffe sind Abfallgläser, Flugaschen und mineralische Rückstände aus zahlreichen industriellen Prozessen. Zu den Stoffen, die im gleichen Temperaturbereich schmelzen, zählen vorwiegend die Flugaschen und Schlacken sowie auch die Reaktionsprodukte aus der Abgasreinigung von anderen Abfallverbrennungsanlagen, die über keine Schmelzeinrichtung verfügen. Sie können im Verfahren unter Ver­ wendung von Sauerstoff mit eingeschmolzen werden.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens besteht im Einschmelzen von Reststoffen aus der Abfallbehandlung, insbesondere aus der Abfallverbrennung, und ist dadurch gekennzeichnet, daß diese mit kohlenstoffhaltigen Stoffen vermischt und mit unverdünntem Sauerstoff unter Schmelzen der mineralischen Bestandteile verbrannt werden.

Zum Einschmelzen von Rückständen aus der Abfallverbrennung sind bereits verschiedene Verfahren entwickelt worden. Sie beruhen darin, die Rückstände bzw. Reststoffe unter Zufuhr von Wärme, die aus elektrischer Energie gewonnen wird, einzuschmelzen. Eine andere Form besteht darin, die erforderliche Wärme durch Verbrennung von Öl den Rückständen bzw. Reststoffen zuzuführen.

Die Verwendung von elektrischer Energie führt zwar zu einem geringen Abgas, ist jedoch mit erheblichen Kosten verbunden. Außerdem wird Energie eingesetzt, die an anderen Orten ihrerseits wieder bei der Herstellung bzw. Gewinnung Emissionen verursacht hat. Das Einschmelzen unter Verbrennung von Öl zur Energiegewinnung führt zu erheblichen Ab­ gasmengen, die mit Stäuben und verflüchtigten Schadstoffen belastet sind.

Das Einschmelzen der Rückstände hat den Zweck, auslaugfeste, verwertbare Produkte zu schaffen.

Wesentlich wirtschaftlicher und einfacher ist es jedoch, die Reststoffe aus der Abfallverbrennung mit fossilen Brennstoffen fein aufzumahlen und dann unter Einsatz von Sauerstoff den Schmelzprozeß unter Verbrennung der fossilen Brennstoffe durchzuführen.

Zweckmäßigerweise werden die fossilen Brennstoffe und die Reststoffe fein vermahlen eingesetzt. Sie können hierzu in grobstückiger Form ge­ meinsam vermahlen oder bereits in pulverisierter Form vermischt werden.

Als fossile Brennstoffe können Kohle und Braunkohle eingesetzt werden. Ihre Verbrennung mit Sauerstoff liefert erhebliche Mengen an Wärme und setzt als einziges Verbrennungsprodukt Kohlendioxid frei. Die geringen Mengen Kohlendioxid schleppen auch nur geringe Mengen Staub mit sich, da die Gasbewegung sehr gering ist. Aus der geringen Abgasmenge lassen sich die verflüchtigten Schadstoffe und der mitgerissene Staub ohne Probleme abscheiden. In speziellen Fällen kann es angeraten sein, das entstandene Kohlendioxid mit Natronlauge oder Kalkmilch auszuwaschen und zu einem abgaslosen Betrieb zu gelangen.

Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß als kohlenstoffhaltige Stoffe Kohle, Koks, Bitumen, Braunkohle, Teer, Öl und/oder Holz eingesetzt werden.

Bevorzugt werden Kohle, Koks und Braunkohle, da sie sich mit den festen Rückständen bequem vermischen und mahlen lassen. Holz ist weniger geeignet, da es bei der Verbrennung erhebliche Mengen Wasserdampf liefert, die zu einem erhöhten Abgasvolumen beitragen. Geeignete Kohlen sind auch die verbrauchten Aktivkohlen von Abgasrei­ nigungsanlagen.

Sehr geeignet ist das Verfahren der Verbrennung unter Einsatz von Sauerstoff zur Behandlung der kohlenstoffhaltigen Rückstände der Pyrolyse von Abfallstoffen. Diese Rückstände enthalten bis zu 25% Kohlenstoff.

Als Verbrennungsaggregate bei Einsatz von Sauerstoff kommen bevorzugt Drehrohre in Frage. Da erhebliche Wärmemengen abzuführen sind, können diese auch mit Kühleinrichtungen versehen sein.

Geeignete Schmelzeinrichtungen sind Schachtöfen, Schmelzwannen und Schmelzzyklone.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird zur Verbrennung von Abfällen und zum Einschmelzen der Reststoffe aus der Verbrennung eingesetzt. Damit eignet es sich für Müllverbrennungs-, Sondermüllverbrennungs- und Klärschlammverbrennungsanlagen sowie für alle weiteren thermischen An­ lagen, die mineralische Rückstände produzieren.

Beispiel

1 kg trockene Rückstände (Schlacke, Flugstäube und Reaktionsprodukte aus der Abgasreinigung) wurden mit 100 g Steinkohle fein vermahlen und unter Sauerstoffatmosphäre in einem Schmelzofen verbrannt. Bei Temperaturen von 1600°C schmolzen die Reststoffe zu einer glasartigen Masse, die beim Abkühlen zu einem auslaugfesten Produkt erstarrte. An Abgas fielen 0,22 m³ an, im wesentlichen Kohlendioxid.

Claims (10)

1. Verfahren zur thermischen Behandlung von Abfällen und Reststoffen, dadurch gekennzeichnet, daß als Oxidationsmittel reiner Sauerstoff ohne Verdünnung eingesetzt und die Verbrennung durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennung unter Schmelzen der mineralischen Bestandteile durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verdünnung von Sauerstoff ein Teil der Abgase dem Sauerstoff beigemischt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß Sauerstoff mit Stickstoff, Wasser, Wasserdampf und/oder Kohlendioxid verdünnt eingesetzt wird.

5. Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Verbrennungssystems oberhalb des Schmelzpunktes der mineralischen Bestandteile gehalten wird.

6. Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß den Abfällen oder Reststoffen Stoffe zugesetzt werden, die unterhalb des Schmelzbereiches der mineralischen Bestandteile der Abfälle und/oder der Reststoffe oder im gleichen Temperaturbereich schmelzen.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß Schlacke und/oder Flugstaub aus der Verbrennung von Abfällen und/oder Reak­ tionsprodukte aus der Abgasreinigung zugesetzt werden.

8. Verfahren zum Einschmelzen von Reststoffen aus der Abfallbehandlung, insbesondere aus der Abfallverbrennung, dadurch gekennzeichnet, daß diese mit kohlenstoffhaltigen Stoffen vermischt und mit unverdünntem Sauerstoff unter Schmelzen der mineralischen Bestandteile verbrannt werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als kohlen­ stoffhaltige Stoffe Kohle, Koks, Pyrolyserückstände, verbrauchter Koks aus Abgasreinigungsanlagen, Bitumen, Teer, Öl und/oder Holz eingesetzt werden.

10. Verfahren nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Reststoffe aus der Abfallbehandlung mit den kohlenstoffhaltigen Stoffen vermischt, zu staubförmigem Pulver vermahlen und in geeigneten Schmelzeinrichtungen verbrannt werden.