DE4104252A1

DE4104252A1 - Entsorgungsverfahren fuer schadstoffbelastete, kohlenstoffhaltige abfallstoffe

Info

Publication number: DE4104252A1
Application number: DE4104252A
Authority: DE
Inventors: Manfred Dr Ing Schingnitz; Peter Dr Ing Goehler
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1991-02-13
Filing date: 1991-02-13
Publication date: 1992-08-20
Anticipated expiration: 2011-02-14
Also published as: DE4104252C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Entsorgungsverfahren für schadstoffbelastete, kohlenstoffhaltige Abfallstoffe unter Verwertung ihres Kohlenstoff- und Energieinhalts für metallurgische Zwecke. Dabei sind unter schadstoff belasteten, kohlenstoffhaltigen Abfallstoffen Klärschlämme aus kommu nalen und industriellen Abwasserkläranlagen, Sedimente aus organisch verschmutzten Gewässern, Shredder-Rückstände mit hohem Kunststoffanteil, Abfälle der Kunststoffproduktion und ähnliche Abfälle, aber auch schwermetall- oder chlorbelastete Altöle und Öl-Emulsionen zu verstehen.

In kommunalen und industriellen Anlagen zur Abwasserbehandlung fallen größere Mengen an Klärschlämmen an, die, bezogen auf wasserfreien Zustand, einen relativ hohen Anteil an organischem Material aufweisen. Das in der Vergangenheit viel genutzte Verfahren, den Klärschlamm auf landwirtschaftlich genutzte Flächen auszubringen, um damit die Boden struktur zu verbessern, ist heute wegen des überhöhten Gehaltes an Schwermetallen und toxischen Inhaltsstoffen im Klärschlamm in der Regel nicht möglich.

Es ist industriell eingeführt, den Klärschlamm für sich oder gemeinsam mit anderen Abfällen für diesen Zweck zugeschnittenen Verbrennungsan lagen zuzuführen.

Durch die Verbrennung entsteht in der Regel eine feinkörnige Asche, deren Unterbringung auf Deponien einerseits wegen ihrer geringen Schütt dichte, andererseits wegen der Gefahr der Auslaugung von Schwermetallen und Salzen durch atmosphärische Wässer sehr problematisch ist und hohen technischen Aufwand fordert. Es ist deshalb auch vorgeschlagen worden, die bei der Verbrennung anfallende Asche des Klärschlammes nachträglich, gegebenenfalls unter Zusatz geeigneter Zuschläge, zu einer glasartigen Schlacke einzuschmelzen. Das nach Abkühlung der schmelzflüssigen Schlacke entstehende Granulat ist günstiger zu deponieren. Der zusätz liche Aufwand für das nachträgliche Einschmelzen ist jedoch erheblich.

Die bei der Verbrennung gebildeten Rauchgase und der mitgeführte Flugstaub enthalten eine Vielzahl von Schadstoffen anorganischer Natur, wie flüchtige Schwermetalle, Chlorwasserstoff, Schwefel- und Stickstoff oxid, und organischer Natur, wie hochgiftige Dioxine und Furane oder polyzyklische Kohlenwasserstoffe. Die Reinigung der Rauchgase ist dementsprechend technisch recht aufwendig und teuer und erfüllt vielfach nicht die aus der Sicht des Umweltschutzes gestellten Forderungen.

Praktisch die gleichen Schwierigkeiten ergeben sich, wenn andere schad stoffbelastete, kohlenstoffhaltige Abfallstoffe, wie beispielsweise organisch verschmutzte Sedimente aus Gewässern, kunststoffreiche Rück standsfraktionen aus der Verschrottung von Kraftfahrzeugen, Abfälle aus der Kunststoffproduktion oder Hausmüllfraktionen verwertet bzw. schadlos untergebracht werden sollen. Das gilt auch für Lösungsmittelreste, Alt öle bzw. unverwertbare Restfraktionen der Altölaufbereitung oder ver brauchte Ölemulsionen, die wegen ihres Gehaltes an Chlorverbindungen, darunter auch Polyzyklische Biphenyle (PCB), besonders zur Dioxinbildung bei der Verbrennung neigen.

In der Technik der Roheisenerzeugung im Hochofen ist es bekannt, über die Windformen des Hochofens eine beschränkte Menge an Kohlenstaub gemeinsam mit dem Wind in das Gestell des Hochofens einzublasen. Der Kohlenstaub verbrennt innerhalb des Gestells unter Bildung von Kohlen monoxid, das bei Aufstieg durch den Schacht des Hochofens zur Reduktion der Eisenerze beiträgt. Außerdem erleichtert die Kohlenstaubeinblasung die Steuerung des Ofenganges.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Entsorgungsverfahren für schadstoffbelastete kohlenstoffhaltige Abfälle der genannten Art zu schaffen, das eine weitgehende nutzbringende Verwertung des Stoff- und Energieinhaltes dieser Abfälle gestattet, zu auslaugfesten, verwertbaren oder problemlos deponierbaren mineralischen Rückständen in Form von Schlacken führt und die Bildung von hochtoxischen chlororganischen Ver bindungen wie Dioxine ausschließt.

Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, daß die zu entsorgenden schadstoffbelasteten und kohlenstoffhaltigen Abfallstoffe in einen fließfähigen Zustand gebracht und gemeinsam mit einem Windstrom über die Windformen in das Gestell eines üblichen metallurgischen Schachtofens eingeführt werden, in dessen Oberteil ein Möller, in der Regel ein Gemisch von Erzen und stückigem Koks, von einem im Gestell des Ofens entstehenden, aufsteigenden, reduzierend wirkenden Gas durchströmt und aufgeheizt wird, und in dessen Gestell der Möller beziehungsweise die aus ihm entstandenen Produkte Metall und Schlacke aufgeschmolzen und schmelzflüssig abgestochen werden.

Vorzugsweise ist der genannte metallurgische Schachtofen ein Hochofen für die Roheisenerzeugung. Die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens und die weitere Ausgestaltung der Erfindung sei deshalb am Beispiel der Verwendung eines solchen Hochofens erläutert. Die Über tragung auf einen anderen metallurgischen Schachtofen, beispielsweise aus der Buntmetallurgie, ist für den Fachmann einfach nachvollziehbar.

Wie bereits dargestellt, werden die in fließfähige Form gebrachten Abfallstoffe in die den einzelnen Windformen zugeführten heißen Windströme eingeführt und mit dem Wind gemeinsam in das Gestell des Hochofens eingebla sen. In dem sich vor der Mündung der Windformen im Gestell ausbildenden Hohlraum verbrennt der organische Anteil der eingeführten Abfallstoffe. Bei den in diesem Bereich herrschenden Temperaturen von etwa 2000°C wird durch den Überschuß an Koks aus dem Möller das gebildete Kohlendioxid sofort zu Kohlenmonoxid reduziert, sofern nicht bereits primär Kohlenmonoxid gebildet wird. Ebenso wird der im Abfallstoff enthaltene gebundene Wasserstoff und sein Feuchtigkeitsgehalt zu gasförmigem Wasserstoff umgewandelt.

Das durch Umsatz der Abfallstoffe entstehende Gas steigt zusammen mit dem übrigen, durch Umsatz des Windes mit Koks aus dem Möller entstehende Formengas in der im Schacht abwärts rutschenden Möllersäule aufwärts. Der aus den Abfallstoffen stammende Anteil an reduzierenden Gaskomponenten (CO und H₂) wird für die indirekte Reduktion der Eisenerze, die durch Umsatz der Abfallstoffe frei gewordene Wärmemenge für die Aufheizung des Möllers genutzt. Entsprechend kann der auf die Menge des erzeugten Roheisens bezogene Kokssatz im Möller reduziert werden. Der Einsatz der Abfallstoffe bringt also eine Einsparung an metallurgischem Koks.

Analog zur bekannten Technik der Injektion von Kohlenstaub in die Windformen von Hochöfen wird das Verhältnis von Abfallstoff zu Heißwind so eingestellt, daß nur ein relativ kleiner Teil des mit dem Wind eingeführten Sauerstoffes durch Umsatz mit dem Abfallstoff verbraucht wird und abhängig von Temperatur und Feuchtigkeitsgehalt des Windes die für den Ablauf des Hochofenprozesses erforderliche Temperaturen im Gestell eingehalten werden. In der Regel wird das Verhältnis von einge führtem Abfallstoff zu Wind einen Wert von 100 g/m³i.N. nicht überschrei ten.

Unter den im Gestell gegebenen Bedingungen erfolgt vollständiger Umsatz von organischen Verbindungen, das betrifft auch chlorierte organische Verbindungen einschließlich hochtoxischer Dioxine und Furane. Es wurde gefunden, daß im Gegensatz zu Verbrennungsanlagen auch eine nachträg liche Synthese von Dioxinen und Furanen während der Abkühlung des im Gestell gebildeten und durch die Möllersäule aufsteigenden Gases in den oberen Zonen des Schachtes nicht stattfindet. Das am Kopf des Hochofens abgeführte Gichtgas kann also unbedenklich weiter verwertet werden.

Es wurde weiter gefunden, daß die im eingesetzten Abfallstoff enthal tenen mineralischen Bestandteile aufgeschmolzen und entweder von der Hochofenschlacke (das betrifft insbesondere die Komponenten CaO, MgO, SiO₂, Al₂O₃) oder von flüssigem Roheisen aufgenommen werden. Das gilt auch für den Schwermetallinhalt. Unter Beachtung der obengenannten Relationen von Abfallstoff und Wind wird der übliche Qualitätsbereich für das Roheisen und für die Schlacke eingehalten. Damit sind auch übliche Verwertungsmöglichkeiten für die Hochofenschlacke gegeben. Im Ausnahmefall ist die Deponie der Schlacke ohne Gefahr der Eluation von Schadstoffen durch atmosphärische Wässer möglich.

Viele der in Frage kommenden Abfallstoffe haben eine kalk- und magnesiumreiche Asche, das trifft besonders für Klärschlämme aus kommu nalen Abwasseranlagen zu. In diesem Falle kommt auch sein Kalk- und Magnesiuminhalt dem metallurgischen Prozeß zugute, so daß Einsparungen an Kalkzusatz zum Möller möglich sind. In gleicher Weise wird der für Klärschlamm typische, erhöhte Phosphatgehalt für den Hochofenprozeß nutzbar.

Je nach Art des zu entsorgenden Abfallstoffes wird dieser in flüssiger Form, das betrifft z. B. schadstoffbelastete Altöle, als pumpfähiges Feststoff-Flüssigkeitsgemisch oder in feinkörniger, in einem Trägergas strom suspendierter Form in den Windstrom eingeführt. Der Einsatz von Feststoff-Flüssigkeitsgemischen ist besonders vorteilhaft, wenn feste pulverförmige oder zu Pulver vermahlbare Abfallstoffe und Altöle gleichzeitig zu entsorgen sind. Doch ist auch Wasser als Trägerflüs sigkeit möglich. In diesem Fall kann der mit der Verdampfung und der Zersetzung des Wassers verbundene zusätzliche Wärmebedarf im Gestell durch Anhebung der Heißwindtemperatur, gegebenenfalls auch durch Anrei cherung des Windes mit Sauerstoff kompensiert werden.

Zur Herstellung von fließfähigen Feststoff-Trägergas-Suspensionen ist der zu entsorgende, feste Abfallstoff zunächst zu einem feinkörnigen oder staubförmigen Produkt aufzubereiten. Dafür stehen, abhängig von Art und Konsistenz des Abfallstoffes, bekannte, in der Technik eingeführte Verfahren zur Trocknung und Zerkleinerung zur Verfügung. Die pneuma tische Einführung des aufbereiteten Abfallstoffes in den Windstrom kann dann mit den in der Hochofentechnik bekannten, beispielsweise in der Patentschrift DD 1 39 271 beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen zur Injektion von Kohlenstaub in die Windformen von Hochöfen erfolgen.

Die Abfallstoffe werden vorzugsweise innerhalb der Windformen in den Windstrom eingeführt. Auch dafür können bekannte Vorrichtungen für die Injektion von Kohlenstaub übernommen werden. Die in den Windformen herrschenden hohen Strömungsgeschwindigkeiten führen zur raschen Verteilung des Abfallstoffes im Windstrom. Die im Hochofenbetrieb üblichen Heißwindtemperaturen und die im Gestell herrschenden Temperaturen führen zu einer praktisch verzögerungsfreien Zündung.

Die Erfindung sei an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Die beiliegende Zeichnung zeigt schematisch einen Hochofen zur Roheisen erzeugung, der für die Verwertung von Klärschlamm herangezogen wird, sowie die zur Einführung des Klärschlammes benutzten Einrichtungen.

Für die Entsorgung von Klärschlamm aus einer Kläranlage, die der Reinigung eines Gemisches von Kommunal- und Industrieabwasser dient, wird ein unter üblichen Bedingungen betriebener Hochofen herangezogen.

Der Hochofen 1 mit dem Gestell 2 und der Gichtglocke 3 wird über diese Gichtglocke mit einem Möller aus Eisenerzen, Koks und Zuschlagstoffen beschickt. Über 14, auf dem Umfang verteilte Windformen 4, wird aufgeheizter Wind in das Gestell 2 geblasen. Der in einer Cowpergruppe auf etwa 950°C vorgeheizte Wind wird diesen Windformen über Windleitung 6 und Heißwind-Ringleitung 5 zugeführt. Das in der Windformenebene durch exothermen Umsatz des Sauerstoffinhaltes zu Kohlenmonoxid gebildete Formengas mit einer Temperatur von ca. 2000°C heizt beim Aufstieg durch den Schacht des Hochofens 2 den langsam absinkenden Möller auf und übernimmt einen wesentlichen Anteil der Reduktionsarbeit zur Überführung der Eisenerze in metallisches Eisen. Mit einem Restgehalt von Kohlenmonxid wird es als Gichtgas über die Gichtglocke 3 aus dem Hochofen 2 abgeführt und für Heizzwecke genutzt. Metallisches Eisen und die übrigen, nach Abbrand des Kokses verbleibenden Bestandteile des Möllers werden unter Wirkung des heißen Formengases aufgeschmolzen und als Roheisen über die Roheisenabstichvorrichtung 8 und als vom Roheisen sich trennende Schlacke über die Schlackenabstichvorrichtung 7 abgezogen. Die schmelzflüssige Schlacke wird in Kontakt mit Wasser zur Erstarrung und Granulation gebracht und im wesentlichen für die Erzeugung von Zement verwertet.

Der Zuführung von Klärschlamm zum Hochofen 2 dient eine nach einem Dichtstromprinzip arbeitende, pneumatische Einspeis- und Dosieranlage, bestehend aus einem Vorratsbunker 10, einer Kammerschleuse 11 mit den Absperrarmaturen 12 und einem Dosierbehälter 13. In einem verjüngten Unterteil 14 des Dosierbehälters ist ein poröser Anströmboden 15 angeordnet, über den über die Zuleitung 16 ein Trägergas in das genannte Unterteil eingeführt werden kann. Der Dosierbehälter 13 ist durch Förderleitungen 9 mit den Windformen 4 verbunden. Die insgesamt 14, jeweils einer Windform 4 zugeordneten Förderleitungen 9, beginnen im Unterteil 14 des Dosierbehälters, werden axial in die jeweilige Windform eingeführt und enden kurz vor einer düsenartigen Verjüngung, mit der die Windform in das Gestell 2 mündet.

Der Klärschlamm wird in einer in der Figur nicht dargestellten Aufberei tungsanlage über Filter entwässert und anschließend auf Restwassergehalt von ca. 5% thermisch getrocknet. In Form eines rieselfähigen Staubes gelangt der getrocknete Klärschlamm in den Vorratsbunker 10 und wird über die zyklisch betriebene Kammerschleuse 11 dem unter einem Überdruck von ca. 0,4 MPa stehenden Dosierbehälter 13 zugeführt. Auf die Darstel lung der für den Betrieb der Kammerschleuse 11 erforderlichen Einrich tungen zum Bespannen nach der Füllung und zum Entspannen nach der Ent leerung in den Dosierbehälter 13 ist verzichtet worden. Für die Bespan nung wird, wie auch als Trägergas, Stickstoff eingesetzt.

Im oberen Teil des Dosierbehälters 13 bildet der Klärschlamm eine Schüttung, die langsam in das Unterteil 14 rutscht. Durch das Einblasen von Trägergas wird dort oberhalb des Anströmbodens 15 eine Wirbelschicht erzeugt. Der auf diese Weise fluidisierte Klärschlamm tritt mit dem Trägergas in die einzelnen Förderleitungen 9 ein und wird unter der Wirkung eines Überdruckes der jeweiligen Windform 4 zugeführt. Bei den in der Windform herrschenden Strömungsgeschwindigkeiten des Heißwindes ist äußerst rasche Auflösung des Klärschlamm-Trägergasgemisches und ausreichende Verteilung über den Querschnitt des Heißwindtraktes gesichert. Die gefahrene Heißwindtemperatur sorgt für spontane Zündung. Mit der installierten Einspeis- und Dosieranlage wird eine gleichmäßige Aufteilung des Klärschlammes auf alle Windformen erreicht.

Der Hochofen wird mit einer Roheisenleistung von 900 t/24 h betrieben. Der Heißwind-Durchsatz beträgt dabei 65 000 m³i.N./h, entsprechend 4650 m³i.N./h je Windform. Zur Entsorgung gelangen 72 t/24 h, also 3 t/h vorgetrockneter Klärschlamm folgender Zusammensetzung:

Wasser\|5,7%
Kohlenstoff (organ.)	23,3%
Wasserstoff	3,0%
Stickstoff	2,4%
Schwefel (total)	1,0%
Chlor (Cl^-)	0,2%
SiO₂	11,3%
Al₂O₃	6,2%
Fe₂O₃	2,1%
CuO	21,7%
MgO	1,8%
K₂O	0,6%
Na₂O	0,4%
P₂O₅	4,7%
CO₂ (karbonatisch)	4,0%
Heizwert	13,0 MJ/kg

Gehalt an Spurenmetallen:

As\|15 ppm
Cd	2 ppm
Cr	220 ppm
Cu	430 ppm
Hg	3 ppm
Mn	240 ppm
Ni	40 ppm
Sb	3 ppm
Sn	10 ppm
Pb	350 ppm
V	35 ppm
Zn	1600 ppm

Der Gehalt an organischen Schadstoffen wurde nicht bestimmt. Erfahrungs gemäß sind polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe und polychlo rierte Biphenyle als größte Schadstoffgruppen in der Größenordnung von ppm zu erwarten.

Für den Transport des Klärschlammes zu den Windformen des Hochofens wurden 60 m³i.N./h Stickstoff als Trägergas in das Unterteil 14 des Dosierbehälters eingeblasen und mit dem Klärschlamm dem Hochofen zugeführt. Die Klärschlammbelastung einer Windform 4 beträgt bei relativ sehr kleiner Streubreite 215 kg/h. Bezogen auf die Windmenge wurden 46 g/m³i.N. trockener Klärschlamm zugeführt, das entspricht 80 kg/t Roheisen.

Unter diesen Bedingungen werden die mineralischen Bestandteile des Klär schlammes einschließlich des Anteils an Spurenmetallen praktisch voll ständig in Roheisen und Schlacke gebunden. Qualitätsbeeinträchtigungen beim Roheisen oder Probleme hinsichtlich der Einsatzmöglichkeiten der Schlacke für die Zementerzeugung ergeben sich nicht. Toxische organische Verbindungen werden im Gichtgas innerhalb der Analysengenauigkeit nicht nachgewiesen. Das gilt auch für Dioxine. Damit ist eine sehr umwelt freundliche Entsorgung gegeben. Zusätzlich bringt die im Ausführungsbei spiel dargestellte Fahrweise im Vergleich zum Hochofenbetrieb ohne Klär schlamm eine Einsparung von etwa 30 kg metallurgischem Koks je Tonne Roheisen, entsprechend einem Ersatzverhältnis von 0,38 kg Koks je kg trockener Klärschlamm, sowie eine kleinere Einsparung an Kalk.

1 Hochofen
2 Gestell
3 Gichtglocke
4 Windformen
5 Heißwind-Ringleitung
6 Windleitung
7 Schlackeabstichvorrichtung
8 Roheisenabstichvorrichtung
9 Förderleitungen
10 Vorratsbunker
11 Schleuse
12 Absperrarmaturen
13 Dosierbehälter
14 Unterteil des Dosierbehälters
15 Anströmboden
16 Zuleitung für Trägergas

Claims

1. Entsorgungsverfahren für schadstoffbelastete kohlenstoffhaltige Abfallstoffe, dadurch gekennzeichnet, daß die Abfallstoffe in einen fließfähigen Zustand gebracht und gemeinsam mit einem Windstrom in ein Gestell eines metallurgischen Schachtofens eingeführt werden, in dessen Oberteil ein Möller von einem aufsteigenden, reduzierend wirkenden Gas durchströmt und aufgeheizt und in dessen Gestell der Möller in einen Schmelzfluß überführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Abfallstoff, gerechnet als Trockenmasse, zu Windmenge kleiner als 100 g/m³i.N. eingestellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der metallurgische Schachtofen ein Hochofen zur Roheisengewinnung ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abfallstoffe zur Erreichung des fließfähigen Zustandes in die Form eines pumpfähigen Feststoff-Flüssigkeits-Gemisches gebracht werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ab fallstoffe zur Erreichung des fließfähigen Zustandes in feinkörniger Form in einem Trägergasstrom suspendiert sind.