DE4104507A1

DE4104507A1 - Verfahren und vorrichtung zur kontinuierlichen verarbeitung von pyrolyseprodukten, insbesondere des hausmuells, in einem schachtfoermigen reaktor zu wiederverwertbaren produkten

Info

Publication number: DE4104507A1
Application number: DE19914104507
Authority: DE
Inventors: Des Erfinders Auf Nennung Verzicht
Original assignee: Individual
Current assignee: Thermoselect AG
Priority date: 1991-02-14
Filing date: 1991-02-14
Publication date: 1992-10-15
Anticipated expiration: 2011-02-15
Also published as: DE4104507C2

Description

Zur Verarbeitung von Abfällen, insbesondere Hausmüll, sind verschie dene Pyrolyseverfahren bekannt. Sie arbeiten unter Luftabschluß und Temperaturen zwischen 350 und 1000°C, auch unter Anwendung von erhöhten Drücken. Infolge thermischer Zersetzung entstehen neben den Stoffen, die nicht reagieren (vornehmlich Metalle und Glas), feste, flüssige und gasförmige (Brenn-)Stoffe.

Die Zusammensetzung der Pyrolyseprodukte ist von der Pyrolyseend temperatur abhängig. Die festen Rückstände bestehen neben den be reits erwähnten Stoffen aus Kohlenstoff als Zersetzungsprodukt. Dieser liegt bei mittleren Pyrolysetemperaturen bei etwa 50% der festen und bei 20% der gesamten Pyrolyseprodukte.

Die Teer-Ölkondensatbildung erreicht im Bereich von 350-500°C ihr Maximum von etwa 4% der gesamten Produkte und ist somit ver nachlässigbar klein. Der Anteil an wäßrigem Kondensat entspricht im wesentlichen dem Wassergehalt des Hausmülls. Er bleibt bei Pyro lysetemperaturen größer 350°C ziemlich konstant (etwa 30% der Pyrolyseprodukte) und ist bei diesen Temperaturen dampfförmig.

Der Anteil der Gase in den Pyrolyseprodukten nimmt mit steigender Temperatur zu und beträgt bei Temperaturen größer 400°C etwa 20%. Auch die Zusammensetzung der Gase ist von der Pyrolyseendtempera tur abhängig: Der organische Anteil und der Wasserstoffgehalt neh men mit höherer Temperatur zu; jedoch liegt der Wasserstoffgehalt nicht weit über 1%. Der CO₂-Anteil nimmt mit steigender Tempera tur von etwa 50% auf 45% ab. Der CO-Anteil bleibt mit kleiner 30% unabhängig von der Pyrolysetemperatur ziemlich konstant.

Alle Prozentangaben sind Gewichtsprozente.

Die Pyrolyseprodukte sind im wesentlichen ein minderwertiges Gas und eine (feste) Masse aus Kohlenstoff, Glas, Metallen und ähn lichen Bestandteilen des Hausmülls. Sie sind also zur Weiterverwendung nicht geeignet und müssen zu diesem Zweck einer zusätz lichen Behandlung unterzogen werden.

Für diese Weiterbehandlung der Pyrolyseprodukte wird ein konti nuierlich arbeitender Reaktor mit folgenden Verfahrensabläufen vorgeschlagen:

- Der Kohlenstoff wird mittels stöchiometrischer Sauerstoffzufuhr zu CO als Endprodukt verbrannt und liefert dabei die Verfahrens wärme.
- Aluminiumteile werden ebenfalls stöchiometrisch mit Sauerstoff verbrannt und liefern ebenfalls Wärme. Das Verbrennungsprodukt, die Tonerde (Al₂O₃), geht in die Schlacke über.
- Metalle und Schlackenbildner werden verflüssigt und im flüssi gen Zustand getrennt.
- Das CO₂ im Pyrolysegas wird über die Boudouard-Reaktion zu CO umgewandelt.
- Der Wasserdampf in den gasförmigen Pyrolyseprodukten wird über die Wassergasreaktion zu CO und H₂ umgewandelt.
- Teere, Öle und organische Gase der gasförmigen Pyrolyseprodukte werden weiter zersetzt.

Die Produkte des Reaktorverfahrens sind also:

- Ein brennbares Gasgemisch mit hohem Heizwert, das im wesentlichen aus CO und H₂ besteht. Für dieses Gas sind verschiedene Verwen dungszwecke möglich wie Heizung, Energieerzeugung etc.
- Ein Roheisen-Metall, das z. B. als Einsatzstoff für metallurgi sche Verfahren verwendet werden kann.
- Eine Schlacke mit glasähnlicher Zusammensetzung, die im wesent lichen aus SiO₂ und Al₂O₃ besteht. Diese Schlacke kann zu Bau zwecken verwendet werden.

Eine vorteilhafte Ausbildung des erfindungsgemäßen Reaktors ist ein Schacht. Die Leistung von Schachtöfen ist einsatzabhängig und wird bei gleichem Einsatz von der spezifischen Herdfläche bestimmt (t/m² · h). Schachtöfen zur Erzeugung von Gußeisen (Kupolöfen) haben eine spezifische Herdbelastung von etwa 10 t Gußeisen/m² · h. Bei Schachtöfen für die Herstellung von Steinwolle liegt die spe zifische Herdbelastung nur bei 3 t/m² · h.

Da bei dem erfindungsgemäßen schachtförmigen Reaktor die Einsatz zusammensetzung schwankt, der Einsatz aus festen und gasförmi gen Pyrolyseprodukten besteht und das Hauptprodukt ein brennbares Gas ist, unterscheidet er sich von den üblichen Schachtöfen. Die spe zifische Herdbelastung kann somit nicht in Produktion pro m² Herd fläche und Stunde ausgedrückt werden. Wegen der Verarbeitung großer Gasmengen ist jedoch eine geringe Herdbelastung anzustreben. Pro m² Herdfläche können die festen und gasförmigen Pyrolyseprodukte von 4-5 t Hausmüll durchgesetzt werden.

Die Schütthöhe im Schacht hängt von der Durchgasungseigenschaft der festen Pyrolyseprodukte und von dem Druck im unteren Reaktor raum ab.

Zur Vereinheitlichung der Durchgasungsfähigkeit und zur Vergrößer ung der Reaktionsflächen werden die festen Pyrolyseprodukte vor Eintritt in den Schacht zu Stücken gebrochen, die im wesentlichen kleiner 60 mm sind. Metallteile behalten dabei weitgehend die Form, die sie im Pyrolyseverfahren angenommen haben. Das Schüttgewicht der gebrochenen Pyrolyseprodukte schwankt je nach Zusammensetzung. Es kann im Mittel mit 0,9 t/m³ angenommen werden. Unter diesen Um ständen hat sich eine Schüttsäule im Reaktor von 1,2 bis 2,5 m als vorteilhaft erwiesen.

Der Druck im unteren Reaktorteil wird aus Sicherheitsgründen niedrig gehalten (etwa 1000 mm WS). Er nimmt bei der Durch strömung der Schüttsäule ab.

Die Temperatur der zu verarbeitenden Pyrolyseprodukte entspricht der Pyrolyseendtemperatur. Sie werden unter Luftabschluß dem Reak tor zugeführt.

Der Herd des Schachtes ist durch einen flüssigen Roheisensumpf ab gedeckt, der sich aus den Eisenbestandteilen des Hausmülls und dem Kohlenstoff bildet. Im Roheisen sind andere Metalle gelöst. Die Dich te des Roheisensumpfes ist 6,8 t/m³. Auf dem Roheisen schwimmt die flüssige Schlacke mit einer Dichte von 2,6 t/m³. Somit werden die se Phasen getrennt. Die beiden Phasen laufen auch getrennt über zwei Abstiche ab. Vorteilhaft sind freilaufende Siphonabstiche. Da durch werden Schlacken- und Roheisenschicht immer auf konstantem Niveau gehalten, die schwankende Zusammensetzung dieser Stoffe im Müll egalisiert und der Prozeß im Reaktor vereinfacht.

Bei der Positionierung der Ausläufe ist beim Schlackenabstich der Druck im Reaktor und beim Roheisenabstich zusätzlich die Dicke (Gewicht) der Schlackenschicht zu berücksichtigen.

Zum Entleeren des Reaktors befindet sich am tiefsten Punkt des Herdes, dessen Sohle leicht geneigt ist, ein zusätzlicher Abstich. Dieser ist normalerweise verschlossen und wird nur im Bedarfsfall geöffnet.

Der Schacht ist oberhalb der Herdsohle mit einem Mannloch versehen. Dieses dient zum Ausräumen und zur Durchführung von Arbeiten im Reaktorinneren.

Der Verbrennungssauerstoff wird mittels einer Ringleitung und über den Umfang des Schachtes verteilte Düsen in den Verbren nungsraum geblasen. Die Düsen sind vorteilhaft aus Kupfer herge stellt und durch einen Wasserzwangsumlauf gekühlt. Sie haben eine Neigung von kleiner 10°, vorteilhaft 9°, und sind so angeordnet, daß die Sauerstoffstrahlen sich theoretisch in Ofenmitte etwas oberhalb der Schlackenschicht treffen. Die Düsen können durch eben falls wassergekühlte Kupfereinsätze geführt werden, die im vorge gebenen Winkel an den Außenmantel angeflanscht werden. Auch eine leicht tangentiale Anordnung der Düsen ist möglich.

Anstelle des Sauerstoffs kann aus wirtschaftlichen Gründen auch mit sauerstoffangereicherter Luft oder mit Luft gearbeitet werden. Wird mit Luft geblasen, so ist diese vorteilhaft mittels der Abgase vorzuwärmen. Der Nachteil ist, daß das Verfahren und die brennbaren Gase Stickstoff als Ballast führen.

Der Schacht wird durch einen Blechmantel gebildet. Der Reaktorinnen raum ist entweder ganz zugestellt oder nur der Herd bis zu einer Ebene, die etwa 500 mm oberhalb der Sauerstoffdüsen liegt. Der Schacht wird auf eine der bekannten Arten mit Wasser gekühlt. Es ist von Vorteil, auch den Blechmantel in der Herdgegend zu kühlen.

Die gasförmigen Pyrolyseprodukte werden unter Luftabschluß mittels Düsen im oberen Reaktorraum über die Oberfläche der Schüttsäule ge blasen. Vorteilhaft wird dazu wieder eine Ringleitung mit wasserge kühlten Kupferdüsen benutzt. Dadurch wird eine Mischung und ein Temperaturausgleich zwischen den gasförmigen Pyrolysegasen und den Reaktorgasen erreicht. In Kontakt mit der glühenden Kohleschicht wird der Wasserdampf nach der endothermen Wassergasreaktion zer setzt:

C+H₂O = CO+H₂+31,4 kcal/mol.

Dadurch werden Reaktorgase und Schacht zusätzlich gekühlt. Es werden 0,67 kg C je kg Wasserdampf verbraucht, die dem Reaktorprozeß ver lorengehen. Insgesamt ist der Wärmeverlust, wenn der Wasserdampf mit einer Temperatur von 400°C eingebracht wird, etwa 4,3 kWh je kg Was serdampf. Diese finden sich aber praktisch im Heizwert des Wasser gases wieder.

Wenn die festen und gasförmigen Pyrolyseprodukte mit 400°C in den Reaktorschacht eingebracht werden, liegen die Temperaturen im Reak tor bei:

- Schüttsäule (Kohle)
unten	2000°C
oben	1100°C
Mittelwert	1550°C
- Schlackenschicht	1550°C
- Roheisensumpf	1550°C
- Prozeßgas	1100°C
- Mischgas	<1000°C

Die Temperatur in der oberen Schüttsäule ist von der Höhe der Schüttsäule abhängig.

Nach dem Boudouard-Gleichgewicht CO₂+C = 2 CO (Fig. 1) besteht bei den hohen Temperaturen das Verbrennungsprodukt der Kohle praktisch nur aus CO. Auch das CO₂ im Pyrolysegas wird beim Auftreffen auf die glühende Kohle in der Schüttsäule zu CO umgesetzt. Ebenso zersetzen sich die Teer-Ölkondensate. Dadurch entsteht ein Gas mit hohem Heizwert, das im wesentlichen aus CO und H₂ besteht.

Aus Sicherheitsgründen ist es wichtig, daß der Sauerstoffgehalt in diesem Gas kleiner 4 Volumenprozent gehalten wird. Deshalb muß die Gaszusammensetzung (insbesondere der Sauerstoffgehalt) konti nuierlich gemessen werden. Im Bedarfsfall wird die Sauerstoffzufuhr reduziert. Grundsätzlich wird aber mit einer gleichbleibenden stöchiometrischen Sauerstoffzufuhr gearbeitet und die Schütt höhe im Reaktor konstant gehalten.

Die Erfindung wird durch ein Ausführungsbeispiel in Fig. 2 näher erläutert:
Der wassergekühlte Auslauf (1) des Pyrolyseverfahrens ragt luft dicht durch eine wassergekühlte Haube (3) in den oberen Reaktor schacht. Die Haube ist durch einen Flansch mit Dichtung (4) gegen über dem Reaktor abgedichtet. An der Haube befindet sich zudem das wassergekühlte Abführrohr (5) für die brennbaren gasförmigen Pro dukte des Verfahrens. Diese Reaktorteile sind doppelwandig ausge bildet und mit einer Wasserkühlung im Zwangsumlauf versehen. Im un teren Auslauf (1) befindet sich ein Brecher (2), dessen Achsen ebenfalls wassergekühlt sind. Die gasförmigen Pyrolyseprodukte wer den über eine nicht dargestellte Leitung in die ringförmige Ver teilungsleitung (6) geführt und von dort mittels wassergekühlter Düsen (7) auf die Oberfläche der Schüttsäule (8) geblasen. Dar unter befindet sich die Ringleitung (9) für den Verbrennungs sauerstoff, der über wassergekühlte Kupferdüsen (10) in den Ver brennungsraum (18) des Schachtes geblasen wird. Die Düsenneigung beträgt in diesem Fall 9°. Unter dem Verbrennungsraum (18) schwimmt die Schlackenschicht (11) auf dem Roheisensumpf (13). (12) ist der Siphonabstich für die Schlacke und (14) der für das Roheisen. Der dritte Abstich zum Entleeren des Gefäßes ist mit (15) bezeichnet. Dieser Abstich ist im Normalfall durch eine feuer feste Masse geschlossen.

Der Außenmantel (16) des Gefäßes ist aus einem Stahlblech her gestellt. Dieser Blechmantel ist von außen durch Wasserberieselung oder Spritzwasser gekühlt.

Das gesamte Gefäß ist in diesem Fall mit einer feuerfesten Masse oder Steinen (17) ausgekleidet. Diese Masse ist im Schlacke-Roh eisenbereich sowie im Bereich des Verbrennungsraumes höherwertig als im oberen Schachtbereich.

Claims

1. Verfahren zur kontinuierlichen Verarbeitung von Pyrolysepro dukten, insbesondere des Hausmülls, in einem schachtförmigen Reaktor zu wiederverwertbaren Produkten, dadurch gekennzeich net, daß die Pyrolyseprodukte die Schüttsäule bilden, aus der der Kohlenstoff und das Aluminium mittels stöchiometrischer Sauerstoffzufuhr verbrannt werden und dabei die Reaktions wärme zum Schmelzen der Metalle und Schlackenbildner liefern, die im flüssigen Zustand getrennt werden und ablaufen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß über die im Schacht ablaufende Boudouard-Reaktion das Verbrennungs produkt des Kohlenstoffs praktisch aus CO besteht.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gasförmigen Pyrolyseprodukte im oberen Teil des Schachtes über die glühende Oberfläche der Schüttsäule geleitet werden, wobei das CO₂ im Pyrolysegas ebenfalls über die Boudouard-Reaktion zu CO und der Wasserdampf über die Wassergasreaktion zu CO und H₂ umgewandelt werden sowie flüchtige Teere, Öle und organische Gasbestandteile weiter zersetzt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren unter Luftabschluß abläuft.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Produkte im wesentlichen aus einem CO-H₂-Gasgemisch mit hohem Heizwert, einem Roheisen-Metall und einer Schlacke glas ähnlicher Zusammensetzung bestehen.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die festen Pyrolyseprodukte vor oder bei Eintritt in den Schacht ge brochen werden.

7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine gleichbleibende stöchiometrische Menge Sauerstoff in den Ver brennungsraum des Schachtes geblasen wird und die Höhe der Schüttsäule durch Regelung der Zufuhr der festen Pyrolysepro dukte konstant gehalten wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zu mindest der Sauerstoffgehalt im Abgas kontinuierlich gemessen wird und aus Sicherheitsgründen bei Sauerstoffgehalten von 3 Volumenprozent die Sauerstoffzufuhr gedrosselt wird.

9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der An sprüche 1 bis 8, bestehend aus einem abgedichteten, schachtför migen Reaktorgefäß, in dessen oberem Teil das Gasabführrohr (5) und die Zugabevorrichtung (1) mit Brecher (2) für die festen Pyrolyseprodukte angeordnet sind sowie zumindest eine Düse (7) zum Einblasen der gasförmigen Pyrolyseprodukte, in dessen mitt lerem Teil (Verbrennungsraum 18) zumindest eine wassergekühl te Düse zum Einblasen von Sauerstoff angeordnet ist und dessen unterer Teil den Herd zur Aufnahme des flüssigen Roheisens (13) und der flüssigen Schlackenschicht (11) bildet.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Blech mantel (16) des Reaktorgefäßes von außen wassergekühlt ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekenn zeichnet, daß das Reaktorgefäß von innen mit einer feuerfesten Masse (17) ausgekleidet ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekenn zeichnet, daß das Reaktorgefäß nur im unteren Teil bis incl. Ver brennungsraum (18) mit einer feuerfesten Masse (17) zuge stellt ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekenn zeichnet, daß für die Schlacke (11) und das Roheisen (13) getrennte Abstiche (12 und 14) vorgesehen sind.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstiche siphonähnlich ausgebildet sind.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekenn zeichnet, daß zum Entleeren des Reaktorgefäßes am tiefsten Punkt des Herdes ein zusätzlicher Abstich (15) angebracht ist, der während des Betriebes geschlossen bleibt.