DE4104507C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Verarbeiten von Abfallstoffen, insbesondere Hausmüll, zu einem brennbaren Gasgemisch, Metallen und Schlacke - Google Patents

Description

Zur Verarbeitung von Abfällen, insbesondere Hausmüll, sind verschiedene Pyrolysever­ fahren bekannt. Sie arbeiten unter Luftabschluß und Temperaturen zwischen 350°C und 1.000°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 Stoffe.

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

Die Teer-Ölkondensatbildung erreicht im Bereich von 350°C bis 500°C ihr Maximum von etwa 4% der gesamten Produkte und ist somit vernachlässigbar klein. Der Anteil an wäßrigem Kondensat entspricht im wesentlichen dem Wassergehalt des Hausmülls. Er bleibt bei Pyrolysetemperaturen größer 350°C ziemlich konstant (etwa 30% der Pyrolyse­ produkte) 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 Pyrolyseendtemperatur abhängig: der organische Anteil und der Wasserstoff­ gehalt nehmen mit höherer Temperatur zu; jedoch liegt der Wasserstoffgehalt nicht weit über 1%. Der CO₂-Anteil nimmt mit steigender Temperatur von etwa 50% auf 45% ab. Der CO-Anteil bleibt mit kleiner als 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 ähnlichen Bestandteilen des Hausmülls. Sie sind also zur Weiterverwendung nicht geeignet und müssen zu diesem Zweck einer zusätzlichen Behandlung unterzogen werden.

Durch die US-A-37 65 346 ist ein Pyrolyseverfahren zur Umwandlung von Abfallmaterial in seine Grundkomponenten bekannt geworden. Bei diesem Verfahren wird die bei der Pyrolyse von organischem Abfallmaterial erhaltene Asche zusammen mit nicht brennbaren Abfallstoffen gepreßt und paketiert und dann in eine Hochtemperatur"verschlackungs"kammer gebracht. In dieser werden die paketierten Abfallstoffe einer ausreichenden Hitzebehandlung unterworfen, um sie zu geschmolzener Schlacke und geschmolzenen, metallischen Komponenten zu reduzieren, während die gasförmigen Verbrennungsprodukte nach unten und über die Oberfläche der heißen, geschmolzenen Rückstände gerichtet wird, um eine vollständige Oxydation ihrer brennbaren Komponenten zu bewirken. Der Energie­ bedarf wird im wesentlichen durch geeignete Fremdenergiequellen gedeckt. Brennbares Pyrolysegas kann ergänzend eingesetzt werden.

Durch die EP-B1-0 395 397 ist ein Verfahren zur Behandlung von ausgegrabenem Land­ füllmaterial bekannt geworden, das mit toxischen und gefährlichen Substanzen kontaminiert ist. Als Energiequelle dient ein Plasmabrenner. Außerdem wird durch die Chargentür des Kupolofens zusätzlicher kohlenstoffartiger Brennstoff einschließlich Koks und Kohle zugegeben. Die entstehenden Abgase werden zur Zerstörung von flüchtigen toxischen und gefährlichen Materialien einer Nachverbrennung unterzogen. Sie sind also wirtschaftlich nicht mehr zu nutzen.

Durch die US-A-43 46 661 ist ein Schachtofen zur Behandlung von Abfallstoffen bekannt geworden, in dem die Abfallstoffe mittels eines Hochtemperaturbettes aus einem brenn­ baren, kohlenstoffhaltigen Material zur Wiederverwendung der Schmelzprodukte ge­ schmolzen werden. Hier dient als Energiequelle ein Kohlenstoffbett, das stetig ergänzt wird und mittels durch Düsen eingeblasenen Sauerstoff oder Luft auf die erforderliche Temperatur gebracht wird. Im unteren Teil des Ofens ist ein Herd zur Aufnahme von flüssigem Metall und flüssiger Schlacke vorgesehen, die getrennt abgezogen werden. Im oberen Teil ist eine durch eine Glocke verschließbare Chargieröffnung für die Abfallstoffe, sowie ein Gasabführrohr vorgesehen, durch das das Abgas des Ofens über eine Entstau­ bungsvorrichtung und einen Wärmetauscher zur Vorwärmung der Verbrennungsluft in den Kamin geleitet wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Verarbeiten von Abfall­ stoffen, insbesondere Hausmüll, zu einem brennbaren Gasgemisch, Metallen und Schlacke zu schaffen, das keine zusätzlichen Energieträger benötigt, das also wärmetechnisch autark ist und zusätzlich ein brennbares Gasgemisch liefert. Das erfindungsgemäße Verfahren ist durch Anspruch 1 gekennzeichnet, vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind den Ansprüchen 2 bis 5 zu entnehmen, die erfindungsgemäße Vorrichtung ist durch Anspruch 6 gekennzeichnet, vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung sind in den Ansprüchen 7 bis 13 beschrieben.

Für die Weiterbehandlung der Pyrolyseprodukte wird ein kontinuierlich arbeitender Reaktor mit folgenden Verfahrensabläufen vorgeschlagen:

• - Der Kohlenstoff wird mittels stöchiometrischer Sauerstoffzufuhr zu CO als End­ produkt verbrannt und liefert dabei die Verfahrenwärme.
• - 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 flüssigen Zustand getrennt.
• - Das CO₂ im Pyrolysegas wird über die Boudouard-Reaktion zu CO umgewandelt.
• - Der Wasserdampf in den gasförmigen Pyrolyseprodukten wird über die Wassergas­ reaktion 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 Verwendungszwecke möglich, wie Heizung, Energieerzeugung etc.
• - Ein Roheisen-Metall, das z. B. als Einsatzstoff für metallurgische Verfahren ver­ wendet werden kann.
• - Eine Schlacke mit glasähnlicher Zusammensetzung, die im wesentlichen aus SiO₂ und AlO₃ besteht. Diese Schlacke kann zu Bauzwecken verwendet werden.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird ein schachtförmiger Reaktor verwendet. 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 spezifische Herdbelastung nur bei 3 t/m² · h.

Da bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Einsatzzusammensetzung des schacht­ förmigen Reaktors schwankt, der Einsatz aus festen und gasförmigen Pyrolyseprodukten besteht und das Hauptprodukt ein brennbares Gas ist, unterscheidet sich der Reaktor von den üblichen Schachtöfen. Die spezifische Herdbelastung kann somit nicht in Produktion pro m² Herdfläche und Stunde ausgedrückt werden. Wegen der Verarbeitung großer Gasmengen ist jedoch eine geringe Herdbelastung anzustreben.

Die Schütthöhe im Schacht des Reaktors hängt von der Durchgasungseingenschaft der festen Pyrolyseprodukte und von dem Druck im unteren Reaktorraum ab.

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

Der Gasdruck im unteren Reaktorteil wird aus Sicherheitsgründen niedrig gehalten (etwa 0,1 bar). Er nimmt bei der Durchströmung der Schüttsäule ab.

Die Temperatur der zu verarbeitenden Pyrolyseprodukte entspricht der Pyrolyseendtempe­ ratur. Sie werden unter Luftabschluß dem Reaktor zugeführt.

Der Herd des Reaktors ist durch einen flüssigen Roheisensumpf abgedeckt, der sich aus den Eisenbestandteilen des Hausmülls und dem Kohlenstoff bildet. Im Roheisen sind andere Metalle gelöst. Die Dichte des Roheisensumpfes ist 6,8 t/m³. Auf dem Roheisen schwimmt die flüssige Schlacke mit einer Dichte von 2,6 t/m³. Somit werden diese Phasen getrennt. Die beiden Phasen laufen auch getrennt über zwei Abstiche ab. Vor­ teilhaft sind freilaufende Siphonabstiche. Dadurch 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 berücksichti­ gen.

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 Reaktor 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 des Reaktors verteilte Düsen in den Verbrennungsraum geblasen. Die Düsen sind vorteilhaft aus Kupfer hergestellt 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 ebenfalls wassergekühlte Kupfereinsätze geführt werden, die im vorgegebenen Winkel an den Außenmantel angeflanscht werden. Auch eine leicht tangentiale Anordnung der Düsen ist möglich.

Anstelle des Sauerstoffs kann aus wirtschaftlichen Gründen auch mit sauerstoffangereicher­ ter 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 des Reaktors wird durch einen Blechmantel gebildet. Der Reaktorinnenraum ist entweder ganz mit einer feuerfesten Auskleidung zugestellt oder nur der Herd bis zu einer Ebene, die etwa 500 mm oberhalb der Sauerstoffdüsen liegt. Der Schacht des Reaktors 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 geblasen. Vorteilhaft wird dazu wieder eine Ringleitung mit wassergekühlten Kupferdüsen benutzt. Dadurch wird eine Mischung und ein Temperaturausgleich zwischen den gasförmigen Pyrolysegasen und den Reaktorga­ sen erreicht. In Kontakt mit der glühenden Kohleschicht wird der Wasserdampf nach der endothermen Wassergasreaktion zersetzt:

C + H₂O = CO + H₂ + 131,5 kJ/mol

Dadurch werden Reaktorgase und Schacht des Reaktors zusätzlich gekühlt. Es werden 0,67 kg C je kg Wasserdampf verbraucht, die dem Reaktorprozeß verlorengehen. Ins­ gesamt ist der Wärmeverlust, wenn der Wasserdampf mit einer Temperatur von 400°C eingebracht wird, etwa 4,3 Kwh je kg Wasserdampf. Diese finden sich aber praktisch im Heizwert des Wassergases wieder.

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

- Schüttsäule:
  unten: 2.000°C
  oben: 1.100°C
  Mittelwert: 1.550°C
- Schlackenschicht: 1.550°C
- Roheisensumpf: 1.550°C
- Prozeßgas: 1.100°C
- Mischgas: < 1.000°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) kontinuierlich gemessen werden. Im Bedarfsfall wird die Sauerstoffzufuhr reduziert. Grundsätzlich wird aber mit einer gleichbleibenden stöchiometrischen Sauerstoff­ zufuhr gearbeitet und die Schütthöhe im Reaktor konstant gehalten.

Die Erfindung wird durch ein Ausführungsbeispiel in Fig. 2 näher erläutert:

Der wassergekühlte Auslauf 1 eines Pyrolyseofens ragt luftdicht durch eine wassergekühlte Haube 3 in den oberen Teil eines schachtförmigen Reaktors. Die Haube ist durch einen Flansch mit Dichtung 4 gegenüber dem Reaktor abgedichtet. An der Haube befindet sich zudem ein wassergekühles Gasabführrohr 5 für die brennbaren gasförmigen Produkte des Verfahrens. Diese Reaktorteile sind doppelwandig ausgebildet und mit einer Wasser­ kühlung im Zwangsumlauf versehen. Im unteren Auslauf 1 befindet sich ein Brecher 2, dessen Achsen ebenfalls wassergekühlt sind. Die gasförmigen Pyrolyseprodukte werden über eine nicht dargestellte Leitung in eine ringförmige Verteilungsleitung 6 geführt und von dort mittels wassergekühlter Düsen 7 auf die Oberfläche der Schüttsäule 8 geblasen. Darunter befindet sich eine Ringleitung 9 für den Verbrennungssauerstoff, der über wassergekühlte Kupferdüsen 10 in den Verbrennungsraum 18 des Schachtes des Reaktors geblasen wird. Die Düsenneigung beträgt in diesem Fall 9°. Unter dem Verbrennungs­ raum 18 schwimmt die Schlackenschicht 11 auf dem Roheisensumpf 13. Mit 12 ist der Siphonabstich für die Schlacke und mit 14 der für das Roheisen bezeichnet. Ein dritter Abstich zum Entleeren des Gefäßes ist mit 15 bezeichnet. Dieser Abstich ist im Normalfall durch eine feuerfeste Masse geschlossen.

Der Außenmantel 16 des Gefäßes ist aus einem Stahlblech hergestellt. Dieser Blechmantel wird von außen durch Wasserberieselung oder Spritzwasser gekühlt.

Das gesamte Gefäß ist in diesem Fall mit einer feuerfesten Masse oder Steinen 17 ausge­ kleidet. Diese Masse ist im Schlacke-Roheisenbereich sowie im Bereich des Verbrennungs­ raumes höherwertiger als im oberen Schachtbereich.

Claims (13)

1. Verfahren zum Verarbeiten von Abfallstoffen, insbesondere Hausmüll, zu einem brennbaren Gasgemisch, Metallen und Schlacke, mit den folgenden Schritten:

• a) die Abfallstoffe werden in einem Pyrolyseofen unter Luftabschluß Tempera­ turen zwischen 350°C und 1000°C ausgesetzt und dabei wenigstens teilweise thermisch zu festen und gasförmigen Pyrolyseprodukten zersetzt;
• b) die festen Pyrolyseprodukte werden im heißen Zustand unter Luftabschluß durch einen Auslauf (1) des Pyrolyseofens von oben in ein schachtförmiges Reaktorgefäß chargiert, um in diesem eine Schüttsäule (8) zu bilden;
• c) in einem Verbrennungsraum (18) im mittleren Teil des schachtförmigen Reaktors wird ein sauerstoffhaltiges Gas eingeblasen und hierbei unter Verbrennung der in den festen Pyrolyseprodukten enthaltenen brennbaren Bestandteile (Kohlenstoff, Alumini­ um) eine so hohe Temperatur erzeugt, daß die festen Pyrolyseprodukte zu flüssigem Metall und Schlacke geschmolzen werden, die sich in einem im unteren Teil des schachtförmigen Reaktors ausgebildeten Herd als flüssiges Metall (13) und darauf schwimmender Schlacke (11) getrennt sammeln und abgelassen werden;
• d) die heißen Verbrennungsgase des Verbrennungsraumes (18) werden durch die Schüttsäule (8) nach oben zu einem oberen Gasauslaß (5) des schachtförmigen Reaktors geleitet;
• e) die gasförmigen Pyrolyseprodukte des Pyrolyseofens werden in den oberen Teil des Reaktorgefäßes über die glühende Oberfläche der Schüttsäule (8) geleitet und durch den oberen Gasauslaß (5) des Reaktors zusammen mit den Verbrennungsgasen aus dem Verbrennungsraum (18) abgeleitet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die festen Pyroly­ seprodukte vor Eintritt in den schachtförmigen Reaktor gebrochen werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine gleichbleibende stöchiometrische Menge Sauerstoff in den Verbrennungsraum (18) des schachtförmigen Reaktors geblasen wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe der Schüttsäule durch Regelung der Zufuhr der festen Pyrolyseprodukte konstant gehalten wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens der Sauerstoffgehalt im Abgas des schachtförmigen Reaktors kontinuierlich gemessen und bei Sauerstoffgehalten von 3 Vol.-% die Sauerstoffzufuhr gedrosselt wird.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

• a) ein Auslauf (1) für feste Pyrolyseprodukte eines Pyrolyseofens ist luftdicht mit dem oberen Teil eines schachtförmigen Reaktorgefäßes verbunden;
• b) im oberen Teil des schachtförmigen Reaktorgefäßes sind ein Gasabführrohr (5) für das Abgas des Reaktors sowie wenigstens eine Düse (7) vorgesehen, die mit einem Gasauslaß für gasförmige Pyrolyseprodukte des Pyrolyseofens in Verbindung steht;
• c) im mittleren Teil des Reaktorgefäßes ist wenigstens eine wassergekühlte Düse angeordnet, die in einen Verbrennungsraum (18) mündet und an eine Sauerstoffquelle anschließbar ist;
• d) im unteren Teil des Reaktorgefäßes ist ein Herd zur Aufnahme von flüssi­ gem Metall (13) und flüssiger Schlacke (11) vorgesehen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Auslauf (1) des Pyrolyseofens Brecher (2) für die festen Pyrolyseprodukte angeordnet sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktorgefäß einen wassergekühlten Blechmantel (16) aufweist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktorgefäß innen mit einer feuerfesten Masse (17) ausgekleidet ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktorgefäß nur im unteren Teil bis inclusive Verbrennungsraum (18) mit einer feuerfesten Masse (17) zugestellt ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß für die Schlacke (11) und das Roheisen (13) getrennte Abstiche (12, 14) vorgesehen sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstiche siphonähnlich ausgebildet sind.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß zum Entleeren des Reaktorgefäßes am tiefsten Punkt des Herdes ein zusätzlicher Abstich (15) angebracht ist.