DE4109063A1 - Verfahren zur gleichzeitigen verwertung von stueckigen und fliessfaehigen brennbaren abfallstoffen und rueckstaenden - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur gleichzeitigen schadlosen Verwertung von stückigen und fließfähigen brenn­ baren Abfallstoffen und Rückständen durch Vergasung unter Erzeugung eines kohlenmonoxid- und wasserstoffhaltigen Gases. Brennbare Abfallstoffe und Rückstände sind beispielsweise mit Schwermetallen oder mit chlororganischen Komponenten belastete Altölfraktionen und Lösungsmittel, belastete Öl-Wasser-Emul­ sionen, staubhaltige Öle, Teere und Tankrückstände, Kunststoffabfälle, Klärschlämme, Schredderrückstände, Alt­ reifen, andere kohlenstoffhaltige Industrierückstände oder Hausmüll. Soweit diese Materialien nicht ohnehin in flüssigem Zustand vorliegen, sind unter fließfähigen Abfallstoffen und Rückständen auch staubförmige oder entsprechend aufgemahlene feste Rückstände zu verstehen, die in einer Flüssigkeit oder in einem Trägergas suspendiert sind. Stückige Abfallstoffe und Rückstände können durch bekannte vorgeschaltete Aufbe­ reitungsstufen, wie Grobzerkleinerung und Siebung aber auch durch Brikettierung und Pelletierung ursprünglich feinkörnigen Materials bereitgestellt werden. Zu erfüllen ist lediglich die Forderung, daß dieses stückige Material eine von Gas durchströmbare Schüttung bilden kann.

Es ist bekannt, brennbare Abfallstoffe und Rückstände unter Nutzung der entstandenen Wärme für Heizungszwecke oder für die Erzeugung von Elektroenergie zu verbrennen. Verbrennungs­ anlagen für solche Materialien erfordern jedoch eine sehr aufwendige Rauchgasreinigung, um den Umweltschutz zu gewähr­ leisten. In den Rückständen enthaltene Chlorverbindungen, besonders drastisch schon geringe Gehalte an polychlorierten Biphenylen (PCB), bringen die Gefahr, daß sich während der Verbrennung oder in der Abkühlungsphase der primären Ver­ brennungsgase hochtoxische Substanzen wie Dioxine und Furane bilden.

Es ist deshalb notwendig, über die in der Verbrennungstechnik allgemein üblichen Reinigungsanalysen hinaus zusätzliche technische Maßnahmen zu treffen, wie beispielsweise die Nach­ schaltung eines Aktivkohlefilters, um die Emission von Dioxinen und Furanen auszuschließen bzw. sie auf das gesetzlich vorge­ schriebene Maß zu begrenzen. Die Entsorgung der beladenen Aktivkohle wirft neue Probleme auf.

Unter den Bedingungen der Verbrennung werden die in den Abfallstoffen bzw. Rückständen enthaltenen Schwermetalle in Oxide und Salze wie Chloride oder Sulfate überführt. Sie werden zunächst mit dem Flugstaub ausgetragen, bringen aber wegen ihrer Wasserlöslichkeit und ihrer Toxität erhebliche Abwasserprobleme, deren Beherrschung wiederum erheblichen technischen Aufwand erfordert. Vielfach werden die Flugstäube in einer nachgeschalteten "Verglasungsstufe" eingeschmolzen und in eine Schlacke mit glasartiger Struktur überführt. Ziel ist eine auslaugfeste Einbindung von Schwermetallen in die Schlacke. Die Verglasung ist mit zusätzlichem, hohen Energieaufwand verbunden. Außerdem werden eine Reihe von Schwermetallen, vor allem Blei, Cadmium und Zink, flüchtig und müssen gesondert als Oxide oder als Salzgemisch aufge­ fangen und einer Sondermülldeponie zugeführt werden.

Um die mit der Verbrennung verbundenen Emissionsprobleme zu vermeiden, sind Verfahren zur Pyrolyse von Abfallstoffen und Rückständen entwickelt worden. Als Pyrolyseprodukte fallen gasförmige Komponente wie Kohlenmonoxid, Wasserstoff, Kohlen­ dioxid und leichte Kohlenwasserstoffe, kondensierbare paraffi­ nische und aromatische Kohlenwasserstoffe (Pyrolyseteer) und feste Rückstände an, die nur in günstigen Fällen und dann auch beschränkt auf spezielle Fraktionen stoffwirtschaftlich genutzt werden können. In der Regel ist aber eine Verbrennungs­ stufe nachzuschalten, die dann mit den gleichen Problemen behaftet ist, wie reine Verbrennungsverfahren.

Es sind weiter Vorschläge bekannt, Abfallstoffe und Rückstände zu vergasen. Bekannt ist die Vergasung solcher Stoffe in der Wirbelschicht, wobei ein von kondensierbaren Kohlenwasser­ stoffen freies, kohlenmonoxid- und wasserstoffhaltiges Gas erzeugt wird, das mit bekannten Verfahren von Schadstoff wie Schwefelwasserstoff befreit werden kann. Die mineralischen Bestandteile der Einsatzstoffe fallen bei diesem Verfahren als pulverförmige Asche an, die toxische Schwermetallverbindungen enthält und ebenfalls einen Nachbehandlungsprozeß, also einer nachträglichen Verglasung mit gesonderter Erfassung flüchtiger, toxischer Schwermetalle, unterworfen werden muß.

In der Technik der Gaserzeugung ist die Vergasung von Brenn­ stoffen, die sich in einem fließfähigen Zustand befinden oder zu diesem Zustand überführt werden können, durch partielle Oxydation im Flugstrom bekannt. Dabei wird der Brennstoff mit Sauerstoff in Form einer Flammenreaktion, vielfach auch unter erhöhtem Druck, in ein kohlenmonoxid- und wasserstoffreiches Gas umgewandelt. Es ist vorgeschlagen worden, für die Gaser­ zeugung durch Partialoxydation auch kohlenstoffhaltige bzw. brennbare feste und flüssige Rückstände oder Gemische von solchen Rückständen mit einem zusätzlichen Brennstoff heran­ zuziehen, soweit sie in einem fließfähigen Zustand vorliegen bzw. in diesen gebracht werden können. Beispiele dafür geben DE 28 31 208 und DE 38 20 013.

Ein wesentlicher Vorteil dieser Technologie ist, daß die mineralischen Bestandteile in eine schmelzflüssige Schlacke überführt werden, die nach Kühlung im Wasserbad als glasartiges Granulat angetragen wird und keiner Nachbehandlung bedarf. Nachteilig erweist sich, daß nicht alle interessierenden Abfallstoffe und Rückstände mit vertretbarem technischen Aufwand in eine fließfähige Form, also beispielsweise in eine für einen pneumatischen Transport geeignete Staubform überführt werden können.

Es sind weiter Vergasungsverfahren für stückige oder grob­ körnige Brennstoffe bekannt, die nach dem Festbett- bspw. Wanderbettprinzip arbeiten. Das nach solchen Verfahren erzeugte Gas ist jedoch mit einem mehr oder weniger großen Anteil an kondensierbaren, höheren Kohlenwasserstoffen beladen, die im Zuge der Gasaufbereitung als staubhaltiger Teer abgeschieden wurde, der zusätzlich flüchtige Schwer­ metalle und Salze enthält. Außerdem fällt ein mit wäßriges Kondensat an, das mit erheblichem technischen Aufwand aufbereitet werden muß.

Es sind schließlich Kombinationen von Festbett- und Flugstrom­ vergasung bekannt geworden. Dabei wird, wie beispielsweise DE 29 20 922 zeigt, in der Flugstrom-Vergasungsstufe ein fließfähiger Brennstoff (Öl, brennbarer Staub) mit Sauerstoff und Wasserdampf umgesetzt. Das erzeugte heiße Gas wird aus­ schließlich unmittelbar in das Unterteil eines mit stückigen Brennstoffen beschichtet, als Wanderbett-Vergasungsstufe dienenden Schachtofens eingeführt, wo es mit seinem unzer­ setzten Wasserdampfanteil und seinem Kohlendioxidanteil als Vergasungsmittel für die Wanderbett-Vergasungsstufe wirkt. Der Wärme eintritt des Heißgases deckt dabei den wärmebedarf der endothermen Vergasungsreaktionen. Das Vorfahren soll auch zur Vergasung von stückigen Abfallstoffen herangezogen werden. Wie bei anderen Festbett-Vergasungsverfahren erweisen sich die Bildung von kondensierbaren Pyrolyseteeren, die mit dem Rohgas aus der Festbett-Vergasungsstufe ausgetragen werden und die damit verbundenen bereits oben beschriebenen Folge­ probleme als wesentliche Nachteile.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch eine Kombi­ nation von an sich bekannten Verfahrensprinzipien der Ver­ gasungstechnik ein Verfahren zur umweltfreundlichen Entsorgung von trennbaren Abfallstoffen und Rückständen, die mit toxischen Komponenten belastet sind, zu schaffen, das gleichzeitig stückige und fließfähige Materialien zu verarbeiten gestattet, ein kohlenmonoxid- und wasserstoffreiches Gas frei von konden­ sierbaren Pyrolyseprodukten erzeugt, ohne weitere Nachbe­ handlungsstufen einen verwertbaren oder einfach zu deponierenden festen Rückstand liefert und toxische Belastungen der Umwelt ausschließt.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile liegen darin, daß mit der erfindungsgemäßen Kombination von Wanderbettvergasung und Vergasung im Flugstrom unter Ausbildung einer Flamme stückige und fließfähige, also staubförmige oder pumpfähig- flüssige Abfallstoffe und Rückstände gleichzeitig eingesetzt werden können. Damit wird vor allem der Aufbereitungsaufwand für die zu verwertenden Stoffe vermindert. Sowohl die durch die Wanderbettvergasung des stückigen Materials als auch im Flugstrom erzeugten Gase passieren die Flammenreaktionszone. Durch die dort herrschenden Temperaturen von 1400 bis 1700°C wird erreicht, daß Pyrolyseprodukte (Teere, höhere Kohlen­ wasserstoffe) und toxische organische Stoffe unter Bildung von CO und H₂ vollständig zerstört werden. Das gilt auch für chlororganische Biphenyle, Dioxine und Furane. Der Chlorgehalt wird dabei im Chlorwasserstoff überführt. Die stark reduzierende Atmosphäre des produzierenden Rohgases verhindert eine Neu­ bildung von Dioxinen und Furanen in der Kühlstufe. Ein weiterer wesentlicher Vorteil ist die vollständige Über­ führung der mineralischen Bestandteile der Einsatzstoffe in schmutzflüssige Schlacke, die in der Kühlzone zur Erstarrung gelangt und als Granulat von glasartiger Struktur ausgetragen wird, das sich als sehr auslaugfest gegenüber atmosphärischem Wassern erweist. Wie bei anderen Vergasungsverfahren bleibt der Vorteil erhalten, daß die Schwefelverbindungen der zu verwertenden Stoffe zum überwiegenden Teil im Schwefelwasser­ stoff mit einem kleinen Anteil von Kohlenoxisulfid umgewandelt werden, die mit relativ geringem Aufwand aus dem Rohgas abge­ trennt und zu verkaufsfähigem Elementarschwefel aufgearbeitet werden können. In der Flammenreaktion flüchtige Schwermetalle, die nicht in die Schlacke eingebunden werden, fallen als praktisch unlösliche Sulfide an und können als Schlamm aus dem Wasser abgetrennt werden, mit dem das Rohgas in der Kühl­ stufe oder einer nachgeschalteten Waschstufe in Kontakt ge­ bracht wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unter­ ansprüchen 2 bis 8 ausgeführt. So ermöglicht die Ausführung nach Anspruch 2 einen höheren Freiheitsgrad bei der wärme­ technischen Abstimmung zwischen Flammenreaktionsstufe und Wanderbettvergasung und damit auch im Verhältnis zwischen fließfähigen und stückigen Einsatzstoffen. Wie Anspruch 3 zeigt, lassen sich aber Nachteile für die Führung des Verfahrens und die Gewährleistung des Umwelt­ schutzes hohe Gehalte an nicht brennbaren Ballaststoffen in den zu entsorgenden Abfällen und Rückständen durch Zumischung von Brennstoffen, wie beispielsweise Teer oder Öl für den fließfähigen, Kohle für den stückigen Anteil der Einsatzstoffe, ausgleichen. Als Vergasungs- bzw. Oxydationsmittel können Luft oder technischer Sauerstoff und deren Mischung mit Wasserdampf und Kohlendioxid verwendet werden, wobei unterschiedlich zusammengesetzte Vergasungsmittel für die Wanderbettvergasung und die Flammenreaktionsstufe möglich sind. Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich auch für die Ent­ sorgung von toxisch belasteter oder schwer entsorgbaren bzw. verwertbaren Gasen einsetzen.

In einem solchen Fall wird dieses Gas, beispielsweise Klärgas, zusammen mit anderen fließfähigen Abfall- oder Brennstoffen oder allein der Flammenreaktionsstufe zugeführt, wie Anspruch 5 darlegt.

In der Regel wird das erfindungsgemäße Verfahren so betrieben, daß die Temperatur der Flammenreaktionsstufe höher ist als die Temperatur der Vergasung bei der Wanderbettvergasung. Es ist möglich, das Verfahren unter Normaldruck wie unter erhöhtem Druck zu betreiben.

Bei einer vorteilhaften Ausführung wird das Vergasungsmittel für die Wanderbettstufe in verschiedenen Höhen jeweils im variablen Anteil zugeführt. Damit läßt sich die Wanderbettver­ gasung besser der Beschaffenheit des stückigen Brennstoffes anpassen. Das erzeugte Gas hat bei Anwendung von technischem Sauerstoff als Vergasungsmittel die Zusammensetzung typischer Rohsynthesegase aus der Kohle- oder Ölvergasung durch partielle Oxydation. Es kann entsprechend dem Stand der Technik bekannten Verfahren der CO-Konvertierung und Gasreinigung zugeführt werden, um anschließend als Synthesegas z. B. für die Methanol­ synthese als Reduktionsgas in der Metallurgie oder als energetisches Gas in Kombinationskraftwerken mit Gas- und Dampfturbinenteil eingesetzt zu werden.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung sei an Hand einer schematischen Darstellung des Verfahrens erläutert.

Ein fließfähiger Abfallstoff, einer ein zu Staub aufgemahlenes Gemisch von getrocknetem Klärschlamm und Kohleabrieb, das bei hoher Staubkonzentration in einem Trägergas suspendiert ist, wird über den Vergasungsbrenner 1 gemeinsam mit technischem Sauerstoff als Vergasungsmittel und im Reaktionsraum 2 durch partielle Oxydation in einer Flammenreaktion vergast. Zur Inbetriebnahme, Zündung und Stabilisierung der Vergasungs­ flamme ist im Vergasungsbrenner 1 (im Bild der besseren Klar­ heit wegen separat dargestellt) ein Zünd- und Pilotbrenner 12 integriert, der separat mit einem Brenngas, hier ein methan­ reiches Klärgas, und ebenfalls mit technischem Sauerstoff versorgt wird. Der Pilotbrenner 12 ist mit einer elektrischen Zündvorrichtung und einer Flammenüberwachungseinrichtung ausgerüstet. Die Temperatur im Reaktionsraum 2 wird durch das Verhältnis von brennbaren Bestandteilen im Staub zu tech­ nischem Sauerstoff eingestellt. Über eine in der Figur nicht dargestellte Durchschleusenkammer wird ein stückiger Abfall­ stoff in Form grob zerkleinerten und vorgetrockneten kommunalen Mittels in einer Siebfraktion von etwa 10 bis 100 mm einem der Wanderbettvergasung dienenden Schacht 5 zugeführt, in dem weiter über eine Verteilervorrichtung 4 ein sauerstoffhaltiges Vergasungsmittel eingebracht wird. Als Vergasungsmittel dient wahlweise hoch-vorgewärmte oder mit Sauerstoff angereicherte Luft.

Grundsätzlich ist auch der Einsatz eines Sauerstoff-Dampf-Ge­ misches möglich. Das Vergasungsmittel fließt im Gleichstrom mit dem langsam abwärts rutschenden stückigen Abfallstoff im Schacht 5 abwärts. Über schräg angestellte Roste 6 wird weiteres Vergasungsmittel zugeführt. Im Bereich dieser Roste 6 reagiert der stückige Abfallstoff mit dem Vergasungsmittel unter Bildung eines Glutbettes nach dem Prinzip der Gleichstromvergasung. Die verbleibenden festen Rückstände dieser Gleichstromvergasung und das gebildete Gas gelangen in den Reaktionsraum 2, auf dessen Boden sich ein Schlackebad durch Einschmelzung sowohl der aus der Flammenreaktion stammenden mineralischen Bestand­ teile als auch der festen Rückstände der Wanderbettvergasung ausbildet. Reaktionsraum 2 und Schacht 5 sind innerhalb eines gemeinsamen äußeren Druckgefäßes 14 untergebracht.

Durch das Verhältnis von fließfähigem Abfallstoff zu technischem Sauerstoff in der Flammenreaktionsstufe und durch Temperatur bzw. Sauerstoffanreicherung im Vergasungsmittel der Wanderbett­ stufe wird, abhängig von der Zusammensetzung der Schlacke und deren Schmutzverhalten eine Temperatur zwischen etwa 1350°C und 1650°C im Reaktionsraum 2 eingestellt. Dadurch ist eine intensive Nachreaktion der durch die Gleichstromvergasung in im Schacht 5 gebildeten Gase gewährleistet, so daß höhere Kohlenwasserstoffe und toxische chlororganische Verbindungen unter Bildung von CO und H₂ völlig zerstört werden.

Der Chlorgehalt wird in Chlorwasserstoff bzw. Alkalichloride, der Schwefelinhalt im wesentlichen zu H₂S umgewandelt. Das gesamte Rohgas und die schmelzflüssige Schlacke gelangen über eine Schlackeablaufvorrichtung 7, die mittels einer dammartigen Konstruktion die Schlacke zum Schlackebad 3 auf­ staut, in eine unterhalb des Reaktionsraumes 2 angeordnete Kühlzone 8. Durch direkten Kontakt mit Wasser wird das Gas spontan bis zur Sättigungstemperatur gekühlt und gleichzeitig mit Wasserdampf gesättigt. Die schmelzflüssige Schlacke erstarrt unter Bildung einer glasartigen Struktur und zerfällt in ein körniges Produkt, das sich in einem Wasserbad 13 am Boden der Kühlzone 8 sammelt und über einen Schlackeabzug 9 und eine Druckschleuse ausgetragen wird. Das gesättigte Produktgas mit einer Temperatur von etwa 150°C passiert die Kühlzone über Rohgasabgang 10. Es wird einer üblichen Reinigung unterzogen und in einer Gasturbine genutzt. Der gesamte Prozeß läuft über einen Druck von ca. 6 bar ab. Die Kontur des Reaktionsraumes 2 wird bei der im vorliegenden Beispiel beschriebenen Ausführung durch eine zu einer Membran­ wand 11 verschweißten Rohrkonstruktion gebildet. Die einzelnen Rohre sind mit angeschweißten Stiften besetzt, die eine dünne Schicht aus einer feuerfesten Stampfmasse hält. Die Rohre werden mittels Druckwasser gekühlt. Im Betrieb bildet sich auf der Stampfmassenschicht eine dünne Lage erstarrter Schlacke, die nach dem Innern des Reaktionsraumes 2 in einen abtropfenden Flüssigschlackefilm übergeht, der sich durch angeworfene Schlacke ständig erneuert. Die Schlackenauslaufvorrichtung 7 ist nach dein gleichen Prinzip aufgebaut und gekühlt.

Für den Fachmann sind Modifikationsmöglichkeit des Verfahrens und der Anlage leicht erkennbar. So kann der Vergasungs­ brenner 2 statt mit staubförmigen Material auch z. B. mit Altölen oder einer Suspension von staubförmigen festen Abfall­ stoffen im Altöl betrieben werden. Abhängig von der Zusammen­ setzung der Schlacke ist es auch möglich, deren Reaktions­ raum 3 mit feuerfesten Steinen statt mit der Membranwand 11 zu gestalten.

Claims (8)

1. Verfahren zur gleichzeitigen Verwertung von stückigen und fließfähigen brennbaren Abfallstoffen und Rückständen durch Kombination einer Wanderbettvergasung in einem Schacht unter Einsatz des stückigen Abfallstoffes bspw. Rückstandes mit einer autothermen Flammenreaktionsstufe, in der die fließfähigen Abfallstoffe und Rückstände, ggf. fließfähige Brennstoffe, mit einem sauerstoffhaltigen Verbrennungs- oder Vergasungsmittel reagieren, mit Aus­ bildung eines gemeinsamen Schlackebades, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Wanderbettvergasung in dem Schacht mittels eines sauerstoffhaltigen Vergasungsmittels im Gleichstrom von stückigem Abfallstoff bzw. Rückstand betrieben wird, das durch die Wanderbettvergasung gebildete Gas und die verbleibenden festen Rückstände in einen Reaktionsraum der Flammenreaktionsstufe eintreten, die in der Flammenreaktionsstufe gebildeten Gase mit dem bei der Wanderbettvergasung gebildeten Gase und festen Rück­ stände zur Reaktion gebracht werden, wobei die Reaktions­ bedingungen so eingestellt werden, daß ein CO- und H₂-reiches Rohgas gebildet wird und sich am Boden des genannten Reaktionsraumes das Schlackebad ausbildet, und das heiße Rohgas gemeinsam mit der schmelzflüssigen Schlacke über eine Ablaufvorrichtung in eine unterhalb des genannten Reaktionsraumes angeordnete Kühlzone gelangt, in welcher das Rohgas und die Schlacke direkt oder indirekt gekühlt und die Schlacke granuliert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flammenreaktionsstufe oxidierend betrieben wird, wobei Flammenreaktionsstufe und Wanderbettvergasung in Summe reduzierend betrieben werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung des Heizwertes den Abfallstoffen und Rückständen der Flammenreaktionsstufe und der Wanderbettvergasung Brenn­ stoffe in beliebiger Höhe zugemischt werden können.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Verbrennungs- und Vergasungsmittel Luft, technischer Sauerstoff oder ihre Mischungen mit Wasserdampf und Kohlen­ dioxid eingesetzt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der Flammenreaktionsstufe Klärgase oder andere schwer verwert- oder entsorgbare kontaminierte Gase allein oder in Mischungen mit anderen Abfall-, Rest- oder Brenn­ stoffen eingesetzt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungs- oder Vergasungstemperaturen bei der Verbrennung oder Vergasung der gasförmigen, flüssigen oder staubförmigen Rest- und Abfallstoffe höher sind als die Vergasungstemperaturen in der Stufe der Wanderbettver­ gasung.

7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Vergasungsmittel im Schacht für die Wanderbettver­ gasung in verschiedenen Stufen zugeführt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergasung drucklos oder bei erhöhtem Druck vor­ genommen wird.