DE4120061C2 - Verfahren zur vollständigen Stoffumwandlung von Entsorgungsgütern aller Art - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur vollständigen Stoffumwandlung von unsortiert zuge­ führter, eine Vielzahl toxischer Komponenten ent­ haltender Entsorgungsgüter aller Art entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1. Derartige Verfah­ ren sind bereits bekannt (vgl. "Müll und Abfall"; Ausg. 2/89, Seiten 64 bis 70).

Die dort beschriebenen Abfallbeseitigungsverfahren gehen aus von der klassischen offenen Müllverbren­ nung in sogenannten Rostöfen, wobei daran anschlie­ ßend der Versuch unternommen wird, die Verbren­ nungsrückstände, d. h. die unbrennbaren festen Reste und Schwermetalle in umweltverträgliche Form zu überführen. Hierzu bedient man sich eines Hochtem­ peratur-Einschmelzverfahrens, bei dem bei Tempera­ turen von ca. 1300°C alle mineralischen Anteile der festen Reststoffe der Verbrennungsrückstände in ihren schmelzflüssigen Zustand überführt werden. In dieses Schmelzbad wird auch die in der Anlage an­ fallende Flugasche eingebracht, woraufhin die Schmelze in ein Wasserbad granuliert wird. Die da­ bei entstehende feingranulierte verglaste Schlacke zeigt zunächst hinsichtlich ihrer Deponiefähigkeit äußerst geringe Werte bezüglich der Wasserlöslich­ keit der in ihr eingeschlossenen Salze, Schwerme­ talle bzw. der Metallionen der toxischen Komponen­ ten.

Die Langzeit-Eluatbeständigkeit von in verglaster Schlacke eingeschlossenen toxischen Stoffen ist problematisch, da die Einschlüsse durch Rißbildung in der Verglasung mehr oder weniger verzögert frei gelegt werden, so daß inhomogene Schlacke letztlich immer die Gefahr in sich birgt, ausgewaschen zu werden. Dieses gilt für alle bekannten Verglasungs­ verfahren zur Entsorgung von schadstoffhaltigem Schüttgut, beispielsweise auch das in der DE 38 30 392 A1 beschriebene. Dort werden insbesondere Fil­ terstäube und Schlämme mit toxischen Komponenten in eine schmelzflüssige Ofenschlacke, wie sie in me­ tallurgischen Anlagen gewonnen wird, eingetragen und in der Schlacke verglast.

Eine - wie dort - gezielte Entsorgung bekannter Reststoffkomponenten von Verbrennungsanlagen ist stets weniger problematisch als diejenigen von un­ sortiert zugeführtem Hausmüll od. dgl. mit völlig undefinierter Zusammensetzung und damit weitgehend unbekannter Toxizität.

Dennoch führen alle bekannten Hochtemperatur-Schmelz­ verfahren für anfallende feste Reststoffe von Verbrennungsanlagen oder auch nur definiert bekann­ ten Komponenten solcher Anlagen zu Schlackestruktu­ ren, die infolge ihrer Inhomogenität zwar als depo­ niefähig bezeichnet werden, ansonsten aber indu­ striell kaum weiterverwertbar sind. Versuche sind unternommen worden, solche Schlacke bzw. Granulat­ produkte in der Bauindustrie einzusetzen, etwa als Unterfütterung im Straßenbau, für Sportanlagen, oder auch mit Zementzusatz für die Fertigung von minderwertigen Baustoffkomponenten.

Schlacke, die in der Vergangenheit im Straßenbau, beim Bau von Sportanlagen oder Parkplätzen einge­ setzt worden ist, hat insbesondere nach jüngsten wissenschaftlichen Erkenntnissen zu schweren Pro­ blemen hinsichtlich der Umweltbelastung, aber auch der Schädigung der Gesundheit von Mensch, Pflanze und Tier geführt. Die im Langzeitverhalten freiwer­ denden Schwermetalle, aber auch hochtoxischen Gifte wie Dioxine und Furane zwangen zum Abriß solcher Anlagen in nicht wenigen Einzelfällen und damit zu sehr erheblichen Folgekosten der an sich schon durch hohen Fremd-Energieeinsatz gewonnenen bishe­ rigen Endprodukte der Abfallentsorgung.

Die in das Grundwasser und letztlich auch in die Nahrungskette der Lebensmittel langfristig geraten­ den Schadstoffe potenzieren die latente Problematik um ein Mehrfaches.

Hier setzt die vorliegende Erfindung ein, der die Aufgabe zugrunde liegt, ein thermisches Verfahren der eingangs genannten Art bis zur vollständigen Eluatbeständigkeit der verbleibenden festen Rest­ stoffe durch geeignete Stoffumwandlung zu entwic­ keln, bei dem als Einsatzstoffe von beliebigen, d. h. nicht vorgesichteten, insbesondere bezüglich seiner Einzelkomponenten auch unbekannten Entsor­ gungsgütern ausgegangen werden kann bei gleichzei­ tiger Schaffung möglichst hochwertiger und in ihrer Anwendungsvielfalt breitgefächerter halbfertiger bzw. fertiger Industrieprodukte und bei Minimierung der Verfahrenskosten.

Die Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruches 1 angegebe­ nen Merkmale erreicht.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen dieser Aufgabenlösung ergeben sich aus den Unter­ ansprüchen.

Dadurch, daß beim vorliegenden Verfahren nicht von der üblichen thermischen Verbrennung in offenen Ofenanlagen und der zwangsläufig damit verbundenen schlechten Energiebilanz ausgegangen wird, sondern von der thermischen Entgasung bzw. Pyrolyse des Entsorgungsgutes, läßt sich zunächst eine erheblich vorteilhaftere Energiebilanz des Verfahrensablaufes vorgeben. Die vorzugsweise bei einer Niedertempera­ tur-Hochdruckentgasung anfallenden Gase kennzeich­ nen sich durch einen hohen Energieinhalt und lassen sich außer für die Aufrechterhaltung der Pyrolyse selbst auch für das Aufschmelzen der bei der Pyro­ lyse gewonnenen festen Reststoffe problemlos und vorteilhaft einsetzen. Auf Fremd-Energie kann hier­ bei weitgehend oder vollständig verzichtet werden. Es werden unter Einsatz von Sauerstoff bzw. ausrei­ chend sauerstoffhaltigen Gasen bei exothermem Pro­ zeßablauf der größte Teil des Pyrolysekokses ver­ brannt bzw. die Gesamtheit der oxidierbaren Kompo­ nenten der Reststoffe oxidiert und die minerali­ schen Komponenten verflüssigt. Ein erstes Schmelz­ bad, das bei einer Temperatur von ca. 1300°C ge­ halten wird, kennzeichnet sich jedoch noch durch eine weitgehend inhomogene Struktur. Höherschmel­ zende Komponenten behalten ihren festen Aggregatzu­ stand, selbst Einschlüsse von organischen Kohlen­ stoffresten bleiben bei der kräftig gasenden Flüs­ sigschlacke teilweise in ihrer aus dem Entgasungs­ ofen ausgetragenen Form erhalten.

Vorteilhaft ist es daher, daß die in eine erste schmelzflüssige Form überführten Restprodukte des Entgasungsprozesses in einem Sammelbehälter kräf­ tig durchmischt, mit einem beim kontinuierlichen Verfahrensablauf anfallenden ausreichenden Schmelz­ volumen, was an sich schon der Vorbereitung einer erheblich homogeneren Struktur dient. Mit dem oder nach dem Durchmischen der ausgetragenen Reststoffe kann abhängig von der Quantität der in ihnen ent­ haltenen metallischen Komponenten wenigstens ein Teil derselben entweder durch an sich bekannte Ver­ fahren der Schwerkraftabscheidung oder der Magnet­ abscheidung ausgetragen werden. Die schmelzflüssige Form wird vorteilhaft in ein Wasserbad granuliert. Die Abtrennung gewünschter Komponenten, insbesonde­ re der eisenhaltigen Komponenten kann sowohl im Schmelzbad als auch aus dem gewonnenen Granulat heraus erfolgen.

Unter Verwendung der bei der thermischen Entgasung gewonnenen brennbaren Gase wird das Granulat erneut in schmelzflüssige Form überführt, und zwar nach dem vorliegenden Verfahren in ein Hochtemperaturschmelzbad, dessen Temperatur höher liegt als die des ersten Schmelzbades. Als ein be­ sonders vorteilhafter Temperaturwert hat sich hier­ bei eine Temperatur von 1700°C erwiesen. Der gün­ stige Temperaturbereich für das zweite Schmelzbad liegt zwischen 1500°C und 1800°C vorteilhaft bei mehr als 1700°C. Die zweite Hochtemperaturschmelze beseitigt jegliche verbliebenen inhomogenen Struk­ turen und damit auch jegliche Möglichkeit der Elu­ ierbarkeit von im ersten Schmelzbad noch vorhande­ nen toxischen Einschlüssen. Die Hochtemperatur­ schmelze kennzeichnet sich durch eine vollständige Stoffumwandlung bezüglich der zunächst nach der Durchführung der thermischen Entgasung anfallenden festen Reststoffe des vorliegenden Entsorgungsver­ fahrens. Die Temperatur der zweiten Hochtemperatur­ schmelze wird so gewählt, daß alle in ihr enthalte­ nen, möglicherweise eluierbaren Komponenten mit Sicherheit aufgeschmolzen werden.

Mögliche hochtoxische Verbindungen, die sich erst während des Verfahrensablaufes bilden, verbleiben im geschlossenen Verfahrensablauf und können nicht wie bei den klassischen Verbrennungsanlagen mit hohem Luftdurchsatz in die Atmosphäre gelangen. Die großen Volumina von korrosiven und appraisiven Sub­ stanzen, die die Rauchgase der klassischen thermi­ schen Abfallentsorgung kennzeichnet, entfallen bei der vorliegenden Verfahrensweise und damit die durch diese bisher aufgeworfenen kostenintensiven technischen Lösungsmöglichkeiten. Auf die energe­ tisch äußerst ungünstige Transformation von thermi­ scher Energie in elektrische Energie (Verstromung) kann bei der erfindungsgemäßen thermischen Abfal­ lentsorgung gänzlich verzichtet werden zugunsten des Vorteils eines energieautarken Verfahrensablau­ fes, beginnend mit der unsortierten Zuführung des Entsorgungsgutes bis hin zur Entnahme eines voll­ ständig inerten hochwertigen Endproduktes.

In besonders vorteilhafter Weise kennzeichnet sich das Verfahren schließlich dadurch, daß das mit der zweiten Hochtemperaturschmelze gewonnene Produkt sich zu einer breiten Palette hochwertiger Indu­ striegüter bzw. hochwertiger Halbfertigprodukte verarbeiten läßt, so beispielsweise zu besonders fein gesponnenen Mineralfasern, hochwertigen Ma­ schinenteilen wie Zahnräder u. dgl. m. Hierbei ist wesentlich, daß die der zweiten Hochtemperatur­ schmelze innewohnende Energie vollständig oder we­ nigstens zu einem hohen Grade ausgenutzt wird zur Herstellung dieser Industrieprodukte durch Anwen­ dung an sich bekannter Gieß- oder Spinnverfahren oder auch von Ausform- und Verformungsprozessen aller Art. Die Viskosität der Hochtemperaturschmel­ ze kann hierfür produktabhängig optimal eingestellt werden.

Bei einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel wird bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrensablaufes wie folgt vorgegangen:
Hausmüll in vorkompaktierter oder loser unsortier­ ter Form wird einem Durchlauf-Pyrolyseofen zuge­ führt, der im wesentlichen aus einer langgestreck­ ten horizontalen Schachtkammer besteht, mit einem stirnseitigen Eintrittsende und einem stirnseitigen Austrittsende. Mittels Preßstempelbeaufschlagung wird das ungesichtete Entsorgungsgut in das Ein­ trittsende des Pyrolyseofens hinein verdichtet und in Übereinstimmung mit der intermittierend erfol­ genden Einspeisung über die gesamte Länge des Pyro­ lyseschachtes durch diesen hindurchgedrückt. Ein geeigneter Temperaturgradient, über die Länge des Ofenschachtes verteilt, stellt sicher, daß am Austrittsende die verdichteten und entgasten festen Reststoffe des Entsorgungsgutes in Form von festem Pyrolysekoks sowie mineralischen und metallischen Komponenten austreten. Unmittelbar mit dem Austritt dieser festen mineralischen, metallischen und orga­ nischen Komponenten der Reststoffe erfolgt eine ausreichende Sauerstoffbeaufschlagung. Die während der Druckpyrolyse bei Temperaturen um ca. 700°C, nicht vergasten festen Reststoffe werden durch den exothermen Vorgang der Oxidation weitge­ hend nachverbrannt bzw. oxidiert, verglast oder vergast. Es entsteht eine flüssige Schlacke, die nachfolgend in ein Wasserbad granuliert werden kann. Dieses Granulat ist jedoch nicht frei von Einschlüssen und damit Inhomogenitäten, die sowohl mineralischer, metallischer oder sogar organischer Natur sein können. Infolge der schockartigen Abküh­ lung der Flüssigschlacke im Wasserband zeigt das granulierte Zwischenprodukt eine Vielzahl von Ris­ sen, Platzflächen u. dgl., die auch giftige Inhomo­ genitäten freilegen und insofern die geforderte Eluatbeständigkeit der Hochtemperatur-Reststoffe zumindest langfristig nicht sicherstellen können.

Gemäß dem vorliegenden Verfahrensablauf wird des­ halb das aus dem ersten Schmelzbad bei Temperaturen um 1300°C gewonnene Granulat unter Ausnutzung der bei der Entgasung gewonnenen Primärenergie (Pyrolyse­ gas) erneut in eine Hochtemperaturschmelze über­ führt, deren Temperatur höher als 1350°C liegt, vorzugsweise bei 1700°C oder darüber. Wenn nunmehr diese Hochtemperaturschmelze erneut abge­ kühlt wird, entsteht ein keramikähnlicher Feststoff von vollständig homogener Struktur, d. h., daß in ihm keinerlei Einschlüsse mehr enthalten sind, die eluierbar wären.

Es ist ein wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung, daß die zweite Hochtemperaturschmelze nicht ohne zusätzliche Produktions­ schritte abgekühlt wird, um in dieser Form einer Deponie od. dgl. zugeführt zu werden, sondern daß vielmehr diese Schmelze unter Ausnutzung der ihr innewohnenden hohen Wärme-Energie weiterverarbeitet wird, beispielsweise zu einem faserartigen oder flächigen Zwischenprodukt, welches in vorteilhafter Weise industriell verwendbar ist. So ist es beson­ ders vorteilhaft, die Faserprodukte als wertvolle Armierungen in Baustoffen oder für Isolierzwecke als Mineralwolle zu verwenden. Das mit der vorlie­ genden Verfahrensweise gewonnene Produkt vermag Aufgaben zu übernehmen, wie sie in der Vergangen­ heit nicht nur Asbestfasern, sondern auch hochwer­ tigen Sinterstoffen, Hartmetallegierungen u. dgl. zugesprochen wurden.

Besonders vorteilhaft ist es beim vorliegenden Ver­ fahren auch, wenn zwischen dem Verfahrensschritt des Granulierens der ersten Hochtemperaturschmelze und der erneuten Verflüssigung des Granulats eine Separierung einer oder mehrerer Metallkomponenten nach an sich herkömmlichen Separierungsverfahren vorgenommen wird, beispielsweise die wenigstens teilweise Abtrennung der eisenhaltigen Metallkom­ ponenten aus der Schmelze erfolgt.

Für den Fall, daß aus der zweiten Hochtemperatur­ schmelze glasfaserähnliche Strukturen mit vorzugs­ weise unregelmäßigen Oberflächen gewonnen werden, ist es vorteilhaft, eine gekühlte Schleuderwalze mit geeignet strukturierter Oberfläche so in die Schmelze einzutauchen, daß die ausgeschleuderten Flüssigkeitsfäden eine besonders unregelmäßig quer­ schnittsarme Struktur aufweisen. Anstelle der ge­ kühlten Schleuderwalze ist auch denkbar, zwei Quetsch­ walzen oder einen rotierenden Teller zum Einsatz zu bringen. Die von diesen Anordnungen abfließenden Faserstrukturen können entsprechend der Umlaufge­ schwindigkeit der Walze und der eingestellten Schmelzbadviskosität gewünscht verändert werden.

Das nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren gewonnene Produkt zeigt hinsichtlich seiner Eluat­ beständigkeit die folgenden in der nachstehenden Tabelle zusammengefaßten Ergebnisse:

Die in der Tabelle angegebenen Werte wurden aus Pro­ bennahmen mehrerer Schmelzkörper gemäß dem nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gewonnenen Produkt er­ mittelt, wobei Probenscheiben von 80 g zur Anwen­ dung kamen. Grundlage für die Untersuchungen bilde­ ten die Anforderungen der gegenwärtigen schweizeri­ schen "Technischen Verordnung für Abfälle" (TVA) vom Dezember 1990. Die durch Stoffumwandlung erhal­ tenen Produkte stammen aus einem Hochtemperaturpro­ zeß mit einer Temperatur von oberhalb 1700°C. Die Bestimmungen erfolgten unter Anwendung atomspektro­ skopischer Verfahren.

Die Resultate zeigen, daß Aluminium und Silizium die Hauptanteile der festen Reststoffe bilden. Alle Schwermetalle sind in derart geringen Konzentratio­ nen vorhanden, daß sie unterhalb der Nachweisgrenze der angewendeten Meßmethoden liegen, zumindest je­ doch weit unter den geforderten Eluatwerten hin­ sichtlich der Umweltverträglichkeit. Die Gesamtheit der Anforderungen an Inertstoffe bezüglich der TVA- Elemente ist erfüllt. Es ist praktisch keine Aus­ laugung festgestellt worden. Es handelt sich beim verfahrensmäßigen Produkt somit um ein vollständig inertes Material, welches den modernsten Umweltan­ forderungen auch hinsichtlich des Spurengehaltes möglicher toxischer Komponenten vollinhaltlich ent­ spricht.

Claims (6)

1. Verfahren zur vollständigen Stoffumwandlung, bei dem Entsorgungsgut aller Art unsortiert in das Eintrittsende einer langgestreckten horizontalen und beheizten Schachtkammer hinein verdichtet und über deren gesamte Länge durch die Kammer hindurchgedrückt und hierbei entgast wird, und bei dem am Austrittsende der verbleibende Pyro­ lysekoks der festen Reststoffe unmittelbar mit­ tels Sauerstoff oxidiert und die nicht vergas­ baren metallischen und mineralischen Komponenten verglast werden, wofür sie bei Temperaturen von ca. 1300°C in eine erste Hochtemperaturschmelze überführt werden, nachfolgend unter Verwendung der Wärmeenergie der bei der zuvor erfolgten Entgasung des Entsorgungsgutes gewonnenen Gase eine homogenisierte Hochtemperaturschmelze bei Temperaturen zwischen 1500 und 1800°C herge­ stellt wird und abschließend diese Schmelze ohne Zwischenabkühlung einer industriellen Verarbei­ tung zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus der ersten Hoch­ temperaturschmelze wenigstens eine Metallkompo­ nente abgetrennt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Hochtempe­ raturschmelze in ein Wasserbad granuliert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die schmelzflüssig ausgetragenen Reststoffe der thermischen Entga­ sung in einem Sammelbehälter durchmischt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vollständig ho­ mogene Hochtemperaturschmelze vor ihrem Erstar­ ren an sich bekannten Gieß-, Spinn-, Aus- und/ oder Verformungsprozessen zugeführt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Hochtemperatur­ schmelze von mehr als 1700°C hergestellt wird.