DE4200341C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Hochtemperaturvergasung feinkörniger brennwertreicher organischer Abfallstoffe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Abfallver­ gasung und Ausbildung einer nicht auslaugbaren Schlacke und eines im wesentlichen H₂ und CO als brennbare Bestandteile enthaltenen Gases bei Temperaturen oberhalb von 1200°C, so daß die entstehen­ de Schlacke in flüssiger Form abgezogen wird.

Die Beseitigung von Abfallstoffen durch Ablagern auf Deponien oder durch vollständige Verbrennung in Verbrennungseinrichtungen ist be­ kannt. Bekannt ist ferner die Vergasung der Abfallstoffe in Gaserzeu­ gervorrichtungen durch eine indirekte Erhitzung unter Luftabschluß oder durch eine teilweise Verbrennung unter Luftmangel.

So wird in der deutschen Patentschrift 36 11 429 ein Verfahren zur Abfallzersetzung beschrieben, wobei in einem Schachtofen der Ab­ fallstoff zersetzt, das erzeugte Gas an der Ofengicht entnommen und die Vergasungsrückstände als flüssige Schlacke vom Boden des Schachtofens abgezogen werden. Die zur Zersetzung erforderliche Energie wird durch ein mittels eines Plasmabrenners erhitztes Oxida­ tionsgas am Boden des Schachtofens eingebracht.

Auf diese Weise können Abfallstoffe in ein Wertprodukt, dem erzeug­ ten Gas und in einen umweltverträglichen Reststoff, einer auslau­ gungsresistenten Schlacke umgewandelt und somit in umweltverträg­ licher Weise entsorgt werden.

Nachteilig bei diesem bekannten Verfahren ist die, bezogen auf ihren Durchsatz, erhebliche Baugröße der Vergasungseinrichtung und damit verbunden die schwierige Handhabung und Regelung bei auftretenden Verfahrensänderungen, beispielsweise bei Änderung der Zusammen­ setzung des zu vergasenden Abfallstoffes.

Weiterhin wird in der DE-A 30 11 157 ein Verfahren zur Müllvergasung beschrieben, bei dem Hausmüll und Sonderabfall in einem Reaktor im Gleichstrom mit Sauerstoff bei Temperaturen zwischen 1400 und 1500°C und bei einem Überdruck von 1,0 bis 20 MPa autotherm vergast wird. Ein derartiges Verfahren, das mit Sauerstoff bei hohen Drücken durchgeführt wird, stellt hohe Anforderungen an die Konstruktion des Reaktors und an die Durchführung des Verfahrens (Ausschleusung der Vergasungsprodukte) dar und ist sehr teuer.

Es sind auch Vergasungsreaktoren zur Vergasung von Kohle bekannt. So wird in der DE-A 26 17 897 beschrieben, in einem liegenden Zy­ klon mit vorgeschalteter Vorbrennkammer bei einem Überdruck von 2,0 bis 3,0 MPa und Tem­ peraturen von 1500 bis 1700°C eine Gleichstromvergasung derart durchzuführen, daß die Kohleteilchen an die Innenwand des liegenden Zyklons geschleudert und die bei der Vergasung dabei flüssig anfal­ lende Asche im Schmelzfluß an der Wand eingebunden und dann seitlich unten aus dem liegenden Zyklon herausgeführt werden.

Neben den auch bei diesem bekannten Verfahren aufgewendeten hohen Überdrücken von 2,0 bis 3,0 MPa mit den vorstehend angeführten Nachteilen ist insbesondere der apparative Aufwand, der Einsatz einer vorgeschalteten Vorbrennkammer zur Vorvergasung, von Nachteil.

Auch die aus der DE-A 30 33 251 bekannte Vergasung von Kohlen­ staub, die bei Temperaturen von 1800°C und höher in einem vertika­ len Vergasungsreaktor durchgeführt wird, ist wegen der hohen Be­ triebstemperaturen mit hohen Kosten verbunden.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit dem in wirtschaftlicher und einfacher Weise unter Ver­ meidung der Nachteile bekannter Verfahren, insbesondere unter Ver­ meidung hoher Drücke, Abfallstoffe in der genannten Weise durch Vergasung entsorgt werden können.

Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung verfahrensmäßig mit den Maß­ nahmen des Kennzeichnungsteils des Anspruchs 1 und vorrichtungs­ mäßig mit den Maßnahmen des Kennzeichnungsteils des Anspruch 6 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprü­ chen angegeben.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren werden die trockenen bzw. vorge­ trockneten Abfallstoffe - falls erforderlich nach einer Vorzerkleinerung auf mindestens 2 mm - einer Zyklonkammer aufgegeben und dort bei einem erhöhten Druck von bis zu 0,3 MPa durch Zugabe eines Sauerstoff­ haltigen Vergasungsmediums bei einer Temperatur von mindestens 1200°C - vorzugsweise 1300 bis 1600°C - in der Schwebe - teilweise verbrannt und vergast unter Bildung einer schmelzflüssigen Schlacke und eines im wesentlichen H₂ und CO als brennbare Bestandteile ent­ haltenden Gases.

Durch die Verwendung einer vertikal angeordneten zylindrischen und/oder konischen Zyklonkammer - mit sekantialem horizontalen Ein­ trag der Abfallstoffe und des Vergasungsmediums im oberen Bereich der Zyklonkammer und mit axialem Austrag der gebildeten schmelz­ flüssigen Schlacke am Boden der Zyklonkammer und mit vertikalem axialen Austrag des erzeugten Gases - als Vergasungseinrichtung wird ein intensiver Stoffaustausch zwischen dem zu vergasenden Feststoff und dem Vergasungsmedium, das vorgewärmte Luft, mit Sauerstoff angereicherte Luft oder reiner Sauerstoff sein kann, in der Schwebe herbeigeführt. Durch die hohe Stoffstromdichte innerhalb der Zyklon­ kammer und der hohen Partikelstrahlgeschwindigkeit, mit der der zu vergasende Abfallstoff in die Zyklonkammer gemeinsam mit dem sauer­ stoffhaltigen Vergasungsmedium eingedüst wird, ergeben sich hohe Verflüchtigungsraten verflüchtigbarer Bestandteile und hohe Schmelz­ raten der zu schmelzenden Restbestandteile.

Die Versuchsparameter Temperatur und Luftzahl λ werden in Abhän­ gigkeit von der Zusammensetzung des zu vergasenden Abfallstoffes eingestellt, wobei aufgrund des geringen Bauvolumens und des gerin­ gen Wärmeinhalts des aufgeheizten Zyklons entsprechende Parame­ teränderungen in kurzer Zeit durchführbar sind.

Um stets einen schmelzflüssigen Abzug der gebildeten Schlacke zu gewährleisten, liegt die Reaktionstemperatur in der Zyklonkammer stets oberhalb von 1200°C, vorzugsweise im Bereich zwischen 1300 und 1600°C. Zur Bildung eines noch verwertbaren im wesentlichen H₂ und CO enthaltenen Gases beträgt die Luftzahl λ während der Verga­ sung maximal 0,8 - zur Aufrechterhaltung einer teilweisen Verbrennung des Abfallstoffes aber mindestens 0,4. Die Einstellung des Sauerstoff­ gehaltes des Vergasungsmediums - von reiner Luft bis zum reinen Sauerstoff ist möglich - wird nach der Zusammensetzung des Abfall­ stoffes, der für einen schmelzflüssigen Austrag der Schlacke erfor­ derlichen Temperatur sowie nach der gewünschten Qualität des zu erzeugenden Gases vorgenommen.

Der Eintrag der zu vergasenden Abfallstoffe geschieht im oberen Teil der Zyklonkammer über mindestens eine, vorzugsweise zwei Mehr­ stoffdüsen, wobei die zu vergasenden Abfallstoffe mittels eines Trä­ germediums, beispielsweise Luft oder Stickstoff durch das Zentralrohr der Mehrstoffdüse in die Zyklonkammer eingeblasen und das sauer­ stoffhaltige Vergasungsmedium durch das Mantelrohr der Mehrstoffdü­ se in die Zyklonkammer eingeblasen wird. Die Einblasgeschwindigkeit ist hierbei so hoch, daß keine Rückzündung im Strahl stattfinden kann. Die Einblasrichtung ist so gewählt, daß der Partikelstrahl vorzugs­ weise sekantial zum Zyklonkammerinnenumfang eingeblasen wird, wodurch der Partikelstrahl zunächst in den Innenbereich der heißen Zyklonkammer gelangt und erst später mit der kälteren Zyklonkammer­ wandung in Kontakt kommt.

Den Mehrstoffdüsen benachbarte, mit diesen vorzugsweise in einer Ebene angeordnete Stütz- und Zündbrenner sorgen bei einem Abfall der Zyklonkammertemperatur dafür, z. B. bedingt durch zu niedrigem Brennwert der Abfallstoffe, daß die Temperatur schnell wieder auf den für den schmelzflüssigen Austrag der Schlacke erforderlichen Wert ansteigt. Die Brenner sind dabei so ausgelegt, daß ihre Wärmelei­ stung zum Heißfahren der Zyklonkammer auf Betriebstemperatur aus­ reicht.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden das er­ zeugte Gas und die gebildete Schmelze getrennt voneinander aus der Zyklonkammer abgezogen, wobei die Schmelze in einen unterhalb der Zyklonkammer angeordneten Wasserbehälter fällt und dabei gekühlt wird. Einen Teil des bei diesem Abkühlvorgangs entstehenden heißen Wasserdampfes wird in den Zyklon geleitet, dort zersetzt und ist somit Bestandteil des in der Zyklonkammer gebildeten Gases, das auf diese Weise mit H₂ angereichert wird.

Es ist aber auch möglich, das erzeugte Gas und die gebildete schmelzflüssige Schlacke durch einen gemeinsamen Bodenaustrag aus der Zyklonkammer abzuziehen und in einen unterhalb der Zyklon­ kammer angeordneten Unterofen einzutragen und erst in diesem Un­ terofen das Gas von der Schmelze zu trennen.

Gegenüber der Abkühlung der Schmelze in einem Wasserbehälter, wobei ein Schlackengranulat mit vorwiegend glasiger Struktur ent­ steht, wird durch die Pufferung der Schmelze in einem größeren Be­ iälter, dem Unterofen, die Möglichkeit gegeben, die Schmelze in grö­ ßeren Portionen abzuziehen und beispielsweise dann einem gezielten Abkühlvorgang zu unterwerfen oder beispielsweise dann zu Formkör­ pern abzugießen.

Mit Vorteil findet die Vergasung gemäß der Erfindung innerhalb der Zyklonkammer unter einem erhöhten Druck, beispielsweise von bis zu 0,4 MPa statt. Hierdurch werden die Vergasungsreaktionen in ihrer Schnelligkeit und in ihrem Wirkungsgrad günstig beeinflußt. Außerdem ist hierdurch für nachfolgende Verfahrensschritte, beispielsweise der Gasreinigung, eine oftmals notwendige Gasverdichtung bereits vorteil­ haft vorweggenommen.

Das Verfahren bzw. die Vorrichtung gemäß der Erfindung wird durch Zeichnungsfiguren näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 einen vertikalen Schnitt durch eine Zyklonkammer mit einer Mehrstoffdüse und einem Unterofen;

Fig. 2 einen vertikalen Schnitt durch eine Zyklonkammer mit einer Mehrstoffdüse und einem Wasserbadbehälter;

Fig. 3 einen horizontalen Schnitt durch eine Zyklonkammer mit zwei Mehrstoffdüsen.

Fig. 1 zeigt eine Zyklonkammer (10) in einer zylindrischen Ausfüh­ rungsform mit einer Mehrstoffdüse (11) zum Einblasen des zu verga­ senden Abfallstoffes mittels eines Trägermediums über ein Zentralrohr (12) und zum Einblasen des sauerstoffhaltigen Vergasungsmediums über ein Mantelrohr (13).

In der gleichen Ebene befindet sich hinter der Mehrstoffdüse (11) ein in der Zeichnung nicht dargestellter Stütz- und Zündbrenner (14) mit seiner Austrittsöffnung (15).

Zylindermantel, Deckel und Boden der Zyklonkammer (10) sind aus einem hitzebeständigen Material (16) gefertigt. Zusätzlich wird die Zyklonkammer (10) mit Wasser gekühlt, wobei über den unteren Ein­ laßstutzen (17) das Wasser in den äußeren Doppelmantel (19) einge­ führt und über den Auslaßstutzen (18) wieder abgeführt wird.

Die gemeinsame Auslaßöffnung (21) für das in der Zyklonkammer (10) entstandene Gas und für die gebildete schmelzflüssige Schlacke be­ findet sich im Boden der Zyklonkammer (10) unmittelbar über einer entsprechenden Öffnung im Gewölbe des Unterofens (20). In diesem Unterofen, der aus einem hitzebeständigen Material besteht, findet die Trennung von gebildeter schmelzflüssiger Schlacke und entstandenem Gas statt. Die schmelzflüssige Schlacke (24) sammelt sich am Boden des Unterofens (20) und kann periodisch oder kontinuierlich über eine Auslaßöffnung (23) abgezogen werden. Dadurch, daß ständig heißes Gas auf die schmelzflüssige Schlacke (24) aufgeblasen wird, wird eine Abkühlung und Erstarrung der schmelzflüssigen Schlacke verhindert.

Das entstandene Gas verläßt den Unterofen über die Öffnung (25) und wird über eine in der Zeichnung nicht dargestellte Leitung einer weite­ ren Verwendung zugeführt, beispielsweise einer nach einer gegebe­ nenfalls vorherigen notwendigen Gasreinigung Verbrennung in einem Gasmotor zur Erzeugung von elektrischer Energie oder aber als Roh­ stoff für Syntheseerzeugnisse (Synthesegas).

Fig. 2 zeigt eine zylindrische Zyklonkammer (30), in einer gegenüber der Zyklonkammer (10) abgeänderten Ausführung. In dieser Ausfüh­ rungsform wird bereits in der Zyklonkammer (30) die schmelzflüssige Schlacke und das Gas voneinander getrennt. Das Gas verläßt die Zy­ klonkammer (30) über einen Gasabzug mit einem Tauchrohr (26), das von oben in die Zyklonkammer (30) eingeführt ist. Die schmelzflüssige Schlacke fließt nach unten durch die Öffnung (21) in einen Wasserbe­ hälter (31), wo sie durch das Wasser (32) abgekühlt wird und zu Gra­ ralien erstarrt. Die erstarrte Schlacke (29) wird über eine Austrags­ vorrichtung (22) aus dem Wasserbehälter kontinuierlich abgezogen.

Eine Teilmenge der beim Abkühlvorgang entstehenden Wasserbrüden gelangt von unten durch die Öffnung (21) in die Zyklonkammer, wo sie zersetzt und mit den übrigen Bestandteilen des Gases vermischt wer­ den. Die restliche Teilmenge wird über eine außerhalb des Wasserbe­ hälters angeordnete Abzugsvorrichtung (27) aus dem Wasserbehälter abgesaugt. Durch Dosierung der abgesaugten Teilmenge über eine Regelvorrichtung (28) ist es möglich, die Menge der in die Zyklon­ kammer (30) gelangenden Brüden zu beeinflussen und somit der ge­ wünschten Gaszusammensetzung anzupassen. Die somit gegebene Regelmöglichkeit für den H₂-Gehalt des Gases ist insbesondere für eine Verbrennung in einem Gasmotor zur Erzeugung von elektrischer Energie oder für eine Verwendung als Synthesegas von Vorteil.

Eine zylindrische Zyklonkammer (32) mit zwei Mehrstoffdüsen nebst den diesen zugeordneten Stütz- und Zündbrennern ist in der Fig. 3 in einem horizontalen Schnitt dargestellt. Sowohl die Mehrstoffdüsen (11) als auch die Stütz- und Zündbrenner (14) sind in dieser Ausführungs­ form in ihrer Einblasrichtung sekantial angeordnet und befinden sich in einer Ebene.

Es ist aber auch möglich, die Einblasrichtung der Mehrstoffdüse und der Stütz- und Zündbrenner tangential anzuordnen.

Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen be­ schränkt. Je nach Brennwert des Abfallstoffes, der Zusammensetzung des gewünschten Gases und dem Verwendungszweck der gebildeten Schlacke sind auch konische und/oder gegenüber der Vertikalen ge­ neigte Zyklonkammern anwendbar, wobei die Anzahl der Mehrstoffdü­ sen auch mehr als zwei betragen kann.

Claims (12)

1. Verfahren zur Abfallvergasung und Ausbildung einer nicht aus­ laugbaren Schlacke und eines im wesentlichen H₂ und CO als brennbare Bestandteile enthaltenden Gases bei Temperaturen oberhalb von 1200°C, so daß die entstehende Schlacke in flüssi­ ger Form abgezogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Ver­ gasung der Abfallstoffe bei einer Korngröße kleiner 2 mm und bei erhöhtem Druck von bis zu 0,3 MPa mit Hilfe eines sauerstoffhalti­ gen Vergasungsmediums in Abhängigkeit von der Zusammenset­ zung des zu vergasenden Abfallstoffes bei Temperaturen von vor­ zugsweise 1300 bis 1600°C, bei einer Luftzahl ← von 0,4 bis 0,8 in einer mit ihrer Rotationsachse vertikal angeordneten zylindri­ schen und/oder konischen Zyklonkammer (10, 30) in der Schwebe erfolgt, mit sekantialem horizontalen Eintrag (11) der Abfallstoffe und des Vergasungsmediums im oberen Bereich der Zyklonkam­ mer (10, 30), mit axialem Austrag (21) der gebildeten schmelz­ flüssigen Schlacke am Boden der Zyklonkammer (10, 30) und mit vertikalem axialen Austrag (21, 26) des erzeugten Gases.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das sauerstoffhaltige Vergasungsmedium vor seinem Eintrag in die Zyklonkammer (10, 30) vorgewärmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erzeugte Gas und die flüssige Schlacke getrennt voneinander abgezogen werden, daß die Schlacke in einem Wasserbad (32) gekühlt wird und daß zumindest ein Teil des dabei entstehenden Wasserdampfes der Zyklonkammer (10, 30) zugeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas und die flüssige Schlacke gemeinsam durch einen Boden­ austrag (21) abgezogen werden und daß die flüssige Schlacke in einem Unterofen (20) gesammelt wird und das Gas getrennt aus diesem Unterofen (20) abgezogen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das erzeugte Gas gegebenenfalls einer Gasreini­ gungsanlage zugeführt und dann in einer Verbrennungseinrich­ tung, vorzugsweise einem Gasmotor, verbrannt wird und der Gasmotor mit einem Generator zur Erzeugung elektrischer Ener­ gie verbunden ist.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine zylindrische und/oder konische gasdruckfeste Zyklonkammer (10, 30), die mit ihrer Rotationsachse vertikal auf der Decke einer gasdruckfesten Unterkammer (20, 31) angeordnet ist und mit die­ ser Unterkammer gasdruckfest in Verbindung steht, mit wenig­ stens einer im oberen Bereich der Zyklonkammer (10, 30) sekan­ tial horizontal angeordneten Mehrstoffdüse (11) für den Eintrag der zu vergasenden Abfallstoffe und des sauerstoffhaltigen Verga­ sungsmediums und mit einer axialen Austragsöffnung (26) in der Decke und/oder einer axialen Austragsöffnung (21) im Bodenbe­ reich der Zyklonkammer (10, 30) für das erzeugte Gas und/oder für die flüssige Schlacke.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zyklonkammer (10) nur eine Austragsöffnung (21) in ihrem Bo­ denbereich für Gas und flüssige Schlacke aufweist und auf der Decke eines Unterofens (20) angeordnet ist, wobei der Unterofen (20) mit Abzugsvorrichtungen (23) für die Schlacke und einer Austrittsöffnung (25) für das erzeugte Gas versehen ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zyklonkammer (30) in ihrer Decke mit einem Gasabzug (26) für das erzeugte Gas versehen ist und daß die Austragsöffnung (21) für die Schlacke im Boden der Zyklonkammer (30) in ein Wasser­ bad (32) mündet, dessen Behälter (31) mit der Zyklonkammer in nach außen gasdichter Verbindung steht.

9. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zyklonkammer (10, 30) mit einem wassergekühlten Mantel verse­ hen ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Zyklonkammer (10, 30) mindestens einen Stütz- und Zündbrenner (14) aufweist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Zyklonkammer (10, 30) geneigt angeordnet ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Zyklonkammer (10, 30) mit Einrichtungen zum Einbringen von Hilfsmedien, z. B. Schlackenbildner und/oder zum Einbringen von zusätzlichen zu zersetzenden Stoffen wie Wasser, Altöl oder Altschlacke versehen ist.