DE4226015C1 - Verfahren zur Entsorgung von festen und flüssigen Abfallstoffen im Vergasungsprozeß bei der Festbettdruckvergasung - Google Patents

Verfahren zur Entsorgung von festen und flüssigen Abfallstoffen im Vergasungsprozeß bei der Festbettdruckvergasung

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Vergasung und insbesondere auf die Festbettdruckvergasung sowie auf das Gebiet der Entsorgung von Abfallstoffen.
Die Festbettvergasung wird mit den unterschiedlichsten Einsatzstoffen, wie Rohbraunkohle, Braunkohlenbriketts, Hartbraunkohle und Steinkohle betrieben. Die Qualität dieser Einsatzstoffe hinsichtlich des Asche- und Wassergehaltes kann in weiten Grenzen schwanken. Der Aufbereitungsaufwand für den Vergasungsstoff ist gering. Diese relativ hohe Anspruchslosigkeit der Festbettdruckvergasung an den Vergasungsstoff und die Möglichkeit einer stofflichen Nutzung der Produkte haben unter anderem auch dazu geführt, Abfallstoffe einzusetzen.
Der grundsätzliche Nachteil der Festbettdruckvergasung besteht darin, daß im Rohgas Staub, höher- und niedrigsiedende Kohlenwasserstoffe und wasserlösliche organische und anorganische Verbindungen enthalten sind und aufwendige Nebenanlagen zur Gewinnung und Verwertung einzelner Produkte sowie zur Vermeidung von Umweltgefährdungen erforderlich sind.
Nach DD-PS 2 59 875 ist ein Vorschlag bekannt geworden, nach welchem zur Vermeidung von Abprodukten die Brennstoffschütthöhe im Festbettdruckvergaser extrem abgesenkt wird und durch die dadurch erreichten Temperaturen im Gasraum von ca. 1000°C die im Rohgas enthaltenen Teere, Öle und Staubpartikel im Gasraum in Rohgas umgewandelt werden sollen. Dieses Verfahren ist sicherheitstechnisch nicht beherrschbar, da durch die extrem niedrige Festbettschüttung Sauerstoffdurchbrüche provoziert werden, die in nachgeschalteten Anlagen zu Gasexplosionen führen können. Bekannt ist weiterhin ein Vorschlag nach DD-PS 43 253, bei dem die im Gas enthaltenen flüssigen und festen Bestandteile beim Verlassen des Gaserzeugers autooxydativ unter Zuführung von Vergasungsmitteln in Gas umgewandelt werden sollen. Dieses Verfahren ist wirtschaftlich nicht sinnvoll, da ein Teil des erzeugten Gases verbrannt wird. Ein sicherer definierter Umsatz der flüssigen und festen Bestandteile ist bei der Durchführung dieses Verfahrens nicht garantiert. Da der Vorschlag weiterhin keine sichere nacharbeitbare Lehre beinhaltet, ist bei dem dargestellten Verfahren mit Gasexplosionen zu rechnen.
In der DD-PS 1 50 475 ist eine Lösung aufgezeigt, nach der unter Einsatz eines Hydrierkatalysators bei einer Nachvergasung von Festbettdruckvergasungsrohgas höhere Kohlenwasserstoffe durch Hydrocracken umgesetzt werden sollen. Dieses Verfahren weist den Nachteil auf, daß die Eintrittstemperatur des Rohgases im Nachvergaser auf die Arbeitstemperatur des Katalysators eingestellt werden muß. Dies ist bei Einsatz von Braunkohle im Vergasungsprozeß nur mit komplizierter Steuer- und Verfahrenstechnik realisierbar. Ein weiterer Nachteil des Verfahrens ist die rasche Verschmutzung des Katalysators mit Kohlenstaub- und Ascheteilchen, welche mit dem Rohgas mitgeführt werden und die damit entstehenden hohen Betriebskosten. Weiterhin sind in den DE-OS 25 32 197 und 25 32 198 Vorschläge aufgezeigt, zur Nachvergasung von Kohlenwasserstoffen aus Festbettdruckvergasungsrohgas dieses bei Zugabe von Sauerstoff in einen Nachvergaser, welcher ein Festbett aus inertem oder Katalysatormaterial enthält, einzuleiten, wodurch infolge von Temperaturerhöhungen Vergasungs- und Crackreaktionen eintreten sollen.
Dieses Verfahren ist dahingehend von Nachteil, daß hier eine Steuerung der Rohgaszusammensetzung sowie der Rohgasmenge im Nachvergaser nicht möglich ist und die Festbettschüttung im Nachvergaser durch Verschmutzung infolge von Staub- und Ascheeintrag zur Leistungseinsenkung bzw. zur Abstellung des Vergasungsprozesses führen kann.
Für Abfälle mit organischen Schadstoffen, wie Dioxine und Furane, sowie mit Schwermetallen werden Lösungen vorgeschlagen, durch Einbindung in tonhaltige Materialien (DE-PS 39 18 259, DE-PS 37 13 482, DE-PS 39 19 011 oder DE-PS 35 02 215) schwermetallhaltige Rückstände zu festen deponiefähigen Produkten zu verarbeiten, die dann teilweise mit einem sehr hohen Kostenaufwand in Untertagedeponien abgelagert werden.
Alternative Lösungen sehen Einschmelzlösungen vor. Solche Lösungen werden in DE-PS 39 39 344, DE-PS 32 06 984 beschrieben. Diese Anlagen benötigen einen sehr hohen Energieaufwand. Sie befinden sich gegenwärtig überwiegend im Stadium von Labor- und Pilotanlagen und bedürfen für die Überführung in die Praxis noch eines erheblichen Entwicklungs- und Zeitaufwandes.
Aus der Vergasungstechnik ist ein Vorschlag aus DD-PS 2 67 880 bekannt, nach dem ein aschehaltiger flüssiger Brennstoff separat und unabhängig von einem Brenner, der mit einem staubförmigen Brennstoff beaufschlagt wird, mit Wasserdampf über eine Zuführungsleitung dem Reaktionsraum zugeführt wird und der benötigte Sauerstoff für die autotherme Partialoxydation des aschehaltigen flüssigen Brennstoffes über den Kohlestaubbrenner dem Vergasungsreaktor zugeführt wird.
Die Vergasung von flüssigen Rückständen erfordert nach diesem Verfahren einen hohen Einsatz von Kohlestaub, dessen Verwendung zu hohen Gasgestehungskosten führt. Die Einsatzmenge von flüssigen Rückständen ist mengenmäßig bei diesem Verfahren sehr begrenzt.
Auch weitere für die Beurteilung in Betracht gezogene Patente auf dem Gebiet der Festbettdruckvergasung, wie DE 26 19 302, DE 33 42 383 und DE 33 27 203, die für die Einschmelzung der anorganischen Schadstoffe einen flüssigen Schlackeabzug vorschlagen, zeigen keine Lösung für die Verhinderung einer Schwermetalldampfaufnahme des Rohgases.
Ziel und Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Verfahren zur Entsorgung von festen und flüssigen Abfallstoffen derart weiterzubilden, daß eine verbesserte Beseitigung anorganischer Schadstoffe oder auch höher siedender organischer Schadstoffe mit hohem Wirkungsgrad erreichbar wird.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Dabei werden einem Festbettdruckvergaser 1 bis 80% Abfallstoffe und gleichzeitig 20 bis 99% stückige Braunkohle zugeführt. Der Anteil der zugeführten Braunkohle wird den Schadstoffanteilen sowie dem Heizwert der Abfallstoffe angepaßt.
Er wird proportional zum Salz-, Schwermetall-, Dioxin- und Furangehalt und umgekehrt proportional zum Heizwert der Abfallstoffe eingestellt. Im Festbettdruckvergaser wird durch die Bildung eines definierten Temperaturprofils in der Schüttung die Braunkohle bei 300 bis 800°C und Verweilzeiten von <1 h in ein Aktivat mit einer spezifischen Oberfläche von ca. 400 m²/g umgesetzt, welches die mit dem Vergasungsgas aus den Abfallstoffen stammenden Schwermetall-, Salz-, Dioxin- und Furandämpfe adsorbiert und in tiefere Zonen der Schüttung mit Temperaturen von ca. 1200°C transportiert. Bei diesen Temperaturen werden die organischen Schadstoffverbindungen zerstört und die anorganischen Verbindungen überwiegend in die entstehende Schlacke eingebunden.
Die Einstellung des o. g. Temperaturprofils, der maximalen Temperatur in der Schüttung und der Verweilzeit der Braunkohle bei Temperaturen von 300 bis 800°C zur Aktivatbildung wird bei einem Festbettdruckvergaser mit einem Volumen von ca. 80 m³ wie folgt vorgenommen:
  • - Die Verweilzeit der Braunkohle von <1 h in einem Temperaturbereich von 300 bis 800°C wird durch Einstellung einer Sauerstoffbelastung von ca. 3400 m³ O₂/h erreicht. Niedrigere Sauerstoffbelastungen bewirken höhere Verweilzeiten.
  • - Die maximale Temperatur in der Schüttung wird mit der Wahl des Dampf-Sauerstoffverhältnisses eingestellt. Bei einer Dampf-Sauerstoffeinstellung von 7 kg Dampf/1 m³ i. N. O₂ beträgt die maximale Temperatur ca. 1200°C. Mit der Absenkung des Dampf-Sauerstoffverhältnisses wird die Maximaltemperatur entsprechend höher.
  • - Die Lage und die Ausbildung der Reaktionszonen, erkennbar am Temperaturprofil der Zonentemperaturmessungen am Umfang des Festbettvergasers in einer oder mehreren Ebenen, wird mittels eines kontinuierlichen Schlackeaustrages unter Beachtung des Verhältnisses der eingefahrenen Mineralstoffmenge zur ausgetragenen Schlackemenge auf dem erforderlichen Niveau gehalten. Bei richtiger Einstellung beträgt der Durchschnittswert der Temperaturebene in Höhe der Drehrostspitze ca. 350°C und in der 22 m höher gelegenen Ebene ca. 450°C. Die Maximaltemperatur sollte aber stets nahe an der Ascheschmelztemperatur liegen. Eine Körnungsanalyse der ausgetragenen Schlacke bestätigt die optimale Maximaltemperatur dann, wenn die Körnung <5 mm nicht über 40% beträgt.
Als weitere Kontrollparameter über die Lage und Ausbildung der Reaktionszonen sind der CO₂-Gehalt des Vergasungsgases, der <40 Vol.-% betragen sollte, die Rohgasaustrittstemperatur, die Werte zwischen 250 und 350°C haben sollte, die Schlackeaustragstemperatur, die zwischen 250 und 350°C liegen sollte, und der Differenzdruck der Generatorschüttung, der nicht über 10 kPa ansteigen darf, zu nutzen.
Eine optimale Fahrweise ist durch eine algorithmische Verknüpfung aller aufgeführten Parameter erreichbar.
Die Zuführung der festen Abfallstoffe erfolgt im Gemisch mit Kohle über eine Schleuse in den Festbettdruckvergaser. Bei kompakter Form sollte die Körnung zwischen 5 bis 100 mm betragen, wobei eine Schüttdichte des Gesamtgemisches von 500 kg/m³ nicht zu unterschreiten ist.
Flüssige Abfallstoffe mit einem Feststoffgehalt von 1 bis 40% werden am Oberteil an zentraler Stelle des Festbettdruckvergasers mit einem Anteil von 1 bis 20% am Vergasungsstoffeinsatz direkt in die Schüttung eingeleitet.
Als Abfallstoffe können Shredderleichtgut, Kunststoffabfälle, Textilabfälle, Autoreifenschnitzel, Papier und Holzabfälle, beladener Aktivkoks, kontaminierte Erden, Klär- und Lackschlämme sowie feststoffhaltige Öl-Teer-Gemische verarbeitet werden.
Die Abführung der Schlacke aus dem Festbettdruckvergaser erfolgt mit Hilfe eines Drehrostes kontinuierlich über eine Schleuse. Die Schlacke besitzt keine umweltaktiven Schadstoffe. Sie kann in der Baustoffindustrie verwendet oder deponiert werden.
Das den Festbettdruckvergaser verlassende Rohgas ist noch mit Schadstoffbestandteilen, die infolge ihres tiefliegenden Siedepunktes nicht in untere Zonen der Schüttung mit hoher Temperatur transportiert und dort zerstört oder unschädlich gemacht werden konnten, beladen. Es wird in Gas- und Gaskondensataufbereitungsanlagen und/oder in Flugstromvergasungsanlagen entsorgt.
Der Vorteil des Verfahrens besteht insbesondere darin, daß Schadstoffdämpfe von dem im Festbettdruckvergaser aus der Kohle erzeugten Aktivat adsorbiert und in Zonen höherer Temperatur mitgeführt und dort unschädlich gemacht werden können sowie in der Erzeugung eines für die o. g. Zwecke nutzbaren Aktivates im gleichen Reaktor, in dem auch die Entsorgung der Abfallstoffe stattfindet.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden Text näher beschrieben.
In einem Festbettdruckvergaser 1, der unter einem Druck von 25 bar betrieben wird, werden stündlich ca. 10,5 t Abfall eingebracht.
Die Komponenten des Abfalls sind in nachstehender Zusammenstellung fixiert:
Entsprechend der vorgegebenen Grenzwerte, wie Schwermetallgehalt bezogen auf den Kohleanteil <5 g/kg, Heizwert <12 MJ/kg Vergasungsstoff, Körnungsanteil <10 mm <20% im Vergasungsstoff und Abfallkomponenten mit einer Schüttdichte <400 kg/m³ <50% bzw. Gesamtschüttdichte <500 kg/m³ im Vergasungsstoff, wird der Kohlebedarf ermittelt.
Im angegebenen Ausführungsbeispiel bei einem Schwermetallmengenstrom von 40 830 g/h entsteht ein Kohlebedarf (40 830 g/h Schwerm./h : 5 g Schwerm./kg Braunkohle) von 8,166 t/h. Bei diesem Kohleanteil sind die weiteren Grenzwerte (Heizwert, Körnung <10 mm und Schüttdichte <400 kg/m³) alle eingehalten. Eine Komponentenveränderung ist nicht erforderlich. Die Vergasungsstoffmenge je Stunde, die dem Festbettdruckvergaser 1 zugeführt wird, beträgt damit 10,5 t Abfall 4+8,166 t Braunkohle 8 = 18,666 t. Die für die Vergasung notwendige Sauerstoffmenge beträgt 0,0083 m³ i. N. O₂/MJ Wärmeinhalt des Vergasungsstoffes. Hieraus resultiert eine Sauerstoffmenge von
(80,2×10³ MJ/h+16,8×10³ MJ/h×8,166 t/h)×0,0083 m³ i.N./MJ=1800 m³ i.N./h.
Die sich bei dieser Einstellung ergebende Verweilzeit zur Aktivierung der Braunkohle errechnet sich wie folgt:
Mit 2,1 h ist die Aktivierungszeit ausreichend.
Die Sauerstoffmenge wird im Gemisch 10 mit 12,6 t Dampf pro Stunde über den Drehrost 9 in den Festbettvergaser eingeleitet. Das somit eingestellte Dampf-Sauerstoff-Verhältnis von 7 kg Dampf/m³ i.N. O₂ bewirkt im Festbettvergaser in der Oxydationszone eine Temperatur von 1200°C. Es entsteht ein Schlackegranulat 12, in welchem die Schwermetalle eingeschmolzen sind, in einer Gesamtmenge von 4 t/h, welches kontinuierlich über den Drehrost 9 unter Beachtung des Verhältnisses der eingefahrenen Mineralstoffmenge zur ausgetragenen Schlackemenge (Verh.=1,2 : 1) ausgeschleust und einer Verwertung zugeführt wird. Mittels der Temperaturmessungen 11 am Reaktorumfang erfolgt die Kontrolle der Zonenniveaus, die für die Aktivatbildung maßgeblich sind.
Im Festbettdruckvergaser werden die in der kontaminierten Erde enthaltenen Kohlenwasserstoffe abdestilliert, aufgespalten oder vergast. Die Altreifen- und Shredderleichtgutanteile werden zu 40 bis 70% in Gasbestandteile und zu 20 bis 50% zu Kohlenwasserstoffen umgesetzt. 3 bis 12% gehen in Abhängigkeit von der Zusammensetzung in die Asche/Schlackefraktion. Die Restbestandteile werden als Asche/Schlackegemisch über den Drehrost ausgetragen.
Über den Rohgassammelraum 13 werden 12 600 m³ i. N. trockenes Rohgas und 8400 m³ i. N. Wasserdampf/h mit einer Temperatur von ca. 450°C über die Rohgassammelleitung 14 in Gas-, Gaskondensataufbereitungsanlagen und/oder Flugstromvergasungsanlagen geleitet. Das eingeleitete Rohgas weist folgende Zusammensetzung auf:
CO₂|- 33,5%
CO - 15,0%
H₂ - 36,0%
CH₄ - 12,5%
N₂ - 0,9%
O₂ - 0,1%
C₁-C₄ - 2,0%
Weiterhin enthält das Rohgas ca. 90 g cyclische und aliphatische Kohlenwasserstoffe/m³ i.N. und 10 g Staub/m³ i.N., der etwa 20% Aschebestandteile enthält.
Verzeichnis der Bezugszeichen
 1 Festbettdruckvergaser
 2 kontaminierte Erde
 3 Shredderleichtgut
 4 kontaminierte Holzabfälle
 5 Autoreifenschnitzel
 6 Klärschlamm
 7 Teer-Öl-Feststoff-Gemisch
 8 Braunkohle
 9 Drehrost
10 Vergasungsmittelgemisch
11 Schlackegranulat
12 Rohgassammelraum
13 Rohgassammelleitung

Claims (10)

1. Verfahren zur Entsorgung von festen und flüssigen Abfallstoffen im Vergasungsprozeß bei der Festbettdruckvergasung, gekennzeichnet dadurch, daß dem Festbettdruckvergaser 1 bis 80% Abfallstoffe und 20 bis 99% des Vergasungsstoffes als stückige Braunkohle zugeführt werden, wobei der Anteil der Braunkohle so eingestellt wird, daß der Heizwert des Vergasungsstoffes mindestens 12 MJ/kg, die Schwermetallbestandteile des Abfalls mit einem Siedebereich über 650°C, bezogen auf den Braunkohleanteil unter 5 g/kg Braunkohle, ausmachen, die Körnung des Vergasungsgemisches unter 10 mm nicht mehr als 20% beträgt und der Anteil der Abfallkomponenten mit einer Schüttdichte unter 400 kg/m³ nicht über 50% des Vergasungsstoffes annimmt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die flüssigen Abfallstoffe einen Feststoffgehalt von 1 bis 40% besitzen und in einem Anteil von 1 bis 20% des Vergasungsstoffeinsatzes direkt dem Feststoffvergaser zugeführt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die festen Abfallstoffe in stückiger kompaktierter Form mit einer Korngröße von <5 und <100 mm im Gemisch mit der Braunkohle dem Feststoffvergaser zugeführt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß unterschiedliche Abfallstoffe gleichzeitig in den Festbettdruckvergaser eingesetzt werden können, deren Mischungsverhältnis in Abhängigkeit von der Schadstoffbelastung, der Dichte sowie des Körnungsspektrums der Abfallstoffe erfolgt.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Prozeßführung des Festbettdruckvergasers in einer solchen Art und Weise vorgenommen wird, daß sowohl vom Temperaturprofil als auch von der Verweilzeit des Vergasungsstoffes und der Zonenausbildung im Festbettdruckvergaser eine aktivierte Braunkohle entsteht, welche Schadstoffe (vorzugsweise PCB und/oder Dioxin sowie Schwermetalle und/oder Salzdämpfe) adsorbiert, die in Zonen des Festbettvergasers mit Temperaturen von <1200°C transportiert werden, in denen eine Zerstörung organischer Schadstoffe bzw. Einschmelzung anorganischer Schadstoffe in die Schlacketeilchen erfolgt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die für die Aktivatbildung erforderliche Verweilzeit im Aktivierungstemperaturbereich mit Hilfe der stündlich zugeführten Sauerstoffmenge eingestellt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schadstoffeinschmelztemperatur mit Hilfe des Dampf-Sauerstoff-Verhältnisses eingestellt und über die Kornstruktur der Schlacke kontrolliert wird.
8. Verfahren nach Anspruch 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage und Ausbildung der Reaktionszonen mittels eines kontinuierlichen Schlackeaustrages über den Drehrost unter Beachtung des Verhältnisses der eingefahrenen Mineralstoffmenge zur ausgetragenen Schlackemenge auf dem erforderlichen Niveau gehalten und eine ständige Kontrolle mittels mehrerer Temperaturmessungen vorgenommen wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturmessungen in zwei Ebenen am Reaktorumfang gleichmäßig verteilt, vorgenommen werden.
10. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verfahrenskopplung mit Gas- und Kondensataufbereitungsanlagen und/oder mit Flugstromvergasungsanlagen möglich ist.
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