DE4319679C1 - Verfahren zum Hochtemperaturvergasen von Abfall-Mischmaterial unter Ausschmelzen der mineralischen und ggf. der metallischen Bestandteile - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Hochtempera­ turvergasung von Abfall-Mischmaterial unter Aus­ schmelzen der mineralischen und ggf. der metallischen Bestandteile, bei dem in einem Schachtofen der Koh­ lenstoff des als Schachtschüttung vorgegebenen Misch­ materials unter Sauerstoffzugabe vergast und dabei als Energieträger zum Ausschmelzen verwendet wird. Die kohlenstoffhaltigen Abfall-Mischmaterialien sind dabei durch thermisches Vorbehandeln stückig verfe­ stigt, so daß sie eine gas- und schmelzedurchlässige Schachtschüttung im Schachtofen bilden können. Unter Abfall-Mischmaterial sei dabei alles zusammengefaßt, was unter Siedlungsabfall, Industrie- und Sonderab­ fall und Industriegüterwracks, wie beispielsweise abgebrauchte Haushaltsgeräte, verstanden wird; und zwar in vorzugsweise unsortierter Mischung.

Durch eine thermische Vorbehandlung, vorzugsweise unter Sauerstoffabschluß kann derartiges Abfall- Mischmaterial stückig so verfestigt werden, daß es den Einsatzbedingungen eines Schachtofens genügt. Ein solches Verfahren ist in der DE-PS 40 40 377 be­ schrieben.

Schachtöfen mit stückiger Schüttung, werden heute vor allem zum Einschmelzen von Schrott eingesetzt (z. B. DE-PS 24 24 956). Dabei steht die Schachtschüttung entweder auf dem Ofenboden auf, steht also in der Schmelze, oder wird durch einen Rost abgestützt, der sich über der Schmelze befindet. In beiden Fällen ergeben sich technische Nachteile:

• - Steht die Schachtschüttung in der Schmelze, so entzieht sie dieser Wärme, die Viskosität der Schmelze erhöht sich unkontrolliert und der Ab­ stich wird erschwert;
• - Stützt sich die Schachtschüttung auf einen Rost oberhalb der Schmelze ab, so befindet sich der Rost im Zentrum der Wärmeentwicklung der Bren­ ner, muß wegen der thermischen Belastung gekühlt und durch Ummanteln mit Feuerfest-Material zu­ sätzlich geschützt werden (DE-PS 24 24 956).
  Trotzdem ist der Verschleiß dieser Roste größer als der der übrigen Innenauskleidung des Ofens, das Auswechseln der Roste ist aufwendig.

Diese Nachteile sind beim Ausschmelzen der Feststoff­ anteile des Abfall-Mischmaterials noch schwerwiegen­ der als beim Einschmelzen von Schrott, weswegen Schachtöfen nur vereinzelt für den beschriebenen Ver­ wendungszweck vorgeschlagen werden (DE-PS 40 40 377). Die Inhomogenität der Schachtschüttung aus stückig verfestigtem Abfall-Mischmaterial führt häufig zu un­ gleichmäßigem Nachsacken der Schachtschüttung, zu Brückenbildung und damit zu unkontrollierten Reak­ tionszonen in der Schüttung.

Zur Verbesserung des Standes der Technik beim Er­ schmelzen von Schrott in Kupolöfen wird in der DE-PS 23 27 073 vorgeschlagen, die Schüttsäule außer­ halb der flüssigen Schmelze abzustützen und eine Stützfläche im Ofen vorzusehen, die in der Mitte des Ofens über das Niveau der Schmelze hinausragt. Der die Schmelze aufnehmende "Herd" wird dadurch ringför­ mig.

Mit dieser Vorgehensweise sind für das Ausschmelzen von Abfall-Mischmaterial immer noch Nachteile verbun­ den. Es läßt sich z. B. ein unkontrolliertes Zusammen­ brechen der "Reaktionsdome" der Schüttung im Bereich der Sauerstoffeinleitung in der Nähe des Ofenmantels nicht ausschließen, da die Schachtöfen für Abfall- Mischgut aus Gründen des Durchsatzes in der Praxis erhebliche Durchmesser besitzen müssen, eine Unter­ stützung der Schüttsäule nur in der Mitte aber nicht immer ausreicht. Das Zusammenbrechen der "Reak­ tionsdome" verkleinert die Reaktionsflächen, führt also zu Unregelmäßigkeiten in der Ausschmelzleistung, vor allem führt das Zusammenbrechen der "Reaktions­ dome" vor der Sauerstoffeinleitung aber zu einem Zu­ rückschlagen des Sauerstoffes auf die Ofenwandung, die dadurch im Bereich der Sauerstoffeinleitung ört­ lich durch Ausbrennen schnell verschleißt.

Weiter ist aus der DE 31 21 205 ein Abstichvergaser für feste Brennstoffe, insbesondere pelletierter Ab­ fall bekannt, bei der das aus pelletiertem Abfall gebildete Bett oberhalb des Schlackebades mittels einer ringförmigen Einschnürung gehalten wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfah­ ren der eingangs beschriebenen Art anzugeben, das die definierte Ausbildung von stabilen "Reaktionsdomen" ermöglicht, geringeren Verschleiß als Roste garan­ tiert, bei einem Minimum an Wartungsaufwand, und das den Rückstau von Sauerstoff an die Ofenwand sicher verhindert.

Die Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 enthaltenen Merkmale gelöst, die An­ sprüche 2 bis 7 geben vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens und die Ansprüche 8 und 9 für die Vor­ richtung zur Durchführung des Verfahrens an.

Die Abstützung der Abfall-Mischmaterialschüttung durch Stütznocken, die in den Ofenraum ragen, und an deren Stirnseite der Sauerstoff mit Abstand von der Ofenwand in die Abfall-Mischmaterialschüttung einge­ leitet wird, ermöglicht die Bildung von stabilen, domförmigen Reaktionszonen um die Sauerstoffeinlei­ tungen herum. Die Stütznocken wirken gleichsam als Pfeiler, auf die Gewölbe der Reaktionszonen auflie­ gen. Die Sauerstoffeinleitung an der Stirnseite der Stütznocken hat weiterhin den Vorteil, daß infolge des Abstandes der Einleitung von der Ofenwand ein Rück­ stau des Sauerstoffes auf die Ofenwand beim Nachsac­ ken des Schüttmaterials verhindert wird. Die Anzahl der Stütznocken ist beliebig und kann sich nach dem Ofendurchmesser richten. In der Regel werden 3 bis 8 Stütznocken ausreichen.

Die vorgesehene Innenkühlung der Stütznocken, die aus einer hochwarmfesten Metall-Legierung bestehen, die gut wärmeleitfähig ist, bewirkt zunächst eine Konden­ sation der aufgeschmolzenen Mineralstoffe an der Oberfläche der Stütznocken: Es bildet sich ein schlecht wärmeleitender mineralischer Wärmeschutzman­ tel, an dessen Oberfläche sich durch Neukondensation und Abschmelzen ein Gleichgewicht zwischen Eintrag von Kondensationswärme und Austrag von Schmelzwärme einstellt, das die Wirkung einer Schmelzkühlung hat, etwa vergleichbar mit dem Hitzeschild von Wiederein­ trittskörpern in der Raumfahrt.

Die Anordnung der Stütznocken näherungsweise in Höhe der Sauerstoffeinleitung stellt die Abstützung der "Reaktionsdome" unmittelbar an ihren Fußpunkten si­ cher und gewährleistet so größtmögliche mechanische Stabilität dieser Zonen.

Bei Vorgabe eines geeigneten Temperaturgradienten kann dabei die Dicke der mineralischen Schutzschicht der Stütznocken so groß gestaltet werden, daß allein das kondensierte mineralische Material als Schutz­ schicht ausreicht und auf eine zusätzliche keramische Schutzschicht verzichtet werden kann, die Schutz­ schicht bildet sich zur Gänze beim Betrieb des Ofens. Schmelzbedingungen und Konsistenz der ausschmelzenden Mineralstoffe lassen sich dabei - zumindest im Umge­ bungsbereich der Stütznocken - durch Zusatzbrenner beeinflussen und so von den Temperaturbedingungen der Kohlenstoffvergasung in der Abfall-Mischmaterial- Schüttung des Ofens abkoppeln. Das Zusammenwirken einer Regelung der Nockeninnenkühlung - beispielswei­ se durch die Mengenregelung eines flüssigen Kühlmit­ tels - und der Regelung der Zusatzbrenner eröffnet einen großen Variationsbereich für den die Dicke der mineralischen Schutzmantel vorgebenden Temperaturgra­ dienten an der Oberfläche der Stütznocken. Eine be­ züglich des Mengendurchflusses regelbare und in der Kühlwassertemperatur kontrollierbare Wasserkühlung erlaubt diesbezüglich optimale Bedingungen.

Eine bezüglich des Fremdenergieeinsatzes und der Ko­ sten optimierte Verfahrensführung ergibt sich, wenn die Zusatzbrenner mit dem aus der Vergasung des Koh­ lenstoffanteils der Schüttung resultierenden Eigenga­ ses betrieben werden, wobei sich der Einsatz von Sau­ erstoff als vorteilhaft anbietet.

Die Zufuhr des Sauerstoffes erfolgt durch an sich bekannte, gekühlte Düsen. Auch die Zusatzbrenner be­ nötigen eine Zusatzkühlung im Bereich der Ofenwan­ dung. Eine günstige Verfahrensführung ergibt sich, wenn zur Kühlung der Sauerstoffdüsen und ggf. der Zusatzbrenner das Kühlwasser der Stütznocken mit ver­ wendet wird. Optimale Verhältnisse ergeben sich aber, wenn Sauerstoffdüsen und/oder Zusatzbrenner, die zu der Stirnseite der Stütznocken in das Innere des Schachtofens geführt werden, deren Kühlmedium als Außenkühlung benutzen. Es ergibt sich dann der Vor­ teil, daß bei einfachster Konstruktion die Zahl der Durchbrüche durch die Ofenwandung verringert wird und der Wirkungsgrad der Kühlung aller Bauelemente sich verbessert, da der Strömungswiderstand des Systems minimiert ist.

Bezüglich Wartung, Kontrolle und Reparatur des Ofens ergeben sich Verbesserungen, wenn als innengekühlte Stütznocken auswechselbare Baueinheiten verwendet werden, die ohne ein Öffnen des Schachtofens von au­ ßen demontierbar bzw. montierbar ausgeführt sind. Derartige Baueinheiten könnten die Sauerstoffzufuhr und ggf. die Zusatzbrenner integriert und vormontiert enthalten. Die in den Ofenraum hineinragenden Stütz­ nockenflächen können dabei derartige Neigungen auf­ weisen, daß optimale Stützflächen für die Auflage der Schüttung und optimale Einleitungswinkel für Sauer­ stoffeinleitung und Zusatzbrenner gegeben sind.

Die Abstützung der Schüttung des Abfall-Mischmateri­ als durch Stütznocken kann zusätzlich verbessert wer­ den, wenn sie durch eine Abstützung in der Ofenmitte ergänzt wird, wobei die Mittelabstützung als Bestand­ teil der Ofenauskleidung ausgeführt, in an sich be­ kannter Weise über das Niveau der Schmelze ragt und dabei einen ringförmigen Schmelzherd bildet. Auf die­ se Weise bleibt die Abfall-Mischmaterial-Schüttung zuverlässig von der Schmelze getrennt und die "Reak­ tionsdome" werden zusätzlich stabilisiert.

Die Erfindung sei nunmehr beispielsweise anhand der Fig. 1 und 2 näher erläutert und beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 in schematischer Schnittdarstellung eine Anordnung von Schüttung, Stütznocken mit integrierten Sauerstoffzuführungen,

Fig. 2 einen schematischen Schnitt durch einen innengekühlten Stütznocken mit Sauerstoff­ zuführung zu seiner Stirnseite und Zusatz­ brenner.

In Fig. 1 ist mit 1 der Schachtofen bezeichnet, der durch die Füllöffnung 2 mit dem stückig verfestigten Abfall-Mischmaterial beaufschlagt wird, das die Schüttung 4 bildet. Die Vergasungsprodukte werden durch den Gasauslaß 3 abgeführt. Die Schüttung 4 stützt sich in der Mitte auf den Pfeiler 5 ab, der Bestandteil der Ofenauskleidung ist, außen lagert sie auf dem Stütznocken 8 auf, der die Sauerstoffzufuhr 9 integriert enthält. Sauerstoffzufuhr und ggf. der Betrieb der Zusatzbrenner 10 mit Eigengas der Verga­ sung (in Fig. 1 nicht mit dargestellt) schmelzen den "Reaktionsdom" 7 aus der Schüttung 4 aus, der infolge der Außenstützung durch die Stütznocken 8, unter­ stützt durch die Mittenabstützung 5, beim Nieder­ schmelzen der kontinuierlich nachgefüllten Schacht­ füllung 4 stabil bleibt und eine hinreichend große Wirkfläche für Vergasungsreaktion und Ausschmelzvor­ gang gewährleistet. Die ausgeschmolzenen Bestandteile der Schüttung 4 bilden die ringförmige Schmelze 6.

In Fig. 2 ist mit 8 der Stücknocken bezeichnet, der aus einer gegenüber der Ofenwandung dünnen Schalter aus hochwarmfester Legierung besteht. Der Stütznocken 8 ist rückseitig mit dem Deckel 18 verschlossen, der mit der Zuleitung 11 und der Ableitung 12 für das Kühlwasser versehen ist. Sauerstoffzufuhr 9 und Zu­ satzbrenner 10 werden durch das Kühlwasser geführt und sind in den Stütznocken 8 integriert. Sie enden jeweils in den geneigten Flächen 15 und 16, deren Neigung die Wirkrichtung von Sauerstoffstrom und Brennerflamme vorgibt. Infolge des Temperaturgradien­ ten an der Oberfläche des gekühlten Stütznockens 8 bildet sich die mineralische Kondensationsschicht 13 aus, die zusätzlich wärmeisoliert ist. Ihre Dicke ist abhängig von den Temperaturverhältnissen, die durch Vergasungsbedingungen, Zusatzbrennerleistung und In­ nenkühlung des Stütznockens 8 bestimmt werden. An der Oberfläche der Kondensationsschicht stellt sich ein Gleichgewicht zwischen Kondensation und Abschmelzen ein und verhindert einen weiteren Eintrag von Konden­ sationswärme. Der als integrale Baueinheit, die Kühl­ wasserleitungen, Sauerstoffzufuhr und Zusatzbrenner vormontiert enthält, ausgeführte Stütznocken 8 kann ohne Ofenzerlegung ausgewechselt und gewartet werden. Die stark konischen Anlageflächen 8′ erlauben die Auswechslung auch bei einer dickeren mineralischen Isolierschicht 13.

Die Fig. 1 und 2 erläutern die Erfindung bei­ spielsweise. Die Zahl der Stütznocken, ihre Lage und der Integrationsgrad von Sauerstoffzufuhr und Zusatz­ brenner in die Nocken gestatten Variationen in einem weiten Bereich variieren, so daß die Erfindung einem breiten Anforderungsspektrum im Rahmen eines thermi­ schen Behandlungs-Gesamtkomplexes von Abfall-Misch­ material genügen kann.

Claims (9)

1. Verfahren zum Hochtemperaturvergasen von Abfall- Mischmaterial unter Ausschmelzen der minerali­ schen und ggf. metallischen Bestandteile des Abfall-Mischmaterials, bei dem in einem Schacht­ ofen der Kohlenstoff einer durch thermisches Vorbehandeln stückig verfestigten oberhalb der Schmelze abgestützten Schüttung des vorgegebenen Mischmaterials unter Sauerstoff Zugabe vergast und als Energieträger zum Ausschmelzen verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Schüttung zumindest bereichsweise durch innen gekühlte, in den Ofenraum ragende Stütz­ nocken derart abgestützt wird, daß sich um die in den Ofenraum ragenden Bereiche der Stütznoc­ ken ein mineralischer Schutzmantel ausbildet, der entlang seiner Oberfläche eine Schmelzküh­ lung vorgibt, und bei dem die Sauerstoffzufuhr durch die Stirnseiten der Stütznocken mit dem durch die Stücknockenlänge gegebenen Abstand von der Ofenwandung erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Schutzmantel und die Schmelzkühlung der Stütznocken, durch Vorgabe eines Temperatur­ gradienten bedingt, durch Erstarrungs- und Ab­ schmelzvorgänge des ausgeschmolzenen Mineral­ stoffes selbst gebildet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Schmelzbedingungen und Konsistenz der ausschmelzenden Mineralstoffe zumindest im Bereich der Stütznocken durch Zusatzbrenner vor­ gegeben werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Vorgabe eines Temperaturgradienten durch Zusammenwirken einer Innenkühlungsregelung der Stütznocken und einer Regelung der Zusatz­ brenner erfolgt.

5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Innenküh­ lung der Stütznocken eine bezüglich der Durch­ flußmenge und der Temperatur regelbare, kontrol­ lierte Wasserkühlung verwendet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Zusatzbrenner Gasbrenner ver­ wendet werden, die mit dem aus der Kohlenstoff­ vergasung herrührenden Eigengas des Schachtofens betrieben werden.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß Bauelemente zur Sauerstoffzufuhr und Zusatzbrennerelemente durch die Kühlflüssigkeit der Innenkühlung der Stütznocken mitgekühlt wer­ den.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die innengekühlten Stütznocken (8) auswechselbare Baueinheiten sind, die ohne ein Öffnen des Schachtofens (1) von außen demontierbar bzw. montierbar ausge­ führt sind.

9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstützung der Schachtfüllung (4) mit mindestens einem zusätz­ lichen mittleren Stütznocken (5) versehen ist, wobei diese(r) als Bestandteil der Ofenausklei­ dung in an sich bekannter Weise einen ringförmi­ gen Schmelzherd bildend über das Niveau der Schmelze (6) ragt/ragen.