DE4412004A1 - Verfahren zum Vergasen von Abfallstoffen in der zirkulierenden Wirbelschicht - Google Patents

Verfahren zum Vergasen von Abfallstoffen in der zirkulierenden Wirbelschicht

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vergasen von brennbare Bestandteile enthaltenden Abfallstoffen in der zirkulierenden Wirbelschicht, wobei man die Abfallstoffe in einem Vergasungsreaktor unter Zufuhr von sauerstoffhaltigem Gas im Wirbelzustand vergast, vom oberen Bereich des Vergasungsreaktors ein Gas-Feststoff-Gemisch einem Abscheider zuführt, aus dem Abscheider staubhaltiges Gas abzieht und getrennt davon abgeschiedene Feststoffe ableitet und die Feststoffe mindestens teilweise in den Vergasungsreaktor zurückführt.
Im US-Patent 4 469 050 wird die Verbrennung oder Vergasung von kohlenstoffhaltigem Material oder auch von Abfällen in der zirkulierenden Wirbelschicht beschrieben. Die Umsetzung findet im Wirbelzustand unter Luftzufuhr in einem Reaktor statt, an den sich ein Zyklonabscheider anschließt. Vom Zyklon werden die abgeschiedenen Feststoffe mindestens teilweise in den unteren Bereich des Reaktors zurückgeleitet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei der Abfallvergasung dafür zu sorgen, daß die Bildung hochgiftiger Stoffe, wie insbesondere Dioxine und Furane, möglichst weitgehend vermieden wird. Gleichzeitig soll die Menge an gebildetem Abgas gering gehalten werden. Erfindungsgemäß gelingt dies beim eingangs genannten Verfahren dadurch, daß man die Vergasung im Vergasungsreaktor bei Temperaturen im Bereich von 800 bis 1100°C unter Zufuhr von gasförmigem Vergasungsmittel durchführt, das zu 20 bis 90 Vol.-% aus Sauerstoff besteht, daß man aus dem Abscheider ein staubhaltiges Gas abzieht, dessen Gehalt an freiem O₂ höchstens 0,5 Vol. -% beträgt, daß man das aus dem Abscheider abgezogene Gas in einem Spaltreaktor partiell verbrennt, dem man gleichzeitig ein sauerstoffreiches, zu 70 bis 100 Vol. -% aus O₂ bestehendes Gas zuführt, daß man im Spaltreaktor Temperaturen im Bereich von 1200 bis 1600°C aufrechterhält und flüssige Schlacke erzeugt, die man aus dem Spaltreaktor ableitet, und daß man das im Spaltreaktor gebildete Spaltgas in mindestens einem Kühler mit einer Abkühlgeschwindigkeit von mindestens 100°C pro Sekunde auf eine Temperatur von höchstens 300°C abkühlt. Unter gasförmigem Vergasungsmittel werden alle dem Vergasungsreaktor zugeführten Gase, ausgenommen aber H₂O in flüssiger Form oder in Dampfform, verstanden. Vorzugsweise beträgt der O₂-Gehalt der Gesamtmenge an gasförmigem Vergasungsmittel mindestens 50 Vol.-%.
Beim Verfahren der Erfindung gelingt es, feste Vergasungsrückstände durch Verschlacken zu inertisieren. Als Wirbelmedium im Vergasungsreaktor kommen bevorzugt gemahlene Schlacke, Eigenasche, Sand oder ein anderes inertes Granulat in Frage. Bei der Vergasung von kommunalem Müll wird dieser üblicherweise vor der Vergasung zunächst vorsortiert, wobei insbesondere Metall- und Glasteile ausgesondert werden. Der verbleibende Restmüll wird dann noch zerkleinert, z. B. auf Stückgrößen von höchstens 70 mm, bevor er vergast wird.
Der für die partielle Oxidation im Vergasungsreaktor nötige Sauerstoff wird durch das gasförmige Vergasungsmittel bevorzugt in Form von mit Sauerstoff angereicherter Luft oder technisch reinem Sauerstoff zugeführt. Dadurch hält man die Menge an Inertgas gering, die den Vergasungsreaktor im Gas-Feststoff-Gemisch verläßt und das aus dem Abscheider abgezogene staubhaltige Gas weist einen Heizwert von etwa 4000 bis 8000 kJ/Nm³ auf. Wenn der Heizwert dieses Gases hoch genug ist, macht dies die Zugabe von Zusatzbrennstoff im Spaltreaktor entbehrlich.
Um die Bildung von Dioxinen und Furanen möglichst zu unterdrücken, ist es nötig, das aus dem Spaltreaktor abgezogene Spaltgas, vor allem beim Durchschreiten des Temperaturbereichs zwischen 800°C und 300°C, möglichst schockartig abzukühlen. Es empfiehlt sich eine Abkühlgeschwindigkeit von mindestens 100°C pro Sekunde und vorzugsweise von mindestens 200°C pro Sekunde.
Für die schnelle Abkühlung des aus dem Spaltreaktor abgezogenen Spaltgases kommen vor allem zwei Wege in Frage, einerseits das direkte Einsprühen einer Überschußmenge an Kühlwasser und andererseits eine so dosierte Menge an Kühlwasser in das Spaltgas einzudüsen, daß kein Abwasser entsteht.
Die Weiterbehandlung des gekühlten Spaltgases, das noch Schadstoffe, wie z. B. Quecksilber, Schwefelverbindungen, sowie Chlor- und Stickstoffverbindungen enthält, erfolgt in bekannter Weise. Erleichtert wird die Gasreinigung dann, wenn man das gekühlte Spaltgas einer vorhandenen Verbrennungseinrichtung, z. B. einem Kraftwerk, zuführen kann, dessen Gasreinigungseinrichtungen in diesem Fall mitgenutzt werden.
Ausgestaltungsmöglichkeiten des Verfahrens werden mit Hilfe der Zeichnung erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 das Fließschema der Abfallvergasung mit angeschlossener Kühleinrichtung und
Fig. 2 eine zweite Variante der Kühleinrichtung.
Die zu vergasenden Abfallstoffe, bei denen es sich z. B. um kommunalen oder industriellen Müll handeln kann, werden in der Leitung (1) einem Vergasungsreaktor (2) zugeführt, wo sie mit heißen Gasen und Partikeln im Zustand der zirkulierenden Wirbelschicht in Kontakt kommen. Sauerstoffhaltiges Fluidisierungsgas wird in der Leitung (3) herangeführt und durch eine Verteilkammer (4) mit einem Rost (5) in die Wirbelschicht des Reaktors (2) geleitet. Durch die Sekundärgasleitung (3a) gibt man zusätzliches sauerstoffreiches Gas in die Wirbelschicht oberhalb des Rostes (5), wobei der O₂-Gehalt dieses Gases höher sein kann als im Gas der Leitung (3). Bezogen auf die Gesamtmenge des dem Reaktor (2) zugeführten Gases beträgt der O₂-Gehalt im Gas 50 bis 90 Vol.-% (wasserfrei gerechnet).
Die Vergasung im Reaktor (2) erfolgt bei Temperaturen von 800 bis 1100°C und zumeist bei Temperaturen im Bereich von 850 bis 1000°C. Asche wird durch die Leitung (6) abgezogen und einer Trenneinrichtung (60), z. B. einem Sieb, zugeführt. Grobe Aschenteile zieht man in der Leitung (61) ab und die feinen Aschenteile gibt man durch die Leitung (62) zu einer Mahlung (63), um sie dann, falls gewünscht, auf dem Transportweg (12a) dem Spaltreaktor (13) aufgeben zu können.
Am oberen Ende des Reaktors (2) verläßt ein Gas-Feststoff-Gemisch den Reaktor durch den Kanal (8) und strömt in einen Zyklon-Abscheider (9), aus welchem staubhaltiges Gas mit einem Gehalt an freiem O₂ von höchstens 0,5 Vol.-% durch die Leitung (10) abgezogen wird. Abgeschiedene Feststoffe werden vom unteren Bereich des Abscheiders (9) durch die Leitung (11) zum Reaktor (2) zurückgeführt. Die Leitung (11) kann noch einen Seitenabzug (12) zum Entfernen eines Feststoff-Überschusses aufweisen. Auch diesen Feststoff-Überschuß kann man auf dem Transportweg (12a) in den Spaltreaktor (13) leiten.
Das in der Leitung (10) aus dem Abscheider (9) abgezogene staubhaltige Gas wird dem Spaltreaktor (13) zugeführt, wo eine partielle Verbrennung bei Temperaturen im Bereich von 1200 bis 1600°C und vorzugsweise 1250 bis 1500°C stattfindet. In der Leitung (14) wird sauerstoffreiches, zu 70 bis 100 Vol.-% aus O₂ bestehendes Gas herangeführt, bei dem es sich auch um technisch reinen Sauerstoff handeln kann. Ferner ist eine Leitung (15) für Zusatzbrennstoff, z. B. Erdgas, vorgesehen. Bei der partiellen Verbrennung im Spaltreaktor (13) entsteht flüssige Schlacke, die nach unten abfließt. Heißes Spaltgas verläßt zusammen mit flüssiger Schlacke den Reaktor (13) durch den Kanal (17).
Bei dem Spaltreaktor (13) kann es sich z. B. um eine Brennkammer, einen Schmelzzyklon oder auch um einen Herdofen handeln. Im Reaktor (13) werden bei den dort erreichten hohen Temperaturen viele in der Leitung (10) herangeführte Schadstoffe zerstört und insbesondere auch höhere Kohlenwasserstoffe gespalten, so daß das Spaltgas im Kanal (17) praktisch frei von Kohlenwasserstoffen mit mehr als 4 C-Atomen pro Molekül ist. Für eine ökonomische Spaltung im Spaltreaktor (13) ist es vorteilhaft, wenn nur wenig oder praktisch kein Zusatzbrennstoff gebraucht wird. Dies erreicht man dadurch, daß man dem Reaktor (13) durch die Leitung (10) ein Gas mit einem Heizwert von 3000 bis 8000 kJ/Nm³ und vorzugsweise von mindestens 5000 kJ/Nm³ zuführt. Hierfür ist es wichtig, daß man dem Vergasungsreaktor (2), zusammen mit dem Vergasungsmittel, nur möglichst wenig Inertgas zuführt. Feststoffe, die auf dem Transportweg (12a) in den Reaktor (13) gelangen, werden dort eingeschmolzen.
Gemäß Fig. 1 erfolgt die schockartige Kühlung des heißen Spaltgases, das den Reaktor (13) im Kanal (17) verläßt, im Kühler (18) durch im Überschuß eingedüstes Kühlwasser, das in der Leitung (19) herangeführt wird. Dabei wird gleichzeitig die Schlacke zu Granulat verfestigt. Im Kühler (18) erreicht man Abkühlgeschwindigkeiten, insbesondere im Temperaturbereich zwischen 800°C und 300°C, von 100 bis 300°C pro Sekunde und mehr. Das gekühlte, mit Wasserdampf gesättigte Spaltgas, das den Kühler in der Leitung (20) verläßt, weist üblicherweise eine Temperatur im Bereich von 60 bis 95°C auf.
Wasser, das Schlackengranulat mit sich führt, gelangt durch die Leitung (21) in den Schleusenbehälter (22) und von da in den Trennbehälter (23), aus dem man durch die Leitung (24) Schlackengranulat abzieht. Das abgetrennte Wasser wird in der Leitung (19) zurückgeführt, wobei man in der Leitung (25) Wasser zum Ergänzen von Verlusten zugibt.
Das gekühlte Gas der Leitung (20) wird nun noch weiter durch Wasserwäschen gereinigt, wobei es abwärts durch einen Strahlwäscher (28), durch den Kanal (29), aufwärts in einem Aerosolwäscher (30), durch die Leitung (31) zu einem Venturiwäscher (32), dort abwärts zum Kanal (33) und dann aufwärts durch den Sprühturm (34) strömt. Dem Sprühturm (34) führt man durch die Leitung (35) Frischwasser zu, dem man auch noch Natronlauge zugeben kann, um insbesondere Chlor im zu behandelnden Gas zu binden. Es ist zweckmäßig, im Sprühturm (34) eine Packung (36) zum Intensivieren des Gas-Flüssigkeits-Kontakts vorzusehen. Das Gas, das den Sprühturm (34) durch die Leitung (37) verläßt, wird durch ein Aktivkohlefilter (38) geleitet, um Quecksilber zu entfernen, bevor es in der Leitung (39) weiteren, an sich bekannten Reinigungsstufen oder aber einer Verbrennung, z. B. in einem Kraftwerk, zugeführt wird. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, das Gas der Leitung (37) zunächst einer an sich bekannten Entschwefelung zu unterziehen, bevor man es durch das Filter (38) leitet, doch wurde diese Möglichkeit in der Zeichnung nicht berücksichtigt.
In Fig. 1 sind Wasser-Zufuhrleitungen mit der Bezugsziffer (40) und Kühler mit der Bezugsziffer (41) versehen. Gebrauchtes Wasser, das in den Leitungen (42) und (43) abläuft, gelangt in den Absetzbehälter (44). Aus diesem Behälter führt man teilweise geklärtes Wasser zur Wiederverwendung im Strahlwäscher (28) und Aerosolwäscher (30) zurück, zieht Abwasser durch die Leitung (45) ab und entfernt Schlamm durch die Leitung (46). Schlamm und Abwasser werden in nicht dargestellter Weise getrennt weiterbehandelt.
Ein abwasserfreies Verfahren zum Kühlen des heißen Spaltgases, das im Reaktor (13) entsteht, wird mit Hilfe der schematischen Darstellung der Fig. 2 erläutert. Hier wird das heiße Gas, das zusammen mit flüssiger Schlacke den Reaktor (13) im Kanal (17) verläßt, vgl. Fig. 1, in einen Sprühturm (50) von oben eingeleitet, in welchen man gleichzeitig Wasser einsprüht, das in der Leitung (51) herangeführt wird. Die Menge an Wasser ist so auf die Temperatur und die Menge des Gases abgestimmt, daß das gesamte Wasser zusammen mit dem gekühlten Gas in Form von Wasserdampf durch die Leitung (52) abgezogen wird. Feststoffe, die sich trocken am Boden des Sprühturms (50) sammeln, werden durch die Leitung (48) entfernt. Das Wasserdampf und Staub enthaltende Gas der Leitung (52) wird durch eine Filtereinrichtung (53) geführt, bei der es sich z. B. um ein Schlauchfilter oder ein Elektrofilter handeln kann; ferner kann man hier auch mehrere Filtertypen kombinieren. Entstaubtes Gas strömt in der Leitung (54) ab und wird der weiteren, an sich bekannten Gasreinigung zugeführt, die hier nicht dargestellt ist.
Die hier zusammen mit Fig. 1 beschriebene Variante der Behandlung des Abgases der Leitung (20) kann durch solche bekannten Maßnahmen modifiziert werden, wie man sie aus Anlagen zur Abfall-Verbrennung kennt.
Beispiel
In einer Anlage gemäß Fig. 1, jedoch ohne die Trenneinrichtung (60), die Mahlung (63) und den Transportweg (12a), werden pro Stunde 7500 kg Abfälle mit folgender Analyse vergast:
C
32,7 Gew.-%
H 5,0 Gew.-%
O 19,0 Gew.-%
N 0,8 Gew.-%
S 0,1 Gew.-%
Cl + F 0,8 Gew.-%
H₂O 26,0 Gew.-%
Asche 15,6 Gew.-%
Die Vergasung erfolgt bei 900°C, im Spaltreaktor liegt die Temperatur bei 1450°C. Die nachfolgend genannten Daten wurden teilweise berechnet:
Nach Entwässerung des Schlammes der Leitung (46) erhält man einen schwermetallhaltigen Filterkuchen in einer Menge von 50 kg/h. Das Gas der Leitung (20), das in einer Menge von 10800 kg/h anfällt, besitzt einen Heizwert von 5,7 MJ/Nm³. Die in der Leitung (24) abgezogene Schlacke ist durch die Vorbehandlung verglast und deshalb problemlos deponierbar.

Claims (7)

1. Verfahren zum Vergasen von brennbare Bestandteile enthaltenden Abfallstoffen in der zirkulierenden Wirbelschicht, wobei man die Abfallstoffe in einem Vergasungsreaktor unter Zufuhr von sauerstoffhaltigem Gas im Wirbelzustand vergast, vom oberen Bereich des Vergasungsreaktors ein Gas-Feststoff-Gemisch einem Abscheider zuführt, aus dem Abscheider staubhaltiges Gas abzieht und getrennt davon abgeschiedene Feststoffe ableitet und die Feststoffe mindestens teilweise in den Vergasungsreaktor zurückführt, dadurch gekennzeichnet, daß man die Vergasung im Vergasungsreaktor bei Temperaturen im Bereich von 800 bis 1100°C unter Zufuhr von gasförmigem Vergasungsmittel durchführt, das zu 20 bis 90 Vol. -% aus Sauerstoff besteht, daß man aus dem Abscheider ein staubhaltiges Gas abzieht, dessen Gehalt an freiem O₂ höchsten 0,5 Vol.-% beträgt, daß man das aus dem Abscheider abgezogene Gas in einem Spaltreaktor partiell verbrennt, dem man gleichzeitig ein sauerstoffreiches, zu 70 bis 100 Vol. -% aus O₂ bestehendes Gas zuführt, daß man im Spaltreaktor Temperaturen im Bereich von 1200 bis 1600°C aufrechterhält und flüssige Schlacke erzeugt, die man aus dem Spaltreaktor ableitet, und daß man das im Spaltreaktor gebildete Spaltgas in mindestens einem Kühler mit einer Abkühlgeschwindigkeit von mindestens 100°C pro Sekunde auf eine Temperatur von höchstens 300°C abkühlt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man das im Spaltreaktor gebildete Spaltgas in mindestens einem Kühler in direktem Kontakt mit im Überschuß eingedüstem Wasser kühlt und aus dem Kühler ein Abwasser abzieht.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man das im Spaltreaktor gebildete Spaltgas in mindestens einer Kühleinrichtung mit eingedüstem Kühlwasser kühlt und aus der Kühleinrichtung gekühltes, das Kühlwasser als Wasserdampf enthaltendes Spaltgas mit einer Temperatur von höchstens 300°C abzieht.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man das Spaltgas in einem Kühler mit einer Eintrittstemperatur von mindestens 800°C und einer Austrittstemperatur von höchstens 300°C mit einer Abkühlgeschwindigkeit von mindestens 100°C pro Sekunde kühlt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das aus dem Abscheider abgezogene staubhaltige Gas einen Heizwert von etwa 3000 bis 8000 kJ/Nm³ aufweist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß man dem Spaltreaktor Brennstoff zuführt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß man dem Spaltreaktor aus dem Vergasungsreaktor abgezogene Feststoffe zuführt.
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