DE4427843C1 - Tiefschachtreaktor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Tiefschachtreaktor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, zur Naßoxidation von Klärschlämmen.

Ein solcher Reaktor ist beispielsweise in der EP 0 282 276 A1 und in der Firmenschrift der Mannesmann Anlagenbau AG "VerTech, ein neues, umweltverträgliches und wirtschaftliches Verfahren zur Klärschlammaufbereitung", 1994 beschrieben. Er wird durch ein Bohrloch in die Erde eingelassen und erreicht eine Tiefe von mindestens mehreren hundert Metern. Für die Naßoxidation von Klärschlämmen sind Tiefen im Bereich von etwa 1000 bis 1500 m, insbesondere 1200 bis 1300 m üblich. Durch diese große Tiefe entsteht infolge des hydrostatischen Drucks der Flüssigkeitssäule in der am unteren Ende des Reaktors sich einstellenden Reaktionszone ein sehr hoher Druck für die durchzuführende Reaktion (z. B. Oxidation),der den Ablauf dieser Reaktion bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen (z. B. 280°C) ermöglicht. Das hat beispielsweise bei der Naßoxidation von Klärschlämmen und sonstigen organischen Abfallstoffen den großen Vorteil, daß Schadstoffe, die bei üblicher atmosphärischer Verbrennung mit offener Flamme vielfach entstehen (z. B. Stickoxide, Dioxine), gar nicht erst gebildet werden.

Der bekannte Tiefschachtreaktor weist ein zentrales, an eine Zuführleitung für das zu behandelnde Medium angeschlossenes Abstromrohr auf, das vertikal bis zu einer Tiefe von ca. 1200 m nach unten führt. Das unten offene Abstromrohr ist koaxial von einem unten dicht verschlossenen Aufstromrohr umgeben, das oberirdisch an eine Abzugsleitung für das behandelte Medium angeschlossen ist. Das Abstromrohr endet relativ dicht über dem Boden des Aufstromrohrs, so daß das Innere des Abstromrohrs mit dem dieses ringförmig umgebenden freien Innenraum des Aufstromrohrs strömungstechnisch verbunden ist. Die Naßoxidation findet in der Reaktionszone statt, die im Ab- und Aufstromrohr bei einer Tiefe von etwa 850-900 m beginnt und sich bis zum unteren Ende des Reaktors erstreckt. Der zur Oxidation benötigte Sauerstoff wird z. B. in Form von Luft, vorzugsweise aber in Form von reinem Sauerstoff über eine rohrförmige Lanze, die über eine längere Strecke in das Abstromrohr hineinragt, eingetragen und von dem Flüssigkeitsstrom bzw. Dispersionsstrom (Klärschlamm) mit fortgerissen. Die bei der exothermen Reaktion (Naßoxidation) über eine Strecke von z. B. 2 × 300 m (über eine Tiefe von 900-1200 m und wieder zurück bis 900 m) dient teilweise zur Vorwärmung des frisch zugeführten zu behandelnden Mediums, während ein anderer Teil als Überschußwärme abgeführt werden muß. Hierzu ist ein Kühlmantelrohr vorgesehen, das das Aufstromrohr außen praktisch über die gesamte Länge vollständig umschließt. Das Kühlmantelrohr ist oben an eine Kühlmittelzuleitung (vorzugsweise Kühlwasserleitung) angeschlossen und ist an seinem unteren Ende mit einer separaten Kühlmittelrückleitung verbunden, die parallel zum Kühlmantelrohr wieder nach oben führt. Die Kühlmittelrückleitung ist thermisch isoliert, so daß das heiße Kühlmittel oberirdisch für Heizzwecke weiterverwertet werden kann. Zum Anfahren des Reaktors wird in umgekehrter Richtung ein Heizmedium zur Vorwärmung des zu behandelnden Mediums auf Reaktionstemperatur durch diese isolierte Kühlmittelrückleitung gepumpt. Der in dieser Weise ausgebildete Tiefschachtreaktor wird üblicherweise in ein mit Futterrohren ausgekleidetes entsprechend dimensioniertes Bohrloch abgesenkt. Der verbleibende Hohlraum innerhalb der Futterrohre wird mit Beton ausgegossen.

Bei einem solchen Reaktor wirken sich wegen der großen Tiefe Temperaturänderungen während des Betriebs und insbesondere bei An- und Abfahrvorgängen in thermischen Längenänderungen in einer Größenordnung von mehreren Metern aus. Aus diesem Grunde weisen die ineinandergeführten Rohre am unteren Ende des Reaktors einen entsprechenden Sicherheitsabstand in Längsrichtung voneinander auf. Dies gilt auch für das Abstromrohr, dessen freie Austrittsöffnung im Montagezustand bei Raumtemperatur mehrere Meter über dem Boden des koaxialen Aufstromrohrs liegt. Auch während des stationären Betriebs liegt ein ähnlicher Abstand vor. Dies führt dazu, daß sich in der Nähe des Bodens im Aufstromrohr eine strömungstechnische Totzone ausbildet, weil das aus dem Abstromrohr austretende zu behandelnde Medium auf kurzem Wege in den ringförmigen Strömungsspalt des Aufstromrohrs einfließt. Bei der Naßoxidation von Klärschlämmen führt dies zu Sedimentationsvorgängen, d. h. zu Ablagerungen anorganischer Feststoffe (z. B. mitgeführter Sand) auf dem Boden des Aufstromrohrs. Derartige Ablagerungen können sich störend auf die Reinigung einer solchen Anlage auswirken, die üblicherweise in regelmäßigen Abständen durch Spülung etwa mit Salpetersäure erfolgt, um gebildete Ablagerungen auf den Reaktorrohren zu entfernen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen gattungsgemäßen Tiefschachtreaktor so zu verbessern, daß die Bildung von Schlammablagerungen im Bodenbereich des Aufstromrohrs vermieden wird.

Gelöst wird diese Aufgabe bei einem gattungsgemäßen Tiefschachtreaktor erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 6 angegeben.

Die Erfindung sieht vor, die effektive Länge des Abstromrohrs unabhängig von thermischen Längendehnungen zur Länge des Aufstromrohrs dadurch einstellbar zu halten, daß sein Ende als teleskopierbares Rohrstück ausgebildet wird. Durch mindestens einen Abstandshalter wird das Ende des Teleskoprohres auf einem konstanten Mindestabstand vom Boden des Aufstromrohres gehalten.

Zweckmäßigerweise sollte die Länge des teleskopierbaren Rohrstücks größer sein als die zu erwartende maximale Differenz der thermischen Dehnungen von Ab- und Aufstromrohr. Es empfiehlt sich, das Teleskoprohr mindestens doppelt so lang zu machen, um eine gute Führung der sich zueinander verschiebenden Rohrstücke zu gewährleisten. Die Länge des teleskopierbaren Endstücks des Abstromrohrs beträgt für die Naßoxidation von Klärschlämmen vorteilhaft 0,5-1,5%, insbesondere etwa 0,8% der Gesamttiefe des Reaktors, die bei mindestens 1000 m, insbesondere bei 1200-1300 m liegt. Somit stellt ein Teleskoprohr von etwa 10 m Länge für einen Reaktor von 1250 m Tiefe eine zweckmäßige Ausführungsform dar. Zur Verbesserung der Gleitfähigkeit können die Gleitflächen des Teleskoprohrs mit einer geeigneten Gleitbeschichtung (z. B. aus PTFE) versehen werden. Es kann auch zweckmäßig sein, die Gleitfähigkeit im Sinne einer durch das zu behandelnde Medium bewirkten Flüssigkeitsschmierung zu verbessern, indem die Durchmesserdifferenz der ineinander verschieblichen Teile des Teleskoprohrs ausreichend groß bemessen wird, so daß ein Teil des Mediums durch den Ringraum im Überlappungsbereich der teleskopierbaren Rohrabschnitte fließt. Zur besseren Zentrierung des Teleskoprohrs können in dem Ringraum an dem Außenmantel des Teleskoprohrs oder am Innenmantel des Aufstromrohrs entsprechende Distanznocken vorgesehen sein. Als Abstandshalter werden zweckmäßig Nocken verwendet, die auf der Innenseite des Aufstromrohrs im geforderten Mindestabstand von dessen Boden oder als Distanzbolzen mit entsprechender Länge an der unteren Stirnseite des Teleskoprohrs angebracht sind.

Anhand der einzigen Figur, die den unteren Teil eines Tiefschachtreaktors in einem schematischen Längsschnitt zeigt, wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert.

Der in den Erdboden eingelassene Reaktor weist ein Abstromrohr 1 auf, dessen unterer Teil mit einem teleskopierbaren Endstück 1a versehen ist. Das Abstromrohr 1 ist mit Abstand von einem koaxial angeordneten Aufstromrohr 2 umgeben, das unten durch einen Boden 5 dicht verschlossen ist. Das Aufstromrohr 2 seinerseits ist ebenfalls mit Abstand von einem Kühlmantelrohr 3 umgeben, das auch unten verschlossen ist. Das Kühlmittel kann von oben nach unten durch den zwischen dem Aufstromrohr 2 und dem Kühlmantelrohr 3 gebildeten Ringraum 6 strömen und tritt durch eine separate, nicht dargestellte, unten an das Kühlmantelrohr 3 angeschlossene Kühlmittelrückleitung nach oben wieder aus. Das teleskopierbare Endstück 1a des Abstromrohrs 1 ruht auf mehreren, beispielsweise auf drei Distanzbolzen 4, die an die untere Stirnseite des Teleskoprohrs 1a angeschweißt sind. In dieser Hinsicht sind auch andere Lösungen denkbar. So könnten beispielsweise an der Innenseite des Aufstromrohrs 2 Nocken angeschweißt sein, auf denen das Teleskoprohr 1a ruht. Auf diese Weise wird das Teleskoprohr 1a auf einem fest vorgegebenen Abstand vom Boden 5 gehalten. Das zu behandelnde Medium strömt von oben durch das Abstromrohr 1 nach unten und tritt an den Distanzbolzen 4 vorbei in den Ringraum 6 des Aufstromrohrs 2 ein, um wieder nach oben an die Erdoberfläche zu fließen. Der dargestellte untere Teil des Reaktors gehört zur Reaktionszone des Reaktors und erwärmt sich beim Betrieb z. B. auf eine Temperatur von 280°C. Da das Aufstromrohr 2 sich infolge der Kühlwirkung der Kühlflüssigkeit weniger stark erwärmt als das Abstromrohr 1, das sowohl auf der Innen- als auch auf der Außenseite vom heißen Reaktionsmedium umgeben ist, stellt sich die thermische Längendehnung in den beiden Rohren 1, 2 auf unterschiedliche Werte ein, d. h., das Abstromrohr 1 lenkt sich stärker. Da das untere Teilstück 1a als Teleskoprohr ausgebildet ist, kann sich der zusammenhängende Rohrstrang des Abstromrohrs 1 problemlos über das Endstück 1a schieben, dessen untere Stirnseite stets den gleichen Abstand vom Boden 5 hält. Aus diesem Grunde besteht im Bereich des Bodens 5 ständig die gleiche starke Strömung ohne Totzonen, so daß sich bei der Verarbeitung von Klärschlämmen keine Sedimente bilden können. Dadurch, daß der Außendurchmesser des Endstücks 1a deutlich kleiner gewählt wurde als der Innendurchmesser des Abstromrohrs 1, bildet sich zwischen beiden Rohrleitungsteilen ein Ringspalt aus, durch den ein Teil des nach unten fließenden Mediums strömen kann, so daß auf diese Weise eine Flüssigkeitsschmierung bewirkt wird, die durch das Eigengewicht ein sicheres Gleiten des teleskopierbaren Endstücks 1a im Abstromrohr 1 gewährleistet. Zur besseren Zentrierung des Teleskoprohrstücks 1a im Abstromrohr 1 sind am Außenmantel des Teleskoprohrstücks 1a entsprechende Distanznocken 7 angebracht. Im übrigen wird auch durch den halbkugelförmig ausgebildeten Boden 5, auf dem sich die Distanzbolzen 4 abstützen, eine gewisse Zentrierwirkung erzielt.

Claims (6)

1. Tiefschachtreaktor zur Durchführung der Naßoxidation von Klärschlammen mit einem zentralen, unten offenen Abstromrohr (1), das oben an eine Zuführleitung für das zu behandelnde Medium angeschlossen ist, und einem das Abstromrohr (1) mit Abstand umgebenden Aufstromrohr (2), das oben an eine Abzugsleitung für das behandelte Medium angeschlossen ist, wobei das Aufstromrohr (2) unten durch einen Boden (5) dicht verschlossen ist und das Abstromrohr (1) mit Abstand über dem Boden (5) endet, und mit einem das Aufstromrohr (2) außen mit Abstand umgebenden Kühlmantelrohr (3), dadurch gekennzeichnet, daß das untere Ende des Abstromrohres (1) ein teleskopierbares Endstück (1a) aufweist und daß mindestens ein Abstandshalter (4) vorgesehen ist, der das untere Ende des teleskopierbaren Endstücks (1a) auf einem Mindestabstand von Boden (5) hält.

2. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Endstücks (1a) mindestens etwa dem Doppelten der Differenz der Längendehnung von Abstromrohr (1) und Aufstromrohr (2), die im Reaktorbetrieb insbesondere infolge unterschiedlicher thermischer Dehnungen maximal zu erwarten ist, entspricht.

3. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Abstandshalter (4) als Nocken, die in einer dem Mindestabstand vom Boden (5) entsprechenden Höhe an der Innenseite des Aufstromrohres (2) angebracht sind, oder als Distanzbolzen ausgebildet sind, die an die Stirnseite des teleskopierbaren Entstücks (1a) angeschweißt sind.

4. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Abstromrohr (1) im teleskopierbaren Bereich eine Gleitbeschichtung aufweist.

5. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchmesserdifferenz zwischen dem Abstromrohr (1) und dem teleskopierbaren Endstück (1a) ausreichend groß dimensioniert ist, daß sich im Betrieb im Überlappungsbereich des Abstromrohres (1) und des Endstücks (1a) eine Flüssigkeitsschmierung durch das zu behandelnde Medium ausbilden kann und daß das teleskopierbare Endstück (1a) durch Distanznocken zentriert ist.

6. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktortiefe mindestens 1000 m beträgt.