DE4446803C2 - Verfahren und Vorrichtung zur thermischen und stofflichen Verwertung von Rest- und Abfallstoffen - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur thermischen und stofflichen Verwertung von Rest- und AbfallstoffenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur thermischen und
stofflichen Verwertung von Rest- und Abfallstoffen und
eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Die
Rest- und Abfallstoffe können unterschiedlicher
Beschaffenheit und Herkunft sein und sind unabhängig vom
Grad ihrer Belastung mit Schwermetallen und toxischen
organischen bzw. chlororganischen Verbindungen unter
Erzeugung eines sauberen, vielseitig stoffwirtschaftlich
und energetisch einsetzbaren Gases und eluationsfester
rein mineralischer Rückstände verwertbar. Insbesondere
ist das Verfahren zur umweltgerechten Verwertung von
Abfallstoffen wie Hausmüll, kunststoffhaltige
Industrieabfälle, Klärschlämme, Farbrückstände, Shredder-
Leichtgut der Alt-auto-Aufbereitung oder mit Ölen
kontaminierte Abfälle geeignet.
Es ist bekannt, brennbare Bestandteile enthaltende
Abfallstoffe, wie zum Beispiel Müll, zu verbrennen, um
den Energieinhalt zur Erzeugung von Elektroenergie und
als Heizwärme zu nutzen, toxische organische Bestandteile
zu zerstören und das zu deponierende Volumen drastisch zu
reduzieren.
Verbrennungsanlagen für solche Abfälle erfordern eine
sehr aufwendige Rauchgasreinigung, zumal die Gefahr
besteht, daß sich während der Verbrennung oder in der
Abkühlungsphase der primären Verbrennungsgase aus
Chlorverbindungen im Einsatzmaterial hochtoxische
chlororganische Substanzen, wie Dioxine und Furane,
bilden. Die bei der Verbrennung entstehenden festen
Rückstände (Aschen) und Flugstäube sind voluminös und
empfindlich gegenüber Eluation von Schwermetallen durch
atmosphärische Wässer. Deshalb wurde auch ein
nachträgliches Aufschmelzen der Asche vorgeschlagen. Ziel
ist die Überführung in eine glasartige eluationsfeste
Schlacke. Diese Nachbehandlung ist naturgemäß ebenfalls
mit hohen Kosten verbunden.
Bekannt ist weiter, Abfallstoffe und Rückstände einer
Vergasung zu unterziehen. Eine für diese Zwecke
anwendbare Technik der Vergasung ist die partielle
Oxydation mit Sauerstoff im Flugstrom. Hierbei wird der
Brennstoff, Rückstand oder Abfallstoff mit dem Sauerstoff
in Form einer Flammenreaktion, vielfach auch unter
erhöhtem Druck, in ein kohlenmonoxid- und
wasserstoffreiches Gas umgewandelt. Der Prozeß läuft
unter solchen Temperaturen ab, daß die mineralischen
Bestandteile bereits primär eine schmelzflüssige Schlacke
bilden, die bei der Abkühlung und bei Kontakt mit einem
Wasserbad zu einem glasartigen Schlackengranulat
erstarrt. Im eluationsfesten Schlackengranulat ist ein
beachtlicher Anteil des Schwermetallinhaltes der
eingesetzten Abfallstoffe eingebunden. Unter den
Bedingungen der Vergasung werden primär im Einsatzgut
enthaltene chlororganische Verbindungen vollständig
umgesetzt, wobei der Chlorinhalt zu Chlorwasserstoff bzw.
zu nichttoxischen anorganischen Chloriden umgewandelt
wird. Eine de-novo-Synthese ist unter diesen Bedingungen
ausgeschlossen. Damit bleibt das erzeugte Gas auch frei
von Dioxinen und Furanen. Das erzeugte Gas kann nach
mechanischer Reinigung und Abtrennung des praktisch
vollständig zu Schwefelwasserstoff umgesetzten
Schwefelinhaltes für energetische Zwecke, zum Betreiben
von Gasturbinen und Gasmotoren sowie auch als Synthesegas
eingesetzt werden.
Als Nachteil der Vergasung im Flugstrom erweist es sich,
daß das Einsatzgut für den Vergasungsprozeß in einer
fließfähigen Form vorliegen muß, um eine kontinuierliche
und gut regelbare Einspeisung in den Vergasungsreaktor zu
erreichen. Als fließfähige Materialien sind gasförmige
und flüssige Stoffe, pumpfähige Suspensionen von
feinzerkleinerten Feststoffen in Flüssigkeiten, aber auch
in einem Trägergas suspendierte, staubförmige, feste
Stoffe zu verstehen. Vielfach liegen die zu entsorgenden
Abfall-stoffe jedoch in einer solchen Konsistenz und
Stückgröße vor, daß die Überführung in eine fließfähige
Form durch mechanische Aufbereitungsverfahren,
insbesondere durch Aufmahlung, technisch nicht möglich
oder nicht wirtschaftlich zu erreichen ist.
Es ist vorgeschlagen und untersucht worden, Abfallstoffe
unterschiedlichster Art einer Pyrolyse, also einer
thermischen Umwandlung bei Temperaturen von 500-700 Grad
Celsius zu unterwerfen. Für die Pyrolyse werden
meist Drehrohröfen mit Außenbeheizung vorgesehen, deren
Vorteil es ist, daß sie sowohl stückige als auch
feinkörnige und fließfähige Einsatzstoffe aufnehmen
können. Bei der Pyrolyse entstehen ein
kohlenstoffhaltiger Rückstand, ein
kohlenwasserstoffhaltiges Pyrolysegas sowie
auskondensierbare Teeröle. Es hat sich gezeigt, daß die
Teeröle nicht oder nur mit sehr hohem Aufwand zu
Kraftstoffen, Heizöl oder stofflich nutzbaren Produkten
aufgearbeitet werden können. Für das Pyrolysegas selbst
oder das bei seiner Verbrennung entstehende Rauchgas sind
umfangreiche Reinigungseinrichtungen erforderlich, die
den Einrichtungen für die Rauchgasreinigung von
Müllverbrennungsanlagen nahekommen. Die festen
Rückstände, vor allem die kohlenstoffreichen feinen
Fraktionen, sind nicht zuletzt wegen ihrer Entzündbarkeit
schwierig zu deponieren.
DE 30 10 336 C2 zeigt ein Verfahren zur gleichzeitigen
Pyrolyse von Ballastkohlen und Müll, bei der der feste
Pyrolyserückstand und die Pyrolysegase über getrennte
Brenner einem Kraftwerkskessel zugeführt und dort
verbrannt werden. Doch bleibt auch bei dieser Lösung die
Notwendigkeit der oben näher geschilderten, sehr
aufwendigen Rauchgasreinigung bestehen.
Schließlich ist es aus EP 0545 241 A1 bekannt, Abfall
stoffe einer Pyrolyse zu unterwerfen und die Produkte
dieser Pyrolyse, das heißt den kohlenstoffhaltigen festen
Rückstand, das Pyrolysegas und die auskondensierten
Teeröle, gegebenenfalls nach einer zwischengeschalteten
Aufbereitungsstufe zu vergasen.
Nachteilig bei diesem Verfahren ist es, daß die Zuführung
der verschiedenen Pyrolyseprodukte zu einem einzigen
Vergasungsreaktor und ihre gemeinsame Vergasung wegen
ihrer unterschiedlichen chemischen Beschaffenheit einen
hohen verfahrenstechnischen Aufwand zur Steuerung des
Prozesses erfordern und die Einstellung und Optimierung
der Bedingungen des Vergasungsprozesses komplizieren
können. Insbesondere kann es schwierig sein, die im
Pyrolysegas mitgeführten Dämpfe zu kondensieren und
abzutrennen und das Pyrolyegas und die Kondensate dem
unter höherem Druck betriebenen Vergasungsreaktor
zuzuführen.
Vergleichbare Nachteile gelten für das im EP 0 563 777 A2
offenbarte Verfahren zur Herstellung von Synthesegas
durch thermische Behandlung von Reststoffen, bei dem
insbesondere Verpackungsmaterialien aus Aluminium und
Kunststoff einem Pyrolyseprozeß unterworfen werden, der
feste Rückstand nach Abtrennung von Metallen der
Vergasung mit Sauerstoff oder sauerstoff-angereicherter
Luft bei Temperaturen zwischen 1450 und 1800°C zugeführt
wird und die gasförmigen Pyrolyseprodukte, zusammen mit
Wasserdampf, in einem, an den Vergasungsreaktor
anschließenden Zersetzungsreaktor mit dem heißen, in der
Vergasungsstufe entstehenden Gas vermischt und dabei zu
Synthesegas umgesetzt werden sollen. Das Verfahren soll
vorzugsweise unter höherem Druck ablaufen.
Vergasungs- und Zersetzungsreaktor bilden dabei ein
einheitliches Drucksystem. Die Zuführung des
Pyrolysegases in den unter Druck stehenden
Zersetzungsreaktor wirft deshalb die gleichen Probleme
auf, wie bei der Zuführung zum Vergasungsreaktor von
EP 0 545 241 A1.
Ausgehend von diesem Stand der Technik, besteht die
Aufgabe der Erfindung darin, ein umweltfreundliches und
verfahrenstechnisch leicht steuerbares Verfahren und die
dazugehörige Vorrichtung zur thermischen Verwertung von
Abfallstoffen zu schaffen, die es durch Kombination von
Pyrolyse- und Vergasungsstufe gestatten, Abfallstoffe zu
verarbeiten, die wesentliche Anteile von
stückigem, schwer zerkleinerbarem Gut von beispielsweise
200 mm Stückgröße enthalten, die weiter zumindest Anteile
von brennbaren bzw. organischen Materialien aufweisen und
einer direkten Wiederverwendung nicht zugeführt werden
können, unabhängig vom Grad ihrer Belastung mit
Schadstoffen, wie Schwermetallen oder toxischen
organischen und chlororganischen Verbindungen. Dabei soll
ein sauberes, vielseitig stoffwirtschaftlich und
energetisch einsetzbares Gas und eluationsfester,
verwertbarer oder einfach zu deponierender, rein
mineralischer fester Rückstände erzeugt und toxische
Belastungen der Umwelt, insbesondere auch durch
polychlorierte Dibenzodioxine und -furane, ausgeschlossen
werden und die Schwierigkeiten und Nachteile der
bekannten Verfahren und Vorrichtungen dieser Gattung
überwinden.
Insbesondere soll das Verfahren die Verwertung von
Abfallstoffen, wie Hausmüll, kunststoffhaltige
Industrieabfälle, Klärschlämme, Farbrückstände,
Altreifen, Shredder-Leichtgut der Autoverwertung oder mit
Ölen kontaminierte Abfälle, ohne aufwendige Vorbehandlung
erlauben.
Diese Aufgaben werden durch den kennzeichnenden Teil des
ersten und des achtzehnten Anspruches gelöst.
Vorteilhafte Ausführungen sind in den Unteransprüchen
genannt.
Der Vorteil der Erfindung besteht darin, daß stückige,
feinkörnige, pastöse und flüssige Abfallstoffe
verschiedener Herkunft, die zumindest Anteile von
brennbaren bzw. organischen Materialien enthalten und
einer direkten Wiederverwendung nicht zugeführt werden
können, unabhängig vom Grad ihrer Belastung mit
Schadstoffen, wie Schwermetallen oder toxischen
organischen und chlororganischen Verbindungen, unter
Erzeugung eines sauberen, vielseitig stoffwirtschaftlich
und energetisch einsetzbaren Gases und eluationsfester,
nutzbarer oder einfach zu deponierender, rein
mineralischer, fester Rückstände verwertet werden, ohne
daß eine toxische Belastung durch beispielsweise
polychlorierte Dibenzodioxine und -furane auftritt.
Durch die Kombination der an sich bekannten
Verfahrensstufen wie Pyrolyse, Zerkleinerung,
Klassierung, Vergasung und Gasreinigung können
Abfallstoffe, wie Hausmüll, kunststoffhaltige
Industrieabfälle, Farbrückstände, Altreifen, Shredder-
Leichtgut der Autoverwertung oder mit Ölen kontaminierte
Abfälle, ohne aufwendige Vorbehandlung verarbeitet
werden. Dazu werden die Abfallstoffe in einem
Pyrolyseofen unter Luftabschluß bei Temperaturen bis zu
etwa 800 Grad Celsius, vorzugsweise bei 550 bis 650 Grad
Celsius, einem Schwelprozeß unterworfen, in welchem ein
dampfförmige Kohlenwasserstoffe enthaltendes Pyrolysegas
und ein fester Pyrolyserückstand erzeugt werden.
Als Pyrolyseofen, in dem der Schwelprozeß stattfindet,
kann ein von außen beheizter Drehrohrofen dienen.
Das Pyrolysegas wird in der Regel ohne wesentliche
Abkühlungen, zumindest aber bei Temperaturen oberhalb der
Kondensationstemperatur der dampfförmig mitgeführten
Kohlenwasserstoffe von den festen Pyrolyserückständen
getrennt. Der feste Pyrolyserückstand kann einem aus
Zerkleinerungs- und Klassierstufen bestehenden
Separationsprozeß unterworfen werden, in dem ein mit
koksartigen Bestandteilen angereichertes Feingut und ein
von organischen Verunreinigungen freies, im wesentlichen
aus metallischen Bestandteilen bestehendes Grobgut
gewonnen wird.
Das von festen Stoffen gereinigte Pyrolyserohgas, der
feste Pyrolyserückstand, gegebenenfalls nach Abtrennung
der Grobfraktion das genannte Feingut und wahlweise ein
zusätzlicher fluider Brennstoff werden der Vergasung in
Form einer Partialoxidation mit technischem Sauerstoff
zugeführt, in welcher diese mit einem freien Sauerstoff
enthaltenden Vergasungsmittel autotherm zu einem CO- und
H2-haltigen Gas und einem mineralischen Rückstand
umgesetzt werden, wobei Vergasungstemperaturen
eingestellt werden, bei denen der mineralische Rückstand,
in eine schmelzflüssige Schlacke überführt wird.
Erfindungsgemäß findet die Vergasung des festen
Pyrolysrückstandes gegebenenfalls nach einer weiteren
Zerkleinerung auf Korngrößen von unter 1 mm in einem
unter hohem Druck, beispielsweise unter einem Druck
zwischen 0,2 und 4 MPa betriebenen ersten
Vergasungsreaktor statt, während die Vergasung
beziehungsweise Partialoxidation des dampfförmige
Kohlenwasserstoffe und Wasserdampf, gegebenenfalls auch
feinstkörnige, staubförmige Reste von festen
Pyrolyserückständen enthaltenden Pyrolysegases ohne
weitere Zwischenabkühlung in einem zweiten
Vergasungsreaktor erfolgt, der unter einem niedrigeren
Druck als dem Betriebsdruck des ersten Vergasungsreaktors
betrieben wird, vorzugsweise bei nahezu atmophärischem
Druck.
Im ersten Vergasungsreaktor wird das heiße, CO- und H2-
reiche Rohgas, das Temperaturen zwischen 1000 und 1800
Grad Celsius aufweist, durch Kontakt mit Wasser gekühlt
und dabei auch die vom Rohgas mitgeführte schmelzflüssige
Schlacke gekühlt, zur Erstarrung gebracht und granuliert.
Die granulierte Schlacke wird aus dem Vergasungsreaktor
ausgetragen.
Das im zweiten Vergasungsreaktor gebildete CO- und H2-
reiche Rohgas mit einer Temperatur von etwa 1000 bis 1800
Grad Celsius wird in einem Gaskühler gekühlt, wobei
gegebenenfalls mitgeführte schmelzflüssige Schlacke
gekühlt, granuliert und abgetrennt wird, und anschließend
einem Synthesegasverdichter zugeführt, auf den Druck des
im ersten Vergasungsreaktor erzeugten Gases gebracht, mit
diesem vereinigt und gemeinsam in einer
Gasreinigungsstufe von mitgeführten Halogen- und
Schwefelgasverbindungen befreit wird. Das entschwefelte
Gas wird einer weiteren energetischen oder
stoffwirtschaftlichen Verwertung zugeführt.
Die Zerkleinerung der dem ersten Vergasungsreaktor
zuzuführenden festen Pyrolyserückstände kann
beispielsweise in einer Kugelmühle erfolgen. Das
aufgemahlene Feingut wird, in einem Trägergas
suspendiert, dem ersten Vergasungsreaktor zugeführt. Als
Trägergas kann auch ein als zusätzlicher Brennstoff
dienendes brennbares Gas herangezogen werden.
Alternativ kann das Feingut in einer Trägerflüssigkeit
suspendiert dem ersten Vergasungsreaktor zugeführt
werden.
Die Trägerflüssigkeit kann eine brennbare Flüssigkeit
sein, die als zusätzlicher Brennstoff dient.
Auf diese Weise können Schwankungen im Heizwert der
Abfallstoffe ausgeglichen werden.
Darüber hinaus können als zusätzlicher fluider Brennstoff
brennbare Abfallstoffe der Gruppe in einem Trägergas
suspendierter, pulverisierter, fester Abfallstoffe, in
einer Trägerflüssigkeit suspendierter, pulverisierter,
fester Abfallstoffe, schadstoffhaltiger brennbarer
Flüssigkeiten, zum Beispiel entsprechende
Produktionsrückstände der chemischen Industrie, und
kontaminierte, brennbare Gase den Vergasungsreaktoren
zugeführt werden.
Durch die erfindungsgemäße Verfahrensweise entfällt die
Notwendigkeit, das kondensierbare Dämpfe enthaltende
Rohgas der Pyrolyse zu kühlen, die Kondensate in einen
separat förderfähigen Zustand zu bringen und das Rohgas
soweit zu reinigen, daß es zur Zuführung in den
Vergasungsreaktor verdichtet werden kann.
Weiterhin ist es von Vorteil, daß die Betriebsbedingungen
in den Vergasungsreaktoren besser den unterschiedlichen
Einsatzprodukten für die Vergasung angepaßt werden
können, wodurch sich die wirtschaftlichen Ergebnisse
verbessern und die Steuerung der Vergasungsprozesse, auch
im Hinblick auf die Gewährleistung der technischen
Sicherheit, vereinfacht.
Ein Teilstrom des von Schwefelverbindungen,
Halogenwasserstoffen und Aerosolen befreiten CO- und H2-
reichen Gases kann genutzt werden, um den Pyrolyseofen
von außen zu beheizen.
Die Erfindung soll anhand einer schematischen Darstellung
und am Beispiel des Verfahrensablaufes der Verwertung von
Hausmüll erläutert werden.
Der angelieferte Müll 33 wird nach einer im Schema nicht
dargestellten Vorzerkleinerung über einen Bunker 1 einem
Pyrolyseofen in Form eines Drehrohrofens 2 zugeführt und
einem Schwelprozeß mit einer Endtemperatur von etwa 650
Grad Celsius unterworfen. Der Drehrohrofen 2 wird von
außen mit Gas 16 beheizt, welches, wie noch beschrieben,
in der Anlage selbst erzeugt wird.
Mit technisch üblichen Ein- und
Austragsschleusvorrichtungen wird erreicht, daß dieser
Schwelprozeß praktisch unter Luftabschluß verläuft. Unter
diesen Bedingungen werden die organischen Inhaltsstoffe
des Mülls unter Abspaltung eines mit dampfförmigen
Kohlenwasserstoffen und mit Wasserdampf beladenen
Pyrolyserohgases 26 zu einem festen, koksartigen
Pyrolyserückstand 24 umgewandelt, der zusammen mit
weitgehend unveränderten anorganischen Bestandteilen des
Mülls über ein übliches Ausfallgehäuse 25 mit gasdichter
Austragsschleuse aus dem Drehrohr 2 ausgetragen und einem
Brecher 4 zugeführt wird. Das Pyrolyserohgas 26 verläßt
das Ausfallgehäuse 25 nach oben und wird im
Staubabscheider 3 von mitgeführten Feststoffpartikeln
befreit.
Der Austrag aus dem Brecher 4 passiert das mit einem
Siebgewebe von ca. 15 mm Maschenweite belegte Sieb 5, mit
dessen Hilfe ein mit koksartigen Bestandteilen
angereichertes Feingut 22 und ein von organischen
Verunreinigungen freies, im wesentlichen aus metallischen
Bestandteilen bestehendes Grobgut 23 gewonnen wird. Das
Feingut 22 wird gemeinsam mit dem Staub 21 aus dem
Staubabscheider 3 in einer Rohrmühle 6 auf eine Korngröße
kleiner als etwa 0,5 mm gemahlen.
Das aufgemahlene Feingut 19 wird mit Hilfe des
pneumatischen Förderers 8 mit Stickstoff als Trägergas 28
als Fluidstrom 18 einem unter erhöhtem Druck betriebenen,
nach dem Flugstromprinzip arbeitenden ersten
Vergasungsreaktor 9.1 zugeführt.
Der Vergasungsreaktor 9.1 besteht aus einem äußeren
Druckgefäß, in dem ein für Hochtemperaturbetrieb
ausgelegter zylindrischer Reaktionsraum untergebracht
ist, der nach unten mit einem Quenchraum 10 verbunden
ist. Bei der Gestaltung des Reaktionsraumes hat sich die
Ausführung als gasdicht verschweißte Rohrwandkonstruktion
bewährt, die mit Druckwasser gekühlt wird und
reaktionsraumseitig mit einer feuerfesten Stampfmasse
belegt ist. Der aufgemahlene Pyrolysekoks im Fluidstrom
18, der technische Sauerstoff als Vergasungsmittel 34 und
Erdgas als Zusatzbrennstoff 27 für die Aufrechterhaltung
einer Stützflamme werden über einen Brenner am Kopf des
Reaktors 9.1 in den Reaktionsraum eingeführt. Der Umsatz
zu einem CO- und H2-haltigen Gas verläuft in Form einer
Flammenreaktion, wobei das Verhältnis von Sauerstoff zu
den im Pyrolysekoks und im Zusatzbrennstoff enthaltenen
Kohlenwasserstoffen bzw. Kohlenstoff so bemessen wird,
daß die sich am Ende des Reaktionsraumes einstellende
Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur der
mineralischen Rückstände liegt und eine schmelzflüssige
Schlacke entsteht.
In der Regel genügt eine Temperatur von etwa 1400 Grad
Celsius. Dazu ist eine Sauerstoffmenge erforderlich, die
etwa 45% der für die "stöchiometrische Verbrennung" der
in den Reaktionsraum eingeführten brennbaren Bestandteile
notwendigen Sauerstoffmenge ausmacht.
Das mit ca. 650 Grad Celsius aus dem Pyrolyserohr in das
Ausfallgehäuse 25 überströmende Pyrolysegas wird vom
Pyrolysekoks getrennt, im Abscheider 3 von restlichen
staubförmigen, festen Pyrolyserückständen 21 befreit, die
der Hauptmenge des Pyrolysekokses zugegeben werden, und
danach ohne Kondensation von Wasser- und
Kohlenwasserstoffen über die Rohgasleitung 20 mit ca. 650
Grad Celsius dem zweiten Vergasungsreaktor 9.2 zugeführt.
Dort wird es in ähnlicher Weise wie beschrieben mit einem
freien Sauerstoff enthaltenden Vergasungsmittel durch
partielle Oxidation zu einem CO- und H2-reichen
Synthesegas umgesetzt. Die Flugstromvergaser 9.1 und 9.2
können in ihrem Aufbau identisch sein. Es besteht jedoch
auch die Möglichkeit, den Flugstromvergaser 9.2 wegen des
sehr geringen Gehaltes an mineralischen Bestandteilen im
Pyrolysegas nicht mit einer gekühlten Innenkontur sondern
mit einer keramischen Feuerfestauskleidung zu versehen.
Das in den Reaktoren 9.1 und 9.2 erzeugte Gas besteht im
wesentlichen aus CO und H2 als Nutzkomponenten, aus CO2
und Wasserdampf als Nebenkomponenten sowie NH3, H2S und
HCl als Spurenkomponenten. Das Gas ist frei von
Kohlenwasserstoffen und chlororganischen Verbindungen wie
Dioxinen. Es tritt jeweils gemeinsam mit der
schmelzflüssigen Schlacke in den jeweiligen Quenchraum 10
ein, wo es mit dem über Leitung 11 zugeführten
Quenchwasser in Kontakt gebracht wird. Dabei wird das Gas
bis zur Sättigungstemperatur gekühlt und gleichzeitig mit
Wasserdampf gesättigt sowie von Reststaub, HCl und NH3
befreit. Die schmelzflüssige Schlacke erstarrt und
zerfällt zu einem Granulat 29 mit glasartiger Struktur.
Sie sammelt sich zusammen mit dem unverdampft gebliebenen
Rest des Quenchwassers im Sumpf 32 des Quenchraumes 10
und wird über die jeweilige Schlackenschleuse 12 und den
Schlackenaustrag 13, bestehend aus einer wassergefüllten
Auffangwanne mit einem Kratzerband, ausgetragen.
Die gesättigten Vergasungsgase 31 werden unter Gewinnung
von Abwärme in Gaskühlern 14 gekühlt und gemeinsam in der
Gasreinigung 15 mit üblichen Verfahren von H2S und NH3
befreit. Zuvor wird das Vergasungsgas aus dem zweiten
Reaktor 9.2 nach der Gaskühlung durch einen Verdichter 7
auf den Druck des Vergasungsgases aus dem ersten Reaktor
9.1 gebracht. Die H2S-Fraktion wird schließlich zu
verkaufsfähigem Schwefel 35 aufgearbeitet.
Ein Teilstrom 16 des verbleibenden Reingases wird zur
Unterfeuerung des Drehrohres 2 eingesetzt, der andere,
größere Teil 17 zum Betrieb eines Gasmotors, einer
Gasturbine oder zur stofflichen Verwertung genutzt. Das
bei der Unterfeuerung des Drehrohrofens 2 entstehende
Abgas 30 wird abgeleitet.
Das bei der Kühlung anfallende Kondensat wird als Quench
wasser 11 in die Quenchräume 10 zurückgeführt. Der in den
Quenchräumen 10 unverdampft bleibende Rest des Wassers
wird aus dem Kreislauf ausgeschleust. Es enthält die als
Chlorid-Ionen vorliegende Chlorfracht des Einsatzgutes,
ist aber frei von organischen Verunreinigungen. Seine
Aufarbeitung erfolgt nach bekannten Verfahren (z. B. durch
Eindampfung).
Bei einem Durchsatz von 20 t/h Hausmüll 33 mit einer
Zusammensetzung von etwa
Wassergehalt | 20,0% |
Aschegehalt | 41,6% (wasserfrei) |
Kohlenstoff | 33,1% |
Wasserstoff | 3,8% |
Sauerstoff | 20,2% |
Stickstoff | 0,7% |
Schwefel | 0,1% |
Chlor | 0,5% |
Heizwert | 13,1 MJ/kg |
entstehen 5200 m3 N
/h trockenes Pyrolysegas
26
mit einem
Gehalt an kondensierten Kohlenwasserstoffen von etwa 180
g/m3
und einem Heizwert (einschließlich
Kohlenwasserstoffdämpfen) von 18,0 MJ/m3 N
und 6000 m3 N
/h
Wasserdampf.
Außerdem fallen 9500 kg/h feste Rückstände 24 an, die
sich zu 2200 kg/h auf die vorwiegend metallische, grobe
Fraktion 23 und zu 7300 kg/h auf das Feingut 22
aufteilen. Das gemahlene Feingut 19 mit einem Aschegehalt
von etwa 53% wird dem ersten Vergasungsreaktor 9.1
zugeführt.
In den beiden Vergasungsreaktoren 9.1 und 9.2 entstehen
auf wasserdampffreien Zustand umgerechnet 19 600 m3 N/h
Vergasungsgas 31 mit einer Zusammensetzung von
37% | H2 |
39% | CO |
20% | CO2 |
4% | N2 |
und einem Heizwert von 8,9 MJ/m3 N
. Das Gas enthält 4
g/m3 N
Chlor in Form von Chlorwasserstoff und
dampfförmigen chloridischen Salzen (NaCl, KCl, NH4
Cl),
die in den Quenchräumen
10
vom Waschwasser aufgenommen
werden und nach Eindampfung des Prozeßabwassers etwa 150
kg/h fester Salze ergeben. Außerdem enthält das Gas ca.
0,8 g/m3 N
Schwefelwasserstoff, der in der
Gasreinigungsanlage abgetrennt und zu ca. 15 kg/h
Elementarschwefel
35
oxidiert wird. Etwa 25% des
Reingases werden als Teilstrom
16
zur Beheizung des
Drehrohrofens
2
zurückgeführt, 75% werden als Teilstrom
17
stofflich oder energetisch genutzt.
Im gereinigten Gas werden ca. 5 mg/m3 N Schwefel gefunden.
Das entspricht nach Verbrennung bzw. Einsatz des
Reingases in einem Gasmotor oder einer Gasturbine einem
SO2-Gehalt in den Abgasen von ca. 2,5 mg SO2/m3 N und
erfüllt alle Anforderungen des Umweltschutzes.
Es fallen 3600 kg/h aus dem Schmelzfluß erstarrtes
glasartiges Granulat 29 an, das nach durchgeführten
Eluationstests als Baustoff verwertet oder unbedenklich
deponiert werden kann.
1
Bunker
2
Pyrolyseofen / Drehrohrofen
3
Abscheider
4
Brecher
5
Sieb
6
Rohrmühle
7
Synthesegasverdichter
8
Pneumatischer Förderer
9.1
erster Vergasungsreaktor
9.2
zweiter Vergasungsreaktor
10
Abhitzeverwertungs- und Granulierteil/Quenchraum
11
Quenchwasserzufuhr
12
Schleuse
13
Schlackeaustragsvorrichtungen
14
Gaskühler
15
Gasreinigung
16
Reingas zum Drehrohrofen
17
Reingas zum Verbraucher
18
Fluidstrom
19
aufgemahlenes Feingut
20
Rohgasleitung
21
Staub
22
Siebdurchgang/Feingut
23
Siebüberlauf/Grobgut zur Verhüttung
24
fester Pyrolyserückstand
25
Ausfallgehäuse
26
Pyrolyserohgas
27
Zusatzbrennstoffe
28
Trägergas
29
Schlacke als Granulat
30
Rauchgas
31
gesättigtes Vergasungsgas
32
Sumpf
33
Abfallstoffe/Hausmüll
34
Vergasungsmittel
35
Schwefel
Claims (21)
1. Verfahren zur stofflichen und thermischen Verwertung
von Rest- und Abfallstoffen durch Kombination einer
Behandlung der Abfall- und Reststoffe in einem
Pyrolyseofen unter Luftabschluß bei Temperaturen bis
zu etwa 800 Grad Celsius,
wobei die aus dem Pyrolyseofen in ein Ausfallgehäuse austretenden festen, dampf- und gasförmigen Pyrolyseprodukte in einen festen Pyrolyserückstand und ein dampf- und gasförmiges Pyrolyseprodukt aufgetrennt werden, und der feste Pyrolyserückstand auf eine Korngröße von etwa < 1 mm gebracht wird,
mit einer autothermen Flugstromvergasung der Pyrolyseprodukte, wobei diese Pyrolyseprodukte mit einem freien Sauerstoff enthaltenden Vergasungsmittel zu einem CO- und H2-haltigen Synthesegas unter Verbleib eines mineralischen Rückstandes umgesetzt werden,
dadurch gekennzeichnet, daß
der feste Pyrolyserückstand unter wahlweisem Zusatz eines zusätzlichen fluiden Brennstoffes einem unter erhöhtem Druck betriebenem ersten Vergasungsreaktor (9.1) zur autothermen Flugstromvergasung zugeführt wird, wobei das Verhältnis der Menge an freiem Sauerstoff im Vergasungsmittel zur Menge des im zugeführten festen Pyrolyserückstand und ggf. im Zusatzbrennstoff enthaltenen Kohlenstoffes so bemessen wird, daß die sich im ersten Vergasungsreaktor (9.1) einstellende Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur des mineralischen Rückstandes liegt und dieser in eine schmelzflüssige Schlacke überführt wird,
daß dampf- und gasförmige Pyrolyseprodukt einem unter einem niedrigeren Druck als dem im ersten Vergasungsreaktor (9.1) betriebenem zweiten Vergasungsreaktor (9.2) zur Vergasung zugeführt wird
und das im zweiten Vergasungsreaktor (9.2) erzeugte CO- und H2-reiche Synthesegas ggf. nach Abtrennung von granulierter Schlacke in einem Gaskühler gekühlt, mittels eines Synthesegasverdichters (7) auf den Druck des im ersten Reaktor (9.1) erzeugten Gases gebracht und, gemeinsam mit dem Synthesegas, aus dem Reaktor (9.1) in einer Gasreinigungsanlage (15) in an sich bekannter Weise, insbesondere von mitgeführten Schwefelverbindungen befreit und anschließend einer energetischen oder stofflichen Verwertung zugeführt wird.
wobei die aus dem Pyrolyseofen in ein Ausfallgehäuse austretenden festen, dampf- und gasförmigen Pyrolyseprodukte in einen festen Pyrolyserückstand und ein dampf- und gasförmiges Pyrolyseprodukt aufgetrennt werden, und der feste Pyrolyserückstand auf eine Korngröße von etwa < 1 mm gebracht wird,
mit einer autothermen Flugstromvergasung der Pyrolyseprodukte, wobei diese Pyrolyseprodukte mit einem freien Sauerstoff enthaltenden Vergasungsmittel zu einem CO- und H2-haltigen Synthesegas unter Verbleib eines mineralischen Rückstandes umgesetzt werden,
dadurch gekennzeichnet, daß
der feste Pyrolyserückstand unter wahlweisem Zusatz eines zusätzlichen fluiden Brennstoffes einem unter erhöhtem Druck betriebenem ersten Vergasungsreaktor (9.1) zur autothermen Flugstromvergasung zugeführt wird, wobei das Verhältnis der Menge an freiem Sauerstoff im Vergasungsmittel zur Menge des im zugeführten festen Pyrolyserückstand und ggf. im Zusatzbrennstoff enthaltenen Kohlenstoffes so bemessen wird, daß die sich im ersten Vergasungsreaktor (9.1) einstellende Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur des mineralischen Rückstandes liegt und dieser in eine schmelzflüssige Schlacke überführt wird,
daß dampf- und gasförmige Pyrolyseprodukt einem unter einem niedrigeren Druck als dem im ersten Vergasungsreaktor (9.1) betriebenem zweiten Vergasungsreaktor (9.2) zur Vergasung zugeführt wird
und das im zweiten Vergasungsreaktor (9.2) erzeugte CO- und H2-reiche Synthesegas ggf. nach Abtrennung von granulierter Schlacke in einem Gaskühler gekühlt, mittels eines Synthesegasverdichters (7) auf den Druck des im ersten Reaktor (9.1) erzeugten Gases gebracht und, gemeinsam mit dem Synthesegas, aus dem Reaktor (9.1) in einer Gasreinigungsanlage (15) in an sich bekannter Weise, insbesondere von mitgeführten Schwefelverbindungen befreit und anschließend einer energetischen oder stofflichen Verwertung zugeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der feste Pyrolyserückstand nach Austrag aus dem
Ausfallgehäuse (25) einem aus Zerkleinerungs-,
Klassier- und Trennstufe bestehenden
Separationsprozeß unterworfen, eine Grobgutfraktion
abgetrennt und der verbleibende, mit koksartigen
Bestandteilen angereicherte feste Pyrolyserückstand
dem ersten Vergasungsreaktor (9.1) zugeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die metallische Bestandteile aufweisende
Grobfraktion einer hüttenmännischen Verwertung
zugeführt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß das aus dem Pyrolyseofen
austretende Wasser- und Kohlenwasserstoffdämpfe
enthaltende Pyrolysegas einen Abscheider (3) zur
Abtrennung von staubförmigen, festen
Pyrolyserückständen passiert, bevor es dem zweiten
Vergasungsreaktor (9.2) zugeführt wird, während die
abgetrennten staubförmigen Pyrolyserückstände dem
übrigen festen Pyrolyserückstand zugeführt und mit
diesem dem ersten Vergasungsreaktor (9.1) aufgegeben
werden.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die schmelzflüssige Schlacke gekühlt, im Kontakt
mit Wasser granuliert und aus den Vergasungsreaktoren
(9.1, 9.2) ausgetragen wird.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1
bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Umsatz mit
freiem Sauerstoff enthaltenden Vergasungsmittel im
Flugstrom in Form einer Flammenreaktion erfolgt.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1
bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der zur Vergasung
gelangende feste Pyrolyserückstand bis zu einer
Körnung von kleiner als 0,5 mm aufgemahlen wird.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1
bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der aufgemahlene
feste Pyrolyserückstand in einem Trägergas
suspendiert dem ersten Vergasungsreaktor (9.1)
zugeführt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß als Trägergas ein als zusätzlicher Brennstoff
dienendes brennbares Gas herangezogen wird.
10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1
bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der aufgemahlene
feste Pyrolyserückstand in einer Trägerflüssigkeit
suspendiert dem ersten Vergasungsreaktor (9.1)
zugeführt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
daß als Trägerflüssigkeit eine als zusätzlicher
Brennstoff dienende Flüssigkeit herangezogen wird.
12. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1
bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Pyrolysegas
nach Trennung von den festen Pyrolyserückständen
ungekühlt und mit den in ihm enthaltenen
dampfförmigen Kohlenwasserstoffen und Wasserdampf dem
zweiten Vergasungsreaktor (9.2) zugeführt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der zweite Vergasungsreaktor (9.2) unter einem
Druck nahe des atmosphärischen Druckes betrieben
wird.
14. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1
bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß als zusätzlicher
fluider Brennstoff brennbare Abfallstoffe der Gruppe
in einem Trägergas suspendierter, pulverisierter
fester Abfallstoffe, in einer Trägergasflüssigkeit
suspendierter, pulverisierter fester Abfallstoffe,
brennbarer flüssiger Abfallstoffe und kontaminierter
brennbarer Gase der Vergasung zugeführt werden.
15. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1
bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Abfallstoffe
in einem als außen beheizter Drehrohrofen gestalteten
Pyrolyseofen dem Schwelprozeß unterworfen werden.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet,
daß die Beheizung des außen beheizten Drehrohrofens
mit einem Teil des in der Gasreinigungsanlage (15)
von Schadstoffen befreiten CO- und H2-reichen Gases
erfolgt.
17. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der erste Vergasungsreaktor (9.1) unter einem
Druck zwischen 0,2 und 4 MPa betrieben wird.
18. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach
Anspruch 1 bis 17 bestehend aus einem Pyrolyseofen
(2) mit Einrichtungen zur äußeren Wärmezufuhr und
einem Ausfallgehäuse (25) mit einem Austrag für feste
Pyrolyserückstände und einem Austritt für gas- und
dampfförmige Pyrolyseprodukte,
einer mit dem Austrag für feste Pyrolyserückstände verbundenen Aufbereitungsstrecke für die festen Pyrolyserückstände, mindestens bestehend aus einer Mühle zur Zerkleinerung auf eine Korngröße von < als etwa 1 mm,
Einrichtungen zur autothermen Flugstromvergasung
sowie einer Gasreinigungsanlage,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Einrichtungen zur autothermen Flugstromvergasung aus einem für einen Betrieb unter erhöhtem Druck ausgelegten ersten Flugstromvergasungsreaktor (9.1) und einem zweiten Flugstromvergasungsreaktor (9.2) gebildet werden,
jeweils in an sich bekannter Weise,
bestehend aus einem innerhalb eines äußeren Gehäuses angeordnetem, einbautenfreiem Reaktionsraum mit Zuführungskanälen für einen Vergasungsstoff, ein freien Sauerstoff enthaltendes Vergasungsmittel (34) und einen zusätzlichen fluiden Brennstoff (2.7) sowie einem dem Reaktionsraum nachgeschalteten Quenchraum (10) mit Vorrichtungen, um aus dem Reaktionsraum übertretendes heißes Gas und schmelzflüssige Schlacke in Kontakt mit Wasser zu bringen, einem Austrittsstutzen zur Abführung des mit Wasser in Kontakt gebrachten und dabei gekühlten und
aufgesättigten Gases und Mitteln zum Austrag von durch den Kontakt mit Wasser erstarrter und granulierter Schlacke und von überschüssigem Wasser,
wobei der Zuführungskanal für den Vergasungsstoff (18) des ersten Flugstromvergasungsreaktors (9.1) für die Zuführung einer Suspension des feinzerkleinerten festen Pyrolyserückstandes in einem fluiden Trägermedium ausgelegt und mit einem aus der Mühle (6) beschickten Eintrags- und Dosiersystem (8) für solche Suspensionen verbunden ist, und der Zuführungskanal für den Vergasungsstoff (20) des zweiten Flugstromvergasungsreaktors (9.2) mit dem Austritt für gas- und dampfförmige Pyrolyseprodukte am Ausfallgehäuse (25) verbunden ist,
und die Gasreinigungsanlage (15), mittels einer ersten Rohgasleitung mit dem Austrittsstutzen aus dem Quenchraum des ersten Vergasungsreaktors (9.1) und mittels einer zweiten Rohgasleitung mit dem Quenchraum des zweiten Vergasungsreaktors (9.2) verbunden ist, wobei in die zweite Rohgasleitung ein Synthesegasverdichter (7) zur Druckerhöhung auf das im ersten Vergasungsreaktor (9.1) herrschende Druckniveau eingebunden ist.
einer mit dem Austrag für feste Pyrolyserückstände verbundenen Aufbereitungsstrecke für die festen Pyrolyserückstände, mindestens bestehend aus einer Mühle zur Zerkleinerung auf eine Korngröße von < als etwa 1 mm,
Einrichtungen zur autothermen Flugstromvergasung
sowie einer Gasreinigungsanlage,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Einrichtungen zur autothermen Flugstromvergasung aus einem für einen Betrieb unter erhöhtem Druck ausgelegten ersten Flugstromvergasungsreaktor (9.1) und einem zweiten Flugstromvergasungsreaktor (9.2) gebildet werden,
jeweils in an sich bekannter Weise,
bestehend aus einem innerhalb eines äußeren Gehäuses angeordnetem, einbautenfreiem Reaktionsraum mit Zuführungskanälen für einen Vergasungsstoff, ein freien Sauerstoff enthaltendes Vergasungsmittel (34) und einen zusätzlichen fluiden Brennstoff (2.7) sowie einem dem Reaktionsraum nachgeschalteten Quenchraum (10) mit Vorrichtungen, um aus dem Reaktionsraum übertretendes heißes Gas und schmelzflüssige Schlacke in Kontakt mit Wasser zu bringen, einem Austrittsstutzen zur Abführung des mit Wasser in Kontakt gebrachten und dabei gekühlten und
aufgesättigten Gases und Mitteln zum Austrag von durch den Kontakt mit Wasser erstarrter und granulierter Schlacke und von überschüssigem Wasser,
wobei der Zuführungskanal für den Vergasungsstoff (18) des ersten Flugstromvergasungsreaktors (9.1) für die Zuführung einer Suspension des feinzerkleinerten festen Pyrolyserückstandes in einem fluiden Trägermedium ausgelegt und mit einem aus der Mühle (6) beschickten Eintrags- und Dosiersystem (8) für solche Suspensionen verbunden ist, und der Zuführungskanal für den Vergasungsstoff (20) des zweiten Flugstromvergasungsreaktors (9.2) mit dem Austritt für gas- und dampfförmige Pyrolyseprodukte am Ausfallgehäuse (25) verbunden ist,
und die Gasreinigungsanlage (15), mittels einer ersten Rohgasleitung mit dem Austrittsstutzen aus dem Quenchraum des ersten Vergasungsreaktors (9.1) und mittels einer zweiten Rohgasleitung mit dem Quenchraum des zweiten Vergasungsreaktors (9.2) verbunden ist, wobei in die zweite Rohgasleitung ein Synthesegasverdichter (7) zur Druckerhöhung auf das im ersten Vergasungsreaktor (9.1) herrschende Druckniveau eingebunden ist.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18 dadurch gekennzeichnet,
daß zumindest der erste Vergasungsreaktor (9.1) eine
aus miteinander durch Stege gasdicht verbundenen und
mit Kühlmittel beaufschlagten Rohren gebildete
Reaktionsraumkontur aufweist.
20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet,
daß der erste und der zweite Vergasungsreaktor (9.1,
9.2) baugleich sind.
21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet,
daß der Reaktionsraum des zweiten Vergasungsreaktors
(9.2) mit einer dickwandigen, feuerfesten Auskleidung
versehen ist.
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