DE60202140T2 - Verfahren zur reinigung von teerhaltigem abwasser und vorrichtung zur durchführung des verfahrens - Google Patents
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Description
- Technisches Gebiet
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reinigung von teerhaltigem Abwasser, und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der in dem Oberbegriff der Ansprüche 1 beziehungsweise 10 angegebenen Art.
- Stand der Technik
- Bei der Gasherstellung, die auf der Vergasung von Biomasse, Kohle, usw. basiert, ist es bekannt, dass das hergestellte Gas Teer enthält, welcher mit Bezug auf die Verwendung des Gases, beispielsweise in Verbrennungsmotoren oder Gasturbinen, aus dem hergestellten Gas entfernt werden muss. Die herkömmliche Art Teer zu entfernen, ist durch Kühlen des Gases, wodurch der Teer und mögliches Wasser kondensiert wird, wobei ein relativ sauberes Gas und ein getrenntes Gemisch aus Wasser und Teer übrig bleibt.
- Das Gemisch aus Wasser und Teer kann nicht in der Umwelt beseitigt werden, aufgrund des Gehalts an Teer, einschließlich polyaromatischer Kohlenwasserstoffe und Phenole, die als unsicher für die Umwelt, möglicherweise karzinogen, giftig, usw. erachtet werden. Des Weiteren kann die Acidität des Gemischs auch ein Umweltproblem darstellen.
- Es wurde vorgeschlagen, eine durch Ultraviolettlicht induziierte Nass-Oxydation oder Adsorption auf verschiedenen Kokssorptionsmitteln zu verwenden, um das Abwasser zu reinigen. Der Verbrauch an elektrischer Energie ist jedoch für die Ultraviolettlicht-induziierte Nass-Oxydation relativ hoch, und die Adsorption weist bestimmte Beschränkungen aufgrund des Vorhandenseins von nicht-adsorbierbaren Verbindungen auf.
- Es wurde vorgeschlagen (Schwedische Anmeldung 402214), dass das Abwasser verdampft wird, und in eine brennbare Teerfraktion und eine (mehr oder weniger) saubere Dampffraktion getrennt wird. Die brennbare Fraktion wird anschließend verbrannt (oxydiert), um Wärme für den Verdampfungsprozess zu schaffen – entweder durch direkten Kontakt oder durch einen Wärmetauscher. Auf diese Art wird jedoch der Heizwert des Teers direkt in Wärme umgewandelt, was die Ausnutzung bei Hochleistungsenergie-erzeugenden Maschinen – insbesondere Gasmaschinen und Gasturbinen – stark begrenzt. Deshalb wird der Einsatz der vorgeschlagenen Technologie auf Dampfturbinen und andere Einrichtungen, die auf einer äußeren Beheizung basieren, begrenzt.
- Offenbarung der Erfindung
- Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Reinigung von teerhaltigem Abwasser und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Art, auf die oben Bezug genommen wird, zu schaffen, mit dem es möglich ist, einen hohen Leistungsgrad des Prozesses zu schaffen. Mit einem hohen Leistungsgrad ist eine große Reinigungsfähigkeit und auch eine wirksame Wiedergewinnung des energetischen Gehalts in den Teerverunreinigungen, zur direkten Nutzung in einer Gasmaschine oder Gasturbine, gemeint. Dies bedeutet auch, dass die vorliegende Erfindung im Gegensatz zu der Schwedischen Anmeldung 402214 – wo die Verunreinigungen oxydiert werden – einen Cracking-Prozess beschreibt, der unter reduzierenden Bedingungen durchgeführt wird, wo die hochmolekularen Teere und Säuren in leicht brennbare Gase umgewandelt werden, die beispielsweise in Gasmaschinen, Gasturbinen oder dergleichen verwertet werden können. Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren zur Reinigung von teerhaltigem Abwasser, und einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Art, die gemäß der vorliegenden Erfindung auch die in dem kennzeichnenden Teil der Ansprüche 1 beziehungsweise 10 angegebenen Merkmale umfasst, gelöst. Mit dieser Anordnung wird ein relativ sauberer Teil des Abwassers in Dampfform bei einer hohen Temperatur gecrackt, wobei Energie geschaffen wird, die leicht brennbare Gase zur Verwendung beispielsweise in Gasmaschinen, Gasturbinen, oder dergleichen enthält, und gleichzeitig wird ein Teil des Abwassers mit einem hohen Siedepunkt geschaffen, der ein brennbares Konzentrat des Abwassers ist, das für Heizzwecke, wie beispielsweise in den Ansprüchen 5 beziehungsweise 15 festgelegt ist, verwendet werden kann. Bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens und der Vorrichtung sind in den untergeordneten Ansprüchen offenbart.
- Kurze Beschreibung der Zeichnungen
- In dem folgenden ausführlichen Teil der vorliegenden Beschreibung wird die Erfindung detaillierter erklärt, mit Bezug auf die beispielhaften Ausführungsformen einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung, die in den Zeichnungen gezeigt werden, in denen
-
1 schematisch eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, und -
2 schematisch ein Fließschema einer alternativen Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt. - Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
- Die in
1 gezeigte Vorrichtung ist zur Reinigung von teerhaltigem Abwasser geeignet, das beispielsweise von einer Biomasse-Vergasungseinheit kommt, wie in EP-A-953,627 beschrieben. Die Vorrichtung weist einen Verdampfer1 auf, der das teerhaltige Wasser17 an dem Boden erhält, zur vollständigen Verdampfung in dem Verdampfer1 . Vor dem Verlassen des Verdampfers1 , wird ein Teil mit einem hohen Siedepunkt durch einen Tropfenabscheider7 getrennt, wobei der Teil mit dem hohen Siedepunkt durch eine Konzentratpumpe8 weggepumpt wird. Der Teil mit dem niedrigen oder tiefen Siedepunkt wird weiter bewegt durch ein Hochdruckgebläse6 , das einen Wärmetauscher3 speist, in dem der Teil mit dem niedrigen Siedepunkt auf eine relativ hohe Temperatur aufgeheizt wird, bevor er in den Reaktor2 eintritt, in dem der Teil mit dem niedrigen Siedepunkt gecrackt wird, um seinen Gehalt an Kohlenwasserstoffen auf ein für die Umwelt akzeptables Niveau zu vermindern, wobei der Cracking-Reaktor2 einen Brenner5 aufweist, der mit dem Konzentrat aus der Pumpe8 und der Verbrennungsluft16 versorgt wird, wobei somit der Reaktor2 durch Abbrennen zumindest eines Teils des Konzentrats, das durch den Tropfenabscheider7 abgetrennt ist, aufgeheizt wird. Das gecrackte Produkt, das den Reaktor2 verlässt, wird nach unten in den Wärmetauscher3 gespeist, wodurch es durch den Wärmeaustausch mit dem Teil mit dem niedrigen Siedepunkt im Gegenstrom abgekühlt wird. Das abgekühlte gecrackte Produkt4 , das den Wärmetauscher3 verlässt, wird in zwei Anteile aufgeteilt, wobei einer an den Verdampfer1 gespeist wird, was Wärme zur Verdampfung des teerhaltigen Wassers schafft, wodurch dieser Teil des gecrackten Produkts4 kondensiert wird und den Verdampfer1 in Form von relativ sauberem Wasser18 verlässt, das ausreichend sauber ist, um an die Kanalisation geleitet zu werden. Ein anderer Teil des gecrackten Produkts4 , das den Wärmetauscher3 verlässt, kann als Vergasungsmedium in dem zugehörigen Vergaser, wie bei20 angedeutet, verwendet werden. - Eine erfindungsgemäße alternative Vorrichtung wird in
2 in Form eines Fließschemas gezeigt, in dem Teile, die den in1 gezeigten Teilen entsprechen, mit entsprechenden Nummern versehen sind. Die in2 gezeigte Vorrichtung weist wieder einen Verdampfer1 auf, der mit teerhaltigem Wasser17 versorgt wird, und der dieses teerhaltige Wasser verdampft, unter Verwendung eines geschlossenen Kreislaufs von unter Druck stehendem heißen Wasser für die Erwärmung, wobei das heiße Wasser durch einen Auslass10 von einer oder mehr Maschinen erwärmt wird, die beispielsweise durch Gas von einer Biomasse-Vergasungsanlage angetrieben werden, wobei die Wärme aus dem ausgelassenen Gas in einem Auslasskessel9 extrahiert wird, wobei das Erwärmen durch Wärme ergänzt wird, die aus dem gecrackten Dampf4 , der den Wärmetauscher3 verlässt, extrahiert wird, wobei die Wärme in einen separaten Wärmetauscher12 extrahiert wird. Der Verdampfer1 endet wieder in einem Abscheider7 , der ein Konzentrat heraustrennt, das an einen Konzentrat-Puffertank14 gefördert wird, von dem es zu einem Brenner5 für dieses Konzentrat durch eine Konzentratpumpe8 hochgepumpt werden kann. Der Teil mit dem niedrigen Siedepunkt verlässt den Verdampfer1 , nachdem der Abscheider7 einem Wärmeaustausch mit gecracktem Dampf aus dem Reaktor2 in einem Wärmetauscher3 ausgesetzt ist, wobei der Wärmetauscher3 ferner getrennte Kanäle zum Vorwärmen von Luft15 zur Verwendung in dem Reaktor2 aufweist. Der Reaktor2 wird durch den Brenner5 erwärmt, der mit Luft16 zur Verbrennung des Konzentrats aus dem Puffertank14 versorgt wird, und weitere Wärme wird durch Teile des Teils mit dem niedrigeren Siedepunkt zugeführt, die brennen, wenn sie mit der vorgewärmten Luft15 in einem ersten Teil des Reaktors2 in Kontakt gelangen. Die hohe Temperatur in dem Reaktor2 schafft ein Cracken des dazu zugeführten Gemischs, und der bei der hohen Temperatur gecrackte Dampf, der den Reaktor2 verlässt, führt Wärme an den Teil mit dem niedrigen Siedepunkt aus dem Verdampfer1 und die Luft15 für den Reaktor in dem Wärmetauscher3 zu. Der gecrackte Dampf4 , der den Wärmetauscher3 verlässt, wird dem Wärmetauscher12 zugeführt, um Energie an den geschlossenen Kreislauf mit dem unter Druck stehenden heißen Wasser, zur Erwärmung des Verdampfers1 , zu liefern. Nach dem Verlassen des Wärmetauschers12 kann der Dampf außerdem Energie an einen Bereichsheizkreislauf19 liefern, unter Verwendung eines Wärmetauschers13 , in dem Teile des gecrackten Dampfes kondensieren können und andere Teile, beispielsweise nicht-kondensierbare, leicht brennbare Teile des gecrackten Produkts aus dem Reaktor2 , an eine Gasmaschine oder Gasturbine22 gespeist werden. - Bei einem bevorzugten Prozess in dem in
2 gezeigten System, extrahiert der Kreislauf mit dem heißen, unter Druck stehenden Wasser Wärme von dem Maschinenauslass10 in dem Auslasskessel9 , wodurch das Wasser auf eine Temperatur von ungefähr 120°C erwärmt wird, und diese Wärme an das eintretende teerhaltige Wasser17 in dem Verdampfer1 übertragen wird, was zu Dampf am Oberteil des Verdampfers bei einer Temperatur von ungefähr 107°C führt. In dem Abscheider7 wird ein flüssiges Konzentrat getrennt und in einem Konzentrat-Puffertank14 gesammelt, was einen relativ sauberen Dampf überlässt, der in dem Wärmetauscher3 auf eine Temperatur von ungefähr 450°C erwärmt wird, im Gegenstrom mit Gasen des gecrackten Produkts und Verbrennungsgasen, die den Reaktor2 verlassen. In dem Wärmetauscher3 wird Luft oder ein Inertgas15 , die/das durch Passieren durch die Mantel-kühlende Leitung für den Wärmetauscher3 vorgewärmt sein kann, auf ungefähr die gleiche Temperatur wie der Dampf erwärmt, wenn sie/es in einen ersten Teil des Reaktors2 eintritt. Das Inertgas könnte in Form eines gekühlten Auslassgases11 vorgesehen sein. Die mögliche heiße Luft entzündet spontan einige der organischen Verbindungen in diesem ersten Teil des Reaktors2 , und weitere Wärme wird zugeführt, um die Temperatur in dem Reaktor auf ungefähr 800°C zu erhöhen. Die Energie dafür wird durch Verbrennen des Konzentrats aus dem Konzentrat-Puffertank14 in dem Brenner5 geschaffen. - Beispiel
- In Verbindung mit der Reinigung von teerhaltigem Wasser in Verbindung mit einem Vergaser, treffen die folgenden Reinigungsfähigkeiten zu:
- Typische Einlassbedingungen
-
- Essigsäure 14.000 mg/Liter
- Ameisensäure 1.900 mg/Liter
- eine Acidität des pH-Werts = 2,03 verursachend
- Phenol 730 mg/Liter
- Guajakol 1.030 mg/Liter
- dehydroxy-Benzen 1 1.400 mg/Liter
- andere Phenole 2.840 mg/Liter
- und ferner die mehrkernigen aromatischen Kohlenwasserstoffe (PAH):
- Naphthalin 0,45 mg/Liter
- Anthracen/Phenanthren < 0,005 mg/Liter
- der Gesamtkohlenstoffgehalt (TOC) beträgt 45.900 mg/liter
- Typische Austrittbedingungen
- Das ursprüngliche verunreinigte Wasser wird in zwei Ströme getrennt:
- Eine schwer verunreinigte Fraktion (ungefähr 10%) mit einem TOC von ungefähr 300.000 mg/Liter, und einem Bruttoheizwert von ungefähr 13 MJ/kg (65 bis 75% werden innerhalb des Prozesses wiederverwendet – der Rest kann in Hilfskesseln in der Anlage während Bereichserwärmungs-Spitzenbelastungen verbrannt werden).
- Ein sauberes Kondensat mit einem TOC unter 15 mg/Liter, einem Gesamtphenolgehalt unter 0,15 mg/Liter und einer Acidität des pH-Werts = 6,90 bis 7,10 (wobei dadurch die Notwendigkeit der Neutralisierung beseitigt wird).
- Beispiel 2
- Bei einer der
1 entsprechenden Anlage wird 1266 kg/Stunde von Abwasser in dem Verdampfer1 gesiedet, der an der Außenseite unter Verwendung von sauberem Dampf4 beheizt wird, bei einer Temperatur von ungefähr 550°C und einem Druck von 102 kPa, den Wärmetauscher3 verlassend. Das Abwasser verlässt den Verdampfer1 als:
Dampf 1152 kg/Stunde bei ungefähr 97°C und 100 kPa, der nach dem Tropfenabscheider7 in einem Hochdruckgebläse6 auf ungefähr 105°C und 105 kPa verdichtet wird,
ein brennbares Konzentrat 114 kg/Stunde, von dem die Hauptfraktion in dem Prozess an dem Brenner5 , wie oben beschrieben, verwendet wird. Der Dampfteil wird in dem Wärmetauscher3 im Gegenstrom mit dem Dampf erwärmt, der den Reaktor2 zu ungefähr 380°C und 104 kPa verlässt. Nach dem Wärmetauscher, wird die Temperatur auf 800°C erhöht, unter Verwendung von ungefähr 81 kg/h des brennbaren Konzentrats, das in dem Brenner5 verbrannt wird. Basierend auf 0,305 kg/MJ, wird an diesem Punkt ungefähr 320 kg/Stunde Luft16 verwendet. Bei der Vorrichtung der1 , brennt der Brenner5 direkt innerhalb des Reaktors2 , wobei dadurch die Turbulenz und das Entfernen von verbleibenden Teerspuren in dem Dampf gefördert wird. Der Dampf, der den Reaktor2 verlässt, wird einen Abgasgehalt von ungefähr 22% aufweisen, was die Wirksamkeit des Dampf-geheizten Verdampfers, aufgrund des Vorhandenseins von Inertgasen, vermindern wird. Diese Inertgase werden von dem oberen Gehäuseteil des Verdampfers1 zu entnehmen sein, um den Kondensationswärmeübergang an den Verdampfer zu verbessern. Das gereinigte Wasser18 , das den Verdampfer1 verlässt, beträgt ungefähr 90% des teerhaltigen Wassereingangs17 . - Das gereinigte Wasser weist einen TOC von ungefähr 14 mg/Liter auf, und enthält ungefähr 0,4 mg/Liter Phenol, wo Vorschriften unter 15 mg/Liter erfordern.
- Beispiel 3
- Durch ein Betreiben des Verdampfers auf eine Art, die eine größere Fraktion von organischen Verunreinigungen in dem Dampf von dem Verdampfer zulässt, oder alternativ (oder zusätzlich) einen Teil oder alles von den getrennten Teer-Verunreinigungen von dem Abscheider direkt in die Reaktionskammer, die bei niedrigen stöchiometrischen Bedingungen gehalten wird, einspritzt, werden die Teerkomponenten in leichter brennbare Gase gecrackt. Wenn das beschriebene Teerwasser-Reinigungssystem in Verbindung mit einem Vergaser verwendet wird, könnten diese Gase nachfolgend zu dem Gasreinigungssystem des zugehörigen Vergasers zugegeben werden, und den Gesamtleistungsgrad erhöhen.
Claims (18)
- Verfahren zur Reinigung von teerhaltigem Abwasser (
17 ) (einem Gemisch aus Wasser und Kohlenwasserstoffen, z. B. mit polyaromatischen Kohlenwasserstoffen und Phenolen), dadurch gekennzeichnet, dass es die folgenden Schritte aufweist a) Trennen des Gemisches in einen Teil mit einem tiefen Siedepunkt und einen Teil mit einem hohen Siedepunkt, Überführen des Teils mit dem tiefen Siedepunkt in Dampfform, b) Cracken (2 ) der hochmolekularen Kohlenwasserstoffe aus dem Teil mit dem tiefen Siedepunkt in Dampfform bei einer hohen Temperatur, und dadurch Umwandeln seines Gehalts an Kohlenwasserstoffen in Produkte, die bei Luftdruck und Umgebungstemperatur in Dampfform sind, wobei die Produkte leicht brennbar sind und z. B. in Gasmotoren, Gasturbinen oder dergleichen genutzt werden können, c) Kondensieren der Wassergehalte des gecrackten Teils mit dem tiefen Siedepunkt, und somit Trennen des gecrackten Teils mit dem tiefen Siedepunkt in Wasser und leicht brennbare Kohlenwasserstoffe. - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es ferner aufweist d) Cracken der hochmolekularen Kohlenwasserstoffe, z. B. polyaromatische Kohlenwasserstoffe und Phenole, aus dem Teil mit dem hohen Siedepunkt bei einer hohen Temperatur, und dadurch Umwandeln seines Gehalt an Kohlenwasserstoffen in Produkte, die bei Luftdruck und Umgebungstemperatur in Dampfform sind, wobei die Produkte leicht brennbar sind und z. B. in Gasmotoren, Gasturbinen oder dergleichen genutzt werden können.
- Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennung durchgeführt wird durch a1) vollständiges Verdampfen des Gemisches und a2) Kondensieren und Trennen des Teils mit dem hohen Siedepunkt.
- Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennung durchgeführt wird durch a3) portionsweises Abdampfen des Teils des Gemisches mit dem tiefen Siedepunkt, was den Teil mit dem hohen Siedepunkt als Rückstand lässt.
- Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es die Verbrennung zumindest eines Teils des Teils mit dem hohen Siedepunkt zum Schaffen der hohen Temperatur für den Cracking-Prozess unter b) aufweist.
- Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass es die Verbrennung oder das Cracken zumindest eines Teils des Teils mit dem hohen Siedepunkt direkt in dem zu crackenden, verdampften Teil aufweist.
- Verfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch die Verbrennung des Teils mit dem hohen Siedepunkt, wobei ein indirektes Heizen des zu crackenden, verdampften Teils geschaffen wird.
- Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es ferner einen Wärmeaustausch (
3 ) zwischen dem gecrackten Dampf und dem zu crackenden, verdampften Teils mit dem tiefen Siedepunkt aufweist. - Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil des gecrackten Dampfes (
4 ) genutzt wird, um Energie für die Verdampfung von dem teerhaltigen Wasser zu schaffen. - Vorrichtung zur Reinigung von teerhaltigem Abwasser (
17 ), z. B. einem Gemisch aus Wasser und Kohlenwasserstoffen, z. B. polyaromatische Kohlenwasserstoffe und Phenole, dadurch gekennzeichnet, dass sie folgendes aufweist: einen Kessel oder Verdampfer (1 ) zur Verdampfung des Gemisches, eine Trennvorrichtung (7 ) zum Abtrennen des Teils des Gemisches mit dem hohen Siedepunkt, und einen Reaktor (2 ) zum Cracken des verbleibenden, verdampften Gemisches, einen Wärmetauscher (3 ) zwischen dem Kessel (1 ) und dem Reaktor (2 ) zum Durchführen eines Wärmeaustauschs zwischen dem auf den Reaktor (2 ) zu fließenden Gemisch und dem den Reaktor (2 ) verlassenden Gemisch, und eine Verbindung (4 ), welche das den Reaktor (2 ) und den Wärmeaustauscher (3 ) verlassende Gemisch an den Kessel (1 ) speist, und dadurch Energie für die Verdampfung aus diesem Gemisch gewinnt. - Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner Einrichtungen aufweist, um einen Teil des abgetrennten Teils mit dem hohen Siedepunkt kontrolliert an den Reaktor (
2 ) zu geben. - Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen separaten Reaktor zum Cracken des Teils des Gemischs mit dem hohen Siedepunkt aufweist.
- Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor (
2 ) einen Brenner (5 ) aufweist, in dem der abgetrennte Teil mit dem hohen Siedepunkt verbrannt wird, um dem Reaktor (2 ) Wärme zuzuführen. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner ein Hochdruck-Gebläse (
6 ) zum Erhöhen des Drucks in dem Reaktor (2 ), und/oder Erniedrigen des Drucks in dem Kessel (1 ) aufweist, wobei das Gebläse (6 ) vorzugsweise an dem Auslass des Dampfkessels (1 ) angeordnet ist. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennvorrichtung (
7 ) durch einen Tropfenabscheider (7 ) an dem Auslass aus dem Kessel (1 ) gebildet ist. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor (
2 ) mit einer Komponente ausgestattet ist, die als ein Katalysator für den Cracking-Prozess dient. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor (
2 ) aus einer Hochtemperatur-Stahllegierung mit Nickel gebildet ist, deren Nickel als ein Katalysator für den Cracking-Prozess dient. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor (
2 ) mit einem feuerfesten Hochtemperatur-Material ausgekleidet ist.
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