DE69533089T2

DE69533089T2 - Verfahren zum behandeln von stadtmüll und anderen abfällen

Info

Publication number: DE69533089T2
Application number: DE69533089T
Authority: DE
Inventors: Millice John FLOYD; William Brian LIGHTFOOT
Original assignee: Ausmelt Ltd
Current assignee: Outotec Ausmelt Pty Ltd
Priority date: 1994-10-05
Filing date: 1995-09-27
Publication date: 2005-06-23
Anticipated expiration: 2015-09-28
Also published as: AU688139B2; EP0782683A4; CA2201740C; EP0782683A1; JPH10506981A; NZ293515A; WO1996011359A1; AU3598395A; ATE267980T1; EP0782683B1; DE69533089D1; ES2219667T3; TW295617B; IN191954B; JP3820269B2; MY112182A; CA2201740A1; US5615626A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beseitigung von Abfallstoffen, einschließlich städtischen Abfallstoffen wie Hausmüll, Industrieabfällen und speziellen Abfallstoffen wie auf Kautschuk und Kunststoffen basierenden Stoffen.
Bestehende Verfahren zur Beseitigung von Abfallstoffen nutzen eine Verbrennung dieser Stoffe unter Verwendung eines beweglichen Feuerrost- oder eines rotierenden Veraschungsofens. Bei diesen Verfahren kann Luft in Kontakt mit den verbrennbaren Bestandteilen der Abfallstoffe gelangen, unter Bedingungen, bei denen diese Bestandteile verbrannt werden, wodurch eine freifließende feste Asche und Verbrennungsgase entstehen. Nichtverbrennbare Bestandteile der Abfallstoffe, einschließlich anorganischer Bestandteile und Metalle, können in Abhängigkeit von den Verbindungen und Metallen bei ausreichend hohen Temperaturen oxidiert werden, wobei sich diese Bestandteile oder die sich ergebende oxidierten Stoffe mit der festen Asche vereinigen. Organische Bestandteile in dem Abfall, wie Kunststoffe, können ebenfalls verbrannt oder oxidiert werden, um in der Asche feste Oxide zu bilden, sowie gasförmige Produkte, wie CO, H₂, H₂O, SO₂, H₂S, HCl, HF und Stickoxide (NO_x).
Die in dem beweglichen Feuerrost- und rotierenden Veraschungsofen herrschende Temperatur liegt typischerweise im Bereich von 600°C bis 1.000°C. Die zum Einstellen und Aufrechterhalten dieser Temperatur benötigte Energie wird teilweise durch den Heizwert der Abfallstoffe bereitgestellt; wobei der Kohlenwasserstoffgehalt der Abfallstoffe gewöhnlich den Heizwert bereitstellt. Da dieser Heizwert gewöhnlich unzureichend ist, wird ein zusätzlicher Brennstoff zu den Abfallstoffen zugesetzt und mit diesen verbrannt, oder unter Verwendung eines normalen Schmelzofenbrenners, durch den der Brennstoff eingeführt wird, bereitgestellt. Der Brennstoff kann Kohle, Öl oder Erdgas sein.
Zusätzlich zu den vorstehend angegebenen Gasen werden bei den bestehenden Verfahren weitere Gase durch Abbaureaktionen der Abfallstoffe gebildet. In Abhängigkeit von der Art des Abfallstoffes umfassen diese Gase Kohlenwasserstoffe und können auch komplexe Bestandteile wie Furane, Dioxine und polychlorierte Biphenyle (PCBs) enthalten. Weiterhin liegt häufig Kohlenstoff in Form von Ruß in den Gasen suspendiert vor. Ein unvollständiger Abbau und eine unvollständige Verbrennung bewirkt eine Anwesenheit von HCl, HF und Verbindungen wie Furanen, Dioxinen und PCBs, wodurch die Produktgase unvermeidlich hochtoxisch werden.
Die Produktgase werden einer weiteren Oxidation in einem Nachbrenner mit heißer Kammer unterworfen, indem weitere Luft in diese Kammer zugeführt wird, um die Verbrennung von CO, H₂, Kohlenwasserstoffen und Kohlenstoff zu vervollständigen und H₂O und CO₂ zu erzeugen. In dem Nachbrenner kann weiterer Brennstoff benötigt werden, aber da die Reaktionen im Nachbrenner im Wesentlichen Gas-Gas-Reaktionen wie C + O₂ = CO₂ (1) 2CO + O₂ = 2CO₂ (2) 2C_nH_m + 2(n + ¼m)O₂ = 2nCO₂ + mH₂O (3)darstellen, sind die Reaktionen relativ langsam und für den Nachbrenner wird ein großes Kammervolumen benötigt. Trotz der Verwendung eines Nachbrenners sind jedoch die Bedingungen in dem Veraschungsofen und dem Nachbrenner derart, dass toxische Verbindungen, einschließlich Furane, Dioxine und PCBs gebildet werden können und/oder nicht zerstört werden.
Bei den bestehenden Verfahren werden die Produktgase nach dem Austritt aus dem Nachbrenner in einem geeigneten Reaktor gekühlt. Sie können daher in einem mit Abwärme betriebenen Boiler oder einem Wärmetauscher, welcher auf Strahlung oder Konvektion beruht, oder mit einem externen wassergekühlten System gekühlt werden. Die Kühlung erfolgt langsam und es können Rückreaktionen auftreten, die die Bildung von toxischen Verbindungen wie Furanen und Dioxinen einschließen. Diese Rückreaktionen werden durch die katalytische Wirkung der Oberflächen, die die Gase während des Kühlens kontaktieren, verstärkt. Vor und während des Kühlens befinden sich die Gase für erhebliche Zeitspannen in einem für die Erzeugung dieser toxischen Verbindungen optimalen Temperaturbereich.
Aus den Produktgasen können nach dem Abkühlen die Feststoffe abfiltriert werden und in einem geeigneten Reaktor mit einem geeigneten Medium gewaschen werden, um toxische Gasbestandteile, einschließlich HCl, HF, SO₂ und H₂S, zu entfernen. Diese Entfernung gelingt jedoch nicht zu 100% und einige dieser Bestandteile sowie toxische Verbindungen, wie Furane, Dioxine und PCBs sowie andere toxische oder schädliche Verbrennungs-Gasprodukte wie NO_x treten mit den Abgasen in die Umwelt aus.
Die Auswirkungen von Verbrennungsöfen auf die Umwelt werden überwacht und es wurden Grenzwerte sowohl für die austretenden gasförmigen Produkte als auch für die festen Abfallprodukte festgesetzt. Zusätzlich zu den vorstehend erwähnten Schwierigkeiten mit den Abgasen enthalten auch die festen Produkte toxische oder schädliche Bestandteile. Wie vorstehend erwähnt, enthält die feste Asche oxidierte Metalle. In der Asche ist immer ein gewisser Anteil toxischer Schwermetalloxide, wie As₂O₃, PbO, ZnO und Sb₂O₃, enthalten. Weiterhin weist die Asche von Natur aus eine sehr hohe Oberfläche auf und daher können bei Kontakt mit Wasser, wie er beispielsweise bei der Verwendung als Bodenauffüllung und bei Kontakt mit Regen- oder Grundwasser vorkommt, die toxischen Schwermetalle leicht ausgelaugt werden und in die Umwelt gelangen.
Zusätzlich zu den oben geschilderten Nachteilen verursachen die bestehenden Verfahren auch hohe Kapitalkosten. Während die benötigte Ausrüstung relativ einfach ist, muss sie notwendigerweise groß sein, um in der Praxis einen ausreichenden Durchsatz zu erzielen, und da ein Nachbrenner installiert werden muss, erhöhen sich die Kosten noch weiter.
Ein Vorschlag für den Abbau toxischer Chemikalien ist in der US-Patentschrift 4,574,714 offenbart. Danach werden toxische Chemikalien wie PCBs und andere organische Abfälle zusammen mit Sauerstoff in ein Bad geschmolzener Metalle und ausgewählter Oxide eingeleitet, dessen Viskosität 10 Centipoise nicht übersteigt. Die Abfälle, die bei der Einleitung nicht mehr als 30% anorganische Abfälle enthalten dürfen, werden durch eine von den Metallen des Bades katalysierte Pyrolyse und Oxidation der entstehenden Molekülfragmente in einer durchschnittlichen Verweilzeit in der Größenordnung von eins bis drei Sekunden zerstört. Das Verfahren ist im Wesentlichen auf flüssig einleitbare Abfälle beschränkt und es ist sinnvoll, die Einleitung an mehreren Stellen durchzuführen, damit das an jeder Stelle injizierte Volumen begrenzt wird.
Die vorliegende Erfindung stellt ein verbessertes Verfahren für die Beseitigung städtischer und industrieller Abfälle bereit. Der Abfall kann aus städtischen Abfällen bestehen, die organische und/oder anorganische Stoffe enthalten, einschließlich Hausmüll und Krankenhausmüll, oder diese enthalten. Weiterhin kann der Abfall aus einem weiten Bereich von Industriemüll bestehen oder diesen enthalten, einschließlich Bestandteilen verschiedener Metalle wie Al, Cd, Cr, Cu, Fe, Mn, Pb und Zn, sowie Metallabfälle, -körper und -pulver sowie metallhaltige Pasten und Schlämme. Der Industrieabfall kann auch organische Materialien enthalten, wie polychlorierte Biphenyle, Herbizide, Pestizide und dergleichen, sowie Materialien wie Altöl, Tinten, Farben, Lösungsmittel, Harze und Lacke. Die Abfälle können zusätzlich feste Abfallasche enthalten, wie sie bei den bestehenden Verfahren anfällt, sowie Asche aus städtischen Müllverbrennungsanlagen und Verbrennungsanlagen für toxische Stoffe, und mit der vorliegenden Erfindung können auch solche Abfälle in eine umweltgerechtere Form überführt werden. Weiterhin ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren die Beseitigung von Abfall, der Sondermaterialien enthält, einschließlich auf Kautschuk basierende Abfallstoffe wie Kraftfahrzeugreifen, und auf Kunststoffen basierende Abfallstoffe wie Fahrzeugbatteriekästen.
Bei auf Kautschuk oder Kunststoffen basierenden Materialien stellt die Erfindung einen besonderen Vorteil bereit. Wie die anderen angegebenen Abfälle enthalten Materialien auf Kautschuk- oder Kunststoffbasis im Wesentlichen Kohlenwasserstoffzusammensetzungen mit einem hohen Gehalt an chemisch gebundenem Kohlenstoff. Sie enthalten jedoch häufig auch einen hohen Anteil an teilchenförmigen Füllstoffen, beispielsweise freien Kohlenstoff, wie Ruß, anstelle chemisch gebundenem Kohlenstoff, und/oder Holzmehl, Ton, Talk, Glimmer, Metallpulver oder inerte anorganische Materialien, wie Carbonate und Oxide. Freier Kohlenstoff erhöht den Heizwert des Abfalls. Mit dem Verfahren werden auch andere Füllstoff umfasst und leicht verbrannt/oxidiert.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Beseitigung von Abfallstoffen bereit, die im Wesentlichen Kohlenwasserstoff-Zusammensetzungen enthalten, und die einen beträchtlichen Anteil an chemisch gebundenem Kohlenstoff aufweisen, wobei [das Verfahren] umfasst: Einbringen des Abfalls in einen Reaktor eines Reaktorsystems mit einer von oben eintauchenden Einleitlanze, wobei der Reaktor ein Schmelzbad enthält, das im Wesentlichen aus einer geschmolzenen, auf Siliciumdioxid basierenden Schlacke besteht, die in Lösung zumindest ein weiteres Oxid enthält; und Erhalten des Schmelzbades während des Einbringens des Abfalls in einem Wirbelzustand dadurch, dass ein Gas, das freien Sauerstoff enthält, unter Verwendung zumindest einer von oben eintauchenden Lanze des Systems so eingeleitet wird, dass der Abfall in das Schmelzbad hineingezogen und darin in einem Verbrennungs-/Oxidations-Bereich in Umlauf gebracht wird, der im Schmelzbad durch die von oben eintauchende Einleitung erzeugt wird, wobei Bestandteile des Abfalls dem freien Sauerstoff des eingeleiteten Gases sowie der Wärmeenergie der Schlacke ausgesetzt und dadurch im Wesentlichen zumindest durch Verbrennung oder Oxidation zerstört werden.
Wie erläutert, wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Reaktorsystem mit einer von oben eintauchenden Einleitlanze verwendet. Ein System diesen Typs wird auch bei unserem früheren Verfahren verwendet, das in der internationalen Patentanmeldung WO-A-91/02824 beschrieben wird. Unser früheres Verfahren bezieht sich auf das Schmelzen metallurgischer Abfallstoffe, die Eisenverbindungen und toxische Elemente wie Arsen, Antimon und Wismut enthalten. Bei diesem pyrometallurgischen Verfahren werden in einem Bad, das aus einer Schmelze des Abfalls besteht, stark reduzierende Bedingungen erzeugt, wobei in der Schmelze eine Verbrennungszone gebildet wird, indem von oben ein Brennstoff und Sauerstoff enthaltendes Gas in die Schmelze eingeleitet wird. Durch die stark reduzierenden Bedingungen werden Schwermetalle wie Blei und Zink verdampft und es entstehen Stein und Speise, welche die toxischen Elemente enthalten. Durch die Einleitung in die Schmelze wird eine Zirkulation des Steins und der Speise in die Verbrennungszone erreicht, wo der Stein und die Speise oxidiert und die toxischen Elemente verdampft werden. Die Schwermetalle und die toxischen Elemente können daher aus den Reaktorabgasen gewonnen werden, entweder als flüchtiger Metalldampf oder als Oxidrauch, der aus dem Metalldampf gebildet wird.
Liegt bei der vorliegenden Erfindung der Abfall in fein verteilter Form vor, kann er durch die Lanze, durch welche von oben das freien Sauerstoff enthaltende Gas unter die Oberfläche der Schmelze eingeleitet wird, in das Schmelzbad im oder neben dem Verbrennungs-/Oxidations-Bereich eingeleitet werden. Der Abfall kann in diesem Gas enthalten sein. Alternativ kann der Abfall gegebenenfalls durch einen weiteren Kanal der Lanze, der zusätzlich zum Sauerstoff bereitstellenden Kanal vorgesehen ist, bereitgestellt werden, wobei der Abfall in einem inerten Trägergas, wie Stickstoff, aufgenommen sein kann. In einer weiteren alternativen Ausführungsform kann der Abfall durch eine weitere Lanze des Systems, beispielsweise mit einem inerten Aufnahmegas, in oder neben dem Verbrennungs-/Oxidations-Bereich oder an einem von dieser Stelle beanstandeten Bereich eingebracht werden.
Liegt der Abfall in Form von Klumpen vor oder in Form von Teilchen, die zu grob sind, als dass sie durch eine Lanze eingeleitet werden können, kann der Abfall durch eine Speiseöff nung dem Schlackenbad zugeführt werden. Insbesondere bevorzugt weist der Reaktor eine gasdichte Zuführkammer auf, durch die der Abfall der Speiseöffnung zugeführt wird. In einer alternativen Ausführungsform weist der Reaktor ein Abfallzufuhrsystem auf, mit welchem der Abfall durch eine Zuführöffnung, die in einer Seitenwand des Reaktors eingebaut ist, direkt dem Schlackenbad zugeführt werden kann.
Zumindest während der Verbrennung von Abfall in dem Reaktor wird die Schlacke bei einer Temperatur von etwa 1.100°C bis etwa 1.800°C, vorzugsweise von 1.100°C bis 1.400°C gehalten. Falls der Heizwert des Abfalls dazu nicht ausreicht, wird dem Schlackenbad ein geeigneter Brennstoff zugeführt, um die Temperatur innerhalb dieses Bereiches zu halten. Geeignete Brennstoffe umfassen Erdgas, Heizöl und Kohle. Im Fall von Erdgas, Heizöl oder teilchenförmiger Kohle kann der Brennstoff durch die von oben eintauchende Lanze, mit welcher das Sauerstoff enthaltende Gas eingeleitet wird, oder durch eine andere von oben eintauchende Einleitlanze in das Schlackenbad eingeleitet werden. Im Fall von Kohle oder Heizöl kann der Brennstoff alternativ über eine Zuführöffnung oder einen Siphon des Reaktors, wie die Öffnung, die für die Zufuhr des Abfalls verwendet wird, zugesetzt werden. Im letzteren Fall kann die Kohle in Form von Klumpen oder Teilchen vorliegen, und, falls erforderlich, kann die Kohle oder das Heizöl mit dem Abfall vermischt und mit diesem eingeleitet werden.
Wenn der Heizwert des Abfalls höher ist, als für eine Temperatur des Schlackenbades von 1.100°C bis 1.800°C erforderlich, kann diese Temperatur durch eine geeignete Kontrolle der relativen Zufuhrraten von Abfall und Brennstoff in den Reaktor, die Rate der Einleitung des freien Sauerstoff enthaltenden Gases in die Schlacke und/oder durch geeignetes Vermindern des Gehalts an freiem Sauerstoff in dem Gas aufrecht erhalten werden. Es wird jedoch bevorzugt, die Zufuhr von Abfall und Brennstoff so zu regulieren, dass ein optimaler Umsatz des Abfalls erreicht wird, wobei das den freien Sauerstoff enthaltende Gas mit einer Rate eingeleitet wird, die mindestens ein stöchiometrisches Äquivalent an freiem Sauerstoff über dem Heizwert des Abfalls bereitstellt, d. h. also nach Abzug des für die Verbrennung des Brennstoffes benötigten Sauerstoffs. Im letzteren Fall kann es daher notwendig werden, Wärme aus dem Schlackenbad abzuleiten oder zu absorbieren, um dessen Temperatur im benötigten Bereich zu halten. Die Wärme kann durch einen wassergekühlten oder dampfgekühlten Wärmeaustauscher abgeleitet werden, der im Reaktor angebracht ist und durch den aus einer externen Quelle Kühlwasser oder -dampf geleitet wird. Der Wärmeaustauscher kann vorzugsweise bei Bedarf angehoben oder abgesenkt werden. Die Wärme kann auch abgeleitet werden, indem Kühlwasser direkt auf ein äußeres peripheres Stahlgehäuse des Reaktors aufgesprüht oder direkt in den Reaktor eingesprüht wird. Zusätzlich oder alternativ kann die Wärme im Schlackenbad absorbiert werden, indem dem Schlackenbad energiearme Zuschläge zugeführt werden, wie schlackenbildende Fließmittel, oder rückgeführte Schlacke, die aus dem Reaktor entnommen und granuliert wurde. Gleichermaßen kann im Reaktor Wärme absorbiert werden, indem mit dem Abfall Wasser zugeführt wird, wobei das Wasser zugesetzt werden kann oder im geeignetem Abfall enthalten sein kann, wie in Pasten und Schlämmen, die mit anderem festen Abfall zugesetzt werden.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren vollzieht sich die Verbrennung/Oxidation des Abfalls hauptsächlich in einem oberen Bereich des Schlackenbades. Die hauptsächlich ablaufenden Reaktionen sind die Reaktionen (1) bis (3), die oben unter Bezug auf bekannte Verfahren beschriebenen wurden. Beim erfindungsgemäßen Verfahren laufen die Reaktionen im Gegensatz zu den bekannten Verfahren effizienter und vollständiger ab. Es können jedoch unvollständig verbrannte Gase und Kohlenwasserstoffe, die bei diesen Reaktionen aus der Zersetzung von Bestandteilen des Abfalls entstehen, aus dem Schlackenbad austreten. Falls dies der Fall ist, wird bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Nachbrenner oder eine Nachverbrennung brennbarer entstandener Gase in einem Reaktorraum oberhalb des Schlackenbades verwendet, um innerhalb des Reaktors eine im Wesentlichen vollständige Oxidation dieser Gase zu erreichen. Die beteiligten Reaktionen umfassen, wobei höhere Kohlenwasserstoffe aus Gründen der Anschaulichkeit als Methan wiedergegeben sind: 2CO + O₂ = 2CO₂ 2H₂ + O₂ = 2H₂O CH₄ + 2O₂ = CO₂ + 2H₂O
Somit vollziehen sich alle Reaktionen im Reaktor und die aus dem Reaktor austretenden Gase sind im Wesentlichen vollständig zu harmlosen Stoffen wie H₂O und CO₂ umgesetzt. Die Bedingungen sind derart, dass im Wesentlichen keine komplexen Moleküle, wie Furane, Dioxine und PCBs, in den Gasen verbleiben.
Der für eine Nachverbrennung benötigte freie Sauerstoff kann durch das Gas bereitgestellt werden, das von oben injiziert wird, das zusätzlich zu dem Sauerstoffbedarf für die Verbrennung/Oxidation des Abfalls und des Brennstoffes, wenn dieses Gas innerhalb der Schlackenschicht verbleibt, einen stöchiometrischen Überschuss an freiem Sauerstoff aufweist. In diesem Fall kann im Schlackenbad eine geringe Nachverbrennung auftreten, wobei jedoch ein Teil des überschüssigen Sauerstoffs aus dem Bad freigesetzt wird, und die Nachverbrennung über dem Schlackenbad vervollständigt wird. Um jedoch die Vermischung der Gase über dem Schlackenbad zu maximieren und dadurch auch den Einfluss des freien Sauerstoffes auf unvollständig verbrannte Gase und Kohlenwasserstoffe, wird der Sauerstoff für die Nachverbrennung bevorzugt dem Reaktorraum oberhalb des Bad zuge führt. Die Zufuhr freien Sauerstoffs oberhalb des Bades kann unter Verwendung einer separaten Lanze oder Einleitung erfolgen, die den Sauerstoff direkt in den Reaktorraum einleitet. Der Sauerstoff wird diesem Raum jedoch vorzugsweise mittels einer Lanze zugeführt, wie sie in der PCT-Anmeldung WO 91/05214 (PCT/AU90/00466) offenbart ist, die der US-Patentschrift 5,251,879 (Floyd) und der australischen Patentschrift 640955 entspricht.
Die in der WO 91/05214 offenbarte Lanze ermöglicht eine Einleitung eines freien Sauerstoff enthaltenden Gases von oben unter die Oberfläche des Schlackenbades über ein erstes langgestrecktes Rohr, das innerhalb eines langgestreckten Hüllrohres verläuft. Das Hüllrohr definiert einen Fließraum um und entlang des ersten Rohres, und endet oberhalb der unteren Austrittsöffnung des ersten Rohres. Ist die Austrittsöffnung des ersten Rohres, durch welche von oben das freien Sauerstoff enthaltende Gas in das Bad eingeleitet werden soll, in das Schlackenbad eingeführt, befindet sich das untere Ende des Hüllrohres und das dadurch definierte untere Ende des Fließraumes oberhalb der Oberfläche des Schlackenbades. Sauerstoff bzw. das freien Sauerstoff enthaltende Gas wird am oberen Ende der Lanze in den Fließraum eingeleitet, fließt entlang des Fließraumes und tritt oberhalb des Bades aus dem offenen unteren Ende des Fließraumes in den Reaktorraum aus. Zusätzlich zur Bereitstellung freien Sauerstoffes für die Nachverbrennung bewirkt der Gasfluss durch den Fließraum vorteilhaft eine Kühlung der Lanze.
Die Lanze sollte so ausgebildet sein, dass zumindest das Hauptrohr durch Wasser gekühlt werden kann, d. h. das im vorstehenden Absatz zuerst erwähnte Rohr, durch welches freien Sauerstoff enthaltendes Gas von oben unter die Oberfläche der Schmelze eingeleitet wird. Die Lanze kann dazu nach der US-Patentschrift 5,308,043 (Floyd et al.) ausgebildet sein, insbesondere da die in dieser Patentschrift offenbarte Lanze auch mit einem Hüllrohr gemäß der Offenbarung der WO 91/05214 ausgestattet werden kann. Die Verwendung einer wassergekühlten Lanze hat den Vorteil, dass die Lanze besser gegen die korrodierende Wirkung der geschmolzenen Schlacke und gegen thermische Zersetzung geschützt wird, so dass die Einleitung von reinem Sauerstoff oder von Luft, die mit einem hohen Anteil an Sauerstoff angereichert ist, von oben unter die Oberfläche der Schmelze sowie die Verwendung hoher Badtemperaturen von bis zu 1.800°C erleichtert wird.
Sowohl die WO 91/05214 als auch die US-Patentschrift 5,308,043 sind auf den Anmelder der vorliegenden Anmeldung übertragen und die Offenbarung beider Schriften wird hier durch Bezug aufgenommen.
Die Nachverbrennung, auch wenn sie nur in dem Reaktorraum oberhalb des Schlackenbades erfolgt, bewirkt eine Übertragung von Wärmeenergie in das Bad. Um die nötige Reaktionstemperatur von 1.100°C bis 1.800°C in dem Schlackenbad aufrecht zu erhalten, muss dies berücksichtigt werden. Die Nachverbrennung hat jedoch nicht nur den Vorteil, eine vollständige Verbrennung/Oxidation der entstehenden Gase sicherzustellen, sondern ermöglicht auch die Minimierung des Brennstoffverbrauchs durch die Übertragung von Wärmeenergie in das Schlackenbad.
Die Injektion des freien Sauerstoff enthaltenden Gases in das Schmelzbad hält die Schlacke in einem turbulenten Zustand. Die Turbulenzen sollen so stark sein, dass ein ausgeprägtes Spritzen der Schlacke im unteren Reaktorraum oberhalb des Bades bewirkt wird. Dieses Spritzen wird vorzugsweise bereits initiiert, bevor die von oben eintauchende Lanze in die erforderliche Position zur Einleitung in das Bad abgesenkt wird, so dass der untere Bereich der Lanze mit der verspritzten Schlacke überzogen wird. Der Schlackenüberzug wird durch den Kühleffekt des durch die Lanze zugeführten, freien Sauerstoff enthal tenden Gases verfestigt und so ein fester Schlackenüberzug erhalten, der die Lanze gegen die korrodierende Wirkung der Schlacke und gegen thermische Zerstörung schützt. Das Spritzen maximiert auch den Flüssigkeits-Gas-Kontakt zwischen der Schlacke und den Gasen im Reaktorraum oberhalb des Bades und daher auch die erforderliche Vervollständigung der Verbrennungs-/Oxidationsreaktionen. Die Nachverbrennung findet vorzugsweise im unteren Bereich des Reaktorraumes statt, in dem die Schlacke zum Spritzen gebracht wird. Die Turbulenzen bewirken auch, dass der dem Reaktor zugeführte frische Abfall in das Schlackenbad gezogen wird, und dieser durch die Zirkulation zum Verbrennungsbereich transportiert wird, welcher durch die Injektion des freien Sauerstoff enthaltenden Gases, das über die Lanze zugeführt wird, von oben in die Schmelze bewirkt wird.
Das freien Sauerstoff enthaltende Gas, das von oben durch zumindest eine Lanze in das Reaktorsystem injiziert wird, kann Luft, Sauerstoff, oder mit Sauerstoff angereicherte Luft sein. Der Sauerstoff für die Nachverbrennung kann ebenfalls Luft, Sauerstoff, oder mit Sauerstoff angereicherte Luft sein. Vorzugsweise ist das Gas Sauerstoff, da so die Bildung von NO_x vermindert wird. Falls Brennstoff benötigt wird, um den Heizwert des Abfalls zu erhöhen, kann dies, wie vorstehend ausgeführt, Erdgas, Heizöl und/oder Kohle sein. Besonders bevorzugt wird der Brennstoff durch die Lanze in das Schlackenbad injiziert oder, sofern zwei oder mehrere vorhanden sind, zumindest durch eine Lanze, mit welcher von oben das freien Sauerstoff enthaltende Gas injiziert wird. Durch eine derartige Einleitung des Brennstoffes kann dieser an der von der oder den Lanze(n) erzeugten Verbrennungszone konzentriert werden, wobei durch die in der Schlacke erzeugte Turbulenz der Abfall zu dieser Zone zirkuliert.
Die im Bad vorhandene Schlacke basiert auf Siliciumdioxid und enthält in Lösung mindestens ein weiteres Oxid, wie Calciumoxid, Magnesiumoxid, Aluminiumoxid, Natriumoxid, Kaliumoxid, Eisenoxid und Manganoxid. Das Fließvermögen der Schlacke kann durch die Kontrolle ihrer Zusammensetzung und dadurch ihres Schmelzpunktes in Bezug auf die erforderliche Schlackentemperatur von 1.100°C bis 1.800°C in einem geeigneten Bereich gehalten werden, um die Erzeugung von Turbulenzen und das Spritzen zu erleichtern.
Bei der erfindungsgemäßen Verbrennung/Oxidation von Abfall spiegeln sich die im Abfall enthaltenen Metalle, je nach Metall, in den Reaktorgasen oder in der Schlacke wieder. Flüchtige Metalle und/oder Oxide, wie Pb, Sb, As und Cd und/oder ihre Oxide sind im Wesentlichen vollständig verflüchtigt und befinden sich in den Gasen, wobei auch ein Teil des Zn oder dessen Oxids verdampft sein kann. Sofern diese Metalle in elementarer Form verdampft wurden, werden sie in der Gasphase durch die Nachverbrennung oxidiert. Nichtflüchtige Metalle und ihre Oxide, wie Fe und Al und das restliche Zn, verbleiben im Allgemeinen im Schlackenbad als oxidische Materialien. Gleichfalls werden alle ursprünglich als Glas im Abfall vorhandenen Metalle geschmolzen und im Schlackenbad aufgenommen, wobei die Oxide der Metalle in Abhängigkeit von dem betreffenden Metall entweder im Bad verbleiben oder verdampfen.
Materialien im Abfall, welche gebundenen Kohlenstoff enthalten, wie Cellulose, Lignocellulose, andere pflanzliche oder tierische Stoffe enthaltender Abfall, Kunststoffe oder andere kohlenwasserstoffhaltige Materialien, können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ebenfalls verarbeitet werden. In Abhängigkeit von der Art können diese Abfallarten leicht verbrannt/oxidiert und/oder Zersetzungsreaktionen oder thermischem Cracken unterworfen werden. Dieser Abfall verbleibt im Schlackenbad, bis er zu CO, CO₂, H₂, H₂O und kurzkettigen Kohlenwas serstoffgasprodukten oder zu Kohlenruß abgebaut ist, die aus dem Bad ausgasen können.
Die entstandenen Gase, wie CO, H₂ und kurzkettige Kohlenwasserstoffe, sowie jeglicher Ruß, wird anschließend durch die Nachverbrennung durch Sauerstoff verbrannt bzw. oxidiert, wobei im Wesentlichen CO₂ und H₂ entstehen. Falls jedoch Halogenide im Abfall enthalten sind, können diese typischerweise als Halogenwasserstoffdampf in den Gasen nachgewiesen werden.
Das Verfahren kann chargenweise durchgeführt werden, oder es kann auf einer kontinuierlichen oder halbkontinuierlichen Basis durchgeführt werden. Bei einer Beladung in Chargen können aufeinanderfolgende Abfallchargen behandelt werden, wobei sich das Volumen des Schlackenbades erhöht, bis ein Ablassen erforderlich ist, um das Volumen auf den Ursprungswert zurückzuführen. Bei einer kontinuierlichen Behandlung wird Abfall kontinuierlich in den Reaktor gegeben und kontinuierlich Schlacke abgeführt. Bei einer halbkontinuierlichen Behandlung kann Abfall kontinuierlich zugegeben werden, während die Schlacke je nach Anforderung in Zeitabständen abgeführt wird. Die abgeführte Schlacke kann granuliert und/oder weiterverarbeitet werden, beispielsweise zur Verwendung als Baumaterial, oder für Maschinenbauzwecke wie Sandstrahlen. Alternativ kann die Schlacke granuliert und als Bodenauffüllung verwendet werden, oder, wie vorstehend erwähnt, kann zumindest ein Teil der Schlacke in den Reaktor zurückgeführt werden, um als energiearmer Zufuhrstoff die Temperatur des Schlackenbades einzustellen. Die Schlacke stellt eine glasartige Phase dar, die im Wesentlichen nichtporös ist, wobei die Oxide in Lösung vorliegen, wodurch ihre Aktivität erniedrigt ist. Die Schlacke kann zur Bodenauffüllung oder für Baumaterialien verwendet werden, da sie im Wesentlich gegenüber Verwittern und Auslaugprozessen inert ist.
Der Reaktor ist bis auf ein abdichtbares oder als Siphon ausgebildetes Zufuhrrohr, ein verschließbares Ablassrohr zum Ablassen von Schlacke und einen Ablass-Schornstein zum Ableiten von Gasen aus dem Reaktorraum oberhalb des Schlackenbades gegen einen Austritt von Material verschlossen. Über den Schornstein abgelassene Gase werden einem Schnellkühlverfahren unterzogen. Dadurch wird das Risiko einer Rückbildung schädlicher Molekülarten wie Furane oder Dioxine vermieden, obgleich eine solche Rückbildung unwahrscheinlich ist. Durch das schnelle Abkühlen wird sichergestellt, dass keine ausreichende Zeit für die beteiligten komplexen Reaktionen zur Verfügung steht, und dass die Gase im Wesentlichen frei von diesen Molekülen sind.
Ein schnelles Kühlen der heißen Gase kann auf jede geeignete Art erfolgen, wobei jedoch vorzugsweise deren Temperatur in der kürzestmöglichen Zeit auf unter etwa 300°C, beispielsweise auf zwischen 150°C und 300°C, reduziert wird. Ein geeignetes Verfahren zum Abkühlen der heißen Gase ist das Durchleiten der Gase durch einen feinen Wassernebel, wobei durch Verdampfung ein schnelles Abkühlen erreicht wird, wobei vorteilhaft wasserlösliche Bestandteile wie HF und HCl in Lösung gehen. Alternativ können die Gase durch ein Teilchenbett aus einem geeigneten Material, wie Sand oder granulierte Schlacke, geleitet werden, welches ein Wärmeaustauschermedium eines Fließbett-Dampferzeugersystems bildet, wobei das Teilchenmaterial des Bettes zunächst einem Wärmeaustauscher zugeführt wird, um dort abgekühlt zu werden, und dann zurückgeführt zu werden, um erneut heißen Gasen ausgesetzt zu werden. Diese Möglichkeiten zur Kühlung durch Abschrecken dienen alle dazu, die Gase schnell abzukühlen, auf beispielsweise unterhalb etwa 300°C, um weitere Reaktionen zwischen den Bestandteilen der Gase wirksam zu unterdrücken.
Nach dem Abkühlen können die Gase gefiltert werden, beispielsweise in einem elektrostatischen Abscheider oder einem Filtergehäuse, um Rauchteilchen zu entfernen. Der Rauch enthält im Wesentlichen Schwermetalloxide, wie PbO, ZnO und gegebenenfalls As₂O₃ und Sb₂O₃, sowie jeglichen Kohlenstoffruß. Der gefilterte Rauch kann mit herkömmlichen Verfahren behandelt werden, um die Schwermetalle wiederzugewinnen.
Nach der Filtration kann das Gas einer Gaswäsche unterzogen werden, um Säuren wie HF, HCl, SO₂ und SO₃ unter Verwendung herkömmlicher Verfahren zu entfernen. Das entstehende Gas, das im Wesentlichen CO₂ enthält, da jegliches H₂O während der Gaswäsche kondensiert wurde, kann anschließend sicher abgelassen werden, da es im Wesentlichen frei von schädlichen und toxischen Verbindungen ist. In Bezug auf letzteres kann die Bildung von NO_x minimiert werden, indem Sauerstoff als das von oben injizierte Gas und als Nachverbrennungsgas verwendet wird. Außerdem kann jegliches NO_x, das sich trotzdem oder aufgrund einer Verwendung von Luft bzw. von mit Sauerstoff angereicherter Luft anstelle von Sauerstoff gebildet hat, bei der Gaswäsche im Wesentlichen entfernt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren bietet gegenüber den bestehenden Verfahren eine Anzahl von Vorteilen. Für ein gegebenes zu entsorgendes Abfallvolumen ist das Reaktorsystem mit der von oben eintauchenden Injektionslanze im Verhältnis zu den für bestehende Verfahren verwendeten Systemen kompakt, wobei jedoch seine Kapital- und Betriebskosten geringer sind. Statt wie bei den bestehenden Verfahren nur einen Aschenrückstand zu erzeugen, entsteht beim erfindungsgemäßen Verfahren ein Schlackenprodukt, das, da es in glasartiger Phase vorliegt, im Wesentlichen die gesamte erzeuge Asche einschließt und alle Schwermetalle, die nicht verdampfen können, in fester Lösung zurückbehält.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können die meisten Schwermetalle als Rauch entfernt werden. Der Rauch ist ausreichend mit diesen Metallen angereichert, so dass er in Metallwiedergewinnungsverfahren verarbeitet werden kann. Im Gegensatz dazu entsteht bei den bestehenden Verfahren weit weniger Rauch aus den Schwermetallen und ein erheblicher Anteil dieser Metalle ist nur schwach in dem schwierig zu verarbeitendem Aschenrückstand gebunden.
Die beim erfindungsgemäßen Verfahren erzeugten gasförmigen Produkte weisen nur einen sehr geringen Gehalt an toxischen Verbindungen wie Furanen, Dioxinen und PCBs auf, meist sind sie im Wesentlichen frei davon. Im Gegensatz zu bestehenden Verfahren kann dies durch eine positive Kontrolle erreicht werden und ist das Ergebnis der effizienten Verbrennung/Oxidation durch die Injektion von oben in den Reaktor sowie die Nachverbrennung im Reaktor. Die durch das Ablassrohr abgezogenen Gase enthalten zwar Schwermetalle und Halogenwasserstoffe, diese können jedoch leicht und mit einem hohen Wirkungsgrad entfernt werden, wodurch ein Restgas freigesetzt werden kann, das im Wesentlichen frei von toxischen und schädlichen Bestandteilen ist. Wie oben erläutert, kann der Gehalt an NO_x durch die Verwendung von Sauerstoff minimiert werden, wobei in den Gasen enthaltene und über das Ablassrohr abgezogene NO_x-Verbindungen, die trotz der Verwendung von Sauerstoff oder aufgrund der Verwendung von Luft oder von mit Sauerstoff angereichter Luft entstehen, leicht entfernt werden können.
Die Erfindung kann zwar auf Abfall angewendet werden, der keinen freien Kohlenstoff enthält, sie kann jedoch ebenso auf Abfall angewendet werden, der freien Kohlenstoff enthält, wie oben am Beispiel von Kraftfahrzeugreifen und mit Kohlenruß als Füllstoff erzeugten Kunststoffe erläutert wurde. Wenn freier Kohlenstoff anwesend ist, ist der Heizwert des Abfalls erhöht, und dies reduziert die Notwendigkeit einer Verwendung von Kohle, Heizöl oder Erdgas als Brennstoff. Weiterhin können, wie vorstehend erläutert, mit dem Verfahren teilchenförmige Fasern verarbeitet werden, die in Kautschuk- und Kunststoffmaterialien enthalten sind. Diese Füllstoffe können leicht verbrannt/oxidiert oder, in Abhängigkeit von ihren Zusammensetzungen, einfach im Schlackenbad gelöst werden. Bei der Verbrennung/Oxidation können die Metalle aus den Füllstoffen in den entstehenden Gasen oder in der Schlacke nachgewiesen werden, in Abhängigkeit von den betreffenden Materialien, während andere Bestandteile, wie CO₂ im Falle von Carbonaten, in den heißen Gasen nachgewiesen werden können. Tatsächlich ist bei Kunststoffabfall, der Fahrzeugbatterie-Gehäuse umfasst, das erfindungsgemäße Verfahren in der Lage, vollständige, verbrauchte Fahrzeugbatterien zu verarbeiten, da der Inhalt der Batterien wie anderer Abfall verbrannt/oxidiert werden kann.
Die Erfindung kann gegebenenfalls auch zur Wiedergewinnung der Müllverbrennungsenergie verwendet werden. Ein wesentlicher Teil der Müllverbrennungsenergie kann durch das Kühlen der von dem Reaktor über das Ablassrohr abgezogenen erzeugten heißen Gase wiedergewonnen werden. Die wiedergewonnene Müllverbrennungsenergie kann, falls erforderlich, dazu verwendet werden, Abfall und/oder Gas, das von oben in die Schmelze injiziert wird oder das für die Nachverbrennung genutzt wird, vorzuheizen. Dies kann vorteilhaft sein, wenn beispielsweise der Abfall einen relativ niedrigen Heizwert aufweist, und minimiert den Anteil an Brennstoff, der erforderlich ist, um die benötigte Temperatur im Schlackenbad aufrecht zu erhalten. Insbesondere bei Abfall mit einem hohen Heizwert kann gleichfalls die Müllverbrennungsenergie mit einem Wärmetauscher wiedergewonnen und so verhindert werden, dass die Temperatur des Schlackenbades die benötigte Temperatur übersteigt.
Ein weiterer wichtiger Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens beruht auf der Herstellung einer Schlacke, in der jegliche toxische und schädliche Bestandteile sicher eingeschlossen sind. In Bezug auf den behandelten Abfall und auch in Bezug auf den mit den bestehenden Verfahren erhaltenen Ascherückstand kann das Schlackenvolumen verringert werden. Ein deutlicher Vorteil beruht also auf der mit dem Verfahren erzielbaren Volumenverminderung.
Zur weiteren Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird Bezug auf die beigefügten Zeichnungen genommen, wobei:
1 eine erste Ausführungsform eines Reaktorsystems zeigt, welches eine von oben geführte Injektionslanze umfasst und das sich zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eignet; und
2 eine zweite Ausführungsform eines derartigen Reaktorsystems zeigt.
1 zeigt ein Reaktorsystem 10 mit einem Reaktor 12, einer von oben geführten Injektionslanze 14 und einem Abgaskühlsystem 16. Der Reaktor 12 umfasst einen feuerfest ausgefütterten Kessel 18, der üblicherweise mit einer äußeren Stahlwand ausgestattet ist. Der Kessel 18 definiert eine Kammer 20, in welcher sich während der Durchführung des Verfahrens ein Bad 22 aus geschmolzener Schlacke befindet. Die während des Verfahrens entstehenden Gase gehen in den Luftraum oder das Volumen der Kammer 20 oberhalb des Bades 22 über, und können über den Ablassschornstein 24 abgelassen werden. Der Reaktor 12 weist ein normalerweise geschlossenes Ablassrohr 26 auf, durch welches gegebenenfalls Schlacke aus dem Bad 22 abgelassen werden kann. Der Reaktor 12 weist ferner in seiner Decke 12a ein Zufuhrrohr 28 auf, durch welches Material kontrolliert durch das Zufuhrven til 30 dem Bad 22 zugeführt werden kann. Am Zufuhrrohr 28 ist eine Gassperre (nicht dargestellt) vorgesehen, um den Austritt entstandener Gase zu verhindern.
Zusätzlich zum Rohr 28 weist der Reaktor 12 auch ein Zuführsystem auf, das einen Siphon 32 umfasst, der an einer Seite des Reaktors angebracht ist. Der Siphon 32 ist dauerhaft geöffnet, so dass die obere Schlackenoberfläche 22a des Bades 22 freiliegt. An der Stelle des Siphons 32 ist in der Hauptseitenwand 36 des Kessels 18 in der Weise eine Öffnung 34 ausgebildet, dass an der Öffnung 34 der untere Rand 36a der Wand 36 in einem Abstand oberhalb der unteren Wand 38 des Kessels 18 angeordnet ist. Über die Öffnung 34 hinweg weist der Kessel eine äußere Dämmwand 40 auf, die zu jeder Seite der Öffnung 34 mit der Wand 36 verbunden ist und sich von der unteren Wand 38 aus bis zu einer oberen Kante 40a erstreckt, die oberhalb der Kante 36a angeordnet ist.
Die Lanze 14 erstreckt sich von einer Öffnung im Dach 12a des Reaktors 12, welche mit einer Dichtung gegen den Austritt von Gasen aus der Kammer 20 abgedichtet ist, aus nach unten. Oberhalb des Reaktors 12 ist ein Trägersystem (nicht dargestellt) bereitgestellt, mit dem die Lanze 14 nach Bedarf angehoben oder abgesenkt werden kann. In der dargestellten Ausführungsform ist die Lanze 14 gemäß der US-Patentschrift 5,308,043 ausgebildet und weist ein Hauptrohrleitungssystem 42, ein Hüllrohr 44 und ein zusätzliches Kühlsystem 46 auf.
Das Hauptrohrleitungssystem 42 erstreckt sich von dem oberen Ende 14a zu einem unteren Auslassende 14b der Lanze 14. Das System 42 weist eine zentrale Rohrleitung 48 und sich von der Rohrleitung 48 nach außen erstreckend drei ringförmige Rohrleitungen 50, 51 und 52 auf. An dem Ende 14a ist die Rohrleitung 48 so ausgebildet, dass teilchenförmige Feststoffe, wie beispielsweise Brennstoff, und Führungsgase, die aus einer Quelle über die Verbindung 48a geleitet werden, aufgenommen werden können. Die Feststoffe können aus dem Ende 14b über eine am Auslassende der Rohrleitung 48 angebrachte Stauscheibe 54 abgegeben werden.
Am Ende 14b der Lanze 14 sind die Rohrleitungen 50 und 52 durch eine Lanzenspitze 56 verschlossen, die die Stauscheibe 54 umfängt und mit dieser zusammenwirkt. Die Rohrleitung 51 endet ein kurzes Stück oberhalb der Spitze 56, so dass Kühlwasser durch das System 42 zirkulieren kann. Daher kann Wasser an das Ende 14a der Lanze 14 geleitet werden, wobei es über die Verbindungsleitung 58 zwischen den Rohrleitungen 50 und 51 abwärts fließt, und anschließend über die obere Fläche der Spitze 56, um dann zwischen den Rohrleitungen 50 und 51 nach oben zu fließen und über die Verbindung 59 abgeleitet zu werden. Am Ende 14a der Lanze 14 befindet sich ferner eine Verbindungsleitung 60, mittels welcher ein freien Sauerstoff enthaltendes Gas für eine Injektion von oben in die Schmelze bereitgestellt werden kann. Von der Verbindungsleitung 60 fließt das Gas zwischen den Rohrleitungen 44 und 50 abwärts, und wird am Ende 14b durch den sich ringförmig verbreitenden Raum zwischen der Stauscheibe 54 und der Spitze 56 entladen, um einen Verbrennungs-/Oxidationsbereich 62 im Bad 22, Turbulenzen im Bad 22 und die Bildung eines Bereichs 23 oberhalb der Schlacke, in welcher die Schlacke spritzt, zu erzeugen.
Das Hüllrohr 44 erstreckt sich vom oberen Ende 14a der Lanze 14 bis zu einer Position auf halber Höhe oberhalb des Auslassendes 14b. Das Hüllrohr 44 bildet um das Rohrleitungssystem 42 einen ringförmigen Leitungsweg aus, der an seinem unteren Ende offen ist. Am oberen Ende des Rohres 44 befindet sich eine Verbindung 44a, durch die das freien Sauerstoff enthaltende Gas dem Leitungsweg zugeführt werden kann, um dann am offenen unte ren Ende des Leitungsweges in den Raum außerhalb der Lanze 14 freigesetzt zu werden.
Das Kühlsystem 46 erstreckt sich angrenzend an das Ende 14a der Lanze 14 entlang eines großen Teils der Länge des Hüllrohres 44. Das System 46 weist ein inneres Rohr 64 auf, welches an seinem oberen Ende um das Rohr 44 geschlossen ist, und ein äußeres Rohr 65, welches an seinem oberen Ende um das Rohr 64 und an seinem unteren Ende um das Rohr 44 geschlossen ist. Eine Verbindung 66 ermöglicht die Zuleitung von Kühlflüssigkeit, die zwischen den Rohren 64 und 44 abwärts fließt, und anschließend aufwärts zwischen den Rohren 64 und 65, um über eine Verbindung 67 abgeleitet zu werden.
Das Kühlsystem 16 für die Abgase umfasst einen Fließbetterhitzer, wie er von A. Ahlstrom Corporation unter dem Markennamen FLUXFLOW erhältlich ist. Das System 16 ist am Auslass des Schornsteins 24 angebracht und umfasst ein Gehäuse 68, das eine vergrößerte Kammer 70 ausbildet. Die aus dem Reaktor 12 austretenden heißen Gase strömen nach oben durch das Gehäuse 68 und halten das Bett des teilchenförmigen Wärmeaustauschermediums 72 in der Kammer 70 in fluider Form. Das Wärmeaustauschermedium nimmt Energie aus den heißen Gasen auf, während Wasser oder Dampf durch eine Kühlspirale 74 in der Kammer 70 geleitet werden, um Energie aus dem System aufzunehmen. Die abgekühlten Gase treten aus dem oberen Ende des Gehäuses 68 aus und durchströmen einen Separator (nicht dargestellt, enthält üblicherweise aber einen Zyklon). In den abgekühlten Gasen enthaltene Feststoffe werden durch den Zyklon abgetrennt und werden über Leitungen 76 zu dem fluiden Bett in der Kammer 70 zurückgeleitet oder einer weiteren Verfahrensstufe zugeführt.
Bei dem das Reaktorsystem 10 umfassenden Verfahren wird ein geschmolzenes Schlackenbad 22 bereitgestellt, indem von oben ein freien Sauerstoff enthaltendes Gas und Brennstoff durch die Lanze 14 injiziert wird. Die Schlacke wird auf eine Temperatur zwischen 1.100°C und 1.800°C eingestellt, die zur Behandlung des Abfalls und zur Erzeugung eines hohen Turbulenzspiegels in dem Bad 22 geeignet ist. Bevorzugt ist ein Spritzen der Schlacke, um einen Schlackenüberzug an zumindest dem unteren Teil des Leitungssystem 42 zu erzeugen, der durch die anschließende Verfestigung der Schlacke durch das eingeleitete Gas und das durch die Kreisläufe 50, 51 und 52 des Systems 42 zirkulierende Kühlmittel einen schützenden Schlackenüberzug auf der Lanze 14 bildet.
Wenn die Schlacke auf eine geeignete Temperatur eingestellt ist und sich in turbulentem Zustand befindet, wird dem Reaktor 12 zu behandelnder Abfall, wie städtischer und/oder industrieller Abfall, zugeführt. Der Abfall kann über das Zufuhrrohr 28 und/oder den Siphon 32 zugeführt werden.
Der über das Zufuhrrohr 28 zugeführte Abfall fällt auf das Bad 22 und wird durch die Turbulenzen in die geschmolzene Schlacke gezogen, um zu dem Verbrennungs-/Oxidationsbereich 62 unterhalb des Endes 14b der Lanze 14 zu zirkulieren. Gleichermaßen wird über den Siphon 32 zugeführter Abfall in die geschmolzene Schlacke gezogen und durch die Turbulenz im Bad zu dem Bereich 62 zirkuliert. Im Bereich 62 werden brennbare Bestandteile des Abfalls, wie Kohlenwasserstoff-Bestandteile, verbrannt, wobei gasförmige Reaktionsprodukte aus dem Bad entweichen und die Restasche von der Schlacke aufgenommen wird. Oxidierbare Bestandteile wie Metalle werden oxidiert. Oxidische Bestandteile, wie Metalloxide, entweichen ebenso wie die erzeugten Oxide als heiße Abgase oder werden von der Schlacke gelöst.
Während von oben das freien Sauerstoff enthaltende Gas in das Bad 22 injiziert wird, wird über das Leitungssystem 42 der Lanze 14 freien Sauerstoff enthaltendes Gas über das Hüllrohr 44 in den Gasraum der Kammer 20 oberhalb des Bades 22 eingelassen. Dadurch werden brennbare Gase wie H₂, CO und bei der Verbrennung/Oxidation des Abfalls entstehende Kohlenwasserstoffe nachverbrannt und die erzeugte Wärmeenergie an das Bad 22 übertragen. Außerdem wird jeder vom Bad 22 entwickelte Metalldampf oxidiert.
Durch die hohen Temperaturen bis zu 1.800°C, die im Reaktor 12 herrschen können, und die ergänzende Nachverbrennung wird eine im Wesentlichen vollständige Verbrennung/Oxidation des dem Reaktor 12 zugeführten Abfalls gewährleistet. Daher umfassen die dem Schornstein zugeleiteten heißen Gase hauptsächlich H₂O, CO₂ und Oxide in Form von Rauch und sind im Wesentlichen frei von toxischen oder schädlichen Kohlenwasserstoffen wie Furanen, Dioxinen und PCBs. Trotz der hohen Temperaturen ist die Lanze 14 jedoch weitgehend gegen die korrodierende Wirkung der Schlacke und thermische Zersetzung geschützt. Dieser Schutz wird durch den festen Schlackenüberzug erreicht, der durch den Kühleffekt der für eine von oben eintauchende Einleitung und eine Nachverbrennung bereitgestellten Gase und das durch das durch das Kreislaufsystem 42 zirkulierende Wasser sowie die durch das Kühlsystem 46 zirkulierende Kühlflüssigkeit aufrechterhalten wird.
Die durch den Schornstein 24 abgegebenen heißen Gase treten in das Abgaskühlsystem 16 ein. In der Kammer 70 des Systems 16 halten die eintretenden heißen Gase das Wärmeaustauschermedium 72 in fluidem Zustand, bevor sie am oberen Ende des Gehäuses 68 austreten. Durch die Wendel 74 wird Kühlwasser oder -dampf zirkuliert, um Wärmeenergie aus der Kammer 70 abzuziehen, wobei die heißen Gase gekühlt werden, indem sie Wärmeenergie an das fluide Medium 72 abgeben und letzteres die Wärmeenergie an die Spule 74 überträgt. Daher werden die heißen Gase in der Kammer 70 schnell gekühlt, vorzugsweise so, dass sie aus dem Gehäuse 68 mit einer Temperatur unterhalb etwa 300°C austreten.
Feststoffe und Rauch in den in das System 16 eintretenden Gasen werden im Wesentlichen von dem fluiden Medium 72 vollständig absorbiert. Insbesondere werden die Teilchen des Mediums 72 durch den Rauch beschichtet, und dampfförmige Oxide sowie jeglicher Metalldampf werden an diesen Teilchen kondensiert. Ein Teil der Teilchen kann in den Reaktor 12 zurückfallen, wobei die Beschichtung im Allgemeinen wieder verdampft. Sofern sie nicht auch verdampft werden, können die Teilchen in der Schlacke gelöst werden, so dass es notwendig sein kann, Teilchen in die Kammer 70 nachzufüllen. Einige Teilchen können auch von den gekühlten Gasen mitgerissen werden und aus dem oberen Ende des Gehäuses 68 austreten, aber diese können, falls notwendig, wiedergewonnen werden.
Die gekühlten Gase werden, wie vorstehend erwähnt, aus dem Gehäuse 68 über eine Leitung (nicht dargestellt) zu einem Separator, wie einem Zyklon, geleitet. Mitgerissene Teilchen des Mediums 72 können, falls erforderlich, über Leitungen 76 in die Kammer 70 zurückgeführt werden. Die abgekühlten Gase werden nach Entfernung enthaltener Feststoffe aus dem Separator geleitet und anschließend, wie oben erläutert, filtriert und gewaschen.
Das in 2 dargestellte Reaktorsystem entspricht in vielen Aspekten dem System 10 aus 1. Es werden daher, soweit möglich, die gleichen Bezugszeichen verwendet, und die Beschreibung begrenzt sich auf die Unterschiede.
Die Unterschiede des Systems 10 aus 2 bestehen in der Form des Schornsteins 24 und der Anordnung, mit der die heißen Gase, die in den Schornstein 24 eintreten, gekühlt werden. Wie dargestellt, weist der Schornstein 24 zunächst wie in 1 einen nach oben gerichteten Abschnitt 24a auf, der in einen abwärts gerichteten Teil 24b übergeht. In den Teil 24b ragt mindestens eine Sprühleitung 80, die einen kühlenden Was sernebel erzeugt, durch den die heißen Gase durchtreten und rasch abgekühlt werden. Der Kühleffekt des Nebels bewirkt einen ähnlichen Effekt wie das System 16 aus 1, wobei die heißen Gase schnell auf unterhalb 300°C abgekühlt werden. Durch den Nebel wird auch zumindest ein Teil des Rauches und der Oxiddämpfe niedergeschlagen, und auch zumindest ein Teil der in den heißen Gasen enthaltenen Halogenwasserstoffe gelöst.
Abgesehen von den unterschiedlichen Verfahren, mit denen die heißen Gase gekühlt werden, wird das System 10 im Wesentlichen in der gleichen Weise betrieben, wie das bei 1 beschriebene System.
Sowohl bei den Reaktoren aus 1 als auch aus 2 kann das freien Sauerstoff enthaltende Gas, das von oben durch das Leitungssystem 42 über die Lanze 14 in das Bad injiziert wird, Luft, mit Sauerstoff angereicherte Luft oder Sauerstoff sein. Vorzugsweise ist das Gas mit Sauerstoff angereicherte Luft oder Sauerstoff. Am meisten bevorzugt ist Sauerstoff, da die Entstehung von NO_x minimiert wird und die im Bad 22 benötigten Temperatur leichter aufrecht erhalten werden kann. Gleiches gilt für das freien Sauerstoff enthaltende Gas, das über das Hüllrohr 44 zur Nachverbrennung oberhalb des Bades 22 eingeleitet wird.
Der über die zentrale Leitung 48 der Lanze 14 bereitgestellte Brennstoff kann Heizöl, Erdgas oder teilchenförmige Kohle sein. Zusätzlich dazu oder als Alternative kann jedoch auch Brennstoff über das Zufuhrrohr 28 eingeleitet werden. Das Zufuhrrohr 28 ermöglicht gegebenenfalls die Verwendung von Kohlestücken. Weiterhin können gegebenenfalls über das Zufuhrrohr 28 schlackebildende Zuschläge oder aufbereitetes Schlackengranulat zugeführt werden.
Durch die Injektion von oben in das Bad 22 soll eine starke Turbulenz im Bad 22 bewirkt und aufrecht erhalten werden, und unterhalb des Auslassendes 14b der Lanze 14 ein Verbrennungs-/Oxidationsbereich erzeugt werden. Die Turbulenz soll so stark sein, dass über das Zufuhrrohr 28 und/oder den Siphon 32 zugeführte Abfallstoffe in das Bad 22 gezogen werden und zum Bereich 62 zirkulieren. Vorzugsweise ist die Turbulenz so stark, dass Schlacke aus dem Bad 22 in die Nachverbrennungszone der Kammer 20 spritzt, um den Flüssigkeits-Gas-Kontakt zwischen der Schlacke und den Gasen und die Übertragung der Wärmeenergie an das Bad 22 zu maximieren.
Die im Bad 22 innerhalb des Umfangs der Wand 36 des Behälters 18 erzeugte Turbulenz erstreckt sich auch auf den Teil des Bades 22 innerhalb des Siphons 32 zwischen der Wand 26 und der Wand 40. Durch die Turbulenz wird daher auch der über den Siphon 32 zugeführte Abfall in das Bad gezogen. Vorzugsweise ist die Turbulenz jedoch nicht so stark, dass ein Spritzen der Schlacke an der Oberfläche 22a des Siphons 32 verursacht wird. Gegebenenfalls kann eine Zuführvorrichtung, wie eine Zuführschraube, am Siphon 32 bereitgestellt werden, um die Zufuhr von Abfall in den Reaktor 12 zu erleichtern.
Zur weiteren Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auf das nachstehende Beispiel verwiesen.
BEISPIEL
Abfall, welcher Asche aus einer bestehenden Verbrennungsanlage für toxischen Abfall enthält, wurde durch Schmelzen in einem Reaktor nach 2 behandelt. Die Asche stammte aus der Verbrennung von städtischem Abfall und bestand aus einem Gemisch aus fester Asche und teilweise verbrann ten/oxidierten Kohlenwasserstoffen, Kohlenstoffen und Metalloxiden in fein verteilter, schwer zu handhabender Form.
Insgesamt 500 kg der Asche wurde zum Verfestigen in einer Mischtrommel mit Wasser gemischt. Anschließend wurde sie mit einem Schneckenförderer über den Zugang 28, der, um ein Austreten von Ofengasen zu verhindern, mit einer Dichtung versehen war, in den Reaktor eingeleitet. Der Reaktor enthielt ein Schlackenbad 22, welches im Ruhezustand einen Durchmesser von 500 mm und eine Höhe von 500 mm aufwies. Vor dem Einleiten des feuchten Ascheabfalls wurde über die Lanze 14 durch eine Injektion von oben eine starke Turbulenz sowie eine Schlackentemperatur von 1.230°C erzeugt. Das von oben injizierte, freien Sauerstoff enthaltende Gas bestand aus Luft, wobei die Lanze durch Einspritzen von Leichtöl als Brennstoff befeuert wurde. Luft und Öl wurden in einem Verhältnis eingeleitet, dass der Sauerstoffgehalt ausreichend war für eine Verbrennung des Öls und für die Verbrennung/Oxidation der Abfallbestandteile, wobei während des Einleitens und Schmelzens des Abfalls eine Temperatur von 1.230°C aufrecht erhalten wurde.
Der Abfall wurde über einen Zeitraum von 6 Stunden eingeleitet und geschmolzen. Während dieses Zeitraums wurden 85 kg Stahlspäne und 20 kg Kalk als Schmelzmittel in das Schlackenbad eingeleitet. Die während des Schmelzens des Abfalls durch Verbrennung/Oxidation von Bestandteilen des Abfalls entstehenden Gase wurden in dem Reaktorraum oberhalb des Schlackenbades nachverbrannt. Die Nachverbrennung erfolgte durch die über das Hüllrohr 44 der Lanze 14 in diesen Raum oberhalb des Bades eingeleitete Luft. Es wurde so viel Luft für die Nachverbrennung zugeleitet, dass gegenüber dem Bedarf für eine vollständige Nachverbrennung und Erhalt aller Metalle in den entstehenden Gasen in einem oxidierten Zustand ein stöchiometrischer Überschuss an Sauerstoff gewährleistet war. Das untere Ende des Hüllrohres 44 befand sich in ruhigem Zustand nahe der Schlackenoberfläche, so dass die Nachverbrennung in einem Bereich des Schlackenbades stattfand, in dem die Schlacke durch die Turbulenz, die durch die von Injektion von oben erzeugt wurde, zum Spritzen gebracht wurde.
Die während des Schmelzens erzeugten heißen Abgase wurden über die Abschnitte 24a und 24b des Schornsteins aus dem Reaktorraum abgeleitet. Im Abschnitt 24b des Schornsteins 24 wurden die Gase durch den dort erzeugten Wassernebel durch Verdampfungskühlung rasch auf etwa 150°C abgekühlt. Durch den Wassernebel wurden im Wesentlichen der gesamte Rauch und andere kondensierbare oder wasserlösliche Spezies niedergeschlagen, und es wurde ein Gas erhalten, das im Wesentlichen CO₂ enthielt. Das gekühlte Gas wurde anschließend gefiltert und gewaschen, wodurch ein Abgas erhalten wurde, welches in die Atmosphäre entlassen werden konnte.
Insgesamt wurden 530 kg Schlacke und 14 kg Rauch erzeugt. Die Zusammensetzung der Abfallasche, der Schlacke und des Rauches waren:
Nach Beendigung des Schmelzens wurde die Schlacke aus dem Ofen abgelassen und granuliert. Aus der granulierten Schlacke wurden die toxischen Bestandteile ausgelaugt, und es wurde gefunden, dass die Schlacke alle Anforderungen zur Verwendung als Baumaterial oder zur Ablagerung als Bodenauffüllmaterial erfüllte.
Nach dem Kühlen, Filtern und Waschen konnten die Abgase in die Atmosphäre ausgestoßen werden. Die Gase wiesen einen vernachlässigbaren Anteil jeglicher Metalle oder von Kohlenwasserstoffen auf. Die Abfallasche wies zwar einen wesentlichen Anteil an toxischen Kohlenwasserstoffen auf, die ausgestoßenen Schornsteingase waren jedoch im Wesentlichen frei von Kohlenwasserstoffen und wiesen keinen messbaren Anteil an toxischen Bestandteilen wie Furanen, Dioxinen und PCBs auf.

Claims

Verfahren zur Beseitigung von Abfallstoffen, die im Wesentlichen Kohlenwasserstoffverbindungen enthalten und einen beträchtlichen Anteil an chemisch gebundenem Kohlenstoff besitzen, wobei das Verfahren enthält: Einbringen des Abfalls in einen Reaktor eines Reaktorsystems mit einer von oben eintauchenden Einleitlanze, wobei der Reaktor ein Schmelzbad enthält, das im Wesentlichen aus einer geschmolzenen, auf Siliziumdioxid basierenden Schlacke besteht, die in der Lösung zumindest ein weiters Oxid enthält; und Erhalten des Schmelzbads während des Einbringens des Abfalls in einem Wirbelzustand dadurch, dass ein Gas, das freien Sauerstoff enthält, unter Verwendung zumindest einer von oben eintauchenden Lanze des Systems so eingeleitet wird, dass der Abfall in das Schmelzbad hineingezogen und darin in einem Verbrennungs/Oxidations-Bereich in Umlauf gebracht wird, der im Schmelzbad durch die von oben eintauchende Einleitung erzeugt wird, wobei Bestandteile des Abfalls dem freien Sauerstoff des eingeleiteten Gases sowie der Wärmeenergie der Schlacke ausgesetzt und dadurch im Wesentlichen zumindest durch eine Verbrennung oder Oxidation zerstört werden.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei sich der Abfall in fein verteilter Form befindet und in das Schmelzbad in oder neben dem Verbrennungs/Oxidations-Bereich eingeleitet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Abfall die Form von Klumpen besitzt und in das Schmelzbad durch eine Zuführöffnung des Reaktors eingebracht wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Abfall direkt in das Schmelzbad über einen Siphon getrieben wird, der in einer Seitenwand des Reaktors ausgebildet ist.
Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Schmelzbad auf einer Temperatur von 1100°C bis 1800°C gehalten wird, während der Abfall in den Reaktor eingebracht wird.
Verfahren gemäß Anspruch 5, wobei das Schmelzbad auf einer Temperatur von 1100°C bis 1400°C gehalten wird.
Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Abfall einen Heizwert besitzt, der ausreicht, um die Temperatur des Schmelzbads aufrecht zu erhalten.
Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Abfall einen Heizwert besitzt, der nicht ausreicht, um die Temperatur des Schmelzbads aufrecht zu erhalten, und dem Bad ein Heizstoff in einer Menge zugeführt wird, die ausreicht, um die Temperatur aufrecht zu erhalten.
Verfahren gemäß Anspruch 8, wobei der Heizstoff aus Erdgas, Heizöl, Kohle sowie Kombinationen davon ausgewählt wird.
Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Temperatur dadurch aufrecht erhalten wird, dass die Menge des eingebrachten Abfalls, die Menge des Gases, das freien Sauerstoff enthält, sowie der Gehalt an freiem Sauerstoff dieses Gases geregelt werden.
Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7 und 10, wobei das freien Sauerstoff enthaltende Gas in das Bad in einer Menge eingeleitet wird, die zumindest eine Menge an freiem Sauerstoff liefert, die ein stöchiometrisches Äquivalent des Heizwerts des Abfalls darstellt, nachdem der für die Verbrennung von irgendeinem dem Reaktor zugeführten Brennstoff benötigte Sauerstoff miteinberechnet wurde, und die Temperatur des Schmelzbads dadurch aufrecht erhalten wird, dass Wärmeenergie aus dem Schmelzbad aufgenommen oder absorbiert wird.
Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 11, wobei zusätzlich zu dem freien Sauerstoff enthaltenden Gas, das in das Schmelzbad eingeleitet wird, dem Reaktorraum oberhalb des Schmelzbads ein Gas zugeführt wird, das freien Sauerstoff enthält, um eine Nachverbrennung oder Nachbrennung von Gasen zu erreichen, die aus dem Schmelzbad austreten, und gasförmig austretende Oxide im oxidierten Zustand zu erhalten.
Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das freien Sauerstoff enthaltende Gas, das in das Schmelzbad eingeleitet wird, aus Luft, mit Sauerstoff angereicherter Luft und Sauerstoff ausgewählt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 12, wobei das freien Sauerstoff enthaltende Gas, das dem Reaktorraum oberhalb des Schmelzbads zugeführt wird, aus Luft, mit Sauerstoff angereicherter Luft und Sauerstoff ausgewählt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 12 oder Anspruch 14, wobei das freien Sauerstoff enthaltende Gas, das dem Reaktorraum oberhalb des Schmelzbads zugeführt wird, mehr Sauerstoff liefert, als den stöchiometrischen Bedarf für eine im Wesentlichen vollständige Nachvebrennung/Nachbrennung.
Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 12, 14 und 15, wobei das freien Sauerstoff enthaltende Gas, das dem Reaktorraum oberhalb des Bads zugeführt wird, über ein Ringrohr der zumindest einen Lanze des Reaktorsystems zugeführt wird.
Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 16, wobei die aus der Verbrennung/Oxidation des Abfalls sowie von irgendeiner Nachverbrennung/Nachbrennung Im Reaktorraum oberhalb des Schlackenbads stammenden heißen Gase über einen Abzugskanal des Reaktors abgeleitet und einer schnellen Abkühlung unterzogen werden.
Verfahren gemäß Anspruch 17, wobei die Abkühlung bewirkt, dass die heißen Gase auf eine Temperatur unterhalb etwa 300°C abgekühlt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 17 oder Anspruch 18, wobei die heißen Gase dadurch mit einer Verdampfungskühlung abgekühlt werden, dass sie Wassertröpfchen oder einen Wassernebel durchlaufen.
Verfahren gemäß Anspruch 17 oder Anspruch 18, wobei die heißen Gase in einem Fließbett-Dampferzeugersystem mit einer Abschreckkühlung abgekühlt werden.
Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 20, wobei der Abfall Metallarten, die aus elementarem Metall und oxidhaltigem Material ausgewählt wurden, aufweist, und wobei verdampfbare Metallarten vom Reaktor als Dampf abgegeben werden und nicht verdampfbare Arten in der Schlacke des Schmelzbads in Lösung gehen.
Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 21, wobei der Abfall toxische organische Verbindungen, beispielsweise Furane, Dioxine und PCBs aufweist, wobei diese Verbindungen durch ein thermisches Cracken und/oder eine Verbrennung/Oxidation im Wesentlichen vollständig zerstört werden, um ein Abgas zu liefern, das im Wesentlichen frei von toxischen organischen Verbindungen ist.