Verfahren zur Verbrennung von festen Abfällen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbrennung von festen Abfällen, insbesondere Hausmüll, Industriemüll, Sondermüll, Abfallholz einzeln oder im Gemisch, mit einer Korngröße von bis zu 300 mm und/oder Klärschlämmen in einem Gas-Feststoff-Reaktor, in den die Abfälle und/oder Klärschlämme in eine durch Einblasen von Primärverbrennungsluft aus inertem Fluidisierungsmaterial mit einer Korngröße von < 2 mm erzeugte, eine Temperatur von 550 bis 750 °C aufweisende, rotierende unterstöchiometrische Wirbelschicht hoher Turbulenz eingetragen, in der Wirbelschicht getrocknet, vergast und teilverbrannt, die Verbrennungsprodukte in einem über der Wirbelschicht befindlichen mit Sekundärverbrennungsluft beaufschlagten Freiraum bei einer Temperatur von 850 bis 930 °C und bei einer Verweilzeit von wenigstens 2 s vollständig nachverbrannt, die aus dem Gas- Feststoff-Reaktor austretenden Verbrennungsgase einem Dampfkessel zugeführt und ein Teilstrom der Verbrennungsgase nach der Entstaubung als Rezirkulationsluft in die Wirbelschicht zurückgeführt wird.
In neuerer Zeit ist ein Wirbelschichtverfahren mit rotierender Wirbelschicht hoher Turbulenz, das die Vorteile einer stationären mit denen einer zirkulierenden Wirbelschicht vereint, bekannt geworden (Lischke, G.: „Wirbelschichtverbrennung von Hausmüll und Klärschlamm im WSO4 für Femwärme Wien am Standort Simmeringer Haide"; Fachtagung: Optimierungspotential der Abfallverbrennung Technische Universität Berlin 11./12. März 2003). Die bei diesem Wirbelschichtverfahren auf einem dachförmigen Düsenboden lagernde Schicht aus
Fluidisierungsmaterial , vorzugsweise aus Sand mit einer Korngröße von < 2 mm, die gfl. noch Inertstoffkörner mit ähnlicher Korngröße enthalten kann, wird durch die Anordnung unterschiedlicher Düsenzahlen und durch das Einbringen unterschiedlicher Mengen an Primärverbrennungsluft sowie durch oberhalb der Wirbelkammer angebrachte Deflektoren in rotierende Bewegung versetzt, wobei sich eine aus spiegelbildlichen gegeneinanderlaufenden elliptischen Walzen bestehende Wirbelschicht großer Turbulenz und starker Quervermischung des Wirbelschichtinhalts ausbildet. Da die Wirbelschicht mit Unterstöchiometrie und bei einer Temperaturen von ca. 650 °C betrieben wird, ist es möglich, die Bildung von Stickoxiden so niedrig wie möglich zu halten, die geforderten Emissionsgrenzen ohne sekundäre Maßnahmen einzuhalten und Anbackungen im Gas-Feststoff-Reaktor zu vermeiden. Die Nachverbrennung der Verbrennungsprodukte der Wirbelschicht erfolgt in dem über der Wirbelkammer befindlichen Freiraum unter Zugabe von Sekundärverbrennungsluft bei Temperaturen von 850 bis 930 °C. Auf diese Weise werden niedrige CO-Werte erzielt und die thermische Bildung von Stickoxiden vermieden. In die Wirbelkammer werden die auf eine Korngröße von max. 300 mm zerkleinerten Abfälle und/oder Klärschlamme eingetragen, getrocknet, vergast und verbrannt. Durch den dachförmig geneigten Düsenboden werden die Verbrennungsrückstände durch zwei seitlich angeordnete Schächte ausgetragen. Durch verschiedene Förderaggregate, Siebe und Magnetscheider werden die grobkörnigen Verbrennungsrückstände in magnetische und unmagnetische Teile getrennt voneinander abgeschieden, während das abgesiebte Fluidisierungsmaterial in den Gas-Feststoff-Reaktor zurückgeführt wird. Die Abgasrezirkulation ermöglicht einerseits eine konstante Temperaturweise in der Wirbelschicht andererseits reduziert sie den Luftüberschuss, so dass die Abgasverluste gesenkt und der thermische Wirkungsgrad erhöht werden.
Die bei der Verbrennung, insbesondere von Hausmüll, Industriemüll, Sondermüll und Abfallholz anfallenden Verbrennungsrückstände, Zyklonaschen, Filterstäube, Flugstäube oder dgl. sind häufig mit Chrom(VI)-Verbindungen belastet, da sich Chrom-Verbindungen aufgrund ihrer geringen Flüchtigkeit in den Verbrennungsrückständen anreichern. Durch die Belastung durch Chrom(VI)- . Verbindungen ist die Entsorgung der Verbrennungsrückstände wegen deren hoher Toxizität mit erheblichen Problemen verbunden. Eine Deponierung der
Verbrennungsrückstände auf Hausmüll-Deponien kommt in aller Regel wegen der Überschreitung der zulässigen Grenzwerte für Chrom(VI) - nach DIN 38414, Teil 4 beträgt die zulässige Konzentration von Chrom(VI) in Eluaten von Abfällen 0.1mg/l bzw. der lösliche Anteil pro kg Abfall 1.0 mg - nicht in Betracht, so dass solche Verbrennungsrückstände überwiegend auf Sondermüll- oder in Untertage-Deponien verbracht werden müssen und somit vergleichsweise hohe Entsorgungskosten entstehen.
Zwar ist bekannt, Chrom(VI)-Verbindungen enthaltende Rückstände mit ein großes Reduktionspotential besitzendem Chrom(VI) zu Chrom(lll) umwandelnden Chemikalien, wie Natriumthiosulfat (Na2S2O3), Natriumdisulfit (Na2S2O5) und Natriumdithionit (Na2S2O4) zu behandeln. Jedoch sind diese Reduktionsmittel nicht nur vergleichsweise teuer, sondern besitzen auch selbst eine große Toxizität, d.h. zur Vermeidung der Toxizität ist eine vollständige Umsetzung der Reduktionsmittel erforderlich; das lässt sich aber in der Praxis nicht erreichen, da stets eine geringe Menge von nicht umgesetztem Reduktionsmittel in den Rückständen verbleibt mit der Folge, dass es bei der Lagerung solcher Rückstände auf Deponien durch die Einwirkung von saurem Regen zur Bildung von Schwefelwasserstoff kommen kann.
Um den Chrom(VI)-Gehalt in Verbrennungsrückständen fester Abfälle zu senken, sind ferner nassmechanische und thermische Verfahren bekannt. Der Einsatz nassmechanischen Verfahren für die Behandlung von Chrom(VI)-haltigen Verbrennungsrückständen kommt praktisch nicht in Betracht, da die Ab asseraufbereitung überdurchschnittlich hohe Kosten verursacht. Die thermische Behandlung Chrom(VI)-haltiger Verbrennungsrückstände erfolgt bei Temperaturen von > 300 °C in inerter Atmosphäre, wobei hohe Kosten entstehen. Eine Behandlung Chrom(VI)-haltiger Verbrennungsrückstände in oxidierender Atmosphäre ist nicht möglich, da Chrom(VI) stabil ist und gfl. Chrom(lll) in Chrom (VI) umgewandelt wird.
In der EP-A-1123719 ist ein Verfahren zur Behandlung von Chrom(VI)-Verbindungen enthaltenden Rückständen aus chemischen, metallurgischen und Verbrennungsprozessen beschrieben, bei dem die Rückstände mit wenigstens einer der Verbindungen Eisensulfat (FeSO -nH2O), Eisenchlorid (FeCI2), Eisenammoniumsulfat [Fe(NH4)2(SO2)-nH O] und Mangansulfat (MnSO4) in einem
Milieu mit einem pH-Wert von > 4 gemischt werden. Mit diesem für die Behandlung verhältnismäßig kleiner Probemengen im Labormaßstab entwickelten Verfahren lässt sich der Chrom(VI)-Gehalt der Rückstände auf 0.1 mg/kg senken. Es hat sich jedoch gezeigt, dass sich mit diesem Verfahren nicht ohne weiteres der Chrom(VI)-Gehalt der von bei der Verbrennung von festen Abfällen unter Anwendung des eingangs beschriebenen Verfahren anfallenden Verbrennungsrückstände auf die gemäß DIN 38414, Teil 4 zulässige Konzentration von 1 mg/kg senken lässt.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das eingangs beschriebene Verfahren so auszugestalten, dass der Chrom(VI)-Gehalt der bei der Verbrennung von festen Abfällen in einem Gas-Feststoff-Reaktor mit rotierender Wirbelschicht ausgetragenen Rückstände auf einen löslichen Anteil von < 1.0 mg/kg Rückstand absenkbar ist und damit die Verbrennungsrückstände problemlos auf Deponien verbracht werden können oder auf andere Weise mit Nutzen verwertbar sind.
Gelöst ist diese Aufgabe dadurch, dass die aus dem Gas-Feststoff-Reaktor ausgetragenen nach Abtrennung des Fluidisierungsmaterials und der magnetischen Anteile einen Chrom(VI)-Gehalt von bis zu 5 mg/kg und eine Korngröße von bis zu 2 mm aufweisenden Verbrennungsrückstände mit, bezogen auf den Chromgehalt, der 2- bis 3-fachen Menge Eisensulfat und/oder Eisenchlorid und/oder Mangansulfat, vorliegend in Form einer bis zu 30 %igen wässrigen Lösung, gemischt und das Gemisch bei einer Temperatur von 80 bis 200 °C homogenisiert wird. Durch diese Maßnahme lässt sich der Chrom(VI)-Gehalt der Verbrennungsrückstände auf werte von wenigstens 0.1 mg/kg erniedrigen.
Eine vorzugsweise Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahren besteht darin, dass die Verbrennungsrückstände durch Sieben in den einen Chrom(VI)-Gehalt von < 1 mg/kg besitzenden Siebüberlauf mit einer Korngröße von > 2 mm und den einen Chrom(VI)-Gehalt von 1 bis 5 mg/kg besitzenden Siebdurchgang mit einer Korngröße von < 2 mm getrennt und nur der Siebdurchgang mit der Eisensulfat und/oder Eisenchlorid und/oder Mangansulfat enthaltenden wässrigen Lösung behandelt wird.
Nach einem besonderen Erfindungsmerkmal werden die bei der Verwertung der Verbrennungsabgase im Dampfkessel anfallenden Staubpartikel , die 1.5 bis 5 mg/kg
Chrom(VI) enthalten, mit dem Siebdurchgang vermischt.
Je nach Kornform kann die in dem Siebdurchgang enthaltene geringe Menge an Verbrennungsrückständen mit einer Korngröße von > 2 mm durch erneutes Sieben abgetrennt und dem Siebüberlauf zugesetzt werden.
Nach einem weiteren Merkmal wird der pH-Wert des wässrigen Gemisches, vorzugsweise durch die Zugabe von Kaik , auf 4 bis 12 eingestellt.
Die Erfindung ist nachfolgend an eine schematischen Verfahrensfließbildes näher und beispielhaft erläutert.
Hausmüll mit einem Kornspektrum von bis zu 300 mm wird kontinuierlich aus dem Bunker 1 über den Trichter 2 der Dosier-Doppeischnecke 3 aufgegeben und über die Schurre 4 in die rechteckige Wirbelkammer 5 des Gas-Feststoff-Reaktors 6 eingetragen. Der untere Abschluss der Wirbelkammer 5 besteht aus dem beidseitig geneigten und geschlossenen Düsenboden 7, in den über Leitung 8 zugeführte Primärverbrennungsluft durch Leitungen 9 eingeblasen wird. Über die Zweigleitung 10 wird ein Teilstrom der Primärverbrennungsluft zur weiteren Druckerhöhung dem nicht dargestellten Austragsluftgebläse zugeführt, das die außen liegenden nicht dargestellten Luftdüsen in der Nähe der Austragsschächte 11 ,12 des Gas-Feststoff- Reaktors 6, die aufgrund des geneigten Düsenbodens 7 und der daraus resultierende Höhe des Wirbelbetts einen größeren Vordruck benötigen, versorgt. Nach oben wird der freie Strömungsquerschnitt des Gas-Feststoff-Reaktors 6 durch schräg angeordnete Deflektorplatten 13,14 eingeengt. Der Austrag der Verbrennungsrückstände und des Fluidisierungsmaterials wird durch die Bewegung des Wirbelbetts und die Abschrägung des Düsenbodens 7 unterstützt und erfolgt durch die seitlich neben dem Düsenboden 7 angeordneten Austragsschächte 11 ,12. Oberhalb der Wirbelkammer 5 befindet sich im Gas-Feststoff-Reaktor 6 der Freiraum 15, der bezüglich Strömungsquerschnitt und Höhe so dimensioniert ist, dass durch über Leitung 16 zugeführte über zwei Leitungen 17 verteilte Sekundärverbrennungsluft bei einer Verweilzeit der Abgase von 3 bis 6 s bei Temperaturen von mehr als 850 °C eine vollständige Verbrennung der organischen Schadstoffe gewährleistet ist, so dass niedrige CO-Werte und niedrige thermische
Stickoxide erzielt werden. In die Wirbelkammer 5 wird über Leitung 18 Rauchgas zurückgeführt, das nach Abkühlung in dem Dampfkessel 19 und erfolgter nicht dargestellter Entstaubung in einem Zyklon, einem Elektrofilter und zwei Wäschern mittels eines Rezirkulationsgebläses 20 abgezogen wird. Die Rauchgasrezirkulation ermöglicht einerseits eine konstante Temperatur in der Wirbelkammer 5 sowie andererseits eine Reduzierung des Luftüberschusses und damit eine Senkung der Abgasverluste bzw. eine Erhöhung des thermischen Wirkungsgrads. Die Temperatur im Freiraum 15 beträgt ca. 930 °C, um Anbackungen in dem Gas-Fest-Reaktor 6 zu vermeiden. Die aus der Wirbelkammer 5 über die Austragsschächte 11 ,12 kontinuierlich abgeführten Verbrennungsrückstände enthalten in großen Mengen das in aller Regel aus Sand bestehende und geringe Mengen an inerten Stoffen ähnlicher Korngröße enthaltende Fluidisierungsmaterial. Die über Leitungen 21 , 22 abgezogenen und vier wassergekühlten Schnecken 23 aufgegebenen Verbrennungsrückstände werden über Leitung 24 der Siebvorrichtung 25 zugeführt. Der Siebdurchgang, im wesentlich bestehend aus Fluidisierungsmaterial, wird über Leitung 26 ausgetragen und mittels eines Becherwerks 27 in den Vorlagebehälter 28 gefördert. Über Leitung 29 wird das Fluidisierungsmaterial in den Gas-Feststoff- Reaktor 6 zurückgeleitet. Der über Leitung 30 abgeführte Siebüberlauf wird mittels des Magnetabscheiders 31 in grobkörnige Verbrennungsrückstände und Eisenmetalle getrennt und die Eisenmetalle über Leitung 32 ausgeleitet. Die grobkörnigen eine Korngröße von > 2 mm aufweisenden Verbrennungsrückstände werden über Leitung 33 einer Siebvorrichtung 34 aufgegeben. Der Siebüberlauf, der in aller Regel einen Chrom(VI)-Gehalt mit einer zulässigen Konzentration von < 1 mg/kg aufweist, wird über Leitung 35 ausgeleitet und kann problemlos verwertet werden, während der mit einem Chrom(VI)-Gehalt von 1 bis 3mg/kg belastete Siebdurchgang über Leitung 36 in die Mischvorrichtung 37 geleitet wird, in der der Siebdurchgang mit über Leitung 38 aufgegebenem FeSO -7H2O unter Zugabe von Wasser vermischt wird. Nach der Konditionierung der Mischung wird der ungelöste Teil des Rückstands durch Filtration abgetrennt und im Eluat gemäß DIN 38405, Teil 24 der Chrom(VI)-Gehalt bestimmt. Die durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen behandelten über Leitung 39 aus der Mischvorrichtung 37 ausgetragenen Verbrennungsrückstände lassen sich ohne weiteres deponieren oder andersweitig problemlos verwerten.
Die über Leitung 40 den Gas-Feststoff-Reaktor 6 verlassenden Verbrennungsabgase werden dem Dampfkessel 19 zugeführt, aus dem der erzeugte Dampf über Leitung 41 abgeführt und die abgeschiedenen eine Chrom(VI)-Gehalt von 1.5 bis 5 mg/kg enthaltenden Staubpartikel mittels der Austragsschnecke 42 über Leitung 43 der Mischvorrichtung 37 aufgegeben werden. Die über Leitung 44 aus dem Dampfkessel 19 austretenden Abgase werden anschließend in mehreren Stufen entstaubt.
In einer kontinuierlich arbeitenden Verbrennungsanlage werden bei der Verbrennung von Hausmüll und Hospitalabfällen Rückstände mit einem mittleren Chrom(VI)- Gehalt von 2.5 mg/kg und einer Korngröße von 3 bis 4 mm erzeugt. Diese Rückstände werden in einem handelsüblichen Mischer mit 0.75 Gew.-% Ferrogranul (FeSO4-6H2O) unter Zugabe von Wasser mit darin gelösten Kalk zur Einstellung eines pH-Werts von 9 für die Dauer von 15 min gerührt. Der Feuchtigkeitsgehalt der Mischung beträgt 20 Gew.-%. Die in Zeitabständen von 60 min gezogenen Durchschnittsproben der Rückstände enthalten 0.1 mg/kg Chrom(VI) bei einem Chrom(VI)-Gehalt im Eluat von <0.01 mg/l.