WO2017153522A1 - Verfahren und vorrichtung zur verwertung von misch-müll - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a method and a device for recycling mixed waste consisting of different fractions, in particular household waste, in which primarily energy is to be generated, preferably in the form of electrical energy, but also in the form of heat energy.
  • the aim is generally a very high yield, especially of electrical energy and / or overall as high as possible energy yield, ie a high efficiency of such a method or such a device.
  • a combustible biogas is produced from a biodegradable fraction in a biogas plant and this burned in a power-heat generator such as an internal combustion engine or a turbine and thereby on the one hand connected generator electrical energy is generated and the waste heat of this engine or turbine is available as heat energy, - From a thermally recoverable fraction
  • a combustible thermal gas in particular pyrolysis gas
  • a power-heat generator such as an internal combustion engine or a turbine
  • electrical energy is generated via the connected generator and the waste heat of this internal combustion engine or this turbine is available as heat energy.
  • the resulting residues were then usually disposed of separately or further processed, be it to compost or, for example, a road construction material, and often even to a relatively distant location, ie in spatially separated and spaced facilities.
  • the resulting heat energy was usually used in the vicinity, but mostly for processes that had nothing to do with the primary recycling process of the waste fractions.
  • this object is achieved in that - after the separation of at least one biodegradable fraction and a thermally recoverable fraction from the mixed waste - from the biodegradable fraction a combustible biogas and from the thermally recoverable fraction by thermal gasification, in particular
  • thermal gasification for the sake of simplicity, only the pyrolysis or pyrolysis gas or pyrolysis residues are mentioned.
  • all the methods for the thermal treatment are described Gasification should include, so in the sense of thermal gasification, or thermo-gas or thereby accumulating thermal residues to understand.
  • the pyrolysis gas usually has a much lower calorific value than the biogas, often even such a low calorific value, that although it may be used only for heat generation simple combustion, but not alone in a power-heat generator such as an internal combustion engine or a turbine, both of which each drive an electric generator, or a fuel cell can be used as a fuel.
  • a power-heat generator such as an internal combustion engine or a turbine, both of which each drive an electric generator, or a fuel cell can be used as a fuel.
  • biogas and pyrolysis gas are used together in a combined heat and power generator as fuel, so usually burned, the ratio between the two gases before combustion - in particular depending on their previously measured calorific value and / or other parameters - is adjusted so that at most as much pyrolysis gas is burned together with the biogas - that is added to the biogas when mixing the two gases in front of the power-heat generator - that even use in the power-heat generator is possible.
  • the goal of course is to utilize all accumulating pyrolysis gas, which may not be possible by permanent mixture of the accumulating gas volumes on both sides, since depending on the operating state of the biogas plant and the calorific value of the biogas produced can vary greatly, as well as the energy content of the pyrolysis gas, for example depending on the actual components and the mixing ratio within the thermally usable fraction.
  • An additional and / or alternative procedure also consists of controlling the amount and / or quality, in particular the calorific value, of the resulting gases in time dependence by controlling the respective gas production process in the biogas plant on the one hand and in the pyrolysis plant on the other hand, in particular by control the supply amount of the respective starting materials, ie the biodegradable fraction on the one hand and the thermally recoverable fraction on the other hand, in these plants.
  • the biodegradable fraction is preferably converted by anaerobic inversion into biogas, preferably by means of the so-called dry fermentation.
  • the biogas and / or the pyrolysis gas is purified before use in the power-heat generator, for example, the pyrolysis of dust components cleaned or purified biogas from sulfur fractions, and / or dehumidified.
  • the fermentation residues obtained in the biogas production are preferably dried, and pyrolysis gas is also produced from the dried fermentation residues, in particular together with the thermally utilizable fraction in a common, in particular same, pyrolysis plant.
  • the heat generated by the power-heat generator is used for drying the fermentation residues, which usually still beyond an excess of heat remains, which can be otherwise utilized and used.
  • the heat required to start a biogas process is preferably taken from the heat energy emitted by the power-heat generator.
  • the preferred further utilization of the heat energy generated by the power-heat generator is the at least partial conversion of this thermal energy into electrical energy by means of the so-called Organic Rankine Cycle (ORC) process, ie in an ORC plant, whereby the Yield of the overall process of electrical energy - which is more valuable and can be used more easily and above all can be transported as heat energy - can be increased.
  • ORC Organic Rankine Cycle
  • the ORC process is a method of operating a steam turbine with a medium other than water vapor, typically organic liquids having a lower evaporation temperature than water. This process is used primarily when the available temperature gradient between the heat source and the heat sink is too low for the operation of a steam driven turbine.
  • a steam turbine can also other relaxation machines such as a turbine, a screw expander, or a steam engine, especially in the form of a steam reciprocating expander may be used.
  • the heat energy present - regardless of which of the processes described above it comes - also for drying and / or heating of the thermally recoverable fraction prior to the production of pyrolysis gas from this are used, which usually increases the yield of pyrolysis gas.
  • the resulting in the drying of the fermentation residues and / or the thermally recoverable fraction gases are often very odor-intensive and must be cleaned prior to discharge into the environment, especially of these odorous substances, and / or of germs contained therein, for example Use of microbes, such as in a biofilter. Heat can also be required for this cleaning process, which can then also be taken from the heat energy provided by the processes described above.
  • the dried fermentation residues from the biogas production can still be subjected to a simple combustion process, if appropriate after aerobic treatment of the fermentation residues, but are generally not suitable for incineration in a power plant.
  • Heat generator suitable, but it can be generated by the combustion only heat energy.
  • the heat energy additionally generated in this way can in turn be used in an ORC process, in particular in the same or another ORC plant, and from this in turn electrical energy is generated in part.
  • the general goal is to generate the energy generated by the overall process as much as possible in the form of electrical energy.
  • further fractions can be separated from the mixed waste, for example the recyclable fraction, the valuable substances such as metals and plastics.
  • the valuable substances such as metals and plastics.
  • these are preferably additionally separated according to varieties, in particular also the plastics are separated into unmixed raw materials, and then sold as a rule, if appropriate after prior further processing such as the annulment, smelting to defined bodies or the like.
  • an unusable residual fraction which is either landfilled or can be deposited as a low-priced material such as filler in road construction or other building materials as a filler or even sold.
  • the mixed waste is usually first crushed, with a maximum predetermined particle size should be at least achieved. Because with a given particle size is the subsequent separation - regardless of which method this takes place, but usually over several stages - much easier to perform than in strongly fluctuating particle size.
  • the mixed waste - be it before or after the comminution - first dried to a predetermined range of water content, whereby the separation processes can run better and with a higher fraction purity.
  • this object is achieved in that the necessary biogas plant and the necessary pyrolysis as closely as possible, so with a small distance, both to each other and / or positioned to the also required power-heat generator to the necessary line quantities for biogas and Pyrolysis gas or, where appropriate, before reaching the power-heat generator by mixing them produced mixed gas to keep as low as possible.
  • a sensor is preferably present, which measures the instantaneous calorific value of the biogas and / or the pyrolysis gas and / or a mixed gas generated therefrom and reports to a controller, which in the power-heat generator in the Combustion existing ratio of biogas and pyrolysis gas as explained above controls.
  • a buffer for biogas and / or pyrolysis between the biogas plant or pyrolysis plant and the power-heat generator is present.
  • a cleaning system and / or drying system and / or decryption system for cleaning in particular the pyrolysis gas dust content and / or the biogas of sulfur fractions between the biogas plant or the drying plant and the power-heat generator is present, in the presence of respective cache in particular in front of the one or the multiple buffers.
  • the apparatus preferably comprises a drying plant for the fermentation residues remaining in the biogas plant and / or a drying plant for the pyrolysis residues remaining in the pyrolysis plant.
  • the device also comprises a simple incineration plant in which no electrical energy is generated during combustion but only heat energy, and in which the dried fermentation residues and / or the pyrolysis residues - optionally after previously controlled mixing of these two residues with the goal of a combustion value that is just sufficient for combustion - can be burnt.
  • the incinerator is preferably positioned closely adjacent to the biogas plant and / or pyrolysis plant and / or the power-heat generator, as well as the drying plant described above.
  • the device comprises an ORC system - in particular preferably again in close proximity and closely positioned - in which the heat energy accumulating in the other systems is utilized and partially converted into electrical energy.
  • the residual heat remaining from the ORC plant is - again via corresponding lines - the aforementioned plants that heat energy required for their operation, fed, in particular the drying plant, the cleaning systems, the incinerator or the biogas plant in the Heat is needed to start the process.
  • the apparatus preferably further comprises a shredder for comminuting the mixed waste to a predetermined maximum particle size, which facilitates the subsequent separation into different fractions, as well as the necessary separators, one or preferably both closely adjacent to the biogas plant and / or pyrolysis plant and / or or drying plant can be arranged.
  • FIG. 2 a first expansion stage
  • FIG. 3 a second expansion stage, on the other hand
  • FIG. 2 a first expansion stage
  • FIG. 3 a second expansion stage
  • the basic concept within the device shown in FIG. 1 is that the biogas BG produced in the biogas plant 3 and the pyrolysis gas PG produced in the pyrolysis plant 5 are supplied to a combined heat and power generator 6 via appropriate gas lines, preferably from the biogas BG Feeding a mixed gas MG is generated, which is mixed by means of a mixer 13 of the two gases generated in a defined mixing ratio.
  • the mixing ratio sets the mixer 13 according to specification of a central control, not shown, which determines their default due to arranged in the lines for biogas BG and pyrolysis PG PG 12, in particular, measure the calorific value or energy content of these two gases and report to the controller.
  • this basic concept - as also shown in FIG. 1 - is the separation of the required biodegradable fraction bF and the thermally recoverable fraction tF by a separator 2 from the mixed waste MM ahead, this mixed waste MM before the separator 2 is usually crushed by a shredder 1 to a predetermined maximum particle size.
  • the recyclable fraction sF is also separated from the mixed waste MM, which are processed in a subsequent treatment plant 9 for cleaning and / or unmixed separation of the material fraction sF and then sold mostly.
  • the remaining residual fraction RH is either fed to a landfill 11 or also discharged or even sold.
  • the heat energy generated by the power-heat generator 6 wE - the electrical energy eE generated is usually fed into the public grid, at least mostly sold and not used - at least partly, divided by a distributor 14, which is controlled by the central control, fed to a drying plant 4 arranged in the vicinity of the biogas plant 3, in which the fermentation residues GR are dried out of the biogas plant and optionally also - not shown here - Pyrolysis residues from the pyrolysis plant.
  • Part of this heat energy can also be supplied to the biogas plant 3, if this heat energy required, for example, at the beginning of the biogas production process or for operating the biogas plant after stored, not shown here facilities such as a biofilter for the resulting condensate or to the environment to be relieved gases.
  • facilities such as a biofilter for the resulting condensate or to the environment to be relieved gases.
  • an ORC system 7 is provided arranged, preferably upstream of the distributor 14, which partially converts the incoming heat energy wE into electrical energy.
  • the remaining ORC residual heat downstream of the ORC plant 7 is used for the individual plants as previously described
  • Figures 3 and 4 show an extension around an incinerator 8, in which the dry fermentation residues tGR and / or the pyrolysis residues are burned to produce heat energy wE, but beyond neither mechanical energy nor electrical energy.
  • the thermally recoverable fraction tF wholly or partially instead of the pyrolysis 5 for obtaining pyrolysis gas therefrom and the incinerator 8 are supplied, but as a rule results in a lower-quality form of energy just in the form of heat energy only wE.
  • FIG. 4 shows the expansion by such a prescribed combustion installation 8 and its possible application with respect to a device according to FIG. 2 already equipped with an ORC installation 7.

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Abstract

Um auch gemischtem Hausmüll, der aus ganz unterschiedlichen Fraktionen bestehen kann, insgesamt und nicht nur hinsichtlich einer oder weniger Fraktionen verwerten zu können, wird ein mit energetischen und stofflichen Rückkopplungen ausgestatteter Verwertungskreislauf und eine hierfür geeignete Anlage zur Verfügung gestellt.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur
Verwertung von Misch-Müll
I. Anwendungsgebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verwerten von aus unterschiedlichen Fraktionen bestehenden Misch-Müll, insbesondere Hausmüll, bei der primär Energie erzeugt werden soll, vorzugsweise in Form von elektrischer Energie, aber auch in Form von Wärme-Energie.
Ziel ist dabei generell eine möglichst hohe Ausbeute speziell an elektrischer Energie und/oder insgesamt eine möglichst hohe Energie-Ausbeute, also eine hohe Effizienz eines solchen Verfahrens oder einer solchen Vorrichtung.
II. Technischer Hintergrund
Derartige Verfahren und Vorrichtungen sind insofern bekannt, als bestimmte Fraktionen eines Misch-Mülls - nach deren Separation aus dem Misch-Müll - einzeln verwertet werden, beispielsweise indem
- aus einer biologisch abbaubaren Fraktion in einer Biogasanlage ein brennbares Biogas erzeugt wird und dieses in einem Kraft-Wärme-Erzeuger wie einem Verbrennungsmotor oder einer Turbine verbrannt und dabei über den daran angeschlossenen Generator einerseits elektrische Energie erzeugt wird und die Abwärme dieses Verbrennungsmotors oder dieser Turbine als Wärme-Energie zur Verfügung steht, - aus einer thermisch verwertbaren Fraktion
- entweder durch einfaches Verbrennen, also ohne dass durch die Verbrennung elektrische Energie erzeugt wird, lediglich Wärme- Energie erzeugt wird,
- bevorzugt jedoch durch thermische Vergasung, insbesondere Pyrolyse ein brennbares Thermogas, insbesondere Pyrolyse-Gas, erzeugt wird, welches wiederum in einem Kraft-Wärme-Erzeuger wie einem Verbrennungsmotor oder einer Turbine verbrannt und dabei über den daran angeschlossenen Generator einerseits elektrische Energie erzeugt wird und die Abwärme dieses Verbrennungsmotors oder dieser Turbine als Wärme-Energie zur Verfügung steht. Die dabei entstehenden Reste wurden dann in der Regel jeweils getrennt entsorgt oder weiterverarbeitet, sei es zu Kompost oder beispielsweise einem Straßenbau-Material, und dies oft auch noch an einen relativ weit entfernten Ort, also in räumlich getrennten und beabstandeten Anlagen. Auch die entstehende Wärme-Energie wurde zwar in der Regel in der Nähe genutzt, aber meist für Prozesse, die mit dem primären Verwertungsprozess der Müll-Fraktionen nichts zu tun hatte.
III. Darstellung der Erfindung a) Technische Aufgabe
Es ist daher die Aufgabe gemäß der Erfindung, durch ein geeignetes Verfah- ren und/oder eine geeignete Vorrichtung die Effizienz und damit Ausbeute an aus dem Misch-Müll, insbesondere Hausmüll, erzeugter Energie, insbesondere der erzeugten elektrischen Energie, zu optimieren, und dabei sowohl den Investitionsaufwand als auch den Wartungsaufwand der hierfür benötigten Anlagen möglichst gering zu halten.
b) Lösung der Aufgabe
Hinsichtlich des Verfahrens wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass - nach dem Abtrennen zumindest einer biologisch abbaubaren Fraktion und einer thermisch verwertbaren Fraktion aus dem Misch-Müll - aus der biologisch abbaubaren Fraktion ein brennbares Biogas und aus der thermisch verwertbaren Fraktion durch thermische Vergasung ein, insbesondere ebenfalls brennbares, Thermogas erzeugt wird, häufig mittels Pyrolyse ein Pyrolysegas erzeugt wird, Im Folgenden ist der Einfachheit halber meist lediglich von Pyrolyse bzw. Pyrolysegas bzw. dabei anfallenden Pyrolyse-Resten die Rede, was jedoch für die Zwecke der vorliegenden Anmeldung alle Verfahren zur thermischen Vergasung umfassen soll, also allgemein im Sinne von thermischer Vergasung, bzw. Thermogas bzw. dabei anfallenden Thermo-Resten zu verstehen ist.
Dabei besitzt das Pyrolysegas in aller Regel einen wesentlich geringeren Brennwert als das Biogas, häufig sogar einen so geringen Brennwert, dass es zwar gegebenenfalls einer einfachen Verbrennung lediglich zur Wärmeer- zeugung genutzt werden kann, nicht aber alleine in einem Kraft-Wärme- Erzeuger wie etwa einem Verbrennungsmotor oder einer Turbine, welche beide jeweils einen elektrischen Generator antreiben, oder einer Brennstoffzelle als Treibstoff verwendet werden kann. Deshalb werden Biogas und Pyrolysegas gemeinsam in einem Kraft-Wärme- Erzeuger als Treibstoff verwendet, also in der Regel verbrannt, wobei das Verhältnis zwischen den beiden Gasen vor der Verbrennung - insbesondere abhängig von deren vorher gemessenen Brennwert und/oder anderen Para- metern - so eingestellt wird, dass höchstens soviel Pyrolysegas zusammen mit dem Biogas verbrannt wird - also bei Mischung der beiden Gase vor dem Kraft-Wärme-Erzeuger dem Biogas zugesetzt wird - dass noch eine Nutzung in dem Kraft-Wärme-Erzeuger möglich ist.
Das Ziel besteht natürlich darin, sämtliches anfallendes Pyrolysegas zu verwerten, was möglicherweise durch permanente Mischung der anfallenden beiderseitigen Gasmengen nicht möglich ist, da je nach Betriebszustand der Biogasanlage auch der Brennwert des erzeugten Biogases stark schwanken kann, ebenso wie auch der Energiegehalt des Pyrolysegases, beispielsweise abhängig von den aktuellen Bestandteilen und dem Mischungsverhältnis innerhalb der thermisch verwertbaren Fraktion.
Aus diesem Grund kann es sinnvoll sein, über begrenzte Zeitabschnitte ein Zwischenspeichern des Pyrolysegases und/oder des Biogases durchzuführen, um durch wahlweises Entnehmen der einzelnen Gase aus der anfallenden Gasproduktion und/oder dem jeweiligen Gasspeicher das oben beschriebene Ziel permanent erreichen zu können. Eine zusätzliche und/oder alternative Vorgehensweise besteht auch darin, die Menge und/oder Qualität, insbesondere den Brennwert, der anfallenden Gase in zeitliche Abhängigkeit zu steuern durch Steuerung des jeweiligen Gas-Erzeugungsprozesses in der Biogasanlage einerseits und in der Pyrolyseanlage andererseits, insbesondere durch Steuerung der Zufuhrmenge der jeweiligen Ausgangsstoffe, also der biologisch abbaubaren Fraktion einerseits und der thermisch verwertbaren Fraktion andererseits, in diese Anlagen.
In der Biogasanlage wird die biologisch abbaubare Fraktion vorzugsweise durch anaerobe Verkehrung in Biogas umgewandelt, vorzugsweise mittels der so genannten Trocken-Fermentation. Vorzugsweise wird vor der Verwertung im Kraft-Wärme-Erzeuger das Biogas und/oder das Pyrolysegas gereinigt, beispielsweise das Pyrolysegas von Staubanteilen gereinigt oder das Biogas von Schwefelanteilen gereinigt, und/oder entfeuchtet.
Ferner werden vorzugsweise die bei der Biogaserzeugung anfallenden Gär- Reste, in der Regel feuchte oder gar annähernd flüssige Stoffe, getrocknet, und aus den getrockneten Gär-Resten ebenfalls Pyrolysegas erzeugt, insbesondere zusammen mit der thermisch verwertbaren Fraktion in einer ge- meinsamen, insbesondere der gleichen, Pyrolyseanlage.
Vorzugsweise wird dabei zum Trocknen der Gär-Reste die vom Kraft- Wärme-Erzeuger erzeugte Wärme verwendet, wobei in der Regel darüber hinaus immer noch ein Überschuss an Wärme verbleibt, der anderweitig verwertet und genutzt werden kann. Auch die zum Anfahren eines Biogas- Prozesses benötigte Wärme wird vorzugsweise der vom Kraft-Wärme- Erzeuger abgegebenen Wärme-Energie entnommen.
Dabei ist die bevorzugte weitere Verwertung der vom Kraft-Wärme-Erzeuger erzeugten Wärme-Energie die zumindest teilweise Umwandlung dieser Wärmeenergie in elektrische Energie mittels des so genannten Organic- Rankine-Cycle (ORC)-Prozesses, also in einer ORC-Anlage, wodurch die Ausbeute des Gesamt-Prozesses an elektrischer Energie - die werthaltiger ist und leichter genutzt werden kann und vor allem transportiert werden kann als Wärme-Energie - erhöht werden kann.
Der ORC-Prozess ist ein Verfahren zum Betreiben einer Dampfturbine mit einem anderen Medium als Wasserdampf, in der Regel organische Flüssigkeiten mit einer niedrigeren Verdampfungstemperatur als Wasser. Dieser Prozess wird vor allem dann eingesetzt, wenn das zur Verfügung stehende Temperaturgefälle zwischen Wärmequelle und Wärmesenke zu niedrig für den Betrieb einer mit Wasserdampf angetriebenen Turbine ist. Statt einer Dampfturbine können dabei auch andere Entspannungsmaschinen wie etwa eine Turbine, ein Schraubenexpander, oder ein Dampfmotor, insbesondere in der Form eines Dampf-Hubkolbenexpanders verwendet werden.
Als organische Flüssigkeiten werden dabei häufig Silikonöl, Kältemittel oder brennbare Gase verwendet, die zum Beispiel auch vorab mit Hilfe eines Wärmetauschers mittels der zur Verfügung stehenden Wärmequelle - hier die Wärme-Energie, die vom Kraft-Wärme-Erzeuger abgegeben wird - erwärmt werden vor dem Einbringen in den ORC-Prozess. Bei einem solchen ORC-Prozess wird nicht die gesamte zur Verfügung stehende Wärme in elektrische Energie umgewandelt, sondern ein Teil verbleibt wiederum als Rest-Wärme. Auch diese Rest-Wärme des ORC-Prozesses kann wie die Wärmeenergie aus dem Kraft-Wärme-Erzeuger für die oben beschriebenen Zwecke verwendet werden.
Vor allem wenn die dafür benötigten Anlagenteile eng benachbart zueinander liegen, werden dadurch Verluste durch Wärmetransport gering gehalten.
Ebenso kann die vorhandene Wärmeenergie - egal aus welchem der oben beschriebenen Prozesse sie stammt - auch zur Trocknung und/oder Erwärmung der thermisch verwertbaren Fraktion vor der Erzeugung von Pyrolysegas hieraus verwendet werden, was die Ausbeute an Pyrolysegas in der Regel steigert. Die bei der Trocknung von den Gär-Resten und/oder der thermisch verwertbaren Fraktion entstehenden Gase sind häufig sehr geruchsintensiv und müssen vor dem Entlassen in die Umgebung gereinigt werden, insbesondere von diesen geruchsintensiven Stoffen, und/oder auch von darin enthaltenen Keimen, beispielsweise unter Verwendung von Mikroben, wie etwa in einem Biofilter. Auch für diesen Reinigungsprozess kann Wärme benötigt werden, die dann ebenfalls der von den oben beschriebenen Prozessen zur Verfügung gestellten Wärme-Energie entnommen werden kann. Nicht nur die getrockneten Gär-Reste aus der Biogaserzeugung, sondern auch die Pyrolysereste aus der Pyrolysegaserzeugung können - gegebenenfalls nach aerober Behandlung der Gär-Reste— immer noch einem einfachen Verbrennungsprozess unterworfen werden, sind jedoch in aller Regel nicht für die Verbrennung in einem Kraft-Wärme-Erzeuger geeignet, sondern es kann durch die Verbrennung ausschließlich Wärme-Energie erzeugt werden.
Doch kann auch die auf diese Art und Weise zusätzlich erzeugte Wärmeenergie wiederum in einem ORC-Prozess genutzt werden, insbesondere in der gleichen oder einer anderen ORC-Anlage, und daraus wiederum zum Teil elektrische Energie erzeugt werden.
Auch das bei der Erzeugung von Biogas in der Regel anfallende Kondensat und/oder ein eventuell bei der Pyrolysegaserzeugung anfallendes Kondensat muss vor dem Entlassen in die Umgebung, also ins Abwasser, in aller Regel gereinigt werden, insbesondere wiederum von Keimen und/oder von geruchsintensiven Stoffen. Dies kann beispielsweise mittels Aktivkohle und/oder unter Verwendung von Mikroorganismen, beispielsweise in einem Biofilter, erfolgen. Jedoch ist auch hierfür häufig Wärme notwendig, die wie- derum den oben beschriebenen zur Verfügung stehenden Wärmequellen entnommen werden kann.
Das generelle Ziel besteht dabei darin, die von dem Gesamtprozess erzeugte Energie zu einem möglichst großen Teil in Form von elektrischer Energie zu erzeugen.
Zusätzlich können aus dem Misch-Müll weitere Fraktionen abgetrennt werden, beispielsweise die stofflich verwertbare Fraktion, die werthaltige Stoffe wie etwa Metalle und Kunststoffe enthält. Diese werden vorzugsweise zusätzlich nach Sorten getrennt, insbesondere auch die Kunststoffe in sortenreine Grundstoffe separiert, und dann in der Regel verkauft, gegebenenfalls nach vorheriger weiterer Aufbereitung wie etwa der Annullierung, Einschmel- zen zu definierten Körpern oder ähnlichem.
Ferner verbleibt danach in der Regel eine nicht verwertbare restliche Fraktion, die entweder deponiert wird oder als geringpreisiges Material wie etwa Füllmaterial im Straßenbau oder bei anderen Baumaterialien als Füllstoff ab- gegeben oder gar verkauft werden kann .
Um die einzelnen Fraktionen aus dem Misch-Müll möglichst fraktionsrein separieren zu können, wird der Misch-Müll in der Regel zunächst zerkleinert, wobei eine maximale vorgegebene Partikelgröße mindestens erreicht werden soll. Denn mit einer vorgegebenen Partikelgröße ist die anschließende Separierung - egal nach welcher Methode diese erfolgt, in der Regel jedoch über mehrere Stufen - wesentlich leichter durchzuführen als bei stark schwankender Partikelgröße. Vorzugsweise wird der Misch-Müll - sei es vor oder nach dem Zerkleinern - zunächst auch getrocknet auf eine vorgegebene Bandbreite an Wassergehalt, wodurch die Separierungs-Vorgänge besser und mit einer höheren Fraktions-Reinheit ablaufen können. Hinsichtlich der Vorrichtung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die notwendige Biogasanlage sowie die notwendige Pyrolyseanlage möglichst eng benachbart, also mit geringem Abstand, sowohl zueinander und/oder zu dem ebenfalls benötigten Kraft-Wärme-Erzeuger positioniert werden, um die notwendigen Leitungsmengen für Biogas und Pyrolysegas bzw. das gegebe- nenfalls vor Erreichen des Kraft-Wärme-Erzeugers durch Mischen daraus hergestellte Mischgas möglichst gering zu halten. Um das Verhältnis des gemeinsamen Kraft-Wärme-Erzeugers verwerteten Biogases und Pyrolysegases optimal einzustellen, so dass also entweder das gesamte anfallende Pyrolysegas verwertet werden kann oder dem Biogas maximal so viel Pyrolysegas mit geringerem Brennwert zugemischt wird, dass insgesamt noch eine Verwertung, insbesondere Verbrennung, im Kraft- Wärme-Erzeuger möglich ist, ist vorzugsweise ein Sensor vorhanden, der den momentanen Brennwert des Biogases und/oder des Pyrolysegases und/oder eines daraus erzeugten Mischgases misst und an eine Steuerung meldet, welche das im Kraft-Wärme-Erzeuger bei der Verbrennung vorlie- gende Verhältnis aus Biogas und Pyrolysegas wie oben erläutert steuert.
Vorzugsweise ist ein Zwischenspeicher für Biogas und/oder Pyrolysegas zwischen der Biogasanlage bzw. Pyrolyseanlage und dem Kraft-Wärme- Erzeuger vorhanden.
Vorzugsweise ist eine Reinigungsanlage und/oder Trocknungsanlage und/oder Entschlüsselungsanlage zum Reinigen insbesondere des Pyrolysegases von Staubanteil und/oder des Biogases von Schwefelanteilen zwischen der Biogasanlage bzw. der Trocknungsanlage und dem Kraft-Wärme- Erzeuger vorhanden, bei Vorhandensein jeweiliger Zwischenspeicher insbesondere vor dem einen oder den mehreren Zwischenspeichern.
Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung eine Trocknungsanlage für die in der Biogasanlage übrigbleibenden Gär-Reste und/oder eine Trocknungsanlage für die in der Pyrolyseanlage übrig bleibenden Pyrolyse-Reste.
Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung auch eine einfache Verbrennungsanlage, in der bei der Verbrennung keine elektrische Energie sondern lediglich Wärme-Energie erzeugt wird, und in der die getrockneten Gär-Reste und/oder die Pyrolyse-Reste - gegebenenfalls nach vorheriger gesteuerter Mischung dieser beiden Reste mit dem Ziel eines für die Verbrennung gerade noch ausreichenden Brennwertes - verbrannt werden können. Auf diese Verbrennungsanlage ist vorzugsweise eng benachbart zur Biogasanlage und/oder zu Pyrolyseanlage und/oder zum Kraft-Wärme-Erzeuger positioniert, ebenso wie die zuvor beschriebene Trocknungsanlage. Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung eine - insbesondere bevorzugt wiederum in räumlicher Nähe und eng benachbart positionierte - ORC-Anlage, in der die in den anderen Anlagen anfallende Wärmeenergie genutzt wird und teilweise in elektrische Energie umgewandelt wird. Die dabei verbleibende Rest-Wärme aus der ORC-Anlage wird - wiederum über entsprechende Leitungen - den zuvor erwähnten Anlagen, die Wärme- Energie zu ihrem Betrieb benötigen, zugeführt, insbesondere der Trocknungsanlage, den Reinigungsanlagen, der Verbrennungsanlage oder auch der Biogasanlage, in der Wärme zum Anfahren des Prozesses benötigt wird.
Die Vorrichtung umfasst ferner vorzugsweise einen Shredder, um den Misch- Müll auf eine vorgegebene maximale Partikelgröße zu zerkleinern, was die anschließende Separierung in verschiedene Fraktionen erleichtert sowie den hierfür notwendigen Separierer, wobei einer oder vorzugsweise beide eng benachbart zu Biogasanlage und/oder Pyrolyseanlage und/oder Trocknungsanlage angeordnet werden.
Da somit die erwähnten Anlagen meist zum Weiterverarbeiten unterschiedlicher anfallender Ausgangsstoffe gleichzeitig verwendet werden können, sind die Investitionskosten für die gesamte Vorrichtung relativ gering. Durch die eng benachbarte Anordnung aller Anlagen zueinander wird die Anzahl und Länge der benötigten Förderervorrichtungen wie Rohrleitungen, elektrischen Leitungen, Feststoff-Förderern und Ähnlichem gering gehalten, und dadurch auch der anfallende Wartungsaufwand gering gehalten. c) Ausführungsbeispiele
Ausführungsformen gemäß der Erfindung sind im Folgenden beispielhaft näher beschrieben. Es zeigen:
Fig.1 : das Grundkonzept gemäß der Erfindung,
Fig.2: eine demgegenüber erste Erweiterungsstufe, Fig.3: eine demgegenüber zweite Erweiterungsstufe,
Fig.4: eine demgegenüber dritte Erweiterungsstufe.
Das Grundkonzept innerhalb der in Figur 1 dargestellten Vorrichtung besteht darin, dass das in der Biogasanlage 3 erzeugte Biogas BG einerseits und das in der Pyrolyseanlage 5 erzeugte Pyrolysegas PG andererseits über entsprechende Gasleitungen einem Kraft-Wärme-Erzeuger 6 zugeführt wird, indem vorzugsweise daraus vor der Zuführung ein Misch-Gas MG erzeugt wird, welches mittels eines Mischers 13 aus den beiden erzeugten Gasen in einem definierten Mischungsverhältnis gemischt wird.
Das Mischungsverhältnis stellt der Mischer 13 nach Vorgabe einer nicht dargestellten zentralen Steuerung ein, die ihre Vorgabe ermittelt aufgrund der in den Leitungen für Biogas BG und Pyrolysegas PG angeordneten Sensoren 12, die insbesondere den Brennwert oder Energiegehalt dieser beiden Gase messen und an die Steuerung melden.
Ersatzweise oder zusätzlich kann stromabwärts des Mischers 13 in der Zufuhrleitung zum Kraft-Wärme-Erzeuger 6 ein weiterer derartiger Sensor 12 vorhanden sein.
In der Regel geht diesem Grundkonzept - wie in Figur 1 ebenfalls dargestellt - die Abtrennung der hierfür benötigten biologisch abbaubaren Fraktion bF und der thermisch verwertbaren Fraktion tF durch einen Separierer 2 aus dem Misch-Müll MM voraus, wobei dieser Misch-Müll MM vor dem Separierer 2 in aller Regel mittels eines Shredders 1 auf eine vorgegebene maximale Partikelgröße zerkleinert wird.
In der Regel wird dabei auch die stofflich verwertbare Fraktion sF ebenfalls aus dem Misch-Müll MM separiert, die in einer anschließenden Aufbereitungsanlage 9 zum Reinigen und/oder sortenreinen Trennen der stofflich verwertbaren Fraktion sF aufbereitet und danach meist verkauft werden.
Die verbleibende restliche Fraktion rF wird entweder einer Deponie 1 1 zugeführt oder ebenfalls abgegeben oder gar verkauft.
Hinsichtlich der Effizienzsteigerung ist als erste Optimierungsmaßnahme ebenfalls bereits in Figur 1 dargestellt, dass die vom Kraft-Wärme-Erzeuger 6 erzeugte Wärmeenergie wE - die erzeugte elektrische Energie eE wird in der Regel ins öffentliche Netz eingespeist, jedenfalls meist verkauft und nicht selbst genutzt - zumindest teilweise, aufgeteilt durch einen Verteiler 14, der von der zentralen Steuerung angesteuert wird, einer in der Nähe der Biogas- anläge 3 angeordneten Trocknungsanlage 4 zugeführt, in der die Gär-Reste GR aus der Biogasanlage getrocknet werden und gegebenenfalls auch - hier nicht dargestellt - Pyrolyse-Reste aus der Pyrolyse-Anlage.
Ein Teil dieser Wärme-Energie kann auch der Biogasanlage 3 zugeführt werden, falls diese Wärme-Energie benötigt, beispielsweise zum Anfang des Biogas-Erzeugung-Prozesses oder zum Betreiben der Biogasanlage nach gelagerter, hier nicht dargestellter Einrichtungen wie einem Biofilter für das anfallende Kondensat oder an die Umgebung zu entlastende Gase. Wie in Figur 2 dargestellt, ist demgegenüber in der von dem Kraft-Wärme- Erzeuger 6 wegführenden Leitung, in der Regel die Abgasleitung des als Kraft-Wärme-Erzeuger dienenden Verbrennungsmotors, eine ORC-Anlage 7 angeordnet, vorzugsweise stromaufwärts des Verteilers 14, die die ankommende Wärmeenergie wE teilweise in elektrische Energie umwandelt.
Die verbleibende ORC-Rest-Wärme stromabwärts der ORC-Anlage 7 wird wie zuvor beschrieben für die einzelnen Anlagen verwendet
Die Figuren 3 und 4 zeigen eine Erweiterung um eine Verbrennungsanlage 8, in der die trockenen Gär-Reste tGR und/oder die Pyrolyse-Reste verbrannt werden, um Wärmeenergie wE zu erzeugen, jedoch darüber hinaus weder mechanische Energie noch elektrische Energie.
Je nach wirtschaftlichen und technischen Randbedingungen kann die thermisch verwertbare Fraktion tF ganz oder teilweise statt der Pyrolyseanlage 5 zum Gewinnen von Pyrolysegas hieraus auch der Verbrennungsanlage 8. zugeführt werden, was jedoch in aller Regel eine geringerwertige Energieform eben in Form von ausschließlich Wärmeenergie wE ergibt.
Figur 4 zeigt die Erweiterung um eine solche vorgeschriebene Verbrennungsanlage 8 und deren mögliche Anwendung gegenüber einer bereits mit einer ORC-Anlage 7 ausgestatteten Vorrichtung gemäß Figur 2.
Bei der Lösung gemäß Figur 3 ist eine solche ORC-Anlage nicht vorhanden, und die von der Verbrennungsanlage 8 erzeugte Wärmeenergie wE wird wie die vom Kraft-Wärme-Erzeuger 6 abgegebene Wärmeenergie wE mit dieser zusammen teilweise in der Vorrichtung selbst verbraucht, wie zuvor beschrieben entweder in der Trocknungsanlage 4 und/oder der Pyrolyseanlage 5 und/oder eventuell einer vor Trocknungsanlage für den Misch-Müll oder die biologische abbaubare Fraktion bF, und der Rest anderweitig verwertet oder verkauft.
Die Aufteilung der Wärmeenergie wE wird durch den in Figur 3 dargestellten Verteiler 14 durchgeführt, der von der nicht dargestellten Zentralsteuerung aus angesteuert wird. BEZUGSZEICHENLISTE
1 Shredder
2 Separierer
3 Biogasanlage
4 Trocknungsanlage
5 Pyrolyseanlage
6 Kraft-Wärme-Erzeuger
7 ORC-Anlage
8 Verbrennungsanlage
9 Aufbereitungsanlage
10 Durchfluss-Richtung
1 1 Deponie
12 Sensor
13 Mischer
14 Verteiler bF biologisch abbaubare Fraktion tF thermisch verwertbare Fraktion sF stofflich verwertbare Fraktion rF restliche Fraktion
BG Biogas
PG Pyrolysegas
MG Mischgas
GR Gär-Rest
tGR trockener Gär-Rest
PR Pyrolyse-Rest eE elektrische Energie
wE Wärme-Energie

Claims

PATENTANSPRÜCHE
(Grundprinzip) 1. Verfahren zur Verwertung, insbesondere Energieerzeugung, von Misch- Müll (MM), insbesondere gemischtem Hausmüll (MM) durch
a) Abtrennen wenigstens der Fraktionen
- biologisch abbaubare Fraktion (bF)
- thermisch verwertbare Fraktion (tF)
aus dem Hausmüll (MM),
b) Erzeugung von Biogas (BG) aus der biologisch abbaubaren Fraktion (bF),
c) mittels thermischer Vergasung Erzeugung von Thermogas (TG), insbesondere Pyrolysegas (PG) aus der thermisch verwertbaren Fraktion (tF),
dadurch gekennzeichnet, dass
d) Biogas (BG) und Thermogas (TG) gemeinsam, insbesondere in Form eines Mischgases (MG) verbrannt werden unter Kraft-Wärme- Kopplung und dabei einerseits elektrische Energie (eE) und anderer- seits Wärme-Energie (wE) erzeugt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1.
dadurch gekennzeichnet, dass
Biogas (BG) und Thermogas (TG)vor der gemeinsamen Verbrennung in ei- nem solchen Verhältnis gemischt werden, dass
entweder
- das gesamte anfallende Biogas einerseits und das gesamte anfallende Thermogas (TG) andererseits ohne Zwischenspeicherung permanent verbrannt werden können, und zu diesem Zweck insbesondere die Zufuhr der biologisch abbaubaren Fraktion in die Biogas-
Erzeugung und/oder die Zufuhr der thermisch verwertbaren Fraktion zur Thermogas-Erzeugung entsprechend gesteuert wird,
und/oder - maximal so viel Thermogas (TG) zusammen mit dem Biogas verbrannt wird, dass gerade noch eine Verbrennung stattfindet.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
im Schritt b) das Biogas durch anaerobe Vergärung der biologisch abbaubaren Fraktion erzeugt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Kraft-Wärme-Kopplung realisiert wird durch Verbrennen von Biogas und Pyrolysegas, insbesondere des Mischgases in demselben Motor oder derselben Turbine, der/die einerseits einen Generator antreibt, welcher einerseits elektrische Energie und andererseits Wärme-Energie produziert.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
vor der gemeinsamen Verbrennung im Schritt d) das Biogas und/oder das Thermogas (TG) gereinigt und/oder entfeuchtet werden.
(Figur 1:)
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
- die bei der Biogas-Erzeugung entstehenden Gär-Reste (GR) getrocknet werden und aus den getrockneten Gär-Resten (tGR) ebenfalls Thermogas (TG), insbesondere zusammen mit der thermisch verwertbaren Fraktion, erzeugt wird und
- insbesondere die Trocknung der Gär-Reste mittels der Wärme- Energie aus der Kraft-Wärme-Kopplung bewirkt wird, insbesondere durch Vorwärmung der zur Trocknung und insbesondere einer dabei durchgeführten Aerobisierung verwendeten Luft.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
aus dem Hausmüll ferner
- die stofflich verwertbare Fraktion (sF)
und/oder
- die nicht verwertbare restliche Fraktion (rF)
abgetrennt werden.
(Figur 2:)
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
- die im Schritt d) erzeugte Wärme-Energie einem ORC-Prozess zugeführt wird, indem daraus einerseits elektrische Energie und anderer- seits ORC-Wärme-Energie erzeugt wird und
- insbesondere die ORC-Wärme-Energie zur Trocknung der Gär-Reste verwendet wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Wärme-Energie aus der Kraft-Wärme-Kopplung und/oder die stromabwärts des ORC-Prozesses noch vorhandene ORC-Wärme-Energie zur Trocknung der thermisch verwertbaren Fraktion verwendet wird vor der Erzeugung von Thermogas (TG) hieraus im Schritt c).
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die bei der Trocknung der Gär-Reste und/oder der thermisch wiederverwertbaren Fraktion entstehenden Gase vor deren thermischer Verwertung gerei- nigt werden, insbesondere von geruchsintensiven Stoffen und/oder Keimen, insbesondere in einem Biofilter. (Figur 3:)
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
- die bei der Erzeugung von Thermogas (TG), insbesondere Pyrolysegas (PG), entstehenden Thermo-Reste (TR), insbesondere Pyrolyse- Reste (PR) verbrannt werden und die Wärme-Energie aus dieser Verbrennung, insbesondere die in dem entstehenden Rauchgas enthaltene Wärme-Energie in gleicher Weise wie die Wärme-Energie aus der Kraft-Wärme-Kopplung und/oder die die stromabwärts des ORC-
Prozesses noch vorhandene ORC-Wärme-Energie verwendet werden, - insbesondere unter Entfernung von Staubanteilen aus dem dabei entstehenden Rauchgas. (Figur4:)
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Wärme-Energie aus dieser Verbrennung der Thermo-Reste (TR), insbe- sondere Pyrolyse-Reste, insbesondere die in dem entstehenden Rauchgas enthaltene Wärme-Energie, in einem ORC-Prozess genutzt wird, insbesondere zusammen mit der Wärme-Energie aus der Kraft-Wärme-Kopplung.
(Allgemein)
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Erzeugung von Biogas mittels der so genannten Trocken-Fermentation erfolgt, insbesondere im Batch-Betrieb.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
das bei der Erzeugung von Thermogas (TG) anfallende Kondensat und/oder das bei der Erzeugung von Biogas anfallende Kondensat gereinigt wird, ins- besondere von Keimen befreit wird, insbesondere mittels Aktivkohle und/oder unter Verwendung von Mikroorganismen.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die stofflich verwertbare Fraktion verkauft wird, insbesondere nach vorheriger Weiterverarbeitung zu werthaltigeren Einheiten, insbesondere unter Einschmelzen von metallischen Anteilen und/oder Kunststoffen, insbesondere sortenreinen Kunststoffen.
16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der gemischte Hausmüll vor dem Abtrennen von bestimmten Fraktionen vorbehandelt wird, insbesondere vorgetrocknet wird und/oder zerkleinert wird auf eine vorgegebene Maximal-Partikelgröße.
17. Vorrichtung zur Verwertung, insbesondere Energieerzeugung, von gemischtem Hausmüll, umfassend
eine Biogasanlage (3),
- eine Thermogasanlage (5), insbesondere Pyrolyseanlage (5),
- einen Kraft-Wärme-Erzeuger (6),
gekennzeichnet durch
einen Sensor (12), der in der Lage ist, ein vorgegebenes Mischungsverhältnis zweier Gasströme einzustellen.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Vorrichtung ferner umfasst
- einen Verteiler (13), in der Lage ist, einen Fluidstrom in einem vorgegebenen Verteilungsverhältnis in zwei Teilströme aufzuteilen, und/oder
- eine Trocknungsanlage (4) zum Trocknen von Gär-Resten (GR), und/oder
- eine ORC- Anlage (7) zur teilweisen Umwandlung von Wärme-Energie (wE) in elektrische Energie (eE),
und/oder
- eine Verbrennungsanlage (8) zum Verbrennen von getrockneten Gär- Resten (tGR).
19. Vorrichtung nach Anspruch 17 oder 18,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Vorrichtung ferner umfasst
- einen Shredder (1) zum Zerkleinern von Misch-Müll (MM)
und/oder
- einen Separierer (2) zum Separieren einzelner Fraktionen aus dem Misch-Müll (MM),
und/oder
- eine Aufbereitungsanlage (9) zum Aufbereiten einzelner Sorten der stofflich verwertbaren Fraktion (sF),
und/oder
- eine Deponie (11 ) zum Ablagern der restlichen Fraktion (rF).
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