DE19513832B4 - Verfahren zur Verwertung von Rest- und Abfallstoffen durch Kombination einer Wirbelschichtthermolyse mit einer Flugstromvergasung - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Verwertung von Rest- und Abfallstoffen durch Kombination einer Wirbelschichtthermolyse mit einer Flugstromvergasung
– wobei die Rest- und Abfallstoffe einem mittels Wirbelgas erzeugten und aufgeheizten, auf der Grundlage eines aus inertem Wirbelgut gebildeten Wirbelbett aufgegeben, in diesem auf Temperaturen zwischen 200 und 400 °C erhitzt und einer Thermolyse unterworfen werden, wobei versprödete feste sowie gasförmige Thermolyseprodukte gebildet werden,
– der grobkörnige Anteil des festen Thermolyseproduktes in den unteren Teil des Wirbelbettes gelangt und aus diesem ausgetragen wird,
– die staubförmigen und/oder feinkörnigen, versprödeten Anteile des festen Thermolyseproduktes zusammen mit dem Gemisch des aus dem Wirbelbett nach oben austretenden Wirbelgases und den gasförmigen Thermolyseprodukten über eine Verbindungsleitung direkt in eine Flugstromvergasungsstufe überführt werden.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verwertung von Rest- und Abfallstoffen durch Kombination einer Wirbelschichtthermolyse mit einer Flugstromvergasung.
• Die Rest- und Abfallstoffe können kohlenstoffhaltige Stoffe von fester, flüssiger, pastöser, schlammförmiger und/oder gasförmiger Art und unterschiedlicher Zusammensetzung und Herkunft sein. Sie sind unabhängig vom Grad ihrer Belastung mit Schwermetallen und toxischen organischen beziehungsweise chlororganischen Verbindungen einsetzbar. Insbesondere ist das Verfahren zur umweltgerechten Verwertung von Haus- und Gewerbemüll, von kunststoffhaltigen Industrieabfällen sowie von Klärschlämmen, Farbrückständen und von mit Ölen kontaminierten Abfällen geeignet.
• Es ist bekannt, Abfallstoffe, wie Hausmüll, die brennbare Bestandteile enthalten, zu verbrennen, wobei der Energieinhalt zur Erzeugung von Strom oder als Heizwärme genutzt wird sowie toxische organische Bestandteile zerstört und das zu deponierende Volumen drastisch reduziert werden.
• Weiterhin sind Kombinationen von Pyrolyse und Flugstromvergasung vorgeschlagen worden, bei denen die Pyrolyseprodukte nach Zwischenkühlung und entsprechender Zwischenaufbereitung der Vergasung zugeführt werden. Aus DE 35 29 740 C1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Vergasung von kohlenstoffhaltigen Abfällen, ggf. unter Zusatz von toxischen und hochtoxischen Abfällen, zu Synthesegas bekannt, wobei die Pyrolyseprodukte in einem Eisenbadreaktor vergast werden.
• Nachteilig an diesem Verfahren ist, dass es durch die Pyrolyse, welche zwischen 400 und 1 100 °C stattfindet, zur Entbindung mittlerer und schwerer Kohlenwasserstoffe sowie von Teeren kommt, wodurch Gas und Dämpfe in höherem Maße enstehen, als es notwendig ist.
• Die hohen Pyrolysetempereturen bewirken außerdem einen hohen Energieaufwand und damit geringe energetische Wirkungsgrade.
• Auch aus DE 42 09 549 A1 ist ein Verfahren zur thermischen Behandlung von Reststoffen bzw. zur Trennung und Verwertung von Metallverbunden mit organischen Anteilen mittels einer Kombination aus Pyrolyse und Vergasung bekannt, wobei die Reststoffe mittels einer Pyrolyse in eine Gas- und eine Feststoffphase getrennt werden und beide Produkte gemeinsam bei Temperaturen oberhalb von 1 300 °C zu einem Brenngas vergast werden. Auch dieses Verfahren hat den Nachteil, dass die Trennung von Gas- und Feststoffphase im Vordergrund steht, während eine abrasive Zerkleinerung der Teilchen in der Feststoffphase sowie deren Verkokung und Versprödung nicht angestrebt wird.
• Auch aus EP 0 523 815 A1 geht ein Verfahren zum Herstellen von Synthese- oder Brenngasen aus festen oder pastösen Rest- und Abfallstoffen oder minderwertigen Brennstoffen in einem Vergasungsreaktor hervor, bei dem die Vergasung der im Drehrohr erzeugten Pyrolyseprodukte in der Weise erfolgt, dass die Feststofffraktion als festes zu vergasendes Chargiergut dem Vergasungsreaktor aufgegeben und die Gasfraktion ggf. nach einem Kondensationsschritt ebenfalls dem Vergasungsreaktor aufgegeben wird. Dieser Stand der Technik weist den Weg, Rest- und Abfallstoffe durch eine Pyrolyse in gas- bzw. dampfförmige und feste Fraktionen zu trennen, diese abgetrennten Fraktionen weiterzubehandeln und dann gemeinsam einem Vergaser zuzuführen. Eine Versprödung sowie eine schonende Zerkleinerung der Feststofffraktion ist nicht vorgesehen.
• Auch dieses Verfahren hat den Nachteil, dass durch die Zielstellung, gasförmige und dampfförmige Pyrolyseprodukte sowie eine feste Fraktion zu gewinnen und diese zu trennen, ein zusätzlicher verfahrenstechnischer Schritt erforderlich ist, wobei der Energieeintrag unnötig hoch ist.
• Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, den Stand der Technik zu verbessern und ein Verfahren zur umweltfreundlichen Verwertung von Rest- und Abfallstoffen zu entwickeln, die organische Bestandteile enthalten und mit toxischen Komponenten belastet sein können, bei dem die Rest- und Abfallstoffe zunächst nicht mit dem Ziel einer Trennung in dampfförmige und feste Fraktionen thermisch behandelt werden.
• Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des ersten Patentanspruches gelöst.
• Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens wider.
• Nach dem vorgeschlagenen Verfahren werden die festen, flüssigen, pastösen, schlammförmigen und/oder gasförmigen Rest- und Abfallstoffe durch Kombination einer Wirbelschichtthermolyse mit einer Flugstromvergasung verwertet. Durch die Thermolyse im Wirbelschichtreaktor soll eine Versprödung der Rest- und Abfallstoffe bei niedrigen Temperaturen zwischen 200 – 400 °C stattfinden, wobei im wesentlichen nur permanente Gase und keine kondensierbaren höheren Kohlenwasserstoffe wie Schweröle und Teere entbunden werden. Das versprödete Material unterliegt durch die Wirbelbettbewegung teilweise einer gewünschten Zerkleinerung. Dazu werden die Rest- und Abfallstoffe einem aufgeheizten Wirbelbett aufgegeben. Das Wirbelbett wird dadurch erzeugt, dass ein feinkörniges Bettmaterial von einem Wirbelgas durchströmt wird, wobei – wie dem Fachmann bekannt – die Geschwindigkeit des Wirbelgases so gewählt wird, dass sich eine Wirbelschicht ausbildet. Staubförmige und/oder feinkörnige feste Thermolyseprodukte werden zusammen mit dem Gemisch des aus dem Wirbelbett nach oben austretenden Wirbelgases und der gas- und dampfförmigen Thermolyseprodukte über eine Verbindungsleitung in eine Flugstromvergasungsstufe überführt. Grobkörnige Anteile des festen Thermolyseproduktes sinken in der Wirbelschicht nach unten und werden aus dem unteren Teil des Wirbelbettes ausgetragen. Das direkte Einführen der Thermolyseprodukte, die nicht voneinander getrennt werden, in die Flugstromvergasungsstufe hat den Vorteil, dass sich keine Kondensate bilden können, und die Wärmeverluste gering bleiben. Im Flugstromvergaser werden sie unter Zugabe eines freien Sauerstoff enthaltenden Vergasungsmittels zu einem wasserstoff- und kohlenmonoxidreichen, von Kohlenwasserstoffen freiem Rohgas umgesetzt, wobei die anorganischen Bestandteile der der Flugstromvergasung zugeführten Materialien in eine schmelzflüssige Schlacke überführt und nach anschließender Kühlung in Form eines verglasten Schmelzgranulates gewonnen werden.
• Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen darin, dass mit der erfindungsgemäßen kombinierten Behandlung der Rest- und Abfallstoffe in einer Wirbelschichtthermolyse und in einer Flugstromvergasung stückige Materialien ohne aufwendige mechanische Vorbehandlung, also nur grob zerkleinert und gleichzeitig pastöse, staubförmige, flüssige Stoffe und/oder andere verunreinigte Stoffe eingesetzt werden können.
• Weiterhin hat das vorgeschlagene Verfahren den Vorteil, dass die entstehenden Thermolyseprodukte nicht getrennt werden müssen, bevor sie zur Flugstromvergasungsstufe gelangen und durch die direkte Zuleitung in die Flugstromvergasung auch keine unnötige Abkühlung erfahren.
• Die Thermolyse in der Wirbelschicht ist, wie dem Fachmann auch aus vielen anderen Prozessen in der Wirbelschicht bekannt ist, mit einem erheblichen Abrieb- und Zerkleinerungseffekt für das in das Wirbelbett eingetragene Material verbunden. Ein wesentlicher Teil der eingetragenen festen Rest- und Abfallstoffe wird deshalb bei der Thermolyse in ein staubförmiges oder feinkörniges festes Thermolyseprodukt umgewandelt, das zusammen mit den entbundenen gas- und dampfförmigen Thermolyseprodukten von austretendem Wirbelgas unmittelbar in die Flugstromvergasungsstufe überführt wird. Ein anderer Teil bleibt in stückiger bzw. grobkörniger Form und sinkt im Wirbelbett nach unten. Es wird jedoch unter den Bedingungen der Thermolyse einen spröden Zustand überführt, der sehr günstige Bedingungen für eine weitere mechanische Aufbereitung des aus dem unteren Teil des Wirbelbettes ausgetragenen Grobgutes bietet. In der Regel wird deshalb dieser grobkörnige Anteil des festen Thermolyseproduktes, ggf. nach Abtrennung von Metallfraktionen und/oder Inertmaterialfraktionen einer Zerkleinerung unterworfen und das zerkleinerte Produkt in das Wirbelbett der Thermolysestufe zurückgeführt oder direkt in die Flugstromvergasungsstufe eingeführt.
• Die totale Vergasung, das heißt der praktisch restlose Umsatz des organischen Materials zu einem brennbaren Gas, bleibt der Flugstromvergasungsstufe vorbehalten. Das ermöglicht, die Temperaturen für die Thermolyse in der Wirbelschicht im Vergleich mit üblichen Pyrolyseverfahren relativ niedrig zu halten.
• Als Vorteil der erfindungsgemäßen Kombination von Thermolyse in der Wirbelschicht und Flugstromvergasung erweist sich, dass die Zwischenkühlung der direkt einzutragenden Thermolyseprodukte und die damit verbundenen Energieverluste entfallen und damit auch die schwierige Behandlung der gasförmigen und vor allem der sonst kondensierenden, mit Wasser und Staub vermischten Kohlenwasserstoffe, wie Schweröle und Teere.
• Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass die in der Wirbelschichtthermolyse entstehenden Gase und Dämpfe, die mit diesen ausgetragenen feinkörnigen Feststoffen sowie das rückgeführte, aus dem Bettaustrag nach Metallabscheidung und Mahlung gewonnene Gemisch aus versprödetem organischen Material und anorganischen Rückständen in der Flugstromvergasung mittels Sauerstoff einer vollständigen Vergasung bei Temperaturen zwischen 1 300 und 1 700 °C unterzogen wird. Dabei werden alle organischen Verbindungen, einschließlich chlororganischer Verbindungen, wie Dioxine und Furane, unter Bildung von Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid vollständig zerstört. Das vorhandene Chlor wird dabei in Chlorwasserstoff überführt. Die stark reduzierend wirkende Atmosphäre verhindert eine Neubildung von Dioxinen und Furanen in der Kühlstufe. Ein weiterer wesentlicher Vorteil ist die vollständige Überführung der mineralischen Bestandteile der Einsatzstoffe in schmelzflüssige Schlacke, die in der Kühlzone erstarrt und als Granulat von glasartiger Struktur ausgetragen wird. Der eingetragene Schwefel wird zum überwiegenden Teil zunächst in Schwefelwasserstoff umgewandelt, der wiederum mit Schwermetallen, besonders mit den kritischen leichtflüchtigen Schwermetallen, praktisch unlösliche und ungiftige Schwermetallsulfide bildet, die aus dem Prozesswasser durch Filtration abgetrennt werden. Der restliche Schwefelwasserstoff wird aus dem Rohgas nach bekannten Verfahren abgetrennt und daraus verkaufsfähiger Elementarschwefel gewonnen. Nichtflüchtige Schwermetalle werden auslaugfest in das verglaste Granulat eingebunden.
• Die Wärmezufuhr für die Thermolysestufe kann, wie bei Wirbelschichten bekannt, direkt oder indirekt erfolgen.
• Es entspricht der Erfindung, wenn mindestens ein Teil des Wirbelgases ein durch Verbrennung eines Brenngases erzeugtes heißes Rauchgas ist, dessen Wärmeinhalt mindestens einen Teil der für die Aufheizung des Wirbelbettes auf die für die Thermolyse ausreichende Temperatur benötigten Energie deckt. Das Brenngas kann dabei ein Teil des in der Flugstromvergasungsstufe erzeugten Gases sein. Es ist vorteilhaft, das erfindungsgemäße Verfahren so zu gestalten, dass die Wärmezufuhr zum Wirbelbett sowohl indirekt als auch über die Zuführung eines heißen Rauchgases, das durch Verbrennung eines Teils des in der Flugstromvergasungsstufe erzeugten Gases erzeugt wird, erfolgen kann.
• Erfindungswesentlich ist weiterhin, dass ein Teil des aus dem unteren Teil des Wirbelbettes ausgetragenen grobkörnigen Anteiles des festen Pyrolyseproduktes einer Zerkleinerung unterworfen wird. Vorteilhaft ist es, wenn die Zerkleinerung auf eine Korngröße von < 1 mm erfolgt. Weiterhin kann es vorteilhaft sein, Metallfraktionen und/oder Inertmaterialfraktionen aus dem grobkörnigen Anteil des festen Thermolyseproduktes zu entfernen, bevor der verbleibende Teil einer Zerkleinerung unterworfen wird. Das zerkleinerte feste Thermolyseprodukt kann in das Wirbelbett zurückgeführt werden, wonach es in die Flugstromvergasungsstufe gelangt. Es ist aber auch denkbar, dass das zerkleinerte feste Thermolyseprodukt direkt der Flugstromvergasung zugeführt wird.
• Erfindungswesentlich ist, dass die Rest- und Abfallstoffe einer Vorzerkleinerung auf eine maximale Stückgröße von 40 mm unterworfen werden, bevor sie dem Wirbelbett zur Thermolyse aufgegeben werden.
• Als Bettmaterial für die Wirbelschicht kann die feinkörnige Fraktion des Schmelzgranulates aus der Flugstromvergasungsstufe Anwendung finden. Die Rest- und Abfallstoffe werden in der Regel mit einer geeigneten Beschickungsvorrichtung oberhalb der Wirbelschicht in dem der Thermolyse dienenden Raum eingebracht, also von oben dem Wirbelbett aufgegeben. Obwohl es nicht zwingend ist, erweist es sich vielfach als vorteilhaft, die Rest- und Abfallstoffe und das Bettmaterial getrennt in den der Thermolyse dienenden Raum einzubringen.
• Das der Flugstromvergasungsstufe zugeführte, freien Sauerstoff enthaltende Vergasungsmittel kann aus der Gruppe technischer Sauerstoff, Luft, Gemisch von Sauerstoff mit Wasserdampf und/oder Kohlendioxid und Gemische von Sauerstoff mit Stickstoff ausgewählt werden.
• Sowohl die Thermolyse als auch die Flugstromvergasung können unter erhöhtem Druck erfolgen.
• Reststoffe, die bereits in einer für die Flugstromvergasung geeigneten fließfähigen Form vorliegen, können auch direkt der Flugstromvergasungsstufe zugeführt werden.
• Das erfindungsgemäße Verfahren soll im Folgenden anhand der 1 an einem Ausführungsbeispiel erläutert werden:
• 1 zeigt die Wirbelschichtstufe 1 und die nächgeschaltete Flugstromstufe 2. Das Bettmaterial 3 besteht aus Feingranulat, das aus dem Quenchraum 4 der Flugstromstufe 2 stammt. Durch Rauchgas aus der Brennkammer 5 und durch Zuführung von freien Sauerstoff entfaltendem Wirbelgas 6 wird die Wirbelschicht 7 gebildet und beheizt. Die vorzerkleinerten Rest- und Abfallstoffe werden über einen Beschicker 8 oberhalb der Wirbelschicht 7 zugeführt. Dabei laufen die gewünschten Reaktionen ab. Zurückbleibende grobstückige Rückstände werden über den Bettaustrag 9 ausgeschleust, zerkleinert, von Metallen befreit und erneut der Wirbelschichtstufe 1 oder in staubförmiger Form der Flugstromstufe 2 über eine separate Zuführung zugeleitet. Die aus der Wirbelschicht 7 nach oben austretenden Gase, Dämpfe und Stäube werden über ein Verbindungsrohr 10 der Flugstromstufe 2 zugeführt, wo sie nach Zuführung eines freien Sauerstoff enthaltenden Vergasungsmittels 11 durch pastielle Oxidation vollständig vergast werden. Das dabei entstehende Rohgas, das frei von Kohlenwasserstoffen ist, strömt gemeinsam mit den eingeschmolzenen anorganischen Bestandteilen in den Quenchraum 4, wobei die flüssige Schlacke granuliert.

1

Wirbelschichtstufe

2

Flugstromstufe

3

Bettmaterial

4

Quenchraum der Flugstromstufe

5

Brennkammer

6

Reaktionsgas

7

Wirbelschicht

8

Beschicker für Rest- und Abfallstoffe

9

Bettaustrag

10

Verbindungsrohr

11

Vergasungsmittel

12

Schlackegranulat

13

Sauerstoff/Luft

14

Vergasungsreingas

15

Rest- und Abfallstoffe

Claims (19)

1. Verfahren zur Verwertung von Rest- und Abfallstoffen durch Kombination einer Wirbelschichtthermolyse mit einer Flugstromvergasung – wobei die Rest- und Abfallstoffe einem mittels Wirbelgas erzeugten und aufgeheizten, auf der Grundlage eines aus inertem Wirbelgut gebildeten Wirbelbett aufgegeben, in diesem auf Temperaturen zwischen 200 und 400 °C erhitzt und einer Thermolyse unterworfen werden, wobei versprödete feste sowie gasförmige Thermolyseprodukte gebildet werden, – der grobkörnige Anteil des festen Thermolyseproduktes in den unteren Teil des Wirbelbettes gelangt und aus diesem ausgetragen wird, – die staubförmigen und/oder feinkörnigen, versprödeten Anteile des festen Thermolyseproduktes zusammen mit dem Gemisch des aus dem Wirbelbett nach oben austretenden Wirbelgases und den gasförmigen Thermolyseprodukten über eine Verbindungsleitung direkt in eine Flugstromvergasungsstufe überführt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die für die Thermolyse benötigte Wärmeenergie direkt oder indirekt dem Wirbelbett zugeführf wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Wirbelgas aus Verbrennungsgas oder einem Gemisch aus Verbrennungsgas und aus der Flugstromvergasung rückgeführtem Vergasungsgas besteht.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischung aus Verbrennungsgas und rückgeführtem Vergasungsgas so eingestellt wird, dass die Temperatur des Wirbelbettes die für die Thermolyse notwendige Höhe von 200–400°C erreicht.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das rückgeführte Vergasungsgas vor Eintritt in die Thermolysestufe aufgeheizt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil der für die Aufheizung des Wirbelbettes auf die für die Thermolyse ausreichende Temperatur benötigten Energie durch indirekte Wärmezufuhr über Heizflächen gedeckt wird.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil des aus dem unteren Teil des Wirbelbettes ausgetragenen grobkörnigen Anteils des festen Thermolysproduktes einer Zerkleinerung unterworfen wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zerkleinerung auf eine Korngröße von < 1 mm erfolgt.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem aus dem unteren Teil des Wirbelbettes ausgetragenen grobkörnigen Anteil des festen Thermolyseproduktes Metallfraktionen und/oder Inertmaterialfraktionen abgetrennt werden, bevor der verbleibende Teil der Zerkleinerung unterworfen wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das zerkleinerte feste Thermolyseprodukt in das Wirbelbett zurückgeführt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das zerkleinerte feste Thermolyseprodukt der Flugstromvergasungsstufe zugeführt wird.
12. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Rest- und Abfallstoffe einer Vorzerkleinerung auf eine maximale Stückgröße von etwa 40 mm unterworfen werden, bevor sie dem Wirbelbett zur Thermolyse aufgegeben werden.
13. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass als Bettmaterial eine feinkörnige Fraktion des Schmelzgranulates der Flugstromvergasung verwendet wird.
14. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Rest- und Abfallstoffe dem Wirbelbett von oben aufgegeben werden.
15. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Rest- und Abfallstoffe und das Bettmaterial an getrennten Stellen dem Wirbelbett zugeführt werden.
16. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das der Flugstromvergasungsstufe zugeführte, freien Sauerstoff enthaltende Vergasungsmittel aus einer Gruppe technischer Sauerstoff, Luft, Gemischen von Sauerstoff mit Wasserdampf und/oder Kohlendioxid und Gemischen von Sauerstoff mit Stickstoff ausgewählt wird.
17. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass Thermolyse und Flugstromvergasung unter erhöhtem Druck erfolgen.
18. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich Reststoffe, die in einer für die Flugstromvergasung geeigneten fließfähigen Form vorliegen, direkt der Flugstromvergasung zugeführt werden.
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzlichen Reststoffe Flugstäube aus Müllverbrennungsanlagen darstellen.