DE19745422A1 - Integriertes Verfahren zur Verwertung von Abfall - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein integriertes Verfahren zur Verwertung von Abfall insbesondere von Siedlungsabfällen mit einem originären oder durch Zumi­ schung erzielten Anteil biogenem Material.

Es sind bereits Verfahren bekannt, um Abfall mechanisch-biologisch oder thermisch zu behandeln. Die biologischen Verfahren werden als "kalte" Ver­ fahren eingestuft, weil die auftretenden Temperaturen unter 100°C liegen. Die thermischen Verfahren gelten als "heiße" Verfahren, weil bei ihnen Tem­ peraturen bis über 2000°C auftreten.

Das Ziel der mechanisch-biologischen Verfahren ist es, durch biologischen Abbau organischer Inhaltsstoffe verbunden mit dem mechanischen Abtren­ nen verwertbarer oder direkt ablagerbarer Inertstoffe entweder endlagerfähi­ ges Material oder Sekundärbrennstoffe mit Einschluß von Biogas bzw. Kom­ poste zu erzeugen und damit die Deponiebelastung wesentlich zu verrin­ gern.

Bekannt sind Rotteverfahren, bei denen die biogenen Abfallinhaltsstoffe aerob abgebaut werden. Man unterscheidet Low-Tech- und High-Tech- Verfahren, je nachdem, ob die Rotte offen oder in geschlossenen Behältern durchgeführt wird. Durch geschlossene Verfahren kann die Rottezeit erheb­ lich verkürzt werden. Weiter bekannt sind Vergärungsverfahren, bei denen ein anaerober Abbau der organischen Materialien unter Bildung von Biogas erfolgt.

Im allgemeinen zielen die aerob-biologischen Verfahren auf einen möglichst hohen Abbaugrad des biogenen Materials oder aber auf einen so geringen Restfeuchtegehalt, daß eine biologische Stabilisierung des behandelten Ab­ falls vorliegt und ein lagerfähiges Produkt oder ein Sekundärbrennstoff erhal­ ten wird. Die zuletzt genannte Zielstellung wird mit dem Herhof- Trockenstabilatverfahren und dem Pelox-Bioconversionsverfahren verfolgt. Beide Verfahren führen den aerob-biologischen Prozeß in geschlossener Intensivrotte durch, wobei der Trocknungseffekt durch Zufuhr von Luft mit Umgebungstemperatur, gegebenenfalls Umluft oder Abluft, ausschließlich unter Ausnutzung der entstehenden biologischen Wärme erreicht wird. Wäh­ rend das Herhof-Trockenstabilatverfahren hierfür eine Rottezeit von 7 bis über 10 Tage benötigt und dabei einen Restfeuchtegehalt von minimal 14,6 Ma-% und einen Abbaugrad der organischen Trockensubstanz von ca. 8 Ma-% (Wiemer, K., u. a.: Mechanisch-biologische Restabfallbehandlung nach dem Trockenstabilatverfahren, M.I.C. Baeca-Verlag, Witzenhausen, 1995, S. 45-73), werden nach dem Pelox-Bioconversionsverfahren nach einer kürze­ ren Intensivrotte, vorzugsweise 3 Tage, und einer längeren Nachrotte Rest­ feuchtegrade von wenig unter 20% erhalten (Rückriem, W.,u. Glück, W., Ökologische Stoffverwertung, Berichte der Fördergemeinschaft Ökologische Stoffverwertung e.V. Halle(Saale), 1 (1996), S. 10-17) verbunden mit höhe­ ren Abbaugraden der organischen Trockensubstanz von ca. 18% (Hiecke, J., Untersuchungen zur Konditionierung von Restabfällen, Diplomarbeit, TU Dresden, 1997).

Bei den thermischen Verfahren wird der Abfall in eine deponierbare oder weiter zu behandelnde bzw. zu verwertende Asche oder Schlacke überführt, wobei im allgemeinen Energie erzeugt wird. In der Regel erfolgt die thermi­ sche Abfallbehandlung in den Stufen Trocknung, Entgasung, Schwelung (Pyrolyse), Vergasung und Verbrennung, wobei je nach der Zielstellung des Verfahrens nicht alle Stufen durchlaufen werden müssen. Es sind zahlreiche Verfahren zur thermischen Abfallbehandlung bekannt, wozu die Verbren­ nung in der Wirbelschicht sowie Kombinationsverfahren aus Pyrolyse und Flugstromvergasung oder Pyrolyse und Hochtemperaturvergasung zählen. Die Behandlungstemperatur bei den thermischen Verfahren liegt in der Re­ gel zwischen 1000°C und über 2000°C. Es ist auch vorgeschlagen worden, die thermische Behandlung durch Vergasung in feuchter Atmosphäre bei Temperaturen bis 800°C durchzuführen (Az 196 40 473.89).

Mit den Verfahren der thermischen Abfallbehandlung gelingt es, die Forde­ rungen der Technischen Anleitung Siedlungsabfall (TASi) bezüglich eines Glühverlustes von kleiner als 5% zu erfüllen. Jedoch sind diese Verfahren deutlich kostenaufwendiger als die mechanisch-biologischen. Der Energie­ verbrauch für die Verfahrensführung bei der thermischen Abfallbehandlung liegt in der Regel bei bis zu 80% oder mehr des im Abfall vorliegenden Energiepotentials. Da der Abfall meist sehr feucht ist, wird ein beträchtlicher Teil der nutzbaren Energie des Mülls für die Verdampfung des anhaftenden Wassers und für die Reinigung der Abgase sowie die Konditionierung der Aschen oder Schlacken verbraucht.

Es ist auch in Erwägung gezogen worden, mechanisch-biologische Verfah­ ren der Abfallbehandlung mit thermischen zu kombinieren. Doch wird dieser Weg allgemein verworfen, weil er gegenüber der thermischen Verwertung als nachteilig angesehen wird, da er teurer sei und jedenfalls keine Vorteile bringe (J. Bohlmann, AJ 6/96, S. 20-22).

Diskutiert worden sind auch folgende Kombinationen (Th. Saure u. a., Müll­ magazin 3/1996, S. 61-66):

• - Der Abfall wird mechanisch getrennt, die heizwertarme Fraktion wird biologisch behandelt und abgelagert, die heizwertreiche Fraktion wird parallel thermisch behandelt oder
• - der Abfall wird mechanisch getrennt, die heizwertarme Fraktion wird bio­ logisch behandelt und anschließend gemeinsam mit der heizwertreichen Fraktion thermisch behandelt.

Allen diesen Varianten der Verfahrenskombination ist gemeinsam, daß sie eine Behandlung mit Sauerstoffüberschuß vorsehen und zwar in mehrstufi­ gen, meistens örtlich getrennt ablaufenden Verfahren, zwischen denen kei­ ne oder nur eine geringe Rückkopplung besteht. Die Verfahren weisen ins­ gesamt einen hohen Energieverbrauch auf, wobei die thermische Verfahren gegenüber den vorzugsweise biologischen als teurer eingeschätzt werden, die letzteren aber einen hohen bis sehr hohen Zeitaufwand erfordern, der bis zu mehreren Monaten für den gesamten Mülldurchlauf betragen kann.

Der in Anspruch 1 genannten Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein in­ tegriertes Verfahren zur Verwertung von Abfall zu schaffen, das durch direk­ te Kombination von Behandlungsschritten synergistische Effekte bewirkt, wodurch bei minimalem Kostenaufwand eine umweltverträgliche Abfallbe­ handlung erreicht wird, die wesentlich kostengünstiger ist als die bekannten Lösungen und sehr viel schneller zum Ziel führt.

Dieses Problem wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspru­ ches 1 gelöst.

Überraschend wurde nämlich gefunden, daß ein minimaler biologischer Ab­ bau des im Abfall vorhandenen oder zugegebenen biogenen Materials aus­ reicht, um den Müll in einen Zustand zu versetzen, in dem er bereits durch warme Luft auf einen gewünschten Endfeuchtegehalt weitergetrocknet wer­ den kann, wodurch er für die anschließende Weiterverarbeitung z. B. in ei­ nem Festbettvergaser geeignet ist. Dazu reicht ein Abbau der biologisch ak­ tiven Anteile um 1 bis 2%, bezogen auf die Trockenmasse, aus. Dadurch ergibt sich unerwartet die Möglichkeit zu erreichen, daß das Ener­ giepotential des Mülls praktisch unangetastet bleibt, der spezifische Ener­ giegehalt, ausgewiesen als Heizwert, aber stark steigt.

Es ist weiter von Vorteil, daß der Müll durch die auf diese Weise erfolgte Trocknung so konditioniert ist, daß nach dieser sowohl eine mechanische Abtrennung von Wertstoffen und Inertmaterialien ohne Heizwert, wie Metal­ len, Gläsern und Mineralien, als auch von heizwertreichen Materialien, wie Kunststoffen, problemlos durchgeführt werden kann. Dadurch gelingt es, das Material nicht nur in seinen mechanischen Eigenschaften zu homogenisie­ ren, sondern auch in seinem Heizwert zu vereinheitlichen. Es ist besonders vorteilhaft, wenn der Heizwert des durch die Behandlung erhaltenen Produk­ tes zwischen 12 und 15 MJ/kg liegt.

Es ist vorteilhaft, die Trocknung bereits bei einem Feuchtegehalt von 25 Masse-% Wasser abzubrechen, da die anschließende Vergasung Wasser als Reaktionsmedium erfordert. Eine Trocknung bis zu einem Endfeuchtege­ halt von 20% ist unschädlich.

Um die gewünschten vorteilhaften Eigenschaften zu erreichen, wird durch die Apparatur, die in einer oder zwei Stufen ausgeführt sein kann, vom Müll­ austritt her auf 50 bis 75°C vorgewärmte Luft eingeleitet und so durch die Apparatur geleitet, daß sie sich bis zur Mülleintrittstelle auf 35 bis 40°C ab­ gekühlt hat, aber zu 90 bis 100% mit Wasser gesättigt ist. In der Zone der stärksten biologischen Reaktion kann sich der Müll bis auf über 60°C er­ wärmen. Die geforderte Temperatur von 35 bis 40°C und die Sollfeuchte von 90 bis 100% am Luftaustritt kann durch Veränderung der Luftströ­ mungsgeschwindigkeit, der Lufteintrittstemperatur und der Geschwindigkeit der Abfallzugabe geregelt werden.

Es ist vorteilhaft, die Trocknungsbehälter als Rohrreaktoren auszugestalten, die mit variabler Geschwindigkeit langsam um ihre Längsachse drehbar sind. Die Rotationsgeschwindigkeit soll zwischen 2 und 60 Umdrehungen pro Stunde einstellbar sein. Insbesondere für sehr feuchten Abfall ist es vorteil­ haft, zwei Reaktoren hintereinander zu schalten, wobei nach Durchtritt des Materials durch den ersten Reaktor die mechanische Abtrennung der inerten bzw. hochkalorischen Materialien erfolgt. Bei Durchführung der Trocknung in einer Stufe, wie es bei weniger feuchtem Müll vorteilhaft ist, erfolgt die mechanische Abtrennung der oben genannten Materialien nach der Trocknung.

Das auf die beschriebene Weise behandelte Material wird direkt oder nach einer Zwischenlagerung, die in der Regel 100 Stunden nicht überschreiten soll, in einem Vergasungsreaktor vergast. Das erzeugte Schwachgas wird energetisch genutzt. Besonders vorteilhaft ist eine motorische Nutzung zur Erzeugung von Strom und Wärme. Die erzeugte Wärme wird ganz oder teilweise zur Vorwärmung der Luft für die Verwendung in der Trocknungsap­ paratur genutzt.

Die Erfindung wird durch folgende Anwendungsbeispiele näher erläutert.

Beispiel 1

In eine zweistufige Trocknungsanlage mit zwei Röhrentrocknern wurden stündlich 1000 kg eines Gemisches aus 750 kg eines kommunalen Mülls (Siedlungsabfall) und 250 kg eines Klärschlammes eingetragen. Der ver­ wendete Siedlungsabfall hatte die typische Zusammensetzung eines Abfalls, aus dem durch Getrenntsammlung Wertstoffe und Bioabfälle großenteils entfernt wurden. Die erhaltene Mischung hatte einen Wassergehalt von 47,5% und einen durchschnittlichen Heizwert von 7,6 MJ/kg. Der in den er­ sten Trockner im Gegenstrom zum durchgesetzten Müllgemisch eintretende Luftstrom hatte eine Temperatur von 50°C, der austretende Luftstrom hatte eine Temperatur von 38°C, die relative Feuchte der beladenen Luft betrug 97%, entsprechend einem Wasserdampfpartialdruck von 6,4 kPa. Ausgetra­ gen wurden 855 kg vorgetrockneter Abfall mit einem Wassergehalt von 40%. Der Abbau der organischen Masse, ermittelt aus den Glühverlusten vor und nach der Behandlung, betrug 10kg, d.s. 1,9% bezogen auf die Trockenma­ sse. Nach dieser ersten Trocknungsstufe wurden mechanisch durch Siebung und durch Magnet- bzw. Wirbelstromabscheider 80 kg Inertmaterialien (Gesteine, Metalle), bezogen auf den 1000 kg - Stundendurchsatz, entfernt.

Die Restmenge von 775 kg wurde in dem zweiten Röhrentrockner in einem Luftstrom mit einer Eintrittstemperatur von 70°C bis auf eine Endfeuchte von 25% weitergetrocknet. Aus der stündlich durchgesetzten Mischung wurden nach einer Trocknungszeit von insgesamt 50 Stunden 580 kg eines Materials mit einem Heizwert von 14,2 MJ/kg erhalten, das direkt in einen Festbettvergaser eingegeben wurde. Es wurde in an sich bekannter Weise ein Schwachgas mit einem stündlichen Energiefluß von 7300 MJ/h erhalten, dessen energetische Nutzung in einem Gasmotor 730 kWh/h Strom und 950 kWh/h Wärme erbrachten. Nach der Vergasung verblieben stündlich 95 kg einer Asche.

Beispiel 2

In eine zweistufige Trocknungsanlage mit zwei Röhrentrocknern wurden stündlich 1000 kg eines Gemisches aus 500 kg eines kommunalen Mülls und 500 kg eines Klärschlammes eingetragen. Die Mischung hatte einen Wassergehalt von 60% und einen durchschnittlichen Heizwert von 4,9 MJ/kg. Der in den ersten Trockner im Gegenstrom zum durchgesetzten Müllgemisch eintretende Luftstrom hatte eine Temperatur von 55°C, der austretende Luftstrom hatte eine Temperatur von 35°C und eine relative Feuchte von 99%, entsprechend einem Wasserdampfpartialdruck von 5,6 kPa. Ausgetragen wurden 720 kg vorgetrockneter Abfall mit einem Wasser­ gehalt von 45%. Der Abbau der organische Masse, ermittelt aus den Glüh­ verlusten vor und nach der Behandlung, betrug 7 kg, d.s. 1,75% bezogen auf die Trockenmasse. Nach dieser ersten Trocknungsstufe wurden mecha­ nisch durch Siebung und durch Magnet- bzw. Wirbelstromabscheider 55 kg Inertmaterialien (Gesteine, Glas, Metalle), bezogen auf den 1000kg - Stun­ dendurchsatz, entfernt. Die Restmenge von 665 kg wurde in einem zweiten Röhrentrockner in einem Luftstrom mit einer Eintrittstemperatur von 75°C bis auf eine Endfeuchte von 24% weitergetrocknet. Aus der stündlich durch­ gesetzten Mischung wurden nach einer Trocknungszeit von insgesamt 80 Stunden 460 kg eines Materials mit einem Heizwert von 12,5 MJ/kg erhalten, das nach 12-stündiger Zwischenlagerung an Luft in einen Festbettvergaser eingegeben wurde. Es wurde ein Schwachgas erhalten, das bezogen auf eine stündliche Eingabe von 460 kg einen Energiefluß von 5300 MJ/h lieferte und dessen energetische Nutzung in einem Gasmotor 540 kWh/h Strom und 690 kWh/h Wärme erbrachte. Nach der Vergasung verblieben stündlich 80 kg einer Asche.

Beispiel 3

In eine einstufige Trocknungsanlage wurden stündlich 1000 kg eines Sied­ lungsabfalls mit einem Wassergehalt von 35% eingegeben. Der Heizwert dieses Mülls betrug 9,8 MJ/kg. Der in den Trockner im Gegenstrom zum durchgesetzten Müll eintretende Luftstrom hatte eine Temperatur von 60°C, der austretende Luftstrom hatte eine Temperatur von 40°C und eine relative Luftfeuchtigkeit von 90%, entsprechend einem Wasserdampfpartialdruck von 6,6 kPa. Ausgetragen wurden nach einer Trocknungszeit von 20 Stun­ den 805 kg getrockneter Müll mit einem Wassergehalt von 20%. Der Abbau der organischen Substanz betrug 7,5 kg, ermittelt aus den Glühverlusten vor und nach der Behandlung, d.s. 1,1% bezogen auf die Trockenmasse. Nach der Trocknung wurden zunächst durch Siebung 60 kg eines hochkalorischen Müllanteils, hauptsächlich Kunststoffreste, sodann, wie schon beschrieben, 95 kg Inertmaterialien entfernt. Es verblieben 650 kg behandelter Müll mit einem Heizwert von 13,3 MJ/kg. Das Material wurde nach kurzer Zwischen­ lagerung von weniger als 5 Tagen in einem Festbettvergaser zu einem Schwachgas vergast, wobei ein stündlicher Energiefluß von 7900 MJ/h rea­ lisiert wurde. Die energetische Nutzung in einem Gasmotor lieferte 810 kWh/h Strom und 1030 kWh/h Wärme. Es verblieben stündlich 120 kg einer Asche.

Claims (11)

1. Integriertes Verfahren zur Verwertung von Abfall, insbesondere von Siedlungsabfällen, mit einem originären oder durch Zumi­ schung erzielten Anteil von biogenem Material und einem Feuchtegehalt von 35 bis 60% Wasser, dadurch gekennzeichnet, daß der Abfall durch Zufuhr von strömender Warmluft bei Temperaturen zwi­ schen 35°C und 75°C auf eine Restfeuchte von 20 bis 25% Wassergehalt getrocknet, im Anschluß daran mit Luft vergast, das entstehende Schwach­ gas energetisch genutzt und anfallende Abwärme ganz oder teilweise zur Trocknung eingesetzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trocknung in 20 bis 100 Stunden, vorzugsweise in 20 bis 50 Stunden, in erwärmter strömender Luft durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Trocknungsapparatur im Gegenstrom zu dem kontinuierlich durch­ gesetzten Abfall 50 bis 75°C heiße Luft eingeleitet und so durch die Appara­ tur getrieben wird, daß die austretende Luft eine Temperatur von 35°C bis 40°C und eine relative Feuchte von 90% bis 100% besitzt.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Trocknung in ein oder zwei zur Horizontalen flach geneigten Reaktoren durchgeführt wird, durch die Müll und Luft im Gegenstrom zueinander gelei­ tet werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der eine oder die zwei röhrenförmigen Trocknungsbehälter langsam um ihre Längsachse rotieren, vorzugsweise mit einer variablen Rotationsgeschwin­ digkeit von 2 bis 60 Umdrehungen in der Stunde.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ausführung der Trocknung mit nur einem Trocknungsbehälter aus dem behandelten Material nach Durchlaufen des Behälters Inertstoffe wie Metal­ le und Gesteine und hochkalorische Anteile wie Kunststoffe ausgesondert werden.

7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ausführung der Trocknung mit zwei Trocknungsbehältern die Aussonde­ rung der in Anspruch 6 genannten Materialien nach Durchlaufen des ersten Behälters erfolgt.

8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der vorbehandelte Abfall direkt oder nach kurzer Zwischenlagerung mit Luft zu einem Schwachgas vergast und dieses Gas motorisch genutzt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Trocknung nicht mehr als 2% der Trockenmasse des Abfalls, vor­ zugsweise 1 bis 2%, biologisch abgebaut werden.

10. Verfahren nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die bei der motorischen Nutzung des Schwachgases nach Anspruch 8 anfal­ lende Abwärme ganz oder teilweise zur Vorwärmung der zur Trocknung nach Anspruch 1 bis 5 eingesetzten Luft verwendet wird.

11. Verfahren nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der eingesetzte Abfall einen Mindestanteil von 12% biogenen Stoffen enthält und seine Feuchte gegebenenfalls durch Zumischung von feuchtem Material oder Wasser auf einen Wassergehalt von mindestens 35% eingestellt wird.