DE19906061A1 - Vorrichtung zur schadstoffarmen Verbrennung nichtfossiler Brennstoffe - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur schadstoffarmen Verbrennung vorzugsweise nachwachsender Brennstoffe, mit einer Brennkammer, der ein Heißgaszyklon, ein Hochtemperaturwärmetauscher einer mit äußerer Wärmezufuhr arbeitenden, der Stromerzeugung dienenden Wärmekraftmaschine und weitere Wärmetauscher zur Abwärmenutzung nachgeschaltet sind. DOLLAR A Der Nachteil bisheriger Anlagen, eine aufwendige Abgasreinigung zu benötigen, wird dadurch vermieden, daß die Brennkammer als Pulsationsreaktor ausgebildet ist, der Schwermetalle in der Klärschlammasche bindet und daß die Wärmekraftmaschine vorzugsweise ein Stirlingmotor mit nachgeschaltetem Verbrennungsluftvorwärmer ist, in dem die Rauchgase rasch abgekühlt werden, wodurch eine Rekombination von gasförmigen Bestandteilen derselben verhindert wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur schadstoffarmen Verbrennung nicht fossiler Brennstoffe, insbesondere nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Klärschlamm fällt als Reststoff in Kläranlagen an, wobei wegen der steigenden Anschlußzahlen und durch erhöhte Reinigungsleistungen die absoluten Mengen steigen. Der nichtentwässerte Klärschlamm wird heute zum Teil zur Düngung landwirtschaftlicher Flächen verwendet. Ein Teil desselben wird entwässert und deponiert oder verbrannt.

Das Ausbringen des Klärschlammes auf landwirtschaftlich genutzte Flächen geht mengenmäßig ständig zurück, weil hohe Auflagen zur Vermeidung von unbeabsichtigten Kontaminationen die Landwirte verunsichern.

Das Deponieren des Schlammes wird ab dem Jahre 2005 verboten. Bis dahin gelten die Übergangsregeln der Technischen Anleitung Siedlungsabfall (TASi). Das Mineralisieren des Klärschlammes vor dem Deponieren wird dann Pflicht.

Das Verbrennen des Klärschlammes in Kohlekraftwerken ist, weil bis zu 25% Klärschlammzusatz eine Neubeantragung der Betriebsgenehmigung nicht erforderlich ist, relativ preiswert. Der Energiegewinn ist allerdings gering, da beim Verbrennungsprozeß die Verdampfungswärme für das im Klärschlamm enthaltene Wasser aufgebracht werden muß.

Das Verbrennen von Klärschlamm in Abfallverbrennungsanlagen ist erheblich teurer. Klärschlamm muß in diesen Anlagen verbrannt werden, wenn sein Schadstoffgehalt die in der Klärschlammverordnung festgelegten Grenzwerte übersteigt.

Es gibt erste Ansätze, für eine dezentrale Verwertung von Klärschlamm. Dabei wird der Klärschlamm getrocknet und anschließend verschwelt. Das bei diesem Vorgang entstehende Schwachgas wird in Zündstrahlmotoren zur Erzeugung von elektrischer Energie verwendet. Dieser Weg ist energetisch nicht besonders günstig, weil sowohl beim Verschwelvorgang, als auch bei der Verbrennung des Schwelgases, Energie verloren geht. Das bedeutet, daß der Schlamm bis zu einem Trockensubstanzgehalt von ca. 35% mechanisch vorentwässert werden muß, bevor er in die Trocknungsstufe gelangt. Diesen Wert muß die mechanische Entwässerung demnach zuverlässig erreichen, was mit herkömmlichen Dekantern nicht der Fall ist. Außerdem sind teure Einrichtungen zum Eliminieren der Schadstoffracht im Abgas erforderlich.

In der deutschen Offenlegungsschrift DE 44 40 603 A1 wird eine Vorrichtung zur schadstoffarmen Verbrennung vorzugsweise nachwachsender Brennstoffe beschrieben, mit einer Brennkammer, der ein Heißgaszyklon, ein Hochtemperaturwärmetauscher einer mit äußerer Wärmezufuhr arbeitenden, der Stromerzeugung dienenden Wärmekraftmaschine und weitere Wärmetauscher zur Abwärmenutzung nachgeschaltet sind.

Die bei dieser Schrift verwendete Brennkammer arbeitet mit Unterdruck, was sich nachteilig auf die Abgassituation auswirkt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, mit der nachwachsende Brennstoffe schadstoffarm und kostengünstig verbrennbar sind.

Die Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1. Die Verbrennung des Klärschlammes ist besonders wichtig, da dieser in großer Menge anfällt, eine erhebliche Schadstoffbelastung aufweisen kann und wegen seines hohen Gehalts an organischen Bestandteilen in Zukunft nicht mehr deponiert werden darf.

Der Pulsationsreaktor führt infolge der schockartigen Verbrennung ohne Zusatzaufwand zur Zerlegung der flüchtigen organischen Schadstoffe, wie Dioxine und Furane, in deren Ausgangsstoffe. Durch deren schnelle Abkühlung in einem Hochtemperaturwärmetauscher des Stirlingmotors und in dem Verbrennungsluftvorwärmer wird eine Rekombination derselben verhindert.

Die pulsierende, hochturbulente Verbrennung im Pulsationsreaktor führt darüberhinaus zu einer eluationsfesten Fixierung der Schwermetalle des Klärschlammes in der Klärschlammasche, die im Heißgaszyklon abgeschieden wird und problemlos entsorgt oder verwertet werden kann (z. B. als Zusatz zu Zement oder Beton).

Der Stirlingmotor gestattet die Ausnutzung der heißen Rauchgase zur Stromerzeugung und bewirkt dadurch die Unabhängigkeit von Fremdenergie. Darüber hinaus wird ein erheblicher Anteil des erzeugten Stromes in das Netz abgegeben, der so zur Kostendeckung beiträgt. Es sind aber auch Dampf oder Heißgasturbinen zur Stromerzeugung denkbar, vor allem wenn höhere Leistungen gefragt sind. Demgegenüber eignet sich die Kombination Pulsationsreaktor plus Stirlingmotor in erster Linie für dezentrale Klärschlammverbrennungsanlagen geringerer Leistung.

Die Trocknung des Klärschlammes erfolgt mittels der Abwärme des Stirlingmotors und der Kühlluft des luftgekühlten Aschesilos. Dies geschieht durch unmittelbares Beaufschlagen der im Klärschlammtrockner lose gelagerten feuchten Klärschlammpellets mit dieser Kühlluft und mit dem aus dem Verbrennungslufivorwärmer kommenden Rauchgas.

Durch den Dekanter, der dem Klärschlammtrockner vorgeschaltet ist, wird der Gehalt an Trockensubstanz im Klärschlamm von ca. 10% auf ca. 25 bis 30% erhöht und damit die zum Trocknen erforderliche Wärmemenge auf einen energetisch interessanten Wert herabgesetzt. Durch Mischen von vorgetrocknetem und getrocknetem Klärschlamm wird eine pelletierfähige Masse erzeugt, die sich zum Trocknen im Klärschlammtrockner eignet.

Dadurch, daß der Dekanter und der Klärschlammtrockner eine Trocknungskapazität aufweisen, die den mittleren Bedarf an getrockneten Pellets übersteigt, wird ein Überschuß an trockenen Pellets erzeugt, der in einem Silo zwischengelagert und bei Heizwärmebedarf verfeuert wird.

Wenn ein Gaswäscher für die bei der Klärschlammtrocknung anfallenden Brüden und für das abgekühlte Rauchgas vorgesehen ist, werden sämtliche festen, flüssigen und gasförmigen Fremd- und Schadstoffe aus diesen Gasen entfernt.

Von Vorteil ist auch, daß eine biologische Kläranlage, - vorzugsweise eine biologische "Sequencing Batch Reactor (SBR) Anlage" -, für das Waschwasser aus dem Gaswäscher und für das Wasser aus dem Dekanter vorgesehen ist. Dadurch wird sauberes Brauchwasser erzeugt, das u. a. für den Gaswäscher verwendet wird. Der dabei anfallende Klärschlamm wird dem Dekanter zugeführt.

Die Anlage besitzt eine vollautomatische Steuerung, die z. B. auch den Anteil der Abwärme, die zu Heizzwecken dient, bedarfsabhängig variiert.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung schematisch dargestellt ist.

Es zeigen:

Fig. 1 Ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 2 ein Schaltschema der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Gemäß dem Blockschaltbild Fig. 1 wird der Klärschlamm mechanisch entwässert, getrocknet und zwischengespeichert. Durch Verbrennung des getrockneten Klärschlamms wird Wärme erzeugt und die dabei anfallende Asche gespeichert. Die Wärme wird direkt in mechanische Energie und durch einen angekoppelten Generator in elektrische Energie überführt. Die im Prozeß anfallende Restwärme wird für die Trocknung des Klärschlammes verwendet. Nebenprozesse dieses Verwertungsablaufes sind die Aufbereitung des mechanisch abgetrennten Wassers und der Brüden, die Behandlung des Abgases und die Einspeisung der elektrischen Energie in das öffentliche Netz.

Die Vorrichtung weist folgende Komponenten auf:

• - Dekanter oder Ähnliches zur mechanischen Entwässerung des Klärschlammes auf einen Trockensubstanz (TS) - Gehalt größer 25%,
• - Trocknungsvorrichtung, vorzugsweise ein Schachtrieseltrockner, der mit der Abwärme aus dem Stirlingprozeß und der in der Asche gespeicherten Wärme betrieben wird,
• - Speicher für den getrockneten Klärschlamm,
• - Pulsationsreaktor zur Verbrennung des Klärschlammes,
• - Abscheidevorrichtung, vorzugsweise ein Heißgaszyklon,
• - Silo für Klärschlammasche,
• - Stirlingmotor, der mit den heißen Verbrennungsgasen des Pulsationsreaktors betrieben wird, mit Generator,
• - Die Vorrichtung für die Netzeinspeisung,
• - ggf. ein Abgaswäscher, der mit Brauchwasser aus der Kläranlage betrieben wird und
• - Biologische Kläranlage, z. B. Eine SBR-Anlage zur Aufbereitung des Abwassers aus der Vorentwässerung und dem Abgaswäscher.

Das Schaltschema der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt Fig. 2. Ein Gebläse 1a saugt Verbrennungsluft über einen Verbrennungsluftwärmetauscher 20 und ein weiteres Gebläse 1b Klärschlammstaub aus der Mühle 2 an. Beide Medien gelangen in den Pulsationsreaktor 3, wo sie sich mischen und pulsierend verbrennen. Bei diesem pulsierenden Verbrennungsvorgang werden alle nicht flüchtigen und ein Teil der flüchtigen Schwermetalle an die Feststoffmatrix der Klärschlammasche gebunden. Dioxine sowie Furane werden in ihre Ausgangsstoffe gespalten. Die hierfür erforderlichen Prozeßparameter, Partikelgröße, Temperatur und Aufendhaltszeit, werden vorgegeben.

Im Heißgaszyklon 4a wird die Klärschlammasche (Flugasche) abgeschieden und im wärmeisolierten Aschesilo 4 gespeichert, wo sie über den Ascheabzug 15 zur Verwertung abgezogen werden kann. Sie ist ein feines Pulver mit hydraulischen Eigenschaften, das z. B. als Zusatzmittel zur Herstellung von Beton ohne weitere Verarbeitungsschritte verwendbar ist.

Das heiße Rauchgas von ca. 800 bis 1000°C wird durch einen Hochtemperaturwärmetauscher 11a des Stirlingmotors 11 und den Verbrennungsluftvorwärmer 20 geleitet und gibt dort ca. 80% der Energie ab. Dabei kühlt das Rauchgas so schnell auf ca. 160 bis 180°C ab, daß eine Rückbildung der beim Verbrennungsprozeß aufgespaltenen gasförmigen Luftschadstoffe weitgehend unterbunden wird. Durch die Kombination von Pulsationsreaktor 3 und Stirlingmotor 11 gelingt es somit, einen Großteil der Schadstoffe des Klärschlamms zu zerstören oder auszuscheiden, ohne daß dazu besondere Einrichtungen erforderlich wären.

Das Rauchgas des Prozesses wird nach Abkühlung im Verbrennungsluftvorwärmers 20 mit der Kühlluft, die die Wärme von der Kaltseite 11b des Stirlingmotors 11 abführt und das Aschesilo 4 kühlt, zusammengeführt und durch ein Trocknergebläse 12 in den mit Klärschlammpellets gefüllten Klärschlammtrockner 10 geleitet. Die Pellets werden in einer Vorrichtung, die aus einem Mischer 9 mit Pelletierer und einer Mühle 2 besteht, auf einen vorgegebenen Wassergehalt durch Zuführung von trockenen, gemahlenen Klärschlammpellets konditioniert. Diese stammen entweder aus dem Klärschlammtrockner 10 oder aus dem Pelletsilo 17 und werden mit einer Fördereinrichtung 18 der Mühle 2 zugeführt. Der Klärschlamm kann entweder über die Klärschlammzuleitung 5 und einem Dekanter 6, der den Schlamm auf einen TS-Gehalt größer 25%, vorzugsweise auf 30% entwässert, einem Klärschlammspeicher 7 zugeführt werden, oder, sofern entwässerter Klärschlamm mit einem TS-Gehalt von ca. 30% vorliegt, über eine Klärschlammzuführung 5a direkt in den Klärschlammspeicher 7 gegeben werden. Von dort wird der Klärschlamm in den Mischer 9 gepumpt.

Der aus dem Klärschlammtrockner 10 austretende feuchtigkeitsbeladene Rauchgasstrom kann direkt in einen Abluftkamin 13 oder über einen Abluftwäscher 13a geleitet werden. Dort kondensieren die Brüden. Im Rauchgasstrom enthaltene Stoffe gehen in Lösung über und vorhandene Stäube werden abgeschieden. Das Waschwasser 8 wird zusammen mit dem Abwasser 8a aus der mechanischen Entwässerung in einer biologischen Abwasserbehandlungsanlage aufbereitet. Ein Teilstrom des gereinigten Wassers 19 dient der Abluftwäsche. Der in dieser Anlage anfallende Klärschlamm wird in den Dekanter 6 zurückgeführt.

Die Vorrichtung ist für einen energetischen Gleichgewichtszustand ausgelegt, d. h. alle im Klärschlamm enthaltene Energie wird für den Betrieb des Stirlingmotors 11 und für die Klärschlammtrocknung verwendet. Dieser Idealzustand wird aber praktisch nicht erreicht. Die Abhängigkeit von äußeren Bedingungen wird offenkundig, wenn im Winter ein Teil der Wärme im Heizkreislauf 14 ausgekoppelt wird. Dazu wird ein Pelletsilo 17 für getrocknete Klärschlammpellets in die Vorrichtung eingebunden, in dem die dem Klärschlammtrockner 10 verlassenden und momentan für den Prozeß nicht benötigten Klärschlammpellets zwischengespeichert werden.

Dieses Vorgehen ermöglicht auch den Ausgleich von jahreszeitlich bedingten Schwankungen der Qualität der Input- und Qutputströme. Dabei fungiert das Silo 17 als Zwischenspeicher, b. z. w. als quasi Energiespeicher.

Der erzeugte elektrische Strom wird in den Netzanschluß 16 eingespeist.

Bezugszeichenliste

1

a Gebläse

1

b weiteres Gebläse

2

Mühle

3

Pulsationsreaktor

4

Aschesilo

4

a Heißgaszyklon

5

Klärschlammzuleitung

5

a Klärschlammzuführung

6

Dekanter

7

Klärschlamm Speicher

8

Waschwasser

8

a Abwasser

9

Mischer

10

Klärschlammtrockner

11

Stirlingmotor

11

a Hochtemperaturwärmetauscher

11

b Kaltseite

12

Trocknergebläse

13

Abluftkamin

13

a Abluftwäscher

14

Heizkreislauf

15

Ascheabzug

16

Netzanschluß

17

Pelletsilo

18

Fördereinrichtung

19

gereinigtes Wasser

20

Verbrennungsluftvorwärmer

Claims (9)

1. Vorrichtung zur schadstoffarmen Verbrennung vorzugsweise nachwachsender Brennstoffe, mit einer Brennkammer, der ein Heißgaszyklon, ein Hochtemperaturwärmetauscher einer mit äußerer Wärmezufuhr arbeitenden, der Stromerzeugung dienenden Wärmekraftmaschine und weitere Wärmetauscher zur Abwärmenutzung nachgeschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der nachwachsende Brennstoff Klärschlamm, die Brennkammer ein Pulsationsreaktor (3), die Wärmekraftmaschine vorzugsweise ein Stirlingmotor (11), der erste weitere Wärmetauscher ein Verbrennungslufivorwärmer (20) und der zweite weitere Wärmetauscher ein Klärschlammtrockner (10) ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Heißgaszyklon (4a)und das vorzugsweise luftgekühlte Aschesilo (4) eine Einheit bilden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Klärschlammtrockner (10) ein Schachtrieseltrockner ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Klärschlammtrockner (10) ein Dekanter (6) mit einem Klärschlammspeicher (7) und ein Mischer (9) mit Pelletierer vorgeschaltet und ein Silo (17) für getrocknete Klärschlammpellets nachgeschaltet sind.

5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß der Dekanter (6) und der Klärschlammtrockner (10) eine Trocknerkapazität aufweisen, die den mittleren Bedarf an getrockneten Klärschlammpellets übersteigt.

6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gaswäscher (13) für die bei der Klärschlammtrocknung anfallenden Brüden und für das abgekühlte Rauchgas vorgesehen sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine biologische Kläranlage, vorzugsweise eine SBR-Anlage, für das Waschwasser aus dem Gaswäscher (13) und dem Wasser aus dem Dekanter (6) vorgesehen ist.

8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Anteil der Abwärme, der Heizzwecken dient, variierbar ist.

9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung eine vollautomatische Steuerung aufweist.