DE2940689A1

DE2940689A1 - Verfahren zur energieerzeugung aus brennstoffen geringer qualitaet

Info

Publication number: DE2940689A1
Application number: DE19792940689
Authority: DE
Inventors: Louis Atwater Pradt
Original assignee: Sterling Drug Inc
Current assignee: STWB Inc
Priority date: 1978-10-12
Filing date: 1979-10-08
Publication date: 1980-04-24
Also published as: NL7907408A; FR2438628A1; JPS5594993A; GB2033366A; BE879247A

Description

— 3 —
STERLING DRUG INC., New York, USA

Verfahren zur Energieerzeugung aus Brennstoffen geringer Qualität

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Verbesserung bei der Energieerzeugung mit Hilfe einer neuen Kombination von Naßoxidations- und Biovergasungsverfahren, die auf organisches Material angewandt werden.

Mit der weltweiten Abnahme der Versorgung mit Brennstoffen hoher Qualität - wie Naturgas und Erdöl - besteht ein Bedürfnis, Quellen reichlich vorhandener fossiler Brennstoffe - wie Kohle, Lignit und Torf, sowie erneuerbare Brennstoffquellen, die allgemein als Biomasse bekannt sind, zu entwickeln. Die Bezeichnung "Biomasse" umfaßt auch Materialien - wie pflanzliche Bestandteile, pflanzliche Rückstände bzw. Rückstände von Nutzpflanzen, in der Landwirtschaft anfallender tierischer Mist, in der Stadt bzw. in Gemeinden anfallender Müll und Klärschlamm.

Es bestehen Probleme hinsichtlich der direkten Verwendung der obigen Brennstoffe. Im allgemeinen enthalten sie Wasser, das eine wirksame Verbrennung schwierig macht. Sie rufen Verschmutzungsprobleme bei direkter Verwendung hervor.

Zwei empfohlene Methoden für die Ausschaltung oder Minderung von einigen Problemen sind die Verwendung einer Naßoxidation, die beispielsweise in der US-PS 4 100 730 beschrieben wird, und eine als Biovergasung oder anaerobe Verdauung bekannte Technik, die zumindest einen Teil des organischen Materials in einen reinen gasförmigen Brennstoff überführt.

Diese beiden Techniken besitzen Nachteile. Bei der Naßoxidation ist die verwertbare Energie in einem Gasstrom enthalten, der eine

030017/0763

relativ niedrige Temperatur besitzt, da das Verfahren der Naßoxidation auf die kritische Temperatur des Wassers begrenzt ist. Gemäß allgemein bekannten Prinzipien der Thermodynamik führt diese Temperaturbegrenzung zu einer Einschränkung hinsichtlich der Wirksamkeit der Energiegewinnung. Es existiert auch, wenngleich ein. geringer, jedoch unvermeidbarer flüssiger Abstrom aus dem Naßoxidationssystem.

Die Biovergasung wandelt bestenfalls ca. 50% des organischen Materials in Brenngas um und es existiert ein zu verwerfender Rückstand.

Die US-PS 3 256 179 beschreibt ein Abwässerbehandlungsverfahren, bei dem man Klärschlamm einer rnaeroben Verdauung bzw. Faulung unterzieht, woran sich eine Nalioxidation anschließt, wobei die Naßoxidation derart reguliert wird, daß eine Verminderung hinsichtlich des chemischen Sauerstoffbedarfs (CSB) von weniger als 55% herbeigeführt wird. Der Zweck dieses Verfahrens beruht primär auf einer Abfallbeseitigung als auf einer Energiegewinnung. Bei dem Verfahren des genannten Patents wird die Naßoxidation bei Temperaturen ausgeführt, die in einem bevorzugten Bereich von 120° - 165 C liegen, wobei erhebliche Rückstände an organischen Peststoffen in der oxidierten Mischung entstehen, die dann einer Feststofftrennung durch Absetz- oder Filtrationstechniken unterzogen wird. Die erhaltene flüssige Phase wird dann zu der anaeroben Verdauungs- bzw. Faulungsstufe recyclisiert.

Die US-PS 3 060 118 betrifft die Naßoxidation von Klärschlamm, um den CSB des Schlamms von 60 auf 85% zu reduzieren. Der Naßoxidation geht ein Schlammabtrennverfahren voraus, das eine aerobe oder anaerobe Verdauung bzw. Faulung umfaßt. Der naßoxidierte Abfluß wird dem Schlammabsetzverfahren zurückgeführt, um als Nährmittel für die Mikroorganismen zu dienen. In der US-PS 3256179 wird in Spalte 1, Zeile 64-70 festgestellt, daß das System der US-PS 3 060 118 gut arbeitet, wenn die biologische Behandlung aerob erfolgt, daß jedoch der Abstrom des Naßoxidationsverfahrens des letztgenannten Patents ein relativ schlechtes Nährmedium für Faulschlammorganismen darstellt.

€30017/0763

Die US-PS 4 010 098 beschreibt ein Verfahren zur Behandlung * on festem Abfall und Klärschlamm, das die Stufen einer Naßoxidation des Schlamms zur Verminderung des CSB um 50 - 85% und einer anschließenden Vereinigung der Feststoffe aus der Naßoxidation mit dem ursprünglichen festen Abfall und einer Pyrolyse der vereinigten Feststoffe unter nicht oxidierenden Bedingungen umfaßt. Vor der Naßoxidation kann der Schlamm einer aeroben oder anaeroben Verdauung unterzogen werden.

Die US-PS 3 959 125 beschreibt ein Verfahren für die Wärmeentwicklung aus Klärschlamm bei 65 - 150°C ohne Luftzufuhr, woran sich eine biologische Verdauung anaerober und/oder aerober Art anschließt,.um einen für die Verteilung auf dem Land geeigneten, fluiden bzw. flüssigen Schlamm zu erhalten.

Ein Artikel mit der Bezeichnung "Effect of thermal pretreatment on digestibility and dewaterability of organic sludges" ("Effekt der thermischen Vorbehandlung im Hinblick auf die Verdaubarkeit und Entwässerungsfähigkeit organischer Schlämme") von Roger T. Haug, David C. Stuckey, James M. Gossett und Perry L. McCarty, Journal of Water Pollution Control Federation, Januar 1978, S. 73 - 85» beschreibt die Wirkung der thermischen Vorbehandlung von Klärschlamm, vorzugsweise bei 175°C, ohne Luftzufuhr im Hinblick auf die anschließende anaerobe Verdauung. Im Fall von aktiviertem Schlamm war die Gasbildung durch die Verdauung wesentlich verbessert.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Energiegewinnung mischt man organisches Material mit Wasser, um eine Aufschlämmung zu bilden, unterzieht diese Aufschlämmung einer Naßoxidation, um mehr als ca. 55g je Liter des chemischen Sauerstoffbedarfs dieser Aufschlämmung zu oxidieren, trennt man die nasse oxidierte Aufschlämmung in eine feste Asche und eine überstehende flüssige Phase auf, unterzieht diese überstehende flüssige Phase einer Biovergasung, trennt man das biovergaste Material in einen Abstrom und einen flüssigen Rückstand auf und gewinnt thermische oder mechanische Energie aus der Naßoxidationsstufe und Brenngas als Energiequelle aus der Biovergasungsstufe.

010 0 1 7 / CT7 BT

Gemäß einer speziellen Ausführungsform wird zumindest ein Teil des Abstroms und/oder des festen Rückstands aus der Biovergasungsstufe zu ein oder mehreren früheren Stadien des Verfahrens recyclisiert.

Es wird auf die beigefügte Zeichnung Bezug genommen, die ein Fließschema darstellt, das bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung zeigt.

Man schlämmt organisches Material 1 mit Wasser auf und unterzieht die erhaltene Aufschlämmung einer Naßoxidation 2, bei der mehr als 55 g/l des CSB entfernt werden. Der oxidierte Abstrom wird dann einer herkömmlichen anaeroben Verdauung in einem Biovergaser 3 unterzogen. Der Inhalt des Biovergasers wird in ein Absetzgefäß 4- überführt und in einen festen Rückstand und einen flüssigen Abstrom aufgetrennt. Man erhält Energie in Form eines heißen gasförmigen Abstroms aus der Naßoxidation und in Form von Brenngas, Methan etc., aus dem Biovergaser. Man kann eine wirksamere Energieerzeugung erhalten, wenn man die Produkte aus dem Biovergaser recyclisiert. Der Feststoffrückstand kann über die Leitung 5 zu dem Naßoxidationsreaktor zurückgeführt werden. Der flüssige Abstrom kann über die Leitung 6 zu der ursprünglichen Aufschlämmung des organischen Materials, um Nährmittel für die Biomasse zu bilden, oder über die Leitung 7 zu der Naßoxidationsstufe bzw. über die Leitung 8 zu dem oxidierten Abstrom von der Biovergasung recyclisiert werden. Auf diese Weise wird eine maximale Menge des CSB in wertvolle Energie überführt. Erforderlichenfalls kann ein Teil des in dem Biovergaser gebildeten Brennstoffs bei dem Naßoxidationssystem verwendet werden, um dessen Wirksamkeit zu erhöhen.

Die Naßoxidation findet vorzugsweise bei einer Temperatur zwischen 200 und 300 C und bei einem ausreichenden Druck, um eine wesentliche Menge des Wassers in flüssiger Phase zu halten und während einer ausreichenden Zeit, um eine Entfernung von mehr als ca. 55g/l des CSB zu bewirken, statt.

Das organische Material, das als letztendliche Quelle für die

030017/07«!

Energiegewinnung dient, kann irgendein Brennstoff niedriger Qualität sein, beispielsweise ein fossiler Brennstoff, wie Kohle, Lignit oder Torf; sowie eine Biomasse, die sich von pflanzlichem Leben oder Mikroorganismen ableitet, einschließlich Tiermist und Klärschlamm. Wird eine Biomasse verwendet, so ist eine Abänderung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendbar, bei der der Abstrom aus der Biovergasungsstufe als Nährmedium für die Biomasse verwertet wird, um hierdurch eine weitere Brennsooffquelle bei einem cyclischen Verfahren zu bilden.

Es gibt zahlreiche Unterschiede zwischen dem Verfahren der US-PS 3 256 179 und dem erfindungsgemäßen Verfahren, jedoch ist der signifikanteste Unterschied der, daß das frühere Verfahren auf eine Verminderung d'3S CSB des Schlamms um weniger als 55% während der Naßoxidationsstufe beschränkt ist. Der Oxidationsgrad, ausgedrückt als prozentuale Verminderung des CSB, ist anwendbar, wenn man Naßoxidationen der gleichen Materialarten vergleicht, im Fall dieser US-PS verdauten Klärschlamm. Diese Ausdrucksweise ist jedoch zweideutig und ungenau, wenn man verschiedene Arten an Beschickungsmaterialien, die für die Naßoxidation verwendet werden, vergleicht. Beispielsweise würde bei der Naßoxidation eines verdünnten Industrieabfalls bzw. Abwassers mit einem CSB von 10 g/l eine 55%ige Oxidation zu einer Entfernung von lediglich 5»5 g/l CSB führen. Die Naßoxidation einer konzentrierten Pulpen^bfallflüssigkeit mit einem CSB von 180 g/l, derart, daß 55% des CSB entfernt werden, würde zu einer Entfernung von 99 g/l CSB führen. Ein verdauter Schlamm kann als Material gekennzeichnet werden, das einen CSB von einem Minimum von ca. 30 g/l bis zu einem Maximum von ca. 100 g/l besitzt. Somit kann auch die Begrenzung der US-PS von weniger als 55% CSB-Entfernung ausgedrückt werden als eine CSB-Entfernung von weniger als etwa 55 g/l· Dieser Wert kann dann mit einer Naßoxidation im allgemeinen verglichen werden und ist nicht auf die Anwendung bei verdautem Klärschlamm beschränkt.

Die folgenden Beispiele erläutern die Erfindung.

030017/0763

- 8 Beispiel 1

Man stellt eine Mischung von 60 t Kohle und 40 t Klärschlammfeststoffen in Form einer Aufschlämmung her. Die Kohle besitzt einen Heizwert von 23 '+00 kJ/kg (10 000 BTU per pound) und die Klärschlammfeststoffe einen Heizwert von 14 000 kJ/kg (6 000 BTU per pound). Die Aufschlämmung enthält 760 t Wasser und 1^-7,4 t CSB entsprechend einem CSB von 180 g/l für die Aufschlämmung· Die Aufschlämmung wird einer Naßoxidation derart unterzogen, daß 150 g/l des CSB entfernt werden. Es werden ca. 530 t Luft zugeführt, um diese Naßoxidation durchzuführen. Es verbleiten 30 g/l des CSB in dem Abstrom aus der Naßoxidationseinheit. Man entfernt 20 t Asche aus der Naßoxidationseinheit zusammen mit ca. 20 t Wasser. Die verbliebene Aufschlämmung, die dem Biovergaser zugeführt wird, besitzt einen CSB von ca. 33 g/l· In dem Biovergaser werden 80% dieses CSB durch anaerobe Verdauung entfernt. 70% des CSB werden in gasförmigen Brennstoff übergeführt. Ca. 75% der Wärme der Naßoxidation werden als verwertbare Energie gewonnen, so daß in dem Gesamtsystem 1 113 Mill. kJ (1 O5O million BTU) aus der Naßoxidationseinheit und 204 Mill. kJ (196 million BTU) als Brennstoffwert in dem gasförmigen Brennstoff aus dem Vergaser gewonnen werden.

Bei der Durchführung des erfindtingsgemäßen Verfahrens is+· es, wenn zumindest ein Teil des organischen Materials als Biomasse zugeführt wird, möglich, anorganische Nährstoffe, wie Stickstoff, Phosphor, Kalium und Spurenmineralien, die in dem Abstrom aus dem Biovergaser vorliegen und für das Wachstum der Biomasse erforderlich sind, und aus dem die Biomasse erzeugendem System in die Biomasse selbst entfernt werden, zu gewinnen und zu retirkulie- ren. Es stellt ein Merkmal der Erfindung dar, daß diese Materialien zumindest teilweise zu dem die Biomasse bildenden System re zirkuliert werden können.

030017/0783

- 9 - Beispiel 2

Man mischt ca. 39 000 kg (86 000 lbs.) organisches Material mit 155 810 kg (344 000 lbs.) Wasser, um eine Aufschlämmung von 20% Peststoffen mit einem chemischen Sauerctoffbedarf von ca. 300g/l zu bilden. Diese Aufschlämmung wird einer Naßoxidation und Biovergasung wie in Beispiel 1 unterzogen. Bei der Naßoxidationsstufe werden ca. 120 g/l des CSB oxidiert, was zu einer
Bildung von verwertbarer Energie von 509 Mill.kJ (480 million
BTU) führt, wobei man von einer 75%igen Wirksamkeit ausgeht.
Der Abstrom von dieser Naßoxidationseinheit ist eine 12%ige
Aufschlämmung mit einem CSB von ca. 180 g/l. Diese Aufschlämmung wird auf einen CSB von ca. 60 g/l verdünnt, um für die Biovergasungsstufe geeigneter zu sein. In dem Biovergaser werden 80%
des CSB entfernt, wobei 75% des CSB in einen gasförmigen Brennstoff umgewandelt werden. Der Abstrom aus dem Biovergaser wird
einer Absetzvorrichtung zugeführt, in der der überstehende Teil recyclisiert wird, um die Beschickung zu dem Biovergaser zu verdünnen. Überschüssige überstehende Komponente kann auch zu dem Naßoxidationsreaktor recyclisiert werden. Die abgesetzten Feststoffe werden zu der Naßoxidationseinheit recyclisiert.

030017/07S3

Leerseite

Claims

Dr. F. Zumstein sen. - Or Ξ. Assronnn - Dr. ^R. Koenigsberger Dipl.-Phys. R. Holzbauer - Dipl.-irg. F. Klingseiser. - Dr. F. Zumstein jun. PATENTANWÄLTE 80OO München 2 Bräuhausstraße 4 Telefon SammelNr 22 5341 Telegramme Zumpat ■ Telex 52997Θ Case 4614 A Patentansprüche

1. Verfahren zur Energieerzeugung, dadurch gekennzeichnet, daß man organisches Material mit Wasser unter Bildung einer Aufschlämmung mischt, diese Aufschlämmung einer Naßoxidation derart unterzieht, daß man mehr als ca. 55g je Liter des chemischen Sauerstoffbedarfs dieser Aufschlämmung oxidiert, die naßoxidierte Aufschlämmung in eine feste Asche und eine überstehende flüssige Phase trennt, diese überstehende flüssige Phase einer Biovergasung unterzieht, das biovergaste Material in einen Abstrom und einen festen Rückstand auftrennt und verwertbare thermische oder mechanische Energie aus dem Naßoxidationssystem und Brenngas als Energiequelle aus der Biovergasungsstufe gewinnt.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil des Abstroms und/oder festen Rückstands aus der Biovergasungsstufe zur Naßoxidationsstufe recyclisiert wird.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil des organischen Materials eine Mikroorganismen enthaltende Biomasse ist und

D30Ö17/0763

daß zumindest ein Teil des Abstroms aus der Biovergasungsstufe zu der ursprünglichen Aufschlämmung des organischen Materials in Wasser recyclisiert wird, um die Bildung der Biomasse zu beschleunigen.

4. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil des Abstroms aus der Biovergasungsstufe vor der Biovergasung zu der oxidierten überstehenden flüssigen Phase recyclisiert wird.

030017/0763

ORIGINAL INSPECTED