DE3503069A1

DE3503069A1 - Indirekt beheizter drehtrommelreaktor, dessen verwendung und pyrolyseverfahren

Info

Publication number: DE3503069A1
Application number: DE19853503069
Authority: DE
Inventors: Kurt 8062 Markt Indersdorf Kugler
Original assignee: ENVIRONMENT PROTECTION ENG
Current assignee: ENVIRONMENT PROTECTION ENG
Priority date: 1985-01-30
Filing date: 1985-01-30
Publication date: 1986-07-31

Description

PRINZ, LEISER, BUNKER PARTNER.

Patentanwälte European Patent Attorneys

München ^ / Stuttgart

30. Januar 1985

Environment Protection
Engineers Ltd.

3000 Town Center
Suite 2530

Southfield, Michigan 48075 /V.St.A.

Unser Zeichen: E 1288

Indirekt beheizter Drehtrommelreaktor, dessen Verwendung und Pyrolyseverfahren

Die Erfindung betrifft einen mittels eines strömenden Wärmeträgers indirekt beheizten Drehtrommelreaktor mit einem drehbar gelagerten antreibbaren Mantelrohr und mit mehreren, innerhalb des Mantelrohrs angeordneten Rohren oder Rohrabschnitten, die Verwendung eines solchen Drehtrommelreaktors für die Pyrolyse sowie ein Verfahren zur Pyrolyse von Abfallstoffen unter Verwendung eines solchen Drehtrommelreaktors.

Sowohl direkt als auch indirekt beheizte Drehtrommelreaktoren bzw. Drehrohrofen sind seit langem bekannt (vgl. z.B. üllmanns Enzyklopädie der technischen Chemie, 4. Auflage, Bd. 3, Seiten 415 bis 432, Verlag Chemie GmbH, Weinheim .1973) . Für die meisten Verwendungszwecke werden

Drehtrommelreaktoren benutzt, die ausschließlich von außen direkt oder indirekt beheizt werden und die im Inneren des Mantelrohrs entweder überhaupt keine oder aber nur solche Einbauten aufweisen, die dem Fördern des umzusetzenden Guts, also der Steuerung des Durchsatzes, dienen. Aus der DE-AS 28 21 825 ist beispielsweise ein indirekt beheizter Pyrolyse-Drehtrommelreaktor bekannt, bei dem sich das Mantelrohr kegelstumpfförmig verjüngt und bei dem sich auf der Innenseite des Mantelrohrs ein schraubenförmiger Streifen befindet, der einen gleichmäßigen Füllgrad und eine optimale Ausnutzung und Durchsatzleistung des Reaktors gewährleistet.

Da die bekannten indirekt beheizten Drehtrommelreaktoren mit Rauchgasen von außen beheizt werden, ist der Wärmeübergang sowohl durch Konvektion als auch durch Strahlung vom gasförmigen Wärmeträger auf die Trommelwand und von der Trommelwand auf das umzusetzende Gut generell schlecht. Dabei ist eine hohe Temperaturdifferenz zwisehen dem Rauchgas und der Trommel erforderlich. Bei der Pyrolyse beträgt diese Temperaturdifferenz üblicherweise etwa 200 bis 600 K. Dadurch sind lokale Überhitzungen und damit unerwünschte Nebenprodukte durch Erreichen oder überschreiten der Aromatisierungstemperatur unvermeidbar. Der ohnhin schlechte Wärmeübergang verschlechtert sich weiter mit abnehmender Schüttdichte des umzusetzenden Guts und mit zunehmendem Füllungsgrad des Reaktors. Besonders bei hohem Füllgrad des Reaktors erhitzt sich nur eine verhältnismäßig dünne Schicht, die unmittelbar an der Wand des Mantelrohrs anliegt oder die freiliegt und Strahlungsenergie aufnehmen kann, auf die gewünschte Temperatur, während die von der Innenwand des Mantelrohrs entfernteren und die durch anderes Material abgedeckten Schichten des umzusetzenden Guts nur wenig Wärme aufnehmen. Um die sich hieraus ergebenden Probleme zu meistern, war man gezwungen, den Füllgrad der bekannten Drehtrommelreaktoren möglichst niedrig zu halten und,

um eine ausreichende Verweilzeit des umzusetzenden Gutes innerhalb des Reaktors zu erreichen, den schlechten Wärmeübergang über eine Vergrößerung des Reaktors wieder auszugleichen.
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Es ist auch schon vorgeschlagen worden, zusätzlich zu der äußeren Rauchgasbeheizung eine Vielzahl von vom gasförmigen Wärmeträger durchströmten Röhren durch das Innere des Mantelrohrs zu führen, so daß das umzusetzende Gut seinen Wärmebedarf nicht nur von der Innenwand des Mantelrohrs, sondern auch von den Mantelflächen der im Inneren des Mantelrohrs angeordneten gasdurchströmten Röhren beziehen kann. Hierdurch wird zweifellos der Wärmeübergang vom Wärmeträger auf das umzusetzende Gut verbessert, gleichzeitig wird aber die Beweglichkeit des umzusetzenden Guts im Innern des Mantelrohrs stark herabgesetzt, was zu Verstopfungen zwischen den im Inneren des Mantelrohrs angeordneten Röhren und zwischen der Innenfläche des Mantelrohrs und diesen Röhren führt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen indirekt beheizten Drehtrommelreaktor der eingangs genannten Gattung zu schaffen, der aufgrund seiner baulichen Ausgestaltung einen besseren Wärmeübergang gewährleistet und dadurch bei gleichbleibender Drehrohrlänge einen höheren Durchsatz gestattet oder bei gleichbleibendem Durchsatz eine geringere Drehrohrlänge und damit wesentlich geringere Anlagekosten erfordert, und bei dem gleichzeitig sichergestellt ist, daß das umzusetzende Gut der Rotationsbewegung des Reaktors frei folgen kann, ohne daß die Gefahr von Verstopfungen besteht. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Pyrolyse von Abfallstoffen unter Verwendung eines Drehtrommelreaktors der eingangs genannten Gattung zu schaffen, das sich gegenüber bekannten Verfahren durch einen verbesserten Wärmeübergang bei gleichzeitig höherem Durchsatz und geringeren Anlagekosten auszeichnet.

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Diese Aufgabe wird bei einem Drehtrommelreaktor der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die im Inneren des Mantelrohrs angeordneten Rohre oder Rohrabschnitte als Materialröhren für den Durchsatz des umzusetzenden Gutes ausgebildet sind, daß die Materialröhren einzeln mittels flüssiger Wärmeträger indirekt beheizbar sind und daß die Außenwand des Mantelrohrs keine Berührung mit dem Wärmeträger aufweist.

Während alle bisherigen Bemühungen der Fachwelt darauf gerichtet waren, den Wärmeübergang zwischen Wärmeträger und umzusetzendem Gut durch kleine, "kosmetische" Änderungen der Verfahrensführung oder der apparativen Ausgestaltung zu verbessern, ohne aber die Führung der Stoffströme zu ändern, weist die Erfindung in eine völlig andere Richtung: Erfindungsgemäß wird die Führung der Stoffströme verändert, so daß sich für die Verfahrensführung neue Freiheitsgrade ergeben, wodurch wiederum eine Verbesserung des Wärmeübergangs durch Einsatz vorzugsweise flüssiger Wärmeträger ermöglicht wird.

Beim erfindungsgemäßen Drehtrommelreaktor befindet sich das umzusetzende Gut nicht in einem von außen beheizten Mantelrohr, sondern in einer Vielzahl von Materialröhren kleineren Durchmessers, die im Inneren des Mantelrohrs angeordnet sind. Jede dieser Materialröhren übernimmt also die Funktion, die bei den bekannten Drehtrommelreaktoren vom Mantelrohr selbst, und nur von diesem, wahrgenommen wurde.

Jede dieser Materialröhren wird beim erfindungsgemäßen Drehtrommelreaktor mittels flüssiger Wärmeträger indirekt beheizt, wobei diese Wärmeträger vorzugsweise eine Vielzahl von Heizrohren, z.B. Heizspiralen oder Heizschlangen, durchströmen, die auf der äußeren Mantelfläche eines jeden Materialrohres angeordnet sind. Die Heizrohre können auch als achsparallele Längsrchre und die Materialröhren als Doppelrohre ausgebildet sein, deren äußerer Ringraum vom flüssigen Wärmeträger durchströmt wird.

Bei gleichem Volumen läßt sich mit flüssigen Wärmeträgern bei kleinen Temperaturdifferenzen von etwa 20 bis 60 K eine bedeutend größere Wärmemenge übertragen als mit Rauchgasen mit hohen Temperaturdifferenzen von z.B. 200 bis 600 K. Die Differenz beträgt ein Mehrhundertfaches. Dadurch sind beim erfindungsgemäßen Drehtrommelreaktor kleine Baugrößen oder große Leistungen sowie eine exakte Prozeßführung ohne lokale Überhitzungen möglich.

Es ist jedoch auch möglich, das Mantelrohr teilweise oder ganz mit dem Wärmeträger zu füllen, so daß der Wärmeträger, gleichgültig, ob er flüssig oder gasförmig ist, mindestens einige der Materialröhren, vorzugsweise alle, vollständig umgibt. Die Beweglichkeit des umzusetzenden Guts innerhalb der Materialröhren bleibt voll erhalten und wird durch keine Einbauten gestört.

Durch die Möglichkeit, die Materialröhren durch Heizrohren, Heizspiralen, Heizschlangen usw. einzeln zu beheizen, kann die Energie dosiert über Regelkreise dem Prozeß zugeführt werden, wobei an einzelne Längenabschnitte des Reaktors gleiche oder unterschiedliche Wärmemengen abgegeben werden können.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Reaktors sind die Materialröhren so angeordnet, daß ihre Längsachsen auf einem gedachten, mit dem Mantelrohr konzentrischen Zylindermantel liegen. Die Anzahl der Materialröhren beträgt vorzugsweise etwa 4 bis 12.

Materialröhren sind vorzugsweise Stahlröhren mit einer Wandstärke von 6 bis 8 mm und mit einem Durchmesser von etwa 700 bis 900 mm.

Die Innenwand des Mantelrohrs ist vorteilhaft mit einer wärmeisolierenden Schicht ausgekleidet; dies kann eine an sich bekannte Ausmauerung oder eine Isolierung aus

Steinwolle, Glasfasermaterial oder dergleichen sein.

Der erfindungsgemäße Drehtrommelreaktor wird vorzugsweise für die Pyrolyse und andere Entgasungsprozesse verwendet, besonders vorteilhaft für die Pyrolyse von Abfallstoffen wie z.B. Hausmüll. Die mit dem erfindungsgemäßen Reaktor erzielbaren Durchsätze sind denen von herkömmlichen Müllverbrennungsanlagen überlegen.

Die oben geschilderte Aufgabe wird erfindungsgemäß weiter durch ein Verfahren zur Pyrolyse von Abfallstoffen, insbesondere von Hausmüll, unter Verwendung des erfindungsgemäßen Drehtrommelreaktors gelöst, bei dem für die indirekte Beheizung des Drehtrommelreaktors eine Salzschmelze als Wärmeträger verwendet wird.

Besonders vorteilhaft sind Salzschmelzen entweder eines eutektischen Gemischs aus 53% KNO₃, 40% NaNO₂ und 7% NaNO₃ (die Prozentangaben beziehen sich hier und im folgenden jeweils auf das GewichtI) oder aber eine Schmelze eines Gemischs aus 45% NaNO₂ und 55% KNO-. Die vorstehend genannten Salzschmelzen können bis zu Temperaturen von etwa 55O⁰C verwendet werden. Für Temperaturen bis 650⁰C hat sich großtechnisch eine Salzschmelze aus 45,2% KNO₃ und 45,8% NaNO₃ bewährt. Salze, deren Schmelzen bis 900⁰C verwendet werden können, sind zwar bekannt, aber ihre großtechnische Anwendung ist wegen der dann erforderlichen Werkstoffe zu teuer.

Da die Pyrolyse von Abfallstoffen im allgemeinen bei Temperaturen zwischen 350 und 550⁰C in reduzierender Atmosphäre, also unter Ausschluß von Luftsauerstoff, durchgeführt wird, sind die genannten Salzschmelzen als Wärmeträger für den Einsatz des erfindungsgemäßen Drehtrommelreaktors bei der Pyrolyse von Abfallstoffen besonders gut geeignet.

In an sich bekannter Weise werden die heißen Pyrolysegase unter Zwischenschaltung eines Wärmetauschers zur Erhitzung des Wärmeträgers, also beispielsweise der Salzschmelze, und/oder zur Vorwärmung der Verbrennungsluft verwendet, falls die Pyrolysegase verbrannt und die bei der Verbrennung entstehenden Rauchgase wiederum zur Erhitzung des Wärmeträgers eingesetzt oder einer anderen Verwendung zugeführt werden soll.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus der nachfolgenden Gegenüberstellung des Wärmeübergangs bei dem erfindungsgemäßen salzbeheizten Drehtrommelreaktor und bei einem herkömmlichen rauchgasbeheizten Reaktor.

a) Rauchgas

Die durchschnittliche spezifische Wärme c beträgt 0,35 kcal/Nm³. Die Temperaturdifferenz ΔΤ zwischen Wärmeträger und Reaktorwand beträgt 200 bis 600 K, im Mittel 400 K. Die vom Rauchgas auf die Reaktorwand übertragbare Energie beträgt bei ΔΤ = 400 K: 140 kcal/Nm³ oder etwa 57 kcal/Bm³.

b) Salzschmelze

Die spezifische Wärme einer Schmelze aus 53% KNO₃, 40% NaNO₀ und 7% NaNO, beträgt bei550⁰C:c _m = 0,63 kcal/1-Κ bzw. 630 kcal/m³·Κ. Die Temperaturdifferenz ΔΤ zwischen dem Wärmeträger und der Reaktorwand beträgt 20 bis 60 K, im Mittel 40 K. Die von der Salzschmelze auf die Retorwand übertragbare Energie beträgt bei ΔΤ = 40 K 25200 kcal/m³.

Bei gleichem Wärmeträgervolumen beträgt das Verhältnis der übertragenen Wärmemenge zwischen Rauchgas und Salzschmelze somit etwa 1:440.

Ein Ausführungsbeispxel des erfindungsgemäßen Drehtrommelreaktors wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert:

Fig. 1 ist ein Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Reaktor;

Fig. 2 ist ein Querschnitt entlang der Linie A-A von Fig. 1.

Der Drehtrommelreaktor 1 besteht aus einem Mantelrohr 2 aus Stahl, dessen Innenwand mit einer Ausmauerung 3 als wärmeisolierende Schicht ausgekleidet ist. Das Mantelrohr 2 trägt auf seiner Außenseite mehrere Laufringe 7, die auf antreibbaren Laufrollen 5, 6 in an sich bekannter Weise gelagert sind. Die Drehrichtung des Reaktors 1 ist durch einen Pfeil in Fig. 2 angegeben.

Im Inneren des Mantelrohrs 2 sind als Materialröhren 4 ausgebildete Rohre angeordnet, die teilweise mit dem umzusetzenden Gut 9 angefüllt sind.

Jede der Materialröhren 4, bei denen es sich um Stahlröhren mit einer Wandstärke von 6 bis 8 mm und mit einem Durchmesser von 700 bis 900 mm handelt, ist von dünnen Heizrohren 10 spiralförmig umgeben. Die Heizrohren 10 werden vom flüssigen Wärmeträger durchströmt, wodurch die Materialröhren 4 indirekt beheizt werden.

Die Beschickung des Reaktors 1 bzw. der Materialröhren 4 mit dem umzusetzenden Gut 9, also vorzugsweise mit Hausmüll, erfolgt über eine Stirnseite des Reaktors 1, der Austrag der Pyrolysegase und des entgasten Rückstandes über die gegenüberliegende Stirnwand des Reaktors 1 (nicht dargestellt). Die Materialröhren 4 sind in den Stirnwänden des Reaktors 1 (nicht dargestellt) sowie im Inneren des Reaktors 1 in bestimmten Abständen durch

1 geeignete, am Mantelrohr 2 befestigte Halterungen 11, z.B. angeschwexßte Bleche, befestigt.

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Claims

PRINZ, LEISER, BUNKER PArR-TKlER "": Patentanwälte European Patent ""Attorneys ■ \ München Stuttgart 3503069 30. Januar 1985 Environment Protection Engineers Ltd. 3 000 Town Center Suite 2530 Southfield, Michigan 48075 /V.St.A. Unser Zeichen: E 1288 Patentansprüche

1. Mittels eines strömenden Wärmeträgers indirekt beheizter Drehtrommelreaktor mit einem drehbar gelagerten, antreibbaren Mantelrohr und mit mehreren, innerhalb des Mantelrohrs angeordneten Rohren oder Rohrabschnitten, dadurch gekennzeichnet, daß die im Inneren des Mantelrohrs (2) angeordneten Rohre oder Rohrabschnitte als Materialröhren (4) für den Durchsatz des durchzusetzenden Gutes (9) ausgebildet sind, daß die Materialröhren (4) einzeln mittels flüssiger Wärmeträger indirekt beheizbar sind und daß die Außenwand des Mantelrohrs (2) keine Berührung mit dem Wärmeträger aufweist.

2. Drehtrommelreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialröhren (4) auf ihrer äußeren Mantelfläche eine Vielzahl von Heizrohren (10) tragen, die vom flüssigen Wärmeträger durchströmt werden.

3. Drehtrommelreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialröhren (4) als Doppelrohre ausgebildet sind, deren äußerer Ringraum vom flüssigen Wärmeträger durchströmt wird.

4. Drehtrommelreaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizrohre (10) als achsparallel zur Drehtrommel angeordnete Längsrohre ausgebildet sind.

5. Drehtrommelreaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizrohre (10) spiralförmig um die Materialröhren (4) angeordnet sind.

6. Drehtrommelreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialröhren (4) so angeordnet sind, daß ihre Längsachsen auf einem gedachten, mit dem Mantelrohr (2) konzentrischen Zylindermantel liegen.

7. Drehtrommelreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialröhren (4) Stahlröhren mit einer Wandstärke von 6 bis 8 mm sind.

8. Drehtrommelreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialröhren (4) einen Durchmesser von 700 bis 900 mm aufweisen.

9. Drehtrommelreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwand des Mantelrohrs (2) mit einer wärmeisolierenden Schicht (3) ausgekleidet ist.

10. Verwendung des Drehtrommelreaktors gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 für die Pyrolyse.

11. Verfahren zur Entgasung oder Pyrolyse von Abfallstoffen unter Verwendung des Drehtrommelreaktors gemäß

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einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß für dessen indirekte Beheizung eine Salzschmelze als Wärmeträger verwendet wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß Schmelzen eines eutektischen Gemischs aus 53% KNO-,, 40% NaNO„ und 7% NaNO-, oder eines Gemischs aus 45% NaN02 und 55% KNO₃ oder eines Gemischs aus 54,2% KNO₃ und 45,8% NaNO₃ als Wärmeträger verwendet werden.

13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die heißen Pyrolysegase verbrannt und die dabei entstehenden Rauchgase einem Wärmetauscher zur Erhitzung des Wärmeträgers und/oder zur Vorwärmung der Verbrennungsluft zugeführt werden.