DE69724617T2

DE69724617T2 - Schmelzverfahren für die vergasung von festem abfall

Info

Publication number: DE69724617T2
Application number: DE69724617T
Authority: DE
Inventors: Shosaku Ohta-ku Fujinami; Kazuo Ohta-ku TAKANO; Masaaki Ohta-ku IRIE; Tetsuhisa Ohta-ku HIROSE; Takahiro Ohta-ku OSHITA
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 1996-06-25
Filing date: 1997-06-25
Publication date: 2004-08-12
Anticipated expiration: 2017-06-26
Also published as: DE69724617D1; US6168425B1; EP0908672A1; JP4076233B2; CN1223715A; WO1997049953A1; EP0908672A4; CN1133040C; EP0908672B1

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Verarbeitung von festen Abfällen oder Brennstoff und zwar abgeleitet aus festen Abfällen, wie beispielsweise städtische Abfällen, aus Müll abgeleitete Abfällen, Feststoffwassermischungen, Kunststoffabfälle, FRP Abfälle, Biomassenabfälle, Shredderstaub (Automobilabfälle, Abfälle von elektrischen Geräten und dergleichen) und zwar durch Vergasung und durch ein Schlackenverbrennungssystem gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 (vergleiche beispielsweise EP-A-0676464).
Der aus Müll abgeleitete Brennstoff wird dadurch erzeugt, dass man städtische Abfälle zerkleinert und klassifiziert, Kalziumoxid den klassifizierten städtischen Abfällen hinzufügt, und diese in eine Form kompaktiert. Die Feststoffwassermischung (SWM = Solid Water Mixture) wird dadurch erzeugt, dass man städtische Abfälle zerkleinert, sie durch Zugabe von Wasser in eine Aufschlämmung umwandelt, und die Aufschlämmung unter hohem Druck in einen öligen Brennstoff durch hydrothermische Reaktion umwandelt. Bei dem Begriff FRP handelt es sich um faserverstärkte Kunststoffe (Fiber-Reinforced Plastics). Zu den Biomassenabfällen gehören Abfälle von Wasserwerken und Kläranlagen (fehlplatzierte Materialien, Klärschlämme), landwirtschaftliche Abfälle (Reisschalen, Reisstroh), Forstabfälle (Sägemehl, Rinden, beim Ausdünnen entstehende Holzteile), industrielle Abfälle (pulp-Chip-dust) und Bauabfälle.
Hintergrund der Erfindung
Derzeit werden 75% der städtischen Abfälle durch Verbrennung in einem fluidisierten Bett oder einem Stockerofen verarbeitet. Es bestand jedoch seit langem der Wunsch die Abfallbehandlungstechnologie geeignet zu machen für eine umweltfreundliche Verarbeitung um so die Behandlung durch Verbrennung aus folgenden Gründen zu ersetzen.

1. Ein Benutzungsgrad von Mülllagerplätzen muss verlängert werden; Aschen müssen harmlos gemacht werden und Aschen können als Materialien für den Bau eingesetzt werden, so dass die Erfordernisse für das Aschenschmelzen schnell angestiegen sind.
2. Es ist notwendig, die strengen Bestimmungen hinsichtlich der Dioxine zu beachten, die für die nahe Zukunft erwartet werden.
3. Bei dem konventionellen Verfahren, welches individuell oder gesondert die Zerlegung von Dioxinen oder das Aschenschmelzen betreffen, sind Anstiege der Konstruktionskosten und des Betriebs der Verarbeitungsanlagen unvermeidbar und andererseits ist es möglich, dann Gasverarbeitungsanlagen kleiner auszulegen, wenn die Menge an Abgas durch eine Verbrennung mit niedrigem Sauerstoffverhältnis verringert wird.
4. Es gibt eine starke Tendenz, Abfälle zur Erzeugung von elektrischer Leistung zu verwenden, wobei dieser Abfall als eine Energiequelle angesehen werden kann.

Unter diesen Umständen wurden neue Abfallverarbeitungssysteme, die einen Vergasungsprozess umfassen, entwickelt und einige von diesen Verarbeitungssystemen, die anderen vorzuziehen sind, wenden ein System mit einem Vertikalwellenofen als einen Vergasungsofen (im Folgenden als "S System" bezeichnet) und ferner ein System mit einem Drehofen als Vergasungsofen (im Folgenden als "R System" bezeichnet).
3 zeigt schematisch das S System. Das S System besitzt, wie in 3 gezeigt, einen Ofen 31 in dem folgende Zonen gebildet sind: eine Vortrocknungszone 32, eine Pyrolysezone 33, eine Verbrennungs-/Schmelzzone 34. Das S System weist ferner einen Staubsammler 35 und eine Verbrennungskammer 36 auf. In der 3 bezeichnen die Symbole "a", "b", "c" und "d" Abfälle bzw. Koks und Kalkstein bzw. sauerstoffangereicherte Luft bzw. Schla cke. Ferner repräsentieren die Symbole "e", "f', "g", "h" und "k" das erzeugte Gas bzw. Luft bzw. Staub bzw. Gas bzw. Metall.
Wie in 3 gezeigt, herrschen im Schmelzofen 31 die folgenden Temperaturen: Vortrocknungszone 32 auf einer Temperatur von 200 bis 300°C, die Pyrolysezone 33 befindet sich auf einer Temperatur im Bereich 300 bis 1000°C und die Verbrennungs-/Schmelzzone 34 befindet sich auf einer Temperatur von 1500°C oder höher, wobei die Ausbildung als akkumulierte Schichten erfolgt. In einen oberen Teil des Ofens eingegebene Abfälle "a" steigen im Ofen hinab, während Wärmeaustausch mit Gas stattfindet, welches in den unteren Zonen erzeugt wurde. Das erzeugte Gas "e" wird vom oberen Teil des Schmelzofens 31 abgegeben und läuft durch den Staubsammler 35 und wird an den Verbrennungsofen 36 geliefert und darinnen bei einer Temperatur von ungefähr 900°C verbrannt. In der Pyrolysezone 33 erzeugte kohlenstoffhaltige Materialien und die Eingabe "b" (Koks und Kalkstein) steigen zusammen hinab und erreichen die Verbrennungs-/Schmelzzone 34 und werden bei einer hohen Temperatur durch sauerstoffangereicherte Luft "c", geliefert von Rohren, verbrannt. Schlacke "d" und Metall "k", die bei einer hohen Temperatur geschmolzen wurden, werden vom Boden des Ofens abgegeben.
4 zeigt schematisch das R System. Das R System besitzt eine Pyrolysetrommel 41. Ein Kühler 42, eine Trennvorrichtung (separator) 43, eine Pulverisiervorrichtung (pulverizer) 44 und ein Silo 45 sind benachbart zu der Pyrolysetrommel 41 vorgesehen. Das R System weist ferner einen Schmelzofen 46 der Wirbelbauart auf und ferner einen Hochtemperaturlufterhitzer 47. In 4 bezeichnen die Symbole "a", "f', "i" und "j" Abfälle bzw. Luft bzw. Holzkohle (char) bzw. nicht brennbare Materialien. Ferner bezeichnen die Symbole "e", "d" und "h" Gas bzw. Schlacke bzw. Abgas.
Abfälle "a" werden zerkleinert in die Pyrolysetrommel 41 geliefert, die indirekt durch die hohe Temperaturluft "f' erhitzt wird, und diese zerkleinerten Abfälle "a" werden pyrolisiert und vergast und zwar langsam bei einer Temperatur von ungefähr 450°C, unter einer Nichtsauerstoffatmosphäre in der Pyrolyse trommel 41, während sie durch die Drehung der Pyrolysetrommel 41 gerührt werden. Das erzeugte Gas "e" wird von der Pyrolysetrommel 41 abgegeben und an den darauffolgenden Schmelzofen 46 der Wirbelbauart geliefert.
Andererseits werden feste Holzkohle (char) "i" und nicht brennbare Materialien "j" aus der Pyrolysetrommel 41 herausgenommen und in dem Kühler 42 gekühlt und sodann in eine große Größe besitzende nicht brennbare Materialien "j" und eine kleine Größe besitzende Holzkohle "i" klassifiziert und zwar durch den Siebseparator 43. Die Holzkohle (char) "i", pulverisiert durch den Pulverisierer 44 wird in dem Silo 45 gespeichert, und sodann an den Schmelzofen 46 geliefert. Im Schmelzofen 46 wird die pulverisierte Holzkohle "i" und das erzeugte Gas "e" aus der Pyrolysetrommel 41 bei einer hohen Temperatur von ungefähr 1300°C verbrannt. Geschmolzene Schlacke "d" wird vom Boden des Schmelzofens 46 abgegeben.
Die S und R Systeme besitzen ihre eigenen verschiedenen Nachteile, die unten beschrieben werden. Beim Wellenofen des S Systems sind die Betriebskosten hoch und die Menge an vom Ofen abgegebenen Kohlendioxyd steigt deshalb an, weil der Hilfsbrennstoff, wie beispielsweise Koks, zur Bildung der Schmelzzone am oberen Boden bei einer hohen Temperatur im Bereich von 1700 bis 1800°C erforderlich ist. Da in den Abfällen enthaltene Metalle zusammengeschmolzen werden, werden die wiedergewonnenen Metalle eine legierungsartige Metallmischung und können daher nicht als Barren gemäß Art von Metall zurückgeführt werden. Es ist schwierig bei dem Ofen, der zu den Öfen mit festem Bett gehört zuzulassen, dass Gas gleichförmig durch den Raum unter den Abfällen ansteigt, da die Abfälle in verschiedenen unterschiedlichen Formen in Schichten im Ofen gestapelt sind. Dies bewirkt tendenziell die Drift des durch die Schichten fließenden Gases. Daher kann der Ofen nicht in stabiler Weise betrieben werden, und exzessive Fluktuationen des Ofendrucks, der Gaserzeugungsrate oder der Gaszusammensetzung sind nicht vermeidbar.
Da andererseits der Drehofen des R Systems indirekt beheizt wird, und eine schlechte thermische Leitfähigkeit besitzt, ist die Ofengröße in unvermeidbarer Weise groß. Dies verursacht ein Problem bei der Vergrößerung des Ofens. Die erzeugte Holzkohle (char) wird zusammen mit anderen, nicht brennbaren Materialien, aus dem Drehofen entnommen und nach dem Kühlen der eine große Größe besitzenden nicht brennbaren Materialien werden diese abgesondert und entfernt. Sodann wird die Holzkohle pulverisiert und in einem Trichter aufbewahrt, und sodann wird eine erforderlich Menge der Holzkohle aus dem Trichter entnommen und zum Schmelzofen transportiert und an diesen geliefert. Auf diese Weise erfordert das R System komplizierte Anlagen zur Handhabung der Holzkohle, was eine Erhöhung der Fabrik- oder Anlagekosten zur Folge hat und auch ein Hindernis beim stabilen Betrieb bildet. Ferner ist der Wärmeverlust beim Kühlen der Holzkohle oder die Wärmestrahlung von der Holzkohle nicht erwünscht, was eine effektive Energieausnutzung anbelangt.
Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Verarbeitung von festen Abfällen vorzusehen, und zwar durch ein Vergasungs- und Schlackenverbrennungssystem, welches keinen Hilfs- oder Zusatzbrennstoff benötigt, wie beispielsweise Koks, wobei dieses System die Abgabe von Kohlendioxyd reduziert und Metalle wiedergewonnen werden können, wie beispielsweise Eisen, Kupfer oder Aluminium und zwar in einem nicht oxydierten und raffinierten Zustand, wobei der Ofen eine kompakte Größe besitzt und leicht vergrößert werden kann, und wobei ferner keine Anlagen zur Pulverisierung der Holzkohle und zur Handhabung der pulverisierten Holzkohle erforderlich sind.
Offenbarung der Erfindung
Um das obige Ziel zu erreichen, wurde das R System sorgfältig und gründlich studiert, und ein Verfahren, welches einen Ofen mit fluidisiertem Bett als einen Vergasungsofen (im Folgenden als F System bezeichnet) verwendet, wurde erfunden. Ferner wurde eine Anzahl von Experimenten durchgeführt und es wurde herausgefunden, dass insgesamt dreistufige Verbrennungen, von Abfällen ausgeführt, in dem Vergasungsofen und dem Schmelzofen am Besten sind. Genauer gesagt, nach einer in einem fluidisierten Bett eines Vergasungsofens ausgeführten primären Verbrennung wird eine sekundäre Verbrennung in einem "Freeboard" des Vergasungsofens ausgeführt, und sodann wird eine tertiäre Verbrennung in einem darauffolgenden Schmelzofen ausgeführt. Der Aschegehalt wird in geschmolzene Schlacke bei einer hohen Temperatur von 1300°C durch die tertiäre Verbrennung umgewandelt und die geschmolzene Schlacke wird kontinuierlich vom Boden des Schmelzofen abgegeben. Als ein Ergebnis verschiedener Experimente wurden Betriebsbedingungen in den entsprechenden Öfen im F System aufgestellt.
Was die Temperatur in den Öfen anbelangt, so wurde gefunden, dass die primäre Verbrennung in dem fluidisierten Bett des Vergasungsofens bei einer Temperatur von 600 ± 50°C, vorzugsweise 600 ± 30°C ausgeführt werden sollte, die sekundäre Verbrennung in dem Freeboard sollte bei einer Temperatur von 725 ± 75°C ausgeführt werden und die tertiäre Verbrennung im Schmelzofen sollte bei einer Temperatur erfolgen, die höher liegt als eine Schmelztemperatur der Aschen und zwar um 50 bis 100°C. In dem Falle, wo die Temperatur im fluidisierten Bett des Vergasungsofens 500°C oder niedriger ist, wird die Reaktionsrate oder Reaktionsgeschwindigkeit der Pyrolysevergasung langsam und die Menge an erzeugtem Gas wird reduziert und nicht vollständig zerlegte Materialien verbleiben tendenziell in dem fluidisierten Bett. Als Resultat ergibt sich, dass die Menge an brennbaren Materialien, d. h. Gas, Teer und Holzkohle (char), geliefert an den Schmelzofen abnimmt, und es wird schwierig, die Verbrennungstemperatur im Schmelzofen aufrechtzuerhalten.
Andererseits, in dem Falle wo die Temperatur des Vergasungsofens mit fluidisierten Bett 650°C oder höher liegt, wird die Reaktionsgeschwindigkeit der Vergasung exzessiv schnell und die Fluktuation begleitet von der Speiserate oder Speisegeschwindigkeit der brennbaren Materialien in den Schmelzofen bewirkt Fluktuation in der Gaserzeugung und somit wird die Verbrennung im Schmelzofen nachteilig beeinflusst. Unter den Metallen, die in den Abfällen enthalten sind, deren Schmelztemperaturen höher sind als die fluidisierte Betttemperatur, kann ein derartiges Metall zusammen mit einem fluidisierten Medium vom Boden des Vergasungsofens wiedergewonnen werden. Insbesondere bei Wiedergewinnung von Aluminium mit einem Schmelzpunkt von 660°C, ist es erforderlich, dass die Vergasungstemperatur in dem fluidisierten Bett auf niedriger als 650°C eingestellt wird. In dem Falle, wo die Vergasungstemperatur höher ist als ein Schmelzpunkt des Aluminiums, wird der größte Teil des Aluminiums verdampft, und sodann wird Aluminium als eine Mischung mit Aschen im Gerät stromabwärts vom Schmelzofen gesammelt. Der größte Teil des wiedergewonnenen Aluminiums ist jedoch oxidiert und somit wertlos.
Es wurde festgestellt, dass dann, wenn die sekundäre Verbrennung in dem Freeboard des Vergasungsofens bei einer Temperatur von höher als 800°C ausgeführt wurde, die Aschen sich erweichten und zwar infolge örtlicher Hochtemperaturverbrennung in der Leitung zwischen dem Vergasungsofen und dem Schmelzofen, um so eine Verstopfung der Leitung bzw. des Kanals zu bewirken. Der Zweck der sekundären Verbrennung besteht darin, die Last oder bzw. Belastung der tertiären Verbrennung im Schmelzofen zu reduzieren, und den Raum des Freeboards auszunutzen. Die Verbrennungstemperatur im Schmelzofen könnte durch ein Strahlungspyrometer gemessen werden. Im Falle, dass die Verbrennungstemperatur höher als eine gemessene Schmelztemperatur der Aschen um 50 bis 100°C war, wurde die Abgabe der Schlacke in glatter ungestörter Weise vorgenommen. Es ist nicht erwünscht, dass die Verbrennungstemperatur im Schmelzofen höher ist als eine Schmelztemperatur der Aschen um 100°C oder höher, da die gießbare Materialexistenz im Schmelzofen ernsthaft geschädigt wird.
In dem F System wird Sand, wie beispielsweise Siliziumdioxydsand als ein fluidisiertes Medium verwendet, das fluidisierte Medium wird aus Sand ausgewählt, dessen mittlerer Teilchendurchmesser im Bereich von 0,4 bis 0,8 mm liegt. Wenn der mittlere Teilchendurchmesser des Sandes 0,4 mm oder klei ner ist, so ist die Menge von verarbeiteten Abfällen pro Bettfläche klein und ist nicht wirtschaftlich. Wenn der mittlere Teilchendurchmesser des Sandes 0,8 mm oder größer ist, so ist die Raumgeschwindigkeit des von dem fluidisierten Bett nach oben geblasenen Gases groß und die Versorgung der Abfälle von einer Position oberhalb des fluidisierten Bettes wird schwierig. Dies ist deshalb der Fall, da feines oder leichtes Material in den Abfällen nicht auf das fluidisierte Bett fällt, sondern mit dem Gas getragen oder mitgeführt wird. Ferner erhöht sich die vom Gas mitgeführte bzw. getragene Menge an Holzkohle (char). Der Vergasungsofen im F System ist durch die Verwendung des fluidisierten Bettes gekennzeichnet, dessen Höhe verhältnismäßig klein ist und es ist erwünscht, dass die Höhe des fluidisierten Bettes (im stationären Zustand) im Bereich des 1,0- bis 1,5-fachen des Innendurchmessers des fluidisierten Bettes liegt. Die Raumgeschwindigkeit der Luft oder des sauerstoffenthaltenden Gases, was in das fluidisierte Bett für eine Primärverbrennung oder Fluidisierung geliefert wird, ist vorzugsweise das 6-fache von Umf (minimale Fluidisierungsgeschwindigkeit) des fluidisierten Mediums. Auf diese Weise liegt die Strömungsgeschwindigkeit des Gases, erforderlich pro Quadratmeter Bett, im Bereich von 400 bis 1700 Nm³/hr. Die für die Pyrolysevergasung der Abfälle erforderliche Wärme wird durch partielle Verbrennung erzeugt und wird schnell und in effizienter Weise vom fluidisierten Medium zu den Abfällen übertragen. Dieses Wärmeversorgungsverfahren wird im Allgemeinen als "direkter Heiztyp" bezeichnet und es ist offensichtlich, dass der direkte Heiztypofen dem indirekten Heiztypofen hinsichtlich Kompaktheit und thermischem Wirkungsgrad überlegen ist.
Holzkohle (char) erzeugt in der Pyrolysevergasungsreaktion, bewirkt durch eine primäre Verbrennung, wird durch partielle Verbrennung und eine Rührwirkung des fluidisierten Mediums pulverisiert. Durch die Verwendung von hartem Siliziumdioxydsand als ein fluidisiertes Medium, wird die Pulverisierung von Holzkohle weiter gefördert. Da Holzkohle (char) porös ist, liegt seine spezifische Dichte im Bereich von 0,1 bis 0,2 und ist klein. Daher wird ein fluidisiertes Bett aus Holzkohle auf dem fluidisierten Bett aus Sand gebildet. Wenn dieser Zustand so belassen ist wie er ist, erreicht das fluidisierte Bett der Holzkohle die oberste Position des Freeboards und die Eingabe bzw. Speisung der Abfälle zu dem Vergasungsofen besitzt einige Schwierigkeiten. Da der Liefer- oder Versorgungsanschluss der Abfälle in den Vergasungsofen oberhalb des fluidisierten Bettes des Sandes vorgesehen ist, wird selbst dann, wenn negativer Druck von ungefähr –20 mmAq am oberen Teil des Freeboards gehalten wird, positiver Druck an dem Lieferanschluss und daherum entwickelt, wenn der Lieferanschluss in dem fluidisierten Bett aus Holzkohle "einweicht" oder untertaucht. Als Resultat ergibt sich, dass eine Gefahr besteht, dass das brennbare Gas zu einer Außenseite des Ofens hin durch das bzw. ein Einspeisegerät hin leckt. Dies ist vom Standpunkt der Sicherheit und der Geruchsbeseitigung nicht erwünscht. Als ein Ergebnis der Untersuchung wurde in der Japanischen Patentanmeldung Nr. 7-349428 ein Verfahren zur Verhinderung der Abscheidung von Holzkohle vorgeschlagen, und zwar durch Lieferung von luft- oder sauerstoffenthaltendem Gas zu einer Position unmittelbar oberhalb des fluidisierten Bettes aus Sand, um dadurch die Verbrennung der Holzkohle (char) zu fördern. Es wurde festgestellt, dass in dem Fall, wo die Menge an luft- oder sauerstoffenthaltendem Gas derart eingestellt wurde, dass die Raumgeschwindigkeit des Gases in dem Freeboard 0,7 m/sec oder mehr, vorzugsweise 1,0 m/sec oder mehr betrug, feine Holzkohle mit einem Durchmesser von 1 mm oder kleiner leicht an den darauffolgenden Schmelzofen durch pneumatischen Transport geliefert werden konnte. Es ist vorzuziehen, dass die Liefer- oder Versorgungsposition der Luft oder des sauerstoffenthaltenden Gases sich innerhalb einer Höhe von 1000 mm von einer Oberfläche des fluidisierten Bettes des Sandes befindet. Auf diese Weise erreicht das Freeboard nicht nur Funktionen der Klassifikation durch die nach oben gerichtete Gasströmung, sondern auch sekundäre Verbrennung und somit ist es möglich, die Verbrennung der Holzkohle im Freeboard zu fördern.
Das Ziel der tertiären Verbrennung in dem Schmelzofen besteht darin, die Verbrennung der Abfälle mit einem niedrigen Sauerstoffverhältnis, die Umwandlung des Aschegehaltes in geschmolzene Schlacke und die Zerlegung der Dioxine und der Dioxinvorläufer zu vollenden. Die tertiäre Verbrennung wird durch ausgeführt, dass man sauerstoffenthaltendes Gas zuführt. Wie oben beschrieben, ist die Verbrennungstemperatur im Schmelzofen auf eine Schmelztemperatur der Aschen plus 50 bis 100°C eingestellt, und ferner wurde festgestellt, dass zur Zerlegung der Dioxine und der Dioxinvorläufer in vollständiger Art und Weise es notwendig war, eine Hochtemperaturverbrennung von 1300°C oder höher für 0,5 sec oder mehr aufrechtzuerhalten. Im F System ist kein Hilfs- oder Zusatzbrennstoff, wie beispielsweise Koks erforderlich, da es keinen Hochtemperaturteil, wie beispielsweise eine Temperatur im Bereich von 1700 bis 1800°C, anders als beim S System, gibt. Das für die primären, sekundären und tertiären Verbrennungen gelieferte Gas wird in ordnungsgemäßer Weise ausgewählt, und zwar aus Luft, sauerstoffangereicherter Luft oder Sauerstoff, und zwar abhängig von der Qualität der Abfälle oder der Eigenschaft des zu erhaltenden erzeugten Gases. Der Schmelzofen weist Verbrennungskammern auf und eine darauffolgende Schlacketrennkammer. Es wurde festgestellt, dass zur Trennung des Gases und der Schlacke voneinander in effizienter Weise die Aufstiegsgeschwindigkeit des Gases in der Schlackentrennkammer mit 6 m/sec oder weniger erforderlich war.
Das F System ist derart konstruiert, dass eine ein niedriges Sauerstoffverhältnis besitzende Verbrennung ausgeführt wird, d. h. ein Gesamtsauerstoffverhältnis ist ungefähr 1,3. Hierbei ist das Sauerstoffverhältnis als das Verhältnis aus der Sauerstoffmenge, verwendet für die Verbrennung zu der theoretischen Sauerstoffmenge, für die Verbrennung definiert. Durch Experimente wurde gefunden, dass das Sauerstoffverhältnis vorzugsweise im Bereich von 0,1 bis 0,3 in der Primärverbrennung des fluidisierten Bettes des Vergasungsofens liegt, 0,05 bis 0,1 in der Sekundärverbrennung im Freeboard des Vergasungsofens, und 0,9 bis 1,1 in der tertiären Verbrennung im Schmelzofen. Das heißt, die entsprechenden Verbrennungen werden ausgeführt bei einem Sauerstoffverhältnis von 0,1 bis 0,3 im fluidisierten Bett des fluidisierten Bettvergasungsofens, mit einem Sauerstoffverhältnis von 0,05 bis 0,1 im Freeboard und mit einem Sauerstoffverhältnis von 0,9 bis 1,1 im Schmelzofen und das gesamte Sauerstoffverhältnis in beiden Öfen ist dabei ungefähr 1,3.
Das F System ist eine Kombination des Vergasungsofens mit fluidisiertem Bett und des Schmelzofens (vorzugsweise einem Schmelzofen der Wirbelbauart). Dieses System besitzt die folgenden Vorteile:

1. Die Abgasmenge wird stark reduziert, da die Verbrennung mit einem niedrigen Sauerstoffverhältnis von ungefähr 1,3 ausgeführt wird.
2. Dioxine sind in dem Abgas und den Aschen nicht enthalten.
3. Der Aschengehalt kann als harmlose Schlacke wiedergewonnen werden, wobei aus der Schlacke Schwermetalle oder dergleichen nicht "herausgelaugt" werden können. Daher kann die Lebensdauer von wiedergewonnenem Land verlängert werden, und die wiedergewonnene Schlacke kann als Baumaterial oder Straßenbaumaterial verwendet werden.
4. Da die in dem Vergasungsofen erzeugte Energie des Gases, der Holzkohle (char) und des Teers (tar) in effektiver Weise zur Aschenschmelzung ausgenutzt werden kann, ist Zusatzbrennstoff nicht erforderlich und die Betriebskosten können reduziert werden.
5. Da die Funktionen der Dioxinzerlegung und des Aschenschmelzens in dem System inkorporiert sind, wird die Anlage insgesamt kompakt und die Baukosten sind niedriger als bei einer konventionellen Verbrennungsanlage bei der die oben genannten zwei Funktionen hinzugefügt werden müssen.
6. Metalle, wie beispielsweise Eisen, Kupfer oder Aluminium können in einem nicht oxidierten und sauberen Zustand, geeignet für das Recyclen wiedergewonnen werden.

Aus der obigen Beschreibung ist klar, dass das F System, welches einen fluidisierten Bettofen als einen Vergasungsofen verwendet, dem S System überlegen ist insofern, als der Betrieb des Systems leicht ist, Hilfsbrennstoff wie beispielsweise Koks nicht erforderlich ist, die Kohlendioxidmenge abgegeben vom System nicht ansteigt und Metalle, wie beispielsweise Eisen, Kupfer oder Aluminium in einem nicht oxidierten und raffinierten Zustand wiedergewonnen werden können. Ferner ist das F System dem R System insofern überlegen, als der Vergasungsofen kompakt ist, keine mechanisch sich bewegenden Tei le vorgesehen sind, die Vergrößerung des Ofens ohne weiteres hergestellt werden kann, und Anlagen erforderlich zur Pulverisierung und Handhabung der Holzkohle (char = kohlenstoffhaltiges Material) nicht erforderlich sind.
Bei den konventionellen Verbrennungsanlagen gibt es einige Anlagen, die keine Aschenschmelzanlage oder einige Anlagen um die eine Aschenschmelzanlage herum nicht angeordnet ist, und diese Anlagen besitzen große Schwierigkeiten bei der Verarbeitung von Bodenasche und Flugasche, abgegeben vom Ofen und dem Abfallwärmekessel. Diejenigen Aschen, die von solchen Verbrennungsanlagen abgegeben werden, können dem F System zugeführt werden und zusammen mit anderen festen Abfällen verarbeitet werden, und im System erzeugte Schlacke kann in effektiver Weise als eine Hochqualitätsschlacke verwendet werden, die kein nicht verbranntes Material enthält.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein schematisches Diagramm einer Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zur Verarbeitung von festen Abfällen durch ein erfindungsgemäßes Vergasungs- und Verschlackungsverbrennungssystem;
2 ist eine graphische Darstellung, welche die Beziehung zeigt zwischen dem Prozentsatz verschiedener Produkte und der Temperatur wann Abfälle pyrolisiert werden;
3 ist ein schematisches Diagramm des S Systems; und 4 ist ein schematisches Diagramm des R Systems.
Bestes Verfahren zur Durchführung der Erfindung
Ein Verfahren zur Verarbeitung von festen Abfällen durch ein Vergasungs- und Verschlackungsverbrennungssystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Das folgende Ausführungsbeispiel ist nur ein Beispiel und man erkennt, dass der Rahmen der Erfindung nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt ist.
1 ist ein schematisches Diagramm einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Verarbeitung von festen Abfällen durch das Vergasungs- und Verschlackungsverbrennungssystem gemäß der Erfindung. In 1 bezieht sich das Bezugszeichen 1 auf einen Vergasungsofen mit fluidisiertem Bett und Abfälle werden an den fluidisierten Bett-Vergasungsofen 1 durch eine Konstant-Eingabevorrichtung 2 geliefert. Der Vergasungsofen mit fluidisiertem Bett besitzt ein Freeboard 3, ein fluidisiertes Bett 4, eine Luftdiffusionsplatte 5 und eine Luftkammer 6 darinnen. Eine Trennvorrichtung 7 und eine Kübeltransportvorrichtung 8 sind benachbart zu dem Vergasungsofen 1 mit fluidisiertem Bett vorgesehen.
Im fluidisierten Bett-Vergasungsofen 1 erzeugtes Gas, Teer und Holzkohle bzw. kohlenstoffhaltiges Material (char) werden zusammen an einen darauffolgenden Schmelzofen 9 der Wirbel- oder Swirlingbauart geliefert. In dem Schmelzofen der Wirbelbauart sind eine primäre Verbrennungskammer 10, eine sekundäre Verbrennungskammer 11 und eine Schlackentrennkammer 12 gebildet. Das Bezugszeichen 13 bezieht sich auf einen Schlackenkühltrog und das Bezugszeichen 14 bezieht sich auf eine Schlackentransportvorrichtung. In 1 repräsentieren die Symbole "a", "f', "l" und "j" Abfälle bzw. Luft bzw. Sand bzw. nichtbrennbare Materialien. Ferner repräsentieren die Symbole "g", "d", "m" und "h" Gas bzw. Schlacke (slag) bzw. Zirkulationswasser bzw. Abgas.
Die Abfälle "a" die, wenn notwendig, vorbehandelt sind, beispielsweise zerkleinert oder klassifiziert sind, werden dann mit einer konstanten Rate oder Geschwindigkeit durch die konstante Eingabevorrichtung 2 der Schrauben- oder Schneckenbauart an den fluidisierten Bett-Vergasungsofen 1 geliefert. Luft "f' für eine primäre Verbrennung wird zur Luftkammer 6 des Vergasungsofens 1 geliefert und sodann nach oben durch die Luftdiffusionsplatte 5 geblasen um dadurch Sand "I", geladen auf die Luftdiffusionsplatte, zu fluidisieren. Der als ein fluidisiertes Medium verwendete Sand ist Siliziumdioxidsand. Die auf das fluidisierte Bett gelieferten Abfälle "a" steigen im fluidisierten Bett hin ab oder sinken darinnen und werden mit der Luft "f' für eine Primärverbrennung in dem fluidisierten Bett kontaktiert, welches auf einer Temperatur von 600 ± 50°C, vorzugsweise 600 ± 30°C gehalten wird, wodurch die Abfälle "a" schnell pyrolisiert und vergast werden.
Um zu verhindern, dass nicht brennbare Materialien im fluidisierten Bett abgeschieden werden, wird eine Mischung aus nicht brennbaren Materialien "j" und Sand "I" kontinuierlich oder intermittierend vom Boden des Vergasungsofens 1 abgegeben. Eine große Größe besitzende, nicht brennbare Materialien "j" werden durch die Trennvorrichtung 7, wie beispielsweise eine Trommel oder dergleichen, getrennt und entfernt daraus. Obwohl die abgegebenen, nicht brennbaren Materialien Metalle, wie beispielsweise Eisen, Kupfer oder Aluminium enthalten, befindet sich die Innenseite des Ofens auf einer reduzierenden Atmosphäre und somit können die Metalle in einem nicht oxidierten und raffinierten Zustand entfernt werden, da sie durch den Sand poliert werden. Dies ist eine sehr wichtige Technologie zum Rückführen (Recyclen) der Metalle. Der Sand 1, aus dem die eine große Größe besitzenden nicht brennbaren Materialien "j" entfernt wurden, wird nach oben durch die Kübeltransportvorrichtung 8 transportiert und zum Vergasungsofen 1 zurückgeführt.
Die in den Vergasungsofen eingegebenen oder eingeladenen Abfälle werden in Gas, Teer (tar) und Holzkohle (kohlehaltige Materialien – char) durch Pyrolysevergasungsreaktion umgewandet. Die Holzkohle, bei der es sich um ein kohlenstoffhaltiges Material handelt, wird in dem fluidisierten Bett verteilt und zusammen mit dem Sand fluidisiert und wird allmählich durch Oxidations- oder Rührwirkung des fluidisierten Bettes pulverisiert. Die pulverisierte Holzkohle (char) bildet ein fluidisiertes Bett aus Holzkohle auf dem fluidisierten Bett aus Sand. Luft "f' für eine Sekundärverbrennung wird auf einen Teil unter- oder oberhalb des fluidisierten Betts aus Sand geblasen und eine sekundäre Verbrennung wird bei einer Temperatur von 725 ± 75°C ausgeführt, und die pulverisierte Holzkohle wird von der nach oben gerichteten Gasströmung mitgeführt. Auf diese Weise wird die durch das Gas transportierte Holzkohle (char) zusammen mit Gas und Teer vom Vergasungsofen 1 abgegeben und zu der primären Verbrennungskammer 10 des Schmelzofens 9 der Wirbelbauart geliefert, indem sie mit vorerhitzter Luft "f' für eine tertiäre Verbrennung gemischt werden und zwar in einer intensiven wirbelnden Strömung und schnellen Verbrennung bei einer hohen Temperatur von 1300°C oder höher. Die Verbrennung wird in der sekundären Verbrennungskammer 11 vollendet und das Verbrennungsabgas "I" wird vom oberen Teil der Schlackentrennkammer 12 abgegeben. Wegen der Hochtemperaturverbrennung wird der in der Holzkohle enthaltene Aschengehalt in Schlackennebel umgewandelt. Die Schlacke "d", die an der Innenwand der primären Verbrennungskammer 10 infolge der Zentrifugalkräfte der wirbelnden Strömung eingefangen wird, fließt an der Innenwand nach unten und tritt in die sekundäre Verbrennungskammer 11 ein und sodann fließt die Schlacke "d" von der Verbrennungskammer 11 nach unten zu der Schlackentrennkammer 12 und wird vom Boden der Schlackentrennkammer 12 zu dem Schlackenkühltrog 13 abgegeben.
Der Schlackenkühldruck 13 besitzt eine derartige Struktur und einen Aufbau, dass Wasser auf einer Gleitbahn fließt und die Anordnung ist derart getroffen, dass eine Sicherheitsmaßnahme vorgesehen werden kann, so dass selbst dann wenn große Klumpen aus Schlacke herabfallen, eine Dampfexplosion nicht auftritt. Die Schlacke "d", die den Schlackenkühltrog 13 hinabfließt wird gekühlt durch Kontakt mit dem zirkulierenden Wasser "m", welches schnell durch den Trog fließt, auf welche Weise granulierte Schlacke gebildet wird, die in die Schlackentransportvorrichtung 14 eintritt.
Sodann wird die granulierte Schlacke durch die Schlackentransportvorrichtung 14 zur Außenseite des Systems hin transportiert. Die granulierte Schlacke "d" wird in Körner zerkleinert mit einem Durchmesser von mehreren Millimetern, während der Transport durch die Schlackentransportvorrichtung 14 geschieht. Der Zweck der Hochtemperaturverbrennung in dem Schmelzofen 9 der Wirbelbauart besteht also darin, die Dioxine und Dioxinvorläufer zu zerlegen und somit ist ein Gesamtvolumen der primären Verbrennungskammer 10 und der sekundären Verbrennungskammer 11 derart ausgelegt, dass die Zurückhaltezeit des Gases darinnen 0,5 sec oder mehr beträgt. Das Abgas "h", abgege ben von dem Schmelzofen 9 der Wirbelbauart läuft durch einen Reihe von Wärmewiedergewinnungsvorrichtungen oder Staubentfernungsvorrichtungen wie beispielsweise einen Abfallwärmekessel und einen Economizer oder einen Luftvorhitzer und wird dann zur Atmosphäre abgegeben. Die entsprechenden Verbrennungskammern in dem Schmelzofen 9 der Wirbelbauart werden mit Brennern zum Starten versehen.
2 ist eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen dem Prozentsatz der verschiedenen Produkte und der Temperatur darstellen, wenn die Abfälle pyrolisiert werden. Gemäß 2 wurde bestätigt, dass die Gasausbeute anstieg durch Ausführung oder Durchführung der sekundären Verbrennung in dem Freeboard des Vergasungsofens. Wenn der Prozentsatz von Gas, erzeugt in dem Vergasungsofen ansteigt, so kann der Schmelzofen klein bemessen sein. Der Grund dafür ist der, dass das Gas augenblicklich in dem darauffolgenden Schmelzofen verbrannt wird.
Wie oben beschrieben, werden erfindungsgemäß der Vergasungsofen mit fluidisierten Bett und der Schmelzofen kombiniert, und die primäre Verbrennung wird in dem fluidisierten Bett des Vergasungsofens ausgeführt, die sekundäre Verbrennung wird in dem Freeboard ausgeführt und sodann wird die Hochtemperatur tertiäre Verbrennung im Schmelzofen ausgeführt, um so den Aschegehalt in geschmolzene Schlacke umzuwandeln und Dioxine zu zerlegen. Die vorliegende Erfindung sieht daher eine nächste Generation von Abfallverarbeitungstechnologie vor, die hinsichtlich Simplizität, Kompaktheit, Materialrückführung, Energierückführung, Umweltbewahrung exzellent ist und weitere Verbesserung bei der Einfachheit und Sicherheit des Betriebs mit sich bringt.
Industrielle Anwendbarkeit
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Technologie zur Verarbeitung von festen Abfällen oder Brennstoff, abgeleitet aus festen Abfällen, wie beispielsweise städtischem Abfall bzw. Müll, aus Abfällen abgeleiteter Brennstoff, Festwassermischung, Plastikabfälle, Abfall FRP, Biomassenabfälle oder Schredderstaub (Automobilabfall, elektrische Geräte oder dergleichen), wobei die Erfindung vorzugsweise bei der Abfallbehandlung (16768) anwendbar ist.

Claims

Ein Verfahren zur Verarbeitung von festen Abfällen durch Pyrolysevergasung in einem Vergasungsofen mit fluidisiertem Bett, worauf dann eine Hochtemperaturverbrennung in einem Schmelzofen erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass die primäre Verbrennung in dem Vergasungsofen mit fluidisiertem Bett bei einer Temperatur von 600 ± 50°C ausgeführt wird, eine Sekundärverbrennung in einem Freeboard des Vergasungsofens bei einer Temperatur von 725 ± 75°C ausgeführt wird, und zwar durch Blasen von Luft in einen Teil unmittelbar oberhalb des fluidisierten Bettes, und wobei eine Tertiärverbrennung in dem erwähnten Schmelzofen bei einer Temperatur höher als einer Schmelztemperatur der Aschen von 50 bis 100°C ausgeführt wird; dass ein Sauerstoffverhältnis (ein Verhältnis einer zur Verbrennung gelieferten Sauerstoffmenge zu einer theoretischen Sauerstoffmenge für die Verbrennung) in der primären Verbrennung im Bereich von 0,1 bis 0,3 liegt, dass ein Sauerstoffverhältnis in der sekundären Verbrennung im Bereich von 0,05 bis 0,1 liegt, dass ein Sauerstoffverhältnis in der tertiären Verbrennung im Bereich von 0,9 bis 1,1 liegt, und dass ein gesamtes Sauerstoffverhältnis ungefähr 1,3 beträgt.
Ein Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine Menge an Sauerstoff enthaltendem Gas für die primäre Verbrennung in dem fluidisierten Bett des Vergasungsofens im Bereich von 400 bis 1700 nm³/h pro Quadratmeter Bettfläche liegt.
Ein Verfahren zur Verarbeitung von festen Abfällen durch Pyrolysevergasung in einem Vergasungsofen mit fluidisiertem Bett, und sodann in einer Hochtemperaturverbrennung in einem Schmelzofen, dadurch gekennzeichnet, dass eine primäre Verbrennung in einem fluidisierten Bett des Vergasungsofens bei einer Temperatur von 600 ± 50°C ausgeführt wird, dass eine sekundäre Verbrennung in einem Freeboard des Vergasungsofens bei einer Temperatur von 725 ± 75°C ausgeführt wird, und dass eine Tertiärverbrennung in dem Schmelzofen bei einer Temperatur höher als einer Schmelztemperatur der Aschen um 50 bis 100°C ausgeführt wird; dass ein Sauerstoffverhältnis (ein Verhältnis einer Sauerstoffmenge geliefert zur Verbrennung zu einer theoretischen Sauerstoffmenge für die Verbrennung) in der primären Verbrennung im Bereich von 0,1 bis 0,3 liegt, ein Sauerstoffverhältnis in der sekundären Verbrennung im Bereich von 0,05 bis 0,1 liegt, ein Sauerstoffverhältnis in der tertiären Verbrennung im Bereich von 0,9 bis 1,1 liegt und ein Gesamtsauerstoffverhältnis ungefähr 1,3 beträgt; und dass eine Position der Zufuhr von Sauerstoff enthaltendem Gas für die sekundäre Verbrennung in dem Freeboard des Vergasungsofens innerhalb einer Höhe von 1000 mm von der Oberfläche des fluidisierten Betts liegt.
Ein Verfahren zur Verarbeitung fester Abfälle durch Pyrolyse und Vergasung in einem Vergasungsofen mit fluidisiertem Bett und sodann in einer Hochtemperaturverbrennung in einem Schmelzofen, dadurch gekennzeichnet, dass eine primäre Verbrennung in einem fluidisierten Bett des Vergasungsofens bei einer Temperatur von 600 ± 50°C ausgeführt wird, eine sekundäre Verbrennung in einem Freeboard des Vergasungsofens bei einer Temperatur von 725 ± 75°C ausgeführt wird und dass eine Tertiärverbrennung in dem Schmelzofen bei einer Temperatur höher als eine Schmelztemperatur der Aschen um 50 bis 100°C ausgeführt wird; dass ein Sauerstoffverhältnis (ein Verhältnis einer Menge von zur Verbrennung von geliefertem Sauerstoff zu einer theoretischen Menge von Sauerstoff für die Verbrennung von Sauerstoff) in der primären Verbrennung im Bereich von 0,1 bis 0,3 liegt, ein Sauerstoffverhältnis in der sekundären Verbrennung im Bereich von 0,05 bis 0,1 liegt, ein Sauerstoffverhältnis in der tertiären Verbrennung im Bereich von 0,9 bis 1,1 liegt und ein gesamtes Sauerstoffverhältnis ungefähr 1,3 beträgt; und dass eine Raumgeschwindigkeit des Gases in dem Freeboard des Vergasungsofens 0,7 m/sec oder mehr ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei in der tertiären Verbrennung in dem Schmelzofen die erwähnte Hochtemperaturverbrennung bei einer Temperatur höher als der Schmelztemperatur der Aschen um 50 bis 100°C erfolgt und für 0,5 Sekunden oder mehr beibehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei in einer Schlackentrennkammer des Schmelzofens eine Raumgeschwindigkeit des Abgases 6 m/sec oder weniger ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das in dem erwähnten Vergasungsofen verwendete fluidisierte Medium Sand ist oder aufweist, und zwar mit einem Durchmesser von 0,4 bis 0,8 mm.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Höhe des fluidisierten Bettes in dem Vergasungsofen im Bereich des 1,0- bis 1,5-fachen des Innendurchmessers des fluidisierten Bettteils ist, wenn sich das fluidisierte Bett in einem stationären Zustand befindet.