DD296543B5 - Verfahren zum Entgiften der Abgase aus Muell- und Sondermuellverbrennungsanlagen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft den Einsatz von Müll- und Sondermüllverbrennungsanlagen unter den höchsten Forderungen zum Umweltschutz und ist anwendbar in allen Verbrennungsanlagen, insbesondere Hochtemperaturverbrennungsanlagen zur Beseitigung von Industrie-, Haus- und Sondermüll.

Neben der Deponie stellen Verbrennungsanlagen, wenn auch mit Einschränkungen und Vorbehalten, die einzige akzeptable Entsorgungsmöglichkeit für industrielle und kommunale Abprodukte dar.

Die Problematik besteht darin, daß in allen industriellen und kommunalen Abprodukten in mehr oder weniger hohem Maße gebundenes Chlor vorhanden ist, welches die Bildung der hochtoxischen und gefürchteten höher chlorierten Kohlenwasserstoffe, insbesondere Dibenzodioxine und Dibenzofurane, bei der Verbrennung hervorruft.

Zur Vermeidung solcher Verbindungen im Rauchgas ist die Verbrennungstemperatur verbindlich auf Werte oberhalb von 1 200⁰C festgelegt, die in den Müllverbrennungsanlagen zumeist durch eine dem üblicherweise zum Einsatz gelangenden Drehrohrofen nachgeschaltete Hochtemperaturverbrennungsstufe erreicht wird.

Jedoch treten in fast allen Müllverbrennungsanlagen trotz allem Emissionen gefährlicher Stoffe auf, die folgende Ursachen haben:

- Die Verbrennungsräume (Drehrohrofen, Hochtemperaturverbrennung) lassen in ihrem Inneren infolge punktueller Wärmequellen räumlich und zeitlich inhomogene Temperaturfelder zu.

- Die Heterogenität der zugeführten Abprodukte (Heizwerte, Zusammensetzung etc.) bedingt zur Einhaltung der geforderten Mindesttemperaturen eine komplizierte Regelung der Unterfeuerungsleistung oder der Chargenkombination.

- In jüngster Zeit wurde festgestellt, daß sich Dioxine auch bei niedrigen Temperaturen, wie sie in und nach dem Abhitzekessel der Verbrennungsanlage herrschen (300 bis 400⁰C), nachträglich und unabhängig von der Hochtemperaturverbrennungsstufe bei Anwesenheit von Kohlenwasserstoffresten aus der Verbrennung, chlorhaltigen Verbindungen und Sauerstoff in Anwesenheit katalytisch wirkender Stäube bilden können.

Somit ergeben sich mehrere Emissionsquellen für gefährliche Produkte in einer Müllverbrennungsanlage:

1. Nicht zerlegte Chlororganika aus der Verbrennung und der Hochtemperaturverbrennungsstufe.

2. Neu gebildete Chlororganika aus durch die Hochtemperaturverbrennung durchgebrochenen Restkohlenwasserstoffen im Bereich des Abhitzekessels bei Temperaturen zwischen 300 und 400⁰C.

Diese Nachteile haften den Sondermüllverbrennungsanlagen generell an (Zerstörungseffizienz für CKW max. 99,998%), was ihre gegenwärtige und zukünftige umweltpolitische Akzeptanz in Frage stellt.

Es wurde auch versucht, die Neubildung von polychlorierten Kohlewasserstoffen dadurch zu umgehen, daß der Temperaturbereich zwischen 400 und 300^cC durch Einspritzen von Wasser rasch durchquert wird. Diese Lösung hat den Nachteil, daß die Bildung von Dioxinen und Furanen nicht sicher verhindert werden kann. Darüber hinaus sind damit aus der Hochtemperaturverbrennungsstufe stammende vorgebildete Dioxine und Furane sowie andere CKW bzw. FCKW nicht zu beseitigen.

Nach neueren Erkenntnissen (Abfallwirtschaftsjoumal 2/1990 Nr.4) tritt neben der primären Dioxinbildung in der Hochtemperaturstufe einer Müllverbrennungsanlage insbesondere eine sekundäre, katalytisch initiierte Dioxinbildung in der Abhitzeanlage beim Durchqueren des Bereiches 350 bis 300⁰C auf. Durch Einspritzen bestimmter Chemikalien soll hier die Dioxinbildung behindert werden. Neben der schwierigen Prozeßführung (insbesondere hinsichtlich des Temperaturregimes) wird die primäre Dioxinbildung dadurch nicht verhindert, denn dieser Anteil liegt im Rauchgas bereits vor.

Der entscheidende Nachteil der meisten bekannten Müllverbrennungsanlagen, der bisher nicht beseitigt werden konnte, besteht also darin, daß diese hinsichtlich Temperaturniveau und Homogenität des Temperaturfeldes in den Verbrennungszonen nicht die Voraussetzungen zur völligen thermischen Zerstörung der polychlorierten Kohlenwasserstoffe besitzen. Es wurde weiterhin vorgeschlagen, Abprodukte mittels eines chemisch-reaktiven Wasserdampfplasmas gemäß OD 299 915 A7 schadlos zu entsorgen. Dieses Verfahren ist für die Entgiftung großer Gasströme (Rauchgas) mit kleinen Schadstoffkonzentrationen nicht geeignet, da sich seine Anwendung sowohl aus energetischen Gründen (Aufheizung riesiger Gasströme) verbietet als auch aus verfahrenstechnischen Gründen wirkungslos bliebe, weil die chemisch-reaktive Einwirkung des Dampfplasmas auf die Schadstoffe in einem fast vollständig aus Rauchgas bestehenden Gasstrom nicht erreichbar wäre. Des weiteren hätte die in der genannten Erfindung existierende Nachoxidationsstufe keine SinnfäUigkeit. Auch aus weiteren technischen Gründen, so der Nichtbetreibbarkeit einer Plasmatron-Plasmareaktor-Kombination mit derart hohen Rauchgasströmen, ist das Verfahren für diesen Einsatzfall nicht anwendbar.

Weiterhin wurde ein Verfahren vorgeschlagen, hinter der Sonderabfallverbrennung eine Rauchgasendreinigung durch Adsorption von Dioxinen, Furanen und polycyclischen Kohlenwasserstoffen an Aktivkoks vorzunehmen („Abfallwirtschaftsjournal" 2/1990 Nr. 4, S. 173). Dieses Verfahren erfordert zusätzlich aufwendige Verfahrensstufen und teure Materialien und erzeugt einen hochkonzentrierten Aktivkoks, dessen Entsorgung wiederum problematisch ist und dereine neue schwere Umweltbelastung darstellt.

Ziel der Erfindung ist es, Müllverbrennungsanlagen durch Ergänzung bzw. Nachrüstung so betreiben zu können, daß keine für die Umwelt schädlichen Verbindungen mehr emittiert werden. Dabei sollen die Invest- und Betriebskosten der Müllverbrennungsanlage nicht wesentlich höher werden und sollen Änderungen beim Betreiben der Müllverbrennungsanlage nicht auftreten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die im Rauchgas von Müllverbrennungsanlagen in sehr geringer Konzentration vorliegenden Kohlenwasserstoffe und Halogenorganika zu zerstören und ihre Neubildung unter allen Betriebsbedingungen zu unterbinden, ohne daß dadurch die verfahrenstechnische Prozeßführung der Müllverbrennungsanlage verändert werden muß, wobei die Abhitzeverwertung mit hohem Wirkungsgrad durchgeführt werden kann.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem Verfahren gelöst, bei dem das noch heiße Frischrauchgas aus einer Müllverbrennungsanlage in einem Hochtemperaturwärmeübertrager weiter aufgeheizt, dann durch Vermischen mit mindestens einem Plasmastrahl aus einem oder mehreren Plasmatrons weiter erhitzt und anschließend in dem Hochtemperaturwärmeübertrager wieder zum Aufheizen des Frischrauchgases genutzt wird. Der Frischrauchgasstrom wird zweckmäßigerweise unmittelbar der Hochtemperaturverbrennungsstufe bzw. Nachverbrennungsstufe der Müllverbrennungsanlage entnommen. Es ist aber auch möglich, das Frischrauchgas direkt aus einer primären Verbrennungsstufe (Drehrohrofen) zu entnehmen und auf eine Hochtemperaturverbrennungsstufe zu verzichten. Als Plasmaträgergas kann Luft verwendet werden. Unter Umständen kann auch Wasserdampf zweckmäßig sein. Energetisch optimal ist die Verwendung eines Teilstromes des heißen Gases, welches dem Frischrauchgasstrom vor Einspeisung in den Hochtemperaturwärmeaustauscher entnommen wird, als Plasmaträgergas

Die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens ist folgende:

Zunächst wird der mit hochgiftigen Schadstoffen in sehr geringer Konzentration beladene Rauchgasstrom im Hochtemperaturwärmeübertrager auf eine höhere Temperatur aufgeheizt, als in der vorgeschalteten Hochtemperaturverbrennungsstufe erreichbar ist, was zu einem thermischen Zerfall von Schadstoffen in der Gasphase, insbesondere an den heißen Wänden des Wärmeübertragers, führt, die eine höhere Temperatur als die Rauchgasphase aufweisen. In dieser ersten Stufe der thermischen Einwirkung wird bereits ein großer Teil der aus der Hochtemperaturverbrennungsstufe stammenden nicht umgesetzten organischen Komponenten in der Gasphase zerstört. Die zweite Stufe der thermischen Einwirkung auf den Rauchgasstrom ist durch Zumischen eines chemisch nicht wirksamen Plasmastrahls kleiner Leistung in den vergleichsweise voluminösen Rauchgasstrom gekennzeichnet, der in diesem eine geringfügige Temperaturerhöhung in Form einer Spitzenaufheizung auf 1400⁰C und höher bewirkt. Durch die eintretende Temperaturerhöhung wird ein weiterer Teil der organischen Schadstoff komponenten gespalten und die teilweise ebenfalls kontaminierte Flugasche somit bis in den Kern der Aschepartikel durchgeheizt, daß organische Produkte bis in den Kern zerstört werden. Des weiteren bildet sich infolge der hohen Temperatur an der Oberfläche der Aschepartikel eine dünne Schmelzschicht, die nach Abkühlung glasartig erstarrt und zu einer Inertisierung des Flugstaubes bezüglich Eluation führt. Zugleich wird mit der Aufheizung erfindungsgemäß die Voraussetzung für den Wärmeübertragungsprozeß im Hochtemperaturwärmeübertrager geschaffen. Der nach diesem Prozeßabschnitt einer thermischen Plasmabehandlung wieder in den Hochtemperaturwärmeübertrager eingeführte und mit einer Spitzentemperatur versehene Rauchgasstrom wird im Gegenstrom mit dem Frischrauchgasstrom abgekühlt. Dabei erfolgt die restlose Zerstörung organischer Schadstoffe, da das Temperaturniveau dieser erfindungsgemäßen Verfahrensstufe ebenfalls oberhalb des höchsten in der Verbrennungsanlage liegenden Temperaturniveaus liegt. In diesen drei gekoppelten Verfahrensschritten werden nicht nur bereits vorhandene Dioxine und Furane zerstört, sondern ihre Neubildung im Bereich niederer Temperaturen in der Abhitzeanlage wird dadurch sicher verhindert, daß sämtliche im Rauchgas vorhandene organische Substanz zerstört wird, so daß im kritischen Bereich der Rauchgasabkühlung zwischen 400 und 300⁰C keine Vorprodukte für die Neubildung von Dioxinen und Furanen mehr zur Verfügung stehen.

Die Wirksamkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens ist unabhängig von der Schadstoffkonzentration und damit dem betriebenen Aufwand in der eigentlichen Verbrennungsstufe, so daß auch bei Müllverbrennungsanlagen mit gewöhnlichen Feuerungstemperaturen ohne Hochtemperaturverbrennungsstufe eine sichere Entgiftung der Rauchgase mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gegeben ist.

Eine Sondermüllverbrennungsanlage mit einer Jahreskapazität von 10000t erzeugt einen Rauchgasstrom von 20000 Nm³/h. Nach der Hochtemperaturnachverbrennungsstufe liegt der Frischrauchgasstrom mit einer Temperatur von 1200⁰C vor. Dies entspricht einem thermischen Enthalpiestrom von ca. 9MW. Das Rauchgas enthält neben Stickstoff und Sauerstoff (Luft) CO₂, Wasserdampf, HCI und Cl₂ sowie aus der Umsetzung von Chlorkohlenwasserstoffen auch 150ng/m³ Dibenzodioxine sowie 100 mg/m³ weitere aliphatische und aromatische chlorierte Kohlenwasserstoffe, wobei letztere durch ungenügende Umsetzung infolge thermischer Inhomogenitäten in der Nachbrennkammer entstanden sind und in der vorliegenden Konzentration eine schwere Umweltbedrohung hervorrufen. Weiterhin enthält das Rauchgas Ruß- und Flugaschepartikel.

In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der Frischrauchgasstrom mit einerTemperatur von 1200°C in den Mantelraum eines Hochtemperaturwärmeübertragers geführt und im Gegenstrom mit den Abgasen einer Plasmastufe auf eine Temperatur von 138O⁰C aufgeheizt. Dabei kommt es bereitszurthermischen Spaltung von 90% der im Rauchgas vorhandenen CKW bzw. der Dibenzodioxine, insbesondere an der heißen Rohrwand des Hochtemperaturwärmeübertragers unter thermischen Bedingungen, die in einer konventionellen Hochtemperaturnachverbrennung nicht realisierbar sind. In diesen aufgeheizten Rauchgasstrom wird nach dem Verlassen des Hochtemperaturwärmeübertragers ein Luftplasmastrahl aus einem Plasmatron mit einer Leistung von 15OkW (das entspricht ca. 1,7% des gesamten thermischen Rauchgasenthalpiestromes) eingeführt, der eine Temperatur von 4000⁰C besitzt. Der Luftplasmastrahl wird mittels eines gegenüber dem Rauchgasstrom äußerst geringen Plasmaträgerluftdurchsatzes durch das Plasmatron von ca. 100Nm³/h gebildet. Stromabwärts kommt es in dieser Plasmastufe zu einer gleichmäßigen Vermischung des Rauchgases mit dem Luftplasmastrahl, die eine weitere, temperaturfeldfreie Spitzenaufheizung des Rauchgases um nur 20⁰C auf 1400⁰C hervorruft. Diese Temperaturerhöhung bewirkt eine weitere thermische Spaltung von Dioxinen, CKW etc. um ca. 9,5%. Da dieser Bereich zusätzlich frei von einem Temperaturfeld ist, wird ein Durchbrechen von stabilen CKW, Dioxinen etc. durch diese Höchsttemperaturzone verhindert. Der Rauchgasstrom wird unmittelbar darauf dem Rohrraum des Hochtemperaturwärmeübertragers zugeführt und im Gegenstrom mit dem Frischrauchgas auf ca. 1210⁰C abgekühlt. Dabei liegen die Temperaturen dieser Abkühlstufe stets oberhalb der mit konventioneller Hochtemperaturverbrennung erzeugten Maximaltemperatur, so daß auch in dieser Stufe die Zerstörung der Schadstoffe weitergeht. Anschließend wird der Rauchgasstrom wie üblich in eine Abhitzeanlage mit Rauchgaswäsche geführt. Das erfindungsgemäße Verfahren unter den genannten Bedingungen sichert unter allen Betriebsbedingungen der Verbrennungsstufe, daß die Abgase frei von CKW und Dioxinen sind und daß die gesamte Anlage den höchsten Umweltanforderungen genügt.

Der gesamte Prozeß kann auch auf einem höheren Temperaturniveau bezüglich der Spitzenaufheizung in der Plasmastufe geführt werden.

Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich unter Verzicht auf die übliche Hochtemperaturnachverbrennungsstufe in der Müllverbrennungsanlage. Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitende Höchsttemperaturstufe schließt sich dann verfahrenstechnisch unmittelbar an die Primärfeuerung (Drehrohrofen) der Müllverbrennungsanlage an. Der Hochtemperaturwärmeübertrager ist dann für die höhere Temperaturdifferenz auszulegen.

Der Hauptvorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß eine Vernichtung toxischer Stoffe im Rauchgas mit relativ geringem Energieaufwand erreicht wird. Der ganze Prozeß wird, trotz einer Plasmainduktion in die Rauchgase, so geführt, daß diese selbst nicht in den Plasmazustand überführt werden und somit das Erreichen einer nur kleinen Temperaturdifferenz im Frischrauchgas durch die Plasmastrahleinführung notwendig ist. Eine Erwärmung des gesamten Rauchgasstromes in Plasmatrons z. B. wäre energetisch mit unvertretbarem Aufwand verbunden.

Weitere Vorteile der Erfindung sind:

- Sichere Entgiftung der Rauchgase von Müllverbrennungsanlagen und unabhängig von der Art des Mülls, der Toxizität der Rauchgase und der Art des Verbrennungsverfahrens,

- die Neubildung von Dioxinen im niedrigen Temperaturbereich der Abhitzeanlage wird ausgeschlossen, indem die dazu notwendigen organischen Vorprodukte vernichtet werden,

- hohe Sicherheit der Müllverbrennungsanlage auch bei instationären Betriebszuständen, wie Lastschwankungen, planmäßige oder unplanmäßige An- und Abfahrvorgänge, Havarien usw.,

- niedrige Investitionskosten,

- die Möglichkeit der Nachrüstung an vorhandenen Müllverbrennungsanlagen mit geringem Aufwand,

- Inertisierung des Flugstaubes bezüglich Eluation durch Schmelzbildung an der Oberfläche der Aschepartikel,

- die verfahrenstechnische Prozeßführung der Müllverbrennungsanlagen wird durch das erfindungsgemäße Verfahren kaum beeinflußt,

- die Verweilzeit des Rauchgases im Hochtemperaturübertrager in den 3 Stufen Mantelraum, Rohrraum des Hochtemperaturwärmeübertragers und Plasmastufe gibt unter den erfindungsgemäßen Bedingungen ausreichende Zerstörungsdifferenzen.

- das Temperaturniveau der erfindungsgemäßen Höchsttemperaturstufe ist leicht auf einen jeweils optimalen Wert steuerbar, ohne daß sich der Energieverbrauch wesentlich ändert,

- gegebenenfalls Einsparung der üblichen Hochtemperaturnachverbrennung einschließlich der dazu notwendigen Unterfeuerungsleistung.

Claims (6)

1. Verfahren zum Entgiften der Abgase aus Müll- und Sondermüllverbrennungsanlagen von Halogenorganika und Kohlenwasserstoffen, dadurch gekennzeichnet, daß das noch heiße Frischrauchgas aus der Müllverbrennungsanlage in einem Hochtemperaturwärmeübertrager weiter aufgeheizt, dann durch Vermischung mit mindestens einem Plasmastrahl weiter erhitzt und anschließend in dem Hochtemperaturwärmeübertrager zum Aufheizen des Frischrauchgases genutzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Frischrauchgasstrom unmittelbar der Hochtemperaturverbrennungsstufe bzw. Nachverbrennungsstufe der Müllverbrennungsanlage entnommen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Frischrauchgas direkt der primären Verbrennungsstufe ohne Hochtemperaturverbrennungsstufe entnommen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Plasmaträgergas Luft verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Plasmaträgergas Wasserdampf verwendet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Plasmaträgergas ein Teil des Frischrauchgases aus der Müllverbrennungsanlage, das dem Frischrauchgas als Teilstrom vor Einspeisung in den Hochtemperatur-Wärmeaustauscher entnommen wird, verwendet wird.