DE3734281C2 - Verfahren zum Entwässern von wasserhaltigen und insbesondere von kontaminierten wasserhaltigen Schlamm- und Feststoffaggregaten und hierzu geeignete Vorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die Entwässerung von wasserhaltigen und insbesondere von kontaminierten wasserhaltigen Schlamm- und Feststoffaggregaten, wie Abwasserschlämmen, Fällungsschlämmen, Flockulationsschlämmen, flüssigen Abfällen industrieller oder kommunaler Herkunft und kontaminierten feuchten Böden. Hierzu wird ein neues Entwässerungsverfahren und eine zu dessen Durchführung geeignete Vorrichtung bereitgestellt.

Zur Trocknung von mehr oder weniger formgestalteten Gütern werden seit ca. 10 Jahren auf den Gebieten der Textiltrocknung, Lebensmitteltrocknung, Tabaktrocknung und Papiertrocknung Hochfrequenztrockenverfahren angewendet. Ziel dieser Verfahren ist es, dem bereits vorgeformten Material mindestens einen Teil der Feuchtigkeit zu entziehen.

Aus IP 62-45 400A In: Patents Abstracts of Japan, Vol. 11, (1987) No. 232 (C- 437) ist das Entwässern (Trocknen) von Schlamm- und Feststoffaggregaten durch Hochfrequenzeinwirkung in einem geschlossenen System bekannt geworden, wobei dort auch die Verwendung der abgedampften Brüden zur Vorerwärmung des Entwässerungsgutes beschrieben ist. Bei dem bekannten Verfahren ist keine unmittelbare Einwirkung von HF-Strahlung auf das Entwässerungsgut vorgesehen. Auch dient die Hochfrequenz dort zur Aufheizung des über dem Entwässerungsgut befindlichen Gas- bzw. Dampfraumes. Die Trocknung selbst geschieht durch Wärmeeinwirkung, wobei die Wärme durch HF-Bestrahlung erzeugt wird.

Die beiden Pole der HF-Heizung befinden sich in der rechten oberen Hälfte der Behälteranordnung. Das Verfahren arbeitet unter Vakuum, was gewisse Rückschlüsse auf die im Behälter vorherrschenden Temperaturen zuläßt. Ferner birgt die HF-Anwendung im Vakuum die Gefahr von Durchschlägen in sich.

Bei dem bekannten Verfahren wird eine definierte Menge an konzentriertem Schlamm in den Behälter injiziert und mit einem Trocknungsgrad von 40% (d. i. die Differenz des Wassergehaltes vor und nach der Behandlung in dem Behälter) diskontinuierlich entladen. Innerhalb des Behälters gibt es somit keine definierte Bewegung des Entwässerungsgutes durch ein HF-Feld.

Gegenüber dem bekannten Verfahren wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren nach dem Verfahrensanspruch 1 ein Entwässerungsgut mit verhältnismäßig hoher Ausgangsfeuchte (bevorzugt mit 75-95 Gew.-% Wasseranteil) auf einer Transporteinrichtung wie einem Transportband, einem Drehrohrförderer, einer Vibrationsrinne oder einem Stabrost direkt durch ein HF-Feld bewegt und dabei bis auf eine Restfeuchte entwässert. Die ggf. zur Vorerwärmung des Entwässerungsgutes verwendeten Brüden erfahren eine Nachbehandlung, um mögliche flüchtige Kontaminationen in dem Entwässerungsgut gezielt zu erfassen und zu entsorgen (z. B. bei stark kontaminierten Klärschlamm).

Auf dem Gebiet der Abfallbehandlung, Abfallbeseitigung und Altlastsanierung besteht das zu behandelnde Substrat häufig aus verschiedenartigen Schlämmen aus Fällungs- und Flockulationsprozessen bzw. aus feuchten kontaminierten Böden. Die Entwässerung dieser Schlamm- und Feststoffaggregate stellt aufgrund des Masseneffektes, der Heterogenität und der ökonomischen und ökologischen Auswirkungen ein besonders schwieriges Problem dar. "Schlämme" können definiert werden als heterogene Gemische von Feststoffen, Schleimen und Flüssigkeiten, deren Konsistenz zwischen dem niederviskosen flüssigen Bereich und dem festen bzw. stichfesten Bereich einzuordnen ist. Der flüssige Anteil besteht meistens aus Wasser, er kann jedoch auch mehr oder weniger große Anteile an nichtwäßrigen Flüssigkeiten wie z. B. Öle enthalten. Der Flüssigkeitsgehalt, der bei rein wäßrigen Systemen im wesentlichen dem Wassergehalt entspricht, liegt bei Schlämmen in einem weiteren Bereich von 90% oder mehr bis zu 10%. Kennzeichnend für alle diese Schlämme ist, daß sie neben physikalischen Emulsions-, Suspensions- oder Kolloidalsystemen in der Regel stets einen gewissen Anteil an gelösten Stoffen aufweisen und sich hierin von z. B. nassen Textilgütern unterscheiden lassen, da bei letzteren die Feuchtigkeit fast ausschließlich aus Hydratationswasser besteht.

Außer Schlämmen bezieht die Erfindung auch andere formlose Feststoff/Flüssigkeitsgemenge mit ein, für die die wasser- oder flüssigkeitshaltigen kontaminierten Böden mit unterschiedlichen Flüssigkeitsgehalten (meistens Wassergehalten) als Beispiel stehen.

Zur Entwässerung der vorgenannten Schlamm- und Feststoffaggregate wurden bisher grundsätzlich die folgenden Verfahren angewendet:

• 1. Abtrennung der flüssigen Phase von der Feststoffphase durch Dekantiervorgänge, worunter im weitesten Sinne Vorgänge wie Absetzen oder Zentrifugieren verstanden werden. Verfahren dieser Art haben den Nachteil, daß die Entwässerung nur bis zu einem bestimmten Grenzwert geführt werden kann, d. h. ein Feststoffgut erhalten wird, dem noch erhebliche Flüssigkeitsmengen anhaften, die in Nachbehandlungsschritten beseitigt werden müssen.
• 2. Trennen der flüssigen Phase von der festen Phase durch Filtrationsprozesse, z. B. durch Filtrieren über ein Siebband, Vakuumdrehtrommelfilter oder über Filterpressen.

Durch die vorgenannten mechanischen Entwässerungsvorgänge wird der Wassergehalt meistens nur unwesentlich verändert. Oft resultieren thixotrope und nicht ausreichend "stichfeste" Schlämme mit relativ hohen Wassergehalten, die beispielsweise bei der Ablagerung in einer Deponie zu Standfestigkeits- und Sickerwasserproblemen führen und bei einer nachfolgenden thermischen Behandlung einen erhöhten Energieaufwand erfordern. Ein hoher Wassergehalt macht die Lagerung und den Transport dieser Schlämme aufwendig und kostspielig.

• 3. Verdampfen der flüssigen Phase mit oder ohne Kondensation der Brüden.

Da das Ziel aller Trocknungsprozesse eine vollständige bzw. nahezu vollständige Entwässerung der Schlämme und Böden ist, wird beim wirksamsten Verfahren gemäß (3) der Wassergehalt durch Wasserverdunstung unter Eintrag von thermischer Energie weiter herabgesetzt, die direkt in Form von Heizgasen oder indirekt durch Wärmeübertragung vermittels Wärmetauscherflächen und Trennwände zugeführt wird. Der letztgenannte Trocknungsprozeß (3) führt meistens zu einer vollständigen Abtrennung der Flüssigphase von der Feststoffphase. Da der Trocknungsprozeß sehr energieaufwendig ist, werden vielfach die unter (1) und (2) angegebenen Entwässerungsverfahren vorgeschaltet, so daß nur noch die verbleibende Restfeuchte durch Energiezufuhr verdampft werden muß.

In einigen Fällen hat man auch schon Strahlungsenergie in Form von Infrarotstrahlung zur Trocknung verwendet.

Bei der Heißlufttrocknung und der Trocknung mit Strahlungswärme bilden sich jedoch an der Schlammoberfläche häufig Verkrustungen oder Häute, die den weiteren Verdampfungsvorgang behindern. Aufgrund der Tatsache, daß Heißluft und Strahlungswärme im wesentlichen nur auf die Oberfläche des Schlammaggregats einwirken, ist es vielfach erforderlich, den Trocknungsvorgang durch mechanische Vorgänge, wie Durchmischung, zu unterstützen. Aber auch hierbei wird eine homogene Durchtrocknung des Gutes innerhalb vertretbarer Zeiten und Kosten nur unzureichend erreicht. Bei der indirekten Beheizung treten an den Wärmetauscherflächen oft Anbackungen in Form von Inkrustrationen auf, die den Wärmeübergang durch unbeabsichtigte Isolationswirkung beeinflussen und hemmen. Als Ausweg werden Kratz- oder Wischvorrichtungen in Form mechanischer Hilfsmittel verwendet, um die Wärmetauscherflächen freizuhalten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Trocknungsverfahren und eine entsprechende Trocknungsvorrichtung für wäßrige und insbesondere für wäßrige kontaminierte Schlamm- und Feststoffaggregate bereitzustellen, bei dem bzw. der das zu trocknende formlose Gut ohne direkte oder indirekte externe Zufuhr von Wärme oder Strahlungsenergie und ohne Bildung von Verkrustungen an der Schlammoberfläche oder von Inkrustrationen an den Wärmetauscherflächen innig durchgetrocknet wird und ein trockenes, leicht zu handhabendes Material erhalten wird, dessen Lagerungs- und Transportkosten niedrig sind.

Hierzu schlägt die Erfindung nach Anspruch 1 ein Verfahren zum Entwässern von wasserhaltigen und insbesondere von wasserhaltigen kontaminierten Schlamm- und Feststoffaggregaten, wie Abwasser-, Fällungs- und Flockulationsschlämmen und kontaminierten feuchten Böden vor, bei dem das Entwässerungsgut mit einer verhältnismäßig hohen Ausgangsfeuchte in einem geschlossenen System auf einer Transporteinrichtung, wie einem Transportband, in einem Drehrohr, auf einer Vibrationsrinne oder auf einem Stabrost durch mindestens ein Hochfrequenzfeld geführt und dabei weitgehend bis auf eine niedrige Restfeuchte entwässert wird, das entwässerte Material ausgetragen und die erhaltenen abgedampften Brüden zur Vorerwärmung des Entwässerungsgutes benutzt und dann nachbehandelt werden. Vorzugsweise wird bis zur vollständigen Trocknung der Schlämme und Böden entwässert, denn dies erlaubt die Erzeugung eines besonders heizwertreichen Feststoffs, vermindert die Transportkosten, verbessert wegen der trockenen krümeligen Konsistenz und der Volumendegression die Mengenhandhabung und gewährleistet eine sichere abwasserlose Weiterbehandlung bzw. Beseitigung der Trockensubstanz.

Im erfindungsgemäßen Verfahren werden sehr verschiedenartige Entwässerungsgüter getrocknet. Speziell sind die vorstehend genannten Substrate geeignet, die sich durch einen relativ hohen Feuchtegehalt auszeichnen. Im einzelnen wird der Feuchtegehalt vom jeweiligen Entwässerungsgut bestimmt.

Im allgemeinen liegt die Feuchtigkeit in einem Bereich von 10 bis 95 Gew.-% Wassergehalt, bevorzugt bei 50 bis 95 Gew.-% und besonders bevorzugt bei 75 bis 95 Gew.-%. Es hat sich gezeigt, daß die Entwässerung von relativ stark wasserhaltigen Schlamm- und Bodenstoffaggregaten gleichzeitig eine günstige Dekontaminierung des Entwässerungsgutes bewirkt, da beim Vorgang der "inneren" Verdampfung zusätzlich bestimmte flüchtige Schadstoffe, wie z. B. Lösemittel, wasserdampfflüchtige Phenole, Amine und Ammoniakverbindungen als auch flüchtige Schwermetallverbindungen ausgetrieben werden. Über eine geeignete Temperatur- und Drucksteuerung kann dieser Zusatzreinigungseffekt noch gezielt verstärkt werden.

Das anzuwendende Hochfrequenzfeld liegt vorzugsweise in einem Bereich von 10 bis 50 MHz, bevorzugt bei 25 bis 30 MHz. Günstig ist die Anwendung mehrerer Hochfrequenzfelder, wobei unterschiedliche Hochfrequenzen angelegt werden, um mit zunehmender Entwässerung den Trocknungseffekt noch zu verstärken.

Die Temperatur der in der Entwässerungsvorrichtung gebildeten Brüden wird in erster Linie durch die spezielle Verdampfungstemperatur des Wassers bestimmt. Sie liegt normalerweise im Bereich von 100°C, kann jedoch je nach aufgegebenem Entwässerungsgut bis zu 150°C oder bei anliegendem Vakuum auch niedriger, z. B. bis zu 50°C liegen.

Das Entwässerungsgut kann in die Entwässerungsvorrichtung mit einer im Bereich der Umgebungstemperatur liegenden Temperatur eintreten. Günstiger und bevorzugt ist jedoch eine vorausgehende Vorerwärmung des Gutes, so daß die Eintrittstemperatur über 50°C, bevorzugt bei mindestens 60°C und bevorzugter bei mindestens 75°C liegt. Diese Vorerwärmung wird im erfindungsgemäßen Verfahren durch indirekten Wärmeaustausch mit den Verdampfungsbrüden erreicht. Durch diese Vorerwärmung kann das Verfahren praktisch ohne größere Temperaturdifferenzen und damit auf einem außerordentlich günstigen Energieniveau ausgeführt werden.

Die vorzugsweise kondensierten Verdampfungsbrüden führen in der Regel eine Reihe von Schadstoffen ab und müssen nach dem Wärmeaustausch mit einzuleitendem Gut wie Klärschlamm einer Nachbehandlung unterzogen werden. Hierzu geeignet sind die an sich bekannten Methoden der chemischen, physikalischen oder physikalisch-chemischen Nachbehandlung, wie z. B. Adsorption an Aktivkohle, Fällung mit speziellen Fällungsreagentien und anschließende Filtration oder Eindampfung unter entsprechender pH-Einstellung.

Es ist vorteilhaft, wenn diejenigen Materialien, die sich innerhalb des HF-Feldes bewegen, aus einem HF-nichtkopplungsfähigen Material bestehen, wie Polyester, Glas, Keramik. Bei Verwendung eines Transportbandes als Transporteinrichtung hat sich ein Polyesterband gut bewährt, glasfaserverstärkte Kunststoffe sind ebenfalls einsetzbar.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, daß es in einem abgeschlossenen System einer Trocknungseinrichtung ohne Auftreten von Geruchsbelästigungen oder gasförmigen Schadstoffausträgen durchgeführt wird. Das Trocknungsgut wird ohne Verkrustungen seiner Oberfläche und ohne Inkrustrationen erhalten, die eine Wärmeübertragung stören. Es erfolgt ein homogener Energieeintrag in die gesamte, zu trocknende Masse. Die Flüssigkeitsphase wird jeweils nur bis auf die jeweilige Verdampfungstemperatur erhitzt, eine Erhitzung bis auf die Umgebungstemperatur eines zugeleiteten Heizgases entfällt. Das Arbeiten ohne Heiz- und Heißgase führt zu einer willkommenen Vermeidung von Abgasvolumina. Insgesamt ist im Verfahren der Erfindung der apparative Aufwand, verglichen mit konventionellen Trocknungsanlagen mit aufwendiger Abgasführung und Abgasbehandlung, wesentlich geringer und somit kostengünstiger.

Während bei den vorgenannten herkömmlichen Trocknungsverfahren unter Einsatz von Heizgasen die anfallenden Abgase je nach Inhaltsstoffen gewaschen und gegebenenfalls thermisch nachbehandelt werden müssen, wird erfindungsgemäß vor der HF-Trocknung eine Vorerwärmung des zu trocknenden Schlamms oder Bodens vorgenommen, indem z. B. die Brüden kondensiert werden, wodurch sowohl Heizluftmengen vermieden werden als auch die Kondensationswärme zur Aufheizung der Schlämme verwendet und wirtschaftlich genutzt wird. Das Ergebnis des erfindungsgemäßen Verfahrens ist bei gleichzeitiger Brüdenkondensation ein in einen transport- und lagerungsfähigen Feststoffkörper überführtes Gut und das Brüdenkondensat, das mengenmäßig durch den ursprünglichen Feuchtigkeitsgehalt begrenzt ist und nach üblichen Methoden nachbehandelt werden kann.

Die Erfindung schlägt auch eine Vorrichtung zum Entwässern von wäßrigen und insbesondere von wäßrigen kontaminierten Schlamm- und Feststoffaggregaten vor, mit einem wärmeisolierten, länglichen Reaktorgehäuse 1, in dem eine Transporteinrichtung 2 verläuft, die das Entwässerungsgut von einer Dosieraufgabe 5 zu einem Feststoffmaterialaustrag 6 befördert, mit einer Reihe von hintereinander geschalteten Hochfrequenzkondensatorplatten 7 bis 11 mit variierbarem Plattenabstand und isolierten elektrischen Zu- und Ableitungen und mit mindestens einem Abzug 14 im Reaktorgehäuse zur Entnahme von Brüden und Kondensat. Das Reaktorgehäuse ist vorzugsweise doppelwandig ausgeführt und die Verdampfungsbrüden durchziehen den Zwischenraum und sorgen auf diese Weise für eine indirekte Beheizung des Reaktorinnenraums. Als Transporteinrichtung kommen Transportbänder, bewegt von Transportwalzen 3, 4, gegebenenfalls auch ein Drehrohr aus einem HF-nichtkopplungsfähigen Material oder Vibrationsrutschen aus einem HF-nichtkopplungsfähigen Material in Betracht. Das Reaktorgehäuse kann aus Keramik, Glas, nichtkorrodierenden Metallen bestehen, während die Transporteinrichtung z. B. die Transportbänder vorzugsweise aus einem HF-nichtkopplungsfähigen Material wie Polyester oder glasfaserverstärktem Polyester bestehen.

Die Beheizung mit Hochfrequenz beruht auf der Tatsache, daß polare Substanzen im Hochfrequenzfeld derart in Schwingung versetzt werden, daß die entstehende Reibungsenergie der Verdampfungsenergie entspricht. Das Hochfrequenzfeld wirkt dabei auf den Gesamtbereich des Materials ein und nicht nur auf dessen Oberfläche, was zu einer innigen Durchtrocknung des gesamten Gutes führt. Es hat sich gezeigt, daß bei der HF-Einwirkung nicht nur die stark dipolaren Wassermoleküle verdampft werden, sondern wegen der "inneren" Verdampfung auch eine beträchtliche Menge der Kontaminationen eines Klärschlamms mitreißen. Auf diese Weise ist es möglich, über die erfindungsgemäße HF-Trocknung gleichzeitig den Klärschlamm zu dekontaminieren. Die abgezogenen Schadstoffe werden dann mit den Brüden kondensiert und können gezielt nachbehandelt werden.

Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß die HF-Trocknung in vielen Fällen einer konventionellen Trocknung durch thermische Klärschlammbehandlung wirkungsgradmäßig und energetisch überlegen ist. Dies wird anhand der folgenden Gegenüberstellung gezeigt.

Klärschlämme, die in kommunalen Kläranlagen hinter dem Faulprozeß anfallen, enthalten ca. 5% Trockensubstanz und 95% Wasser. Im Durchschnitt besteht die Trockensubstanz zu ¹/₃ aus anorganischen, meist mineralischen Materialien und zu ²/₃ aus organischer Substanz. Der Klärschlamm enthält in hohem Maße Krankheitserreger (Bakterien, Viren, Wurmeier) und oft in nicht unbeträchtlichen Mengen Schwermetalle.

Die Schlammenge, die z. B. in drei Kläranlagen von Frankfurt (Informationsschrift Schnellinformation Klärschlamm und Flüssigabfälle A 1458, 1.83) anfällt, wird mit 3500 t/d angegeben. Dieser Klärschlamm mit ca. 5% TS wird durch maschinelle Entwässerung bei erhöhter Temperatur und Zusatz von Polyelektrolyten auf eine Schlammenge von 350 t/d mit ca. 30% Feststoffanteil entwässert. Ob durch die Wärmezufuhr vor der Entwässerung eine Hygienisierung des Klärschlammes eintritt, geht aus der Schrift nicht hervor. Der vorentwässerte Schlamm kann z. B. in Fällen des Stillstandes der Schlammverbrennungsanlage gegebenenfalls mit Kalk stabilisiert und verfestigt werden, damit er auf einer Deponie abgelagert werden kann.

Für die Erwärmung des Klärschlammes vor der Zentrifuge sind, unter der Voraussetzung, daß der Schlamm um 40°C erwärmt wird, 40 × 1000 × 3500 = 588 Mio. kJ/d erforderlich, die in diesem Falle durch das Wärmeträgeröl aus der Verbrennungsanlage geliefert werden müssen.

Das entwässerte Material mit 70% Wassergehalt = 245 t Wasser und 105 t Trockensubstanz wird nun in den kombinierten Wirbelschichtreaktor mit aufgesetztem Trockner behandelt. Hierbei werden ca. 50% des Wassergehaltes = 122,5 t in der Trockenzone mit 850°C heißen Rauchgasen (dazu wird laut Angabe 30-60% des Rauchgases aus der Verbrennung benötigt, Mittelwert ca. 45%) verdampft, wobei die Temperatur am Austritt des Trockners ca. 300°C aufweist.

Für die Verdampfung dieses Wasseranteils werden somit

• - 277,83 Mio kJ/d als Verdampfungsenergie benötigt
• - 47,75 Mio kJ/d für die Aufheizung des Dampfes um 200°C auf 300°C.
• - Die Aufheizung der Trockensubstanz dürfte nur ca. 88 200 kJ/d erfordern und kann somit vernachlässigt werden.

Gelangt das Material vorgetrocknet auf das Wirbelbett, so tritt selbsttätige Verbrennung ein, wobei das restliche Wasser also nochmal 122,5 t/d verdampft und auf 850°C erwärmt werden muß. Für diesen zweiten Schritt werden somit

• - 277,83 Mio kJ/d als Verdampfungswärme und
• - 179,05 Mio kJ/d zur Aufheizung auf 850°C benötigt.

Die entstehenden Rauchgase müssen nochmals im ersten Wärmeaustauscher den Wasserdampf aus der Trocknung von 300°C auf 500°C aufheizen, wofür abermals 47,75 Mio kJ/d benötigt werden.

Wenn also bei der Verbrennung von 105 t/d Trockensubstanz (Hu = 16 800 kJ/kg) 1764 Mio kJ/d enthalten, so müssen hiervon für die Wasserverdampfung und Dampfaufheizung 197,67, d. h. ca. 840 Mio kJ aufgewandt werden. Somit verbleiben ca. 924 Mio kJ/d für die Aufheizung des Thermoöls im zweiten Wärmetauscher.

Von dieser Wärmeenergie ist die Energie für die Klärschlammaufwärmung vor der Zentrifuge 588 Mio kJ/d in Abzug zu bringen. Restlich verbleibende Energie wird zur Rauchgaswiedererwärmung sowie zur Beheizung der Anlage aufgewandt. Für die Rauchgaswiedererwärmung von 65 auf 105°C dürften nochmals ca. 487,2 Mio kJ/d anzusetzen sein.

Alle bei der Klärschlammverbrennung freiwerdende Energie wird somit im Inselbetrieb verbraucht. Elektrische Energie muß von außen bezogen werden.

Trocknung mit HF

Geht man davon aus, daß vorentwässerter Klärschlamm durch HF-Behandlung unter Verwendung von Fremdstrom getrocknet würde, so müßten dazu 245 t/d verdampft werden. Dies entspricht einer Verdampfungswärme von 555,7 Mio kJ/d.

Führt man den bei der Verdampfung entstehenden Sattdampf zur Erwärmung des Klärschlammes vor der Zentrifuge ab, so würden die 555,7 Mio kJ/d an den Klärschlamm abgegeben. Das dabei anfallende Kondensat kann als Reinwasser abgeleitet werden. Der getrocknete Klärschlamm würde auf diese Weise

• - sterilisiert
• - zwischenlagerungsfähig
• - in seinem Gewicht und Volumen um ca. ²/₃ verringert
• - verwertbar oder deponierbar anfallen.

Wenn der getrocknete Klärschlamm verbrannt werden soll, so kann dies in jeder Art von Feuerungsanlage geschehen. Setzen wir den Heizwert Hu für den getrockneten Klärschlamm wie vorher auch mit 16 800 kJ/kg an, so ergibt sich folgende Rechnung:

Die Verbrennung liefert 1747,2 Mio kJ/d. Bei einem Wirkungsgrad von 60% entspricht dies 1029 Mio kJ/d = 0,3 Mio KW/d.

Die für die Verdampfung im HF-Feld benötigte Energie berechnet sich bei 20% Verlust wie folgt:

Damit wird ein theoretischer Energieüberschuß selbst unter Berücksichtigung von 60% Wirkungsgrad bei der Verbrennung und 20% Wärmeverlust bei der HF-Verdampfung von 0,12 Mio KW/d verbleiben.

Eine Wiederaufheizung der Rauchgase ist hierbei nicht erforderlich. Sollten die Rauchgase dennoch gewaschen werden, so sollte nach dem Wäscher eine Kondensationsstufe in Kombination mit einem Naßelektrofilter nachgeschaltet werden. Hierbei könnte die Kondensationswärme ebenfalls an den Klärschlamm abgegeben werden.

Die erfindungsgemäße Schlammbehandlung wird vorzugsweise wie folgt durchgeführt:
In einem wärmeisolierten, doppelwandigen Gehäuse aus geeignetem Material befindet sich ein Förderband, das z. B. aus einer Polyestergewebebahn besteht. Die Geschwindigkeit des Bandes kann dem Trocknungsvorgang angepaßt werden. Der obere Teil des Förderbandes fördert das feuchte Material in ausgebreiteter Form von der Dosieraufgabe in Richtung auf den Feststoffaustrag, der am Ende der Förderbahn durch Abrakeln des trockenen Materials vom Band erfolgt. Oberhalb und unterhalb des oberen Förderbandes sind die HF-Kondensatorplatten oder Stäbe angebracht.

Die entstehenden Brüden werden durch die Doppelwand des Gehäuses abgezogen und dienen zunächst der Aufheizung der Gehäusewand. (Dies kann auch zusätzlich durch andere heiße Abgase getrennt vom Brüdenkreislauf erfolgen.) Die Brüden verlassen die Doppelwand am Boden des Gehäuses und werden zur Aufwärmung der Aufgabeschlämme durch einen Wärmetauscher geleitet und restlos kondensiert. Das Kondensat wird durch eine mit Syphon ausgestattete Vorlage aufgefangen, wobei das nicht-kondensierte Gas (gegebenenfalls auch Inertgas) mit einer Pumpe in den Apparat gefördert wird, um den entstehenden Wasserdampf aus dem System in den Kondensator zu treiben. Das Gas wird im Doppelmantel durch Rohre geführt, wo es auf ca. 100°C aufgeheizt werden kann.

Eventuell an der Innenwand kondensierte (Anfahrphase) Wassertropfen laufen zum Boden des Apparategehäuses ab und können durch einen Syphon in die Behälterzwischenwand gelangen.

Bei den technischen Verfahren werden in der Praxis folgende Frequenzbereiche benutzt:

13,56 MHz ± 0,05%
27,12 MHz ± 0,6%
40,68 MHz ± 0,05%.

In vielen Anwendungsfällen wird bevorzugt die Frequenz von 27,12 MHz eingesetzt, da bei dieser Frequenz die günstigsten Werte für die Elektrodenspannung vorliegen, die mögliche Durchschläge niedig halten.

Die Wärmemenge, die bei der HF-Trocknung zugeführt wird, entsteht durch den Wechsel der Polarität zwischen den Kondensatorplatten. Durch diesen Wechsel werden polare Moleküle (z. B. Wassermoleküle) ständig umorientiert, wobei sie in Schwingungen geraten, die ihrerseits die Wärme im Medium erzeugt.

Unpolare Moleküle oder Aggregate werden nicht in Schwingung versetzt und somit nicht durch das HF-Feld erwärmt (Polyester). Ein wesentlicher Vorteil der HF-Trocknung besteht darin, daß der Trocknungsvorgang gleichmäßig in dem zu trocknenden Material verteilt erfolgt. Es treten somit keine lokalen Überhitzungen an wärmeübertragenden Flächen auf, wodurch auch Schaumbildung und Blasenbildung in der Regel vermindert wird.

Die durch Hochfrequenz eingetragene Energie wird z. T. zur Erwärmung des im Material enthaltenen Wassergehaltes bis zur Verdampfungstemperatur benötigt. Hierbei wird sekundär auch das andere umgebende Material des Schlammes mit auf die Siedetemperatur des Wassers angehoben.

Der Energieanteil für die Aufheizung in (KW) beträgt:

In dieser Formel müssen die Gewichtsanteile und dazugehörige spezifische Wärmen des Wassers sowie der anderen Materialbestandteile (Fasern, Sand usw.) eingesetzt werden.

Zusätzlich zum Wärmebedarf für die Aufheizung ist für die Verdampfung des Wassers Wärmeenergie aufzubringen. Dieser Wärmebedarf wird erfahrungsgemäß mit 1 KW pro 1,6 kg Wasser angesetzt.

Zum Ausgleich von Strahlungs- und Konvektionswärmeverlusten werden in der Regel 10-20% an Energie zusätzlich angesetzt.

Beispiel Versuche zur Entwässerung verschiedener Böden und Schlämme

In einer Versuchsanlage (Bild 1), die aus einem HF-Feld bestand, wurden im Labor Versuche zur Trocknung durchgeführt. Die Brüden des Trocknungsprozesses wurden z. T. über einen Laborkühler kondensiert und als Flüssigphase zurückgewonnen. Andere Versuche wurden in einem HF-Feld ohne Rückkühlung also mit freier Verdunstung gefahren.

In allen Fällen wurde vom Ausgangsmaterial der Trocknungssubstanzgehalt durch Trocknung im Trockenschrank bei 106°C ermittelt. Der Trockensubstanzgehalt (TS) wird in Prozent bezogen auf die feuchte Einwaage angegeben.

Die Versuche im HF-Feld wurden in der Regel solange durchgeführt, bis der TS sich eingestellt hatte.

Die Bilder 2 bis 6 zeigen verschiedene Böden bzw. Baumaterialien, wie sie z. B. bei Altlastsanierungsfällen vorkommen können. In Bild 2 bis Bild 5 sind verschiedene Oberbodenproben, die humusreich oder sandig waren, dargestellt. Sie wurden mit dem gerade vorliegenden Feuchtigkeitsgehalt in den Versuch eingesetzt. Der Wassergehalt der jeweiligen Proben in Prozent ergibt sich aus der Differenz 100 abzüglich dem TS-Gehalt. Die jeweils eingewogene Menge E ist auf dem Diagramm vermerkt. Der Trocknungsvorgang ist gegen die Zeit in Minuten aufgetragen.

Bei Bild 6 handelt es sich um einen Ziegelstein, der über Nacht in Wasser gelegt wurde, um ihn mit Wasser zu sättigen. Ein Teil wurde dann zur TS-Bestimmung im Trockenschrank behandelt, der andere Teil wurde im HF-Feld getrocknet.

Die Versuche 2 bis 6 gingen von Materialien aus, die einen relativ geringen Wassergehalt aufwiesen (max. 18%).

Bild 7 zeigt die Trocknungskurve von Klärschlamm (Faulschlamm aus einer mittelgroßen Stadt) mit 10% TS und einer im Labor hergestellten Zellstoffpulpe, wobei 10 g Zellstoff in 100 ml Wasser aufgeschlämmt wurden. Das Bild 7 zeigt den zeitlichen Trocknungsverlauf beider Stoffe bei einer Einwaage E von 110 g.

Aus dem Bereich einer Sonderabfallbeseitigungsanlage in Bayern wurden weitere drei typische Schlammproben für Versuche zur Verfügung gestellt. Diese Schlämme wurden in ein Becherglas eingewogen und frei in das HF-Feld eingebracht. Es handelte sich um folgende Schlämme:

• 1. Filterschlammgemisch aus der chemisch-physikalischen Abwasserbehandlung (CPA). In der CPA werden Industrieabwässer, die Cyanide, Nitrit, Chromat, andere Schwermetalle, Dünnschlämme, Säuren und Laugen enthalten, durch Oxydation, Reduktion, Fällung und Neutralisation behandelt. Die bei dieser Behandlung entstehenden Ausfällungen werden auf einer Kammerfilterpresse vorentwässert, um dann in der Sonderabfalldeponie abgelagert werden zu können. Der Filterpressenschlamm wurde im HF-Feld getrocknet.
• 2. Dekantierschlamm: Bei diesem Schlamm handelt es sich um den Schlamm, der hinter einer Zentrifuge als Vorentwässerungsprodukt anfällt. Behandelt werden vorwiegend organisch belastete Abwässer wie z. B. Öl-Wassergemische, Emulsionen oder Raffinierschlämme. Vor der Trennung in der Zentrifuge werden Polyelektrolyte zugesetzt.
• 3. Sedimatschlamm: Die Sondermüllverbrennungsanlage entstaubt die bei der Verbrennung des Sondermülls anfallenden Rauchgase zunächst in einem Elektrofilter. Die vorentstaubten Rauchgase werden dann in einem Wäscher gewaschen. Das Waschwasser wird im Kreislauf gefahren und durch Zudosieren von NaOH alkalisch gehalten. Die 350 m³ Waschwasser werden in einem Sedimaten von Feststoffen befreit. Diese Feststoffe sind nicht abgeschiedene Filterstäube, Hydroxide aus der alkalischen Rauchgaswasserbehandlung. Es ist nicht auszuschließen, daß diese Schlämme auch Metalle in feiner Verteilung (z. B. Hg) enthalten können.

Wie aus der Zusammenstellung Bild 8 hervorgeht, traten beim Trocknen dieser Schlämme im HF-Feld bei Probe 1 und Probe 3 verschiedene Erscheinungen auf, die zwar den Trocknungserfolg nicht beeinträchtigt haben, die aber sicher einer Untersuchung und weitergehender Interpretation bedürfen. Im Fall der Probe 1 trat wider Erwarten (anorganischer Schlamm) brenzlicher Geruch und leichtes Glimmen am Ende der Trocknung auf. Entweder enthielt der Schlamm organische Substanz, die kopplungsfähig ist oder er enthielt feinverteilte Metallanteile, die zu lokalen Überhitzungen geführt haben. Im Falle der Probe 3 wird davon ausgegangen, daß mit dem Flugstaub auch Metallpartikel in den Schlamm geraten sind, die zu diesem Verhalten im HF-Feld geführt haben.

Claims (20)

1. Verfahren zum Entwässern von wasserhaltigen und insbesondere von kontaminierten wasserhaltigen Schlamm- und Feststoffaggregaten durch Hochfrequenzeinwirkung in einem geschlossenen System, dadurch gekennzeichnet, daß das Entwässerungsgut auf einer Transporteinrichtung durch mindestens ein Hochfrequenzfeld geführt, dabei weitgehend entwässert, das entwässerte Material ausgetragen wird und die abgedampften Brüden nachbehandelt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Entwässerungsgut mit etwa 75 bis 95 Gew.-% Ausgangsfeuchte behandelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hochfrequenzfeld im Bereich von etwa 10 bis 50 MHz angewendet wird.

4. Verfahren nach einem der Anspüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Brüden auch zur Beheizung der Entwässerungsvorrichtung benutzt werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Entwässerungsgut durch ein Hochfrequenzfeld im Bereich von etwa 25 bis 30 MHz befördert wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Entwässerungsgut innerhalb des geschlossenen Systems mehrere Hochfrequenzfelder durchläuft, die unter gleicher Frequenz oder mit unterschiedlichen Frequenzen arbeiten.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Entwässerungsvorrichtung unter einem Druck im Bereich von 100 mbar bis 1,5 bar betrieben wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Entwässerungsgut mindestens teilweise indirekt durch heiße Abgase aufgeheizt wird, die aus den abgedampften Brüden bestehen oder extern zugeführt werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Entwässerungsgut indirekt unter Kondensation der abgedampften Brüden vorerwärmt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtkondensierten Abgase als Trägergas für das geschlossene System eingesetzt werden.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß den nichtkondensierten Abgasen Inertgas zugesetzt wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Brüdentemperatur einen Wert von 150°C nicht übersteigt.

13. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit mindestens einem Abzug in einem geschlossenen Behältnis zur Entnahme von Brüden und Kondensat, gekennzeichnet durch

• - ein wärmeisoliertes langgestrecktes Reaktorgehäuse (1) mit
• - mindestens einer Transporteinrichtung (2), die das Entwässerungsgut von einer Dosieraufgabe (5) zu einem Feststoffmaterialaustrag (6) befördert,
• - eine Reihe von hintereinandergeschalteten Hochfrequenz- Kondensatorplatten (7 bis 11) mit variierbarem Plattenabstand und isolierten elektrischen Zuleitungen und Ableitungen.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktorgehäuse eine durchströmbare Doppelwand (13) aufweist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß im oberen Reaktorgehäuse mindestens eine Austrittsöffnung (12) für den Übertritt von Brüden und Dämpfen in den Doppelwandraum (13) vorgesehen ist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß sich im unteren Teil des Reaktorgehäuses ein Kondensatablauf (15) befindet, der vom Feststoffmaterialaustrag (6) beabstandet ist.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Abzug (14) mit einer Kondensationseinrichtung (16) verbunden ist, in der Brüden und Dämpfe kondensiert werden.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensationseinrichtung (16) mit der Entwässerungsgutzufuhrleitung (17) in Verbindung steht, so daß die Kondensationswärme des Kondensats durch indirekten Wärmeaustausch zur Vorerwärmung des Entwässerungsgutes genutzt wird.

19. Vorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensationseinrichtung (16) über eine Leitung (18) mit dem Reaktorgehäuse (1) in Verbindung steht, um nichtkondensiertes Abgas über ein Rohrsystem (19) in das Reaktorgehäuse (1) zurückzuleiten.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß dem nichtkondensierten Abgas Inertgas (20) zugesetzt ist.