DE4200341A1

DE4200341A1 - Verfahren und vorrichtung zur hochtemperaturvergasung feinkoerniger brennwertreicher organischer abfallstoffe

Info

Publication number: DE4200341A1
Application number: DE4200341A
Authority: DE
Inventors: Roland Dr Rer Nat Pfeiffer; Hans-Dieter Waldhecker
Original assignee: Kloeckner Humboldt Deutz AG
Current assignee: Deutz AG
Priority date: 1991-11-18
Filing date: 1992-01-09
Publication date: 1993-05-19
Anticipated expiration: 2012-01-10
Also published as: DE4200341C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Abfallverga sung und Ausbildung einer nicht auslaugbaren Schlacke und eines im we sentlichen H₂ und CO als brennbare Bestandteile enthaltenen Gases bei solchen Temperaturen, daß die entstehende Schlacke in flüssiger Form ab gezogen wird.

Die Beseitigung von Abfallstoffen durch Ablagern auf Deponien oder durch vollständige Verbrennung in Verbrennungseinrichtungen ist bekannt. Be kannt ist ferner die Vergasung der Abfallstoffe in Gaserzeugervorrichtungen durch eine indirekte Erhitzung unter Luftabschluß oder durch eine teilweise Verbrennung unter Luftmangel.

So wird in der deutschen Patentschrift 36 11 429 ein Verfahren zur Abfall zersetzung beschrieben, wobei in einem Schachtofen der Abfallstoff zer setzt, das erzeugte Gas an der Ofengicht entnommen und die Vergasungs rückstände als flüssige Schlacke vom Boden des Schachtofens abgezogen werden. Die zur Zersetzung erforderliche Energie wird durch ein mittels eines Plasmabrenners erhitztes Oxidationsgas am Boden des Schachtofens eingebracht.

Auf diese Weise können Abfallstoffe in ein Wertprodukt, dem erzeugten Gas und in ein umweltverträglichen Reststoff, einer auslaugungsresistenten Schlacke umgewandelt und somit in umweltverträglicher Weise entsorgt werden.

Nachteilig bei diesem bekannten Verfahren ist die, bezogen auf ihren Durchsatz, erhebliche Baugröße der Vergasungseinrichtung und damit ver bunden die schwierige Handhabung und Regelung bei auftretenden Verfah rensänderungen, beispielsweise bei Änderung der Zusammensetzung des zu vergasenden Abfallstoffes.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaf fen, mit dem in wirtschaftlicher und einfacher Weise Abfallstoffe in der ge nannten Weise entsorgt werden können.

Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung verfahrensmäßig mit den Maßnah men des Kennzeichnungsteils des Anspruch 1 und vorrichtungsmäßig mit den Maßnahmen des Kennzeichnungsteils des Anspruch 7 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren werden die trockenen bzw. vorge trockneten Abfallstoffe - falls erforderlich nach einer Vorzerkleinerung auf mindestens 2 mm - einer Zyklonkammer aufgegeben und dort durch Zugabe eines sauerstoffhaltigen Vergasungsmediums bei einer Temperatur von mindestens 1200°C - vorzugsweise 1300° bis 1600°C - teilweise verbrannt und vergast unter Bildung einer schmelzflüssigen Schlacke und eines im wesentlichen H₂ und CO als brennbare Bestandteile enthaltenen Gases.

Durch die Verwendung einer Zyklonkammer als Vergasungseinrichtung wird ein intensiver Stoffaustausch zwischen dem zu vergasenden Feststoff und dem Vergasungsmedium, das vorgewärmte Luft, mit Sauerstoff ange reicherte Luft oder reiner Sauerstoff sein kann, in der Schwebe herbeige führt. Durch die hohe Stoffstromdichte innerhalb der Zyklonkammer und der hohen Partikelstrahlgeschwindigkeit, mit der der zu vergasende Abfall stoff in die Zyklonkammer gemeinsam mit dem sauerstoffhaltigen Ver gasungsmedium eingedüst wird, ergeben sich hohe Verflüchtigungsraten verflüchtigbarer Bestandteile und hohe Schmelzraten der zu schmelzenden Restbestandteile.

Die Versuchsparameter Temperatur und Luftzahl λ werden in Abhängigkeit von der Zusammensetzung des zu vergasenden Abfallstoffes eingestellt, wobei aufgrund des geringen Bauvolumens und des geringen Wärmeinhalts des aufgeheizten Zyklons entsprechende Parameteränderungen in kurzer Zeit durchführbar sind.

Um stets einen schmelzflüssigen Abzug der gebildeten Schlacke zu ge währleisten, liegt die Reaktionstemperatur in der Zyklonkammer stets ober halb von 1200°C, vorzugsweise im Bereich zwischen 1300 und 1600°C. Zur Bildung eines noch verwertbaren im wesentlichen H₂ und CO enthaltenen Gases beträgt die Luftzahl -während der Vergasung maxi mal 0,8 - zur Aufrechterhaltung einer teilweisen Verbrennung des Abfall stoffes aber mindestens 0,4. Die Einstellung des Sauerstoffgehaltes des Vergasungsmediums - von reiner Luft bis zum reinen Sauerstoff ist möglich - wird nach der Zusammensetzung des Abfallstoffes, der für einen schmelz flüssigen Austrag der Schlacke erforderlichen Temperatur sowie nach der gewünschten Qualität des zu erzeugenden Gases vorgenommen.

Der Eintrag der zu vergasenden Abfallstoffe geschieht im oberen Teil der Zyklonkammer über mindestens eine, vorzugsweise zwei Mehrstoffdüsen, wobei die zu vergasenden Abfallstoffe mittels eines Trägermediums, bei spielsweise Luft oder Stickstoff durch das Zentralrohr der Mehrstoffdüse in die Zyklonkammer eingeblasen und das sauerstoffhaltige Vergasungsme dium durch das Mantelrohr der Mehrstoffdüse in die Zyklonkammer einge blasen wird. Die Einblasgeschwindigkeit ist hierbei so hoch, daß keine Rückzündung im Strahl stattfinden kann. Die Einblasrichtung ist so ge wählt, daß der Partikelstrahl vorzugsweise sekantial zum Zyklonkammerin nenumfang eingeblasen wird, wodurch der Partikelstrahl zunächst in den Innenbereich der heißen Zyklonkammer gelangt und erst später mit der käl teren Zyklonkammerwandung in Kontakt kommt.

Den Mehrstoffdüsen benachbarte, mit diesen vorzugsweise in einer Ebene angeordnete Stütz- und Zündbrenner sorgen bei einem Abfall der Zyklon kammertemperatur dafür, z. B. bedingt durch zu niedrigem Brennwert der Abfallstoffe, daß die Temperatur schnell wieder auf den für den schmelz flüssigen Austrag der Schlacke erforderlichen Wert ansteigt. Die Brenner sind dabei so ausgelegt, daß ihre Wärmeleistung zum Heißfahren der Zyklonkammer auf Betriebstemperatur ausreicht.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden das erzeugte Gas und die gebildete Schmelze getrennt voneinander aus der Zyklonkam mer abgezogen, wobei die Schmelze in einen unterhalb der Zyklonkammer angeordneten Wasserbehälter fällt und dabei gekühlt wird. Einen Teil des bei diesem Abkühlvorgangs entstehenden heißen Wasserdampfes wird in den Zyklon geleitet, dort zersetzt und ist somit Bestandteil des in der Zyklonkammer gebildeten Gases, das auf diese Weise mit H₂ angereichert wird.

Es ist aber auch möglich, das erzeugte Gas und die gebildete schmelzflüs sige Schlacke durch einen gemeinsamen Bodenaustrag aus der Zyklon kammer abzuziehen und in einen unterhalb der Zyklonkammer angeordne ten Unterofen einzutragen und erst in diesem Unterofen das Gas von der Schmelze zu trennen.

Gegenüber der Abkühlung der Schmelze in einem Wasserbehälter, wobei ein Schlackengranulat mit vorwiegend glasiger Struktur entsteht, wird durch die Pufferung der Schmelze in einem größeren Behälter, dem Unter ofen, die Möglichkeit gegeben, die Schmelze in größeren Portionen abzu ziehen und beispielsweise dann einem gezielten Abkühlvorgang zu unter werfen oder beispielsweise dann zu Formkörpern abzugießen.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es auch möglich, die Vergasung innerhalb der Zyklonkammer unter einem erhöhten Druck, beispielsweise bei 3 bar, durchzuführen. Hierdurch werden die Vergasungs reaktionen in ihrer Schnelligkeit und in ihrem Wirkungsgrad günstig beein flußt. Außerdem ist hierdurch für nachfolgende Verfahrensschritte, bei spielsweise der Gasreinigung, eine oftmals notwendige Gasverdichtung be reits vorteilhaft vorweggenommen.

Das Verfahren bzw. die Vorrichtung gemäß der Erfindung wird durch Zeichnungsfiguren näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 einen vertikalen Schnitt durch eine Zyklonkammer mit einer Mehrstoffdüse und einem Unterofen;

Fig. 2 einen vertikalen Schnitt durch eine Zyklonkammer mit einer Mehrstoffdüse und einem Wasserbadbehälter;

Fig. 3 einen horizontalen Schnitt durch eine Zyklonkammer mit zwei Mehrstoffdüsen.

Fig. 1 zeigt eine Zyklonkammer (10) in einer zylindrischen Ausführungsform mit einer Mehrstoffdüse (11) zum Einblasen des zu vergasenden Abfallstoffes mittels eines Trägermediums über ein Zentralrohr (12) und zum Einblasen des sauerstoffhaltigen Vergasungsmediums über ein Mantelrohr (13).

In der gleichen Ebene befindet sich hinter der Mehrstoffdüse (11) ein in der Zeichnung nicht dargestellter Stütz- und Zündbrenner (14) mit seiner Aus trittsöffnung (15).

Zylindermantel, Deckel und Boden der Zyklonkammer (10) sind aus einem hitzebeständigen Material (16) gefertigt. Zusätzlich wird die Zyklonkammer (10) mit Wasser gekühlt, wobei über den unteren Einlaßstutzen (17) das Wasser in den äußeren Doppelmantel (19) eingeführt und über den Auslaß stutzen (18) wieder abgeführt wird.

Die gemeinsame Auslaßöffnung (21) für das in der Zyklonkammer (10) ent standene Gas und für die gebildete schmelzflüssige Schlacke befindet sich im Boden der Zyklonkammer (10) unmittelbar über einer entsprechende Öffnung im Gewölbe des Unterofens (20). In diesem Unterofen, der aus ei nem hitzebeständigen Material besteht, findet die Trennung von gebildeter schmelzflüssiger Schlacke und entstandenem Gas statt. Die schmelzflüs sige Schlacke (24) sammelt sich am Boden des Unterofens (20) und kann periodisch oder kontinuierlich über eine Auslaßöffnung (23) abgezogen werden. Dadurch, daß ständig heißes Gas auf die schmelzflüssige Schlacke (24) aufgeblasen wird, wird eine Abkühlung und Erstarrung der schmelz flüssigen Schlacke verhindert.

Das entstandene Gas verläßt den Unterofen über die Öffnung (25) und wird über eine in der Zeichnung nicht dargestellte Leitung einer weiteren Verwendung zugeführt, beispielsweise einer nach einer gegebenenfalls vorherigen notwendigen Gasreinigung Verbrennung in einem Gasmotor zur Erzeugung von elektrischer Energie oder aber als Rohstoff für Synthese erzeugnisse (Synthesegas).

Fig. 2 zeigt eine zylindrische Zyklonkammer (30), in einer gegenüber der Zyklonkammer (10) abgeänderten Ausführung. In dieser Ausführungsform wird bereits in der Zyklonkammer (30) die schmelzflüssige Schlacke und das Gas voneinander getrennt. Das Gas verläßt die Zyklonkammer (30) über einen Gasabzug mit einem Tauchrohr (26), das von oben in die Zyklonkammer (30) eingeführt ist. Die schmelzflüssige Schlacke fließt nach unten durch die Öffnung (21) in einen Wasserbehälter (31), wo sie durch das Wasser (32) abgekühlt wird und zu Granalien erstarrt. Die erstarrte Schlacke (29) wird über eine Austragsvorrichtung (22) aus dem Wasserbe hälter kontinuierlich abgezogen.

Eine Teilmenge der beim Abkühlvorgang entstehenden Wasserbrüden ge langt von unten durch die Öffnung (21) in die Zyklonkammer, wo sie zer setzt und mit den übrigen Bestandteilen des Gases vermischt werden. Die restliche Teilmenge wird über eine außerhalb des Wasserbehälters ange ordnete Abzugsvorrichtung (27) aus dem Wasserbehälter abgesaugt. Durch Dosierung der abgesaugten Teilmenge über eine Regelvorrichtung (28) ist es möglich, die Menge der in die Zyklonkammer (30) gelangenden Brüden zu beeinflussen und somit der gewünschten Gaszusammensetzung anzu passen. Die somit gegebene Regelmöglichkeit für den H₂-Gehalt des Gases ist insbesondere für eine Verbrennung in einem Gasmotor zur Erzeugung von elektrischer Energie oder für eine Verwendung als Synthesegas von Vorteil.

Eine zylindrische Zyklonkammer (32) mit zwei Mehrstoffdüsen nebst den diesen zugeordneten Stütz- und Zündbrennern ist in der Fig. 3 in einem horizontalen Schnitt dargestellt. Sowohl die Mehrstoffdüsen (11) als auch die Stütz- und Zündbrenner (14) sind in dieser Ausführungsform in ihrer Einblasrichtung sekantal angeordnet und befinden sich in einer Ebene.

Es ist aber auch möglich, die Einblasrichtung der Mehrstoffdüse und der Stütz- und Zündbrenner tangential anzuordnen.

Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen be schränkt. Je nach Brennwert des Abfallstoffes, der Zusammensetzung des gewünschten Gases und dem Verwendungszweck der gebildeten Schlacke sind auch konische und/oder gegenüber der Vertikalen geneigte Zyklon kammern anwendbar, wobei die Anzahl der Mehrstoffdüsen auch mehr als zwei betragen kann.

Claims

1. Verfahren zur Abfallvergasung und Ausbildung einer nicht auslaugba ren Schlacke und eines im wesentlichen H₂ und CO als brennbare Bestandteile enthaltenen Gases bei solchen Temperaturen, daß die entstehende Schlacke in flüssiger Form abgezogen wird, dadurch ge kennzeichnet, daß die Vergasung mit Hilfe von einem sauerstoffhalti gen Vergasungsmedium bei Temperaturen von mehr als 1200°C, vorzugsweise 1300 bis 1600°C, bei einer Luftzahl λ von 0,4 bis 0,8 in einer Zyklonkammer in der Schwebe erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das sauerstoffhaltige Vergasungsmedium vor seinem Eintrag in die Zyklonkammer vorgewärmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das er zeugte Gas und die flüssige Schlacke getrennt voneinander abgezo gen werden, daß die Schlacke in einem Wasserbad gekühlt wird und daß zumindest ein Teil des dabei entstehenden Wasserdampfes der Zyklonkammer zugeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas und die flüssige Schlacke gemeinsam durch einen Bodenaustrag ab gezogen werden und daß die flüssige Schlacke in einem Unterofen gesammelt wird und das Gas getrennt aus diesem Unterofen abge zogen wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß die zu vergasenden Abfallstoffe auf eine Korn größe von weniger als 2 mm zerkleinert werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeich net, daß die Vergasung bei einem erhöhten Druck bis zu etwa 3 bar erfolgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeich net, daß das erzeugte Gase gegebenenfalls einer Gasreinigungsan lage zugeführt und dann in einer Verbrennungseinrichtung, vorzugs weise einem Gasmotor, verbrannt wird und der Gasmotor mit einem Generator zur Erzeugung elektrischer Energie verbunden ist.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vor hergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine zylindrische und/oder konische Zyklonkammer, die im oberen Bereich mit minde stens einem - vorzugsweise zwei - Mehrstoffdüsen versehen ist, wo bei das Zentralrohr der Mehrstoffdüse die Eintragsvorrichtung für den zu vergasenden Abfallstoff und ein Trägermedium ist und das Man telrohr der Mehrstoffdüse die Eintragsvorrichtung für das sauerstoff haltige Vergasungsmedium ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zyklonkammer mit einem wassergekühlten Mantel versehen ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Zyklonkammer mindestens einen Stütz- und Zündbrenner auf weist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Zyklonkammer vertikal oder geneigt angeordnet ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekenn zeichnet, daß die Zyklonkammer mit Einrichtungen zum Einbringen von Hilfsmedien, z. B. Schlackenbildner und/oder zum Einbringen von zusätzlichen zu zersetzenden Stoffen wie Wasser, Altöl oder Alt schlacke versehen ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekenn zeichnet, daß die Zyklonkammer nur eine Austragsöffnung in ihrem Bodenbereich für Gas und flüssige Schlacke aufweist und auf der Decke eines Unterofens angeordnet ist, wobei der Unterofen mit Ab zugsvorrichtungen für die Schlacke und einer Austrittsöffnung für das erzeugte Gas versehen ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekenn zeichnet, daß die Zyklonkammer in ihrer Decke mit einem Gasabzug für das erzeugte Gas versehen ist und daß die Austragsöffnung für die Schlacke im Boden der Zyklonkammer in ein Wasserbad mündet, dessen Behälter mit der Zyklonkammer in nach außen gasdichter Verbindung steht.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekenn zeichnet, daß die Zyklonkammer und gegebenenfalls der Unterofen bzw. der Wasserbadbehälter gasdruckfest ausgebildet sind.