Verfahren und Vorrichtung zur Müllvergasung

Abstract

 Verfahren und Vorrichtung zur Vergasung von kohlenstoffhaltigem Müll oder organischem Sondermüll, wobei der Müll in eine heiße Flüssigkeit (4) mit einer Temperatur >1000°C eingebracht wird, ein Oxidationsmittel (5) zugegeben wird, eine im unteren Bereich mit Öffnungen (9a) versehene Trennwand (9) vorgesehen ist, die zwei Gasräume (7, 8) über der heißen Flüssigkeit (4) schafft, der Müll in den ersten Gasraum (7) eingebracht wird und die entstehenden Produktgase (hauptsächlich H₂, CO und Inertgase) im zweiten Gasraum (8) abgezogen werden.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Vergasung von kohlenstoffhaltigem Müll oder organischem Sondermüll nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

[0002] Allein schon wegen des Volumens stellen die anfallenden kommunalen und gewerblichen Müllmengen, die bisher hauptsächlich deponiert wurden, ein Problem dar. Deshalb ging man teilweise dazu über, den Müll zu verbrennen oder zu pyrolisieren.

[0003] Bei der Müllverbrennung, die die Nutzung des Müllheizwertes (2 - 2,5 kWh/kg) erlaubt, entstehen jedoch hochagressive Gase (vor allem HC1, HF, SO₂, NO_x), die mit hohen Kosten aus dem Rauchgas wieder entfernt werden müssen, soweit dies überhaupt möglich ist.

[0004] Bei der Müllprolyse (Verschwelung des Mülls durch Wärmezufuhr unter Luftabschluß) ist dieses Problem auf die Verunreinigungen des entstehenden Schwelgases verlagert, in dem neben den erwünschten Gasen CH₄, H₂ und CO eine Vielzahl von lästigen Nebenprodukten wie H₂S, HCl, HF, Teere, öle, Phenole und andere Kohlenwasserstoffe enthalten sind.

[0005] Diese Bestandteile müssen mit einer aufwendigen und daher teuren chemischen Verfahrenstechnik aus dem Schwelgas entfernt werden, bevor dies genutzt werden kann.

[0006] Neben dem Problem der Müllbeseitigung existiert das Problem der Sondermüllbeseitigung. Vor allem Sondermüll aus organischen Verbindungen, polychlorierte Biphenyle (PCB's), Hexachlorcyclohexane (HCH's) Dioxin usw. können oft nur mit Schwierigkeiten sicher entsorgt oder vernichtet werden.

[0007] Bekannt ist ein Verfahren zur Vergasung von Hausmüll (DE-OS 32 12 534), bei dem Müll in ein heißes Eisenbad (ca. 1130 bis 1600°C) eingebracht und ein Oxidationsmittel zugegeben wird. Bei diesem Verfahren wird der Müll vorher auf mindestens 50 mm Teilchengröße zerkleinert und unterhalb der Oberfläche der.Eisenschmelze zugegeben. Das Zerkleinern ist energieaufwendig und - zumindest bei giftigem Sondenmüll - gefährlich. Das Einbringen des Mülls unter die flüssige Eisenschmelze ist verfahrenstechnisch aufwendig. Zudem ist nicht gesichert, daß alle Müllpartikel wirklich die Temperatur der Metallschmelze erreichen, was bei der Sondermüllbeseitigung notwendig ist.

[0008] Aufgabe der Erfindung ist es, kohlenstoffhaltigen Müll oder organischen Sondermüll wirtschaftlich und sicher zu beseitigen, wobei die Endprodukte ungefährlich sein sollen.

[0009] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den in den Ansprüchen genannten Schritten gelöst.

[0010] EineVorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist Gegenstand von Unteransprüchen.

[0011] Erfindungsgemäß wird eine Müllvergasung unter Zugabe eines Oxidationsmittels,vorzugsweise Luft oder Sauerstoff, bei einer extrem hohen Temperatur (> 1000° C) in einem zweigeteilten Reaktor erreicht.

[0012] Die extrem hohe Temperatur ist in Reaktoren mit flüssigem Metallinhalt (z.B. Fe) garantiert. Wird Müll oder Sondermüll in einen solchen Reaktor eingebracht, zerfallen alle Kohlenwasserstoffe (C-H Verbindungen) und sonstigen organischen Verbindungen. Wasserstoff entweicht gasförmig, während Kohlenstoff im flüssigen Metall in Lösung geht. Dieser Kohlenstoff wird durch Einblasen eines Oxidationsmittels zu CO teiloxidiert und verläßt dadurch das flüssige Metall wieder, wie es vom Prinzip der Stahlherstellung aus Roheisen bekannt ist. Die brennbaren Bestandteile des Mülls verwandeln sich also in H₂ und CO und erhöhen dadurch den Druck im ersten Gasraum des Reaktors. Die Oxidation von C zu CO ist exotherm und hält das flüssige Metall auf Temperatur, wenn nur der Reaktor gut genug thermisch isoliert ist. Dabei verbraucht sich dieses Metall im Laufe der Zeit nicht, sondern dient nur als Wärmeübertragungsmedium und Lösungsmittel für den Kohlenstoff.

[0013] Falls der Kohlenstoffgehalt des Mülls nicht ausreicht, die Temperatur der Schmelze aufrechtzuerhalten, kann dem Müll auch Kohle zugesetzt werden.

[0014] Durch die Gasbildung wird der Spiegel der heißen Flüssigkeit im ersten Gasraum erniedrigt und im zweiten Gasraum erhöht. Dies geschieht so lange, bis das Gas den oberen Rand der öffnungen oder die oberen, kleineren öffnungen in der Trennwand zwischen den beiden Räumen des Reaktors erreicht, durch die Öffnungen hindurchströmt, Schlacke mitnimmt oder durch größere Öffnungen fließen läßt und das Gas im zweiten Reaktor durch die Flüssigkeit nach oben perlt und schließlich in den zweiten Gasraum gelangt, wo es abgezogen wird. Dadurch wird erfindungsgemäß garantiert, daß alle den Reaktor verlassenden Gase eine gewisse Zeit auf der Temperatur der Metallschmelze waren und bei vorteilhafter Wahl von Temperatur und Zeit sicher keine Kohlenwasserstoffe, das heißt Restbruchstücke des Mülls mehr enthalten.

[0015] Als flüssiges Metall wird vorteilhaft Eisen verwendet, dann liegen im Eisenbad Reaktortemperaturen von 1350 bis 1400° C vor. Um speziell organischen Sondermüll, Ültragifte, zum Beispiel Dioxine, PCB's, HCH's, Kampfstoffe wie Tabun, Soman, Lost usw. noch sicherer zu zerstören, können Metalle verwendet werden, die noch höhere Schmelztemperaturen als Eisen aufweisen, wie z.B. Chrom. Ebenso sind Metallegierungen sowie Schmelzen von Metalloxiden zum Erreichen höchster Temperaturen verwendbar.

[0016] Die unbrennbaren schlackebildenden Müllbestandteile schwimmen in flüssiger Form auf dem Flüssigmetall. Darüber befinden sich die reduzierenden Gase H₂ und CO (eventuell auch H₂0). Die Schwefel-, Chlor- und Fluorverunreinigungen des Mülls liegen zunächst gasförmig als H₂S, HC1, HF usw. vor.

[0017] In einer vorteilhaften Ausführung des Verfahrens wird der Schlacke zusätzlich Kalk aus einem entsprechenden Behälter zugeführt. Die genannten Gase sind dann bei den hohen Temperaturen und der Anwesenheit der basischen Schlacke unstabil, so daß die Verunreinigungen, in Form von flüssigem CaS, CaCl₂, CaF₂ usw. in der Schlacke vorliegen. Die Schlacke wird dem Reaktor ständig flüssig entzogen und zum Beispiel mittels Wasser abgekühlt. Die Kalziumverbindungen, die durch die Schlackeaustrageschleuse das System verlassen, sind völlig wasserunlöslich und umweltneutral und können als Rückstand problemlos deponiert werden, während das das System verlassende Produktgas Verunreinigungen an HC1, HF, H₂S usw. nur noch im ppm-Bereich enthält.

[0018] Das Oxidationsmittel kann entweder direkt in die heiße Flüssigkeit eingegeben werden oder in den ersten Gasraum über der Flüssigkeit eingeblasen werden.

[0019] Das erfindungsgemäße Verfahren kann schubweise oder kontinuierlich betrieben werden. Im zweiten Fall ist eine Druckschleuse im ersten Gasraum vorteilhaft, durch die beim öffnen des Raumes kein Druckverlust entsteht. Die öffnung kann so groß sein, daß ganze Fässer mit Gift ohne vorherige Zerkleinerung eingebracht werden können. Die Prozeßtemperatur kann, je nach Kohlenstoffgehalt des Mülls, durch Zugabe von Kohle, vorzugsweise Kohlestaub, erhöht werden oder durch Rückführung von Prozeßgas oder durch Zumischen von Wasserdampf oder einem inerten Gas erniedrigt werden. Diese Gase können auch zum Kühlen der Einblasdüsen für das Oxidationsmittel verwendet werden.

[0020] Vorteilhaft ist der Reaktor, zumindest im Bereich des ersten Gasraumes,druckfest ausgebildet und weist im oberen Bereich eine Druckschleuse für den Müll und/oder Schlackebildner auf. Im zweiten Gasraum sind ein oder mehrere Abzüge für Gas und Schlacke vorgesehen. Die Höhe des gerade geöffneten Abzugs im zweiten Gasraum richtet sich nach dem Flüssigkeitsspiegel.

[0021] Vorteilhaft sind die für die Vergasung verwendeten Reaktoren thermisch isoliert. Zum Aufrechterhalten der Temperatur kann neben der Zuführung von Kohle eine Vorwärmung des Mülls oder des Kalks mit der Wärme der Produktgase erfolgen. Eine elektrische Heizung kann für den Start des Verfahrens oder als Zusatzheizung vorgesehen sein.

[0022] Günstig ist auch die konzentrische Anordnung der zwei Gasräume, bei der z.B. der erste Gasraum vom zweiten umhüllt ist. Der erste Gasraum hat dann praktisch keine Außenfläche, durch die Wärme entweichen könnte.

[0023] Vorteilhaft sollte der Durchlaßquerschnitt der Öffnungen in der Trennwand zwischen beiden Gasräumen von oben nach unten zunehmen, so daß das von einem in den anderen Raum strömende Gas einen überproportional anwachsenden Strömungsquerschnitt vorfindet, je mehr der Flüssigkeitsspiegel in dem Raum, aus dem das Gas ausströmt, absinkt. Dies kann durch größere oder mehr öffnungen im unteren Teil, auch auch durch Öffnungen erfolgen, deren Querschnitt unten breiter ist als oben, also z.B. durch dreieckige Öffnungen. Der Anstieg des Öffnungsquerschnitts mit zunehmender Tiefe verhindert Schwingungen der beiden Flüssigkeitssäulen.

[0024] Die Anordnung der öffnungen im unteren Bereich regelt selbsttätig die Menge des übertretenden Gases. Die Größe der öffnungen verhindert ein Durchtreten von noch nicht reagierten Müllbestandteilen. Die Höhe der Flüssigkeitssäule im zweiten Raum garantiert einen längeren Aufenthalt der Gase auf der Temperatur der heißen Flüssigkeit.

[0025] Kleine öffnungen am abgesenkten Flüssigkeitsspiegel lassen nur kleine Gasperlen übertreten, die dann in der Flüssigkeit im zweiten Gasraum sicher auf die gewünschte Temperatur erhitzt werden. Die kleineren Öffnungen können durch poröse Keramiksteine oder keramische Durchströmkörper mit bestimmten Porengrößen, z.B. um 1 mm oder kleiner, realisiert werden. Größere öffnungen im tieferen Bereich der abgesenkten Flüssigkeit erlauben ein leichteres Durchtreten der Flüssigkeit in den zweiten Gasraum.

[0026] Das erfindungsgemäße Verfahren weist folgende Vorteile auf:

- Das Verfahren erlaubt eine relativ problemlose, d. h. sichere Vernichtung von kohlenstoffhaltigem Müll und Sondermüll, insbesondere von allen Rückständen aus der organischen Chemie wie z.B. alle chlorierten Kohlenwasserstoffe.

- Der Müll oder Sondermüll muß nicht in irgendeiner Weise vorbehandelt werden.

- Das Deponievolumen wird (ähnlich wie bei der Verbrennung und der Pyrolyse) drastisch reduziert.

- Der Brennwert des Mülls wird genutzt; das Metallbad bleibt auf der hohen Temperatur, bei Müll mit sehr wenig Kohlenstoffgehalt kann das entstehende Brenngas, H₂ und CO, zum Nachheizen verwendet werden.

- Die Verunreinigungen im Müll fallen als völlig umweltneutrale, das heißt ungefährliche Stoffe an.

- Aufgrund der Einfachheit des Verfahrens können wirtschaftliche Vorteile gegenüber Müllverbrennung oder Müllpyrolyse erwartet werden.

[0027] Die Erfindung wird anhand einer Figur näher erläutert.

[0028] Die Figur zeigt schematisch eine Vorrichtung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.

[0029] Ein Vorratsbehälter 1 für Müll ist über eine Druckschleuse 2 mit einem thermisch isolierten Reaktor 3 verbunden, in dem sich eine Flüssigkeit 4, hier ein flüssiges Metall, befindet. Ein Oxidationsmittel 5 wird über Düsen 6 in die Flüssigkeit 4 eingeblasen. Der Reaktor 3 enthält zwei Gasräume 7 und 8, die durch eine Trennwand 9 mit öffnungen 9a im unteren Bereich getrennt sind. Zur Umwandlung der auf dem Metall schwimmenden Schlacke 10 ist ein Vorratsbehälter 11 mit Kalk vorgesehen. Zum Abziehen von Schlacke 10 und Produktgas ist eine an sich bekannte Vorrichtung mit Schlackenkühlung 12, Schlackenaustragschleuse 13 und Gasabzug 14 vorgesehen. Dem Gasabzug 14 schließt sich eine Vorrichtung 15 zur Abhitzenutzung und Entstaubung an. Der Staub kann über eine Leitung 16 in den Vorratsbehälter 1 für Müll zurückgeführt werden. Ein Teil des Produktgases wird durch die Leitung 17 einer Pumpe 18 zugeführt, die das Gas zu den Düsen 6 oder zu der Druckschleuse 2 führt. Der andere Teil des Produktgases verläßt die Vorrichtung 15 über die Leitung 19 zur weiteren Verwertung.

[0030] Erfindungsgemäß wird der Müll wie folgt behandelt:

Aus dem Vorratsbehälter 1 gelangt der Müll grobstückig oder in ganzen Fässern in die Druckschleuse 2 am Eingang des ersten Gasraums 7 in den Reaktor 3. Der Müll fällt in die heiße Flüssigkeit 4. Die brennbaren Bestandteile zerfallen in Wasserstoff und Kohlenstoff. Die unbrennbaren schlackebildenden Bestandteile schwimmen als Schlacke 10 auf der Flüssigkeit 4. Durch die Düsen 6 wird ein Oxidationsmittel 5 eingeblasen. Der in der Flüssigkeit 4 gelöste Kohlenstoff wird zu CO teiloxidiert.

[0031] Bei dieser Reaktion steigt der Druck in dem ersten Gasraum 7 und drückt einen Teil der Flüssigkeit 4 durch die öffnungen 9a in den zweiten Gasraum 8. Ist der Flüssigkeitsspiegel bis zur obersten Öffnung 9a herabgedrückt, gelangt auch Schlacke 10 und Produktgas in den zweiten Gasraum 8. Dabei perlt das Gas durch die Flüssigkeit 4 und nimmt dessen Temperatur an. Die Schlacke 10 und das Produktgas werden an einer in geeigneter Höhe angebrachten öffnung im zweiten Gasraum abgezogen. Die Schlacke wird vorzugsweise mit Wassergekühlt und verläßt das System durch die Schlackenaustragschleuse 13.

[0032] Das Produktgas gelangt vom Gasabzug 14 in eine Vorrichtung 15 zur Abhitzenutzung - Gaskühlung - und Entstaubung. Der dabei anfallende Staub kann über die Leitung 16 in den Müllvorratsbehälter 1 zurückgeführt werden, während ein Teil des Gases über die Leitung 17 nach entsprechender Kompression mit der Pumpe 18 einerseits zur Kühlung der Düsen 6 für das Oxidationsmittel 5 und andererseits zur Druckbeaufschlagung für die Druckschleuse 2 am Eingang des Reaktors 3 verwendet werden kann. Der andere Teil des gereinigten und gekühlten Gases wird über die Leitung 19 zur Nutzung, zum Beispiel Strom- und/oder Wärmeerzeugung abgeführt. Die in der Abhitzevorrichtung 15 anfallende Wärme kann noch zur Vorwärmung der Einsatzstoffe Müll und Kalk genutzt werden.

Ansprüche

1. Verfahren zur Vergasung von kohlenstoffhaltigem Müll oder organischem Sondermüll, wobei der Müll in eine heiße Flüssigkeit (4) mit einer Temperatur > 1000° C eingebracht wird und ein Oxidationsmittel (5) zugegeben wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine im unteren Bereich mit Öffnungen (9a) versehene Trennwand (9) vorgesehen ist, die zwei Gasräume (7, 8) über der heißen Flüssigkeit (4) schafft, daß der Müll in den ersten Gasraum (7) eingebracht wird und daß die entstehenden Produktgase (hauptsächlich H₂₁ CO und Inertgase) zusammen mit der Schlacke (10) im zweiten Gasraum (8) abgezogen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Oxidationsmittel (5) in die heiße Flüssigkeit (4) und/oder in den ersten Gasraum (7) eingeblasen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Einbringen des Mülls, der auch grobstückig sein kann, von der Seite oder von oben durch eine Druckschleuse (2) erfolgt, in der die Druckerhöhung durch rückgeführtes Produktgas erfolgen kann.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich der Schlacke (10) auf der heißen Flüssigkeit (4) ein Schlackebildner wie Kalk (CaO, 11) zugeführt wird, um aus den entstehenden Gasen HC1, HF, H₂S und sonstige Verunreinigungen zu entfernen, und die Schlacke (10) flüssig abgezogen und abgekühlt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als heiße Flüssigkeit (4) eine Metallschmelze aus einem oder mehreren der Metalle: Fe, Co, Ni, Cr oder Mn verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erreichung extremer Temperaturen als heiße Flüssigkeit (4) eine Metalloxidschmelze wie Kupferoxid verwendet wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Oxidationsmittel (5) Sauerstoff oder Luft verwendet wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Regelung der Temperatur in der heißen Flüssigkeit (4) und zur Kühlung der Düsen (6) ein Teil des Produktgases nach Entstaubung und Abkühlung oder ein anderes Gas wie Wasserdampf zusammen mit dem Oxidationsmittel (5) in die Flüssigkeit (4) oder den Raum (7) darüber eingeblasen wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß den Müllsorten, die einen geringen Brennwert besitzen oder einen zu geringen Kohlenstoffgehalt aufweisen, Kohle- vorzugsweise staubförmig - zugesetzt wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeinhalt der Produktgase zur Vorwärmung der Einsatzstoffe Müll und/oder Kalk (11) verwendet wird.

11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens eines der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Gasraum (7) druckfest ausgebildet ist und oberhalb der Flüssigkeit (4) eine Druckschleuse (2) für Müll und/oder Schlackebildner enthält und daß der zweite Gasraum (8) einen oder mehrere in verschiedenen Höhen angebrachte Abzüge für Produktgas und Schlacke (10) enthält.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Gasräume (7, 8) thermisch isoliert sind und/oder eine elektrische Widerstands- oder Induktionsheizung vorgesehen ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gasraum den anderen Gasraum konzentrisch umschließt.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchlaßquerschnitt der Öffnungen (9a) in der Trennwand (9) zwischen beiden Gasräumen (7, 8) von oben nach unten zunimmt.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß im unteren Teil der Trennwand (9) größere oder mehr öffnungen (9a) vorhanden sind als im oberen Teil.

16. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die öffnungen (9a) oben schmäler sind als unten, vorzugsweise Dreiecksform aufweisen und/oder in den oberen Enden der öffnungen (9a) poröse keramische Durchströmkörper mit definierter Porengröße angeordnet sind.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Poren in der Größenordnung von 1 mm und/oder darunter liegen.

Zeichnung