[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vergasen von brennbare Bestandteile enthaltenden
Abfallstoffen in der zirkulierenden Wirbelschicht, wobei man die Abfallstoffe in einem
Vergasungsreaktor unter Zufuhr von sauerstoffhaltigem Gas im Wirbelzustand vergast,
vom oberen Bereich des Vergasungsreaktors ein Gas-Feststoff-Gemisch einem Abscheider
zuführt, aus dem Abscheider staubhaltiges Gas abzieht und getrennt davon abgeschiedene
Feststoffe ableitet und die Feststoffe mindestens teilweise in den Vergasungsreaktor
zurückführt.
[0002] Im US-Patent 4 469 050 wird die Verbrennung oder Vergasung von kohlenstoffhaltigem
Material oder auch von Abfällen in der zirkulierenden Wirbelschicht beschrieben. Die
Umsetzung findet im Wirbelzustand unter Luftzufuhr in einem Reaktor statt, an den
sich ein Zyklonabscheider anschließt. Vom Zyklon werden die abgeschiedenen Feststoffe
mindestens teilweise in den unteren Bereich des Reaktors zurückgeleitet.
[0003] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei der Abfallvergasung dafür zu sorgen,
daß die Bildung hochgiftiger Stoffe, wie insbesondere Dioxine und Furane, möglichst
weitgehend vermieden wird. Gleichzeitig soll die Menge an gebildetem Abgas gering
gehalten werden. Erfindungsgemäß gelingt dies beim eingangs genannten Verfahren dadurch,
daß man die Vergasung im Vergasungsreaktor bei Temperaturen im Bereich von 800 bis
1100°C unter Zufuhr von gasförmigem Vergasungsmittel durchführt, das zu 20 bis 90
Vol.-% aus Sauerstoff besteht, daß man aus dem Abscheider ein staubhaltiges Gas abzieht,
dessen Gehalt an freiem O₂ höchstens 0,5 Vol.-% beträgt, daß man das aus dem Abscheider
abgezogene Gas in einem Spaltreaktor partiell verbrennt, dem man gleichzeitig ein
sauerstoffreiches, zu 70 bis 100 Vol.-% aus O₂ bestehendes Gas zuführt, daß man im
Spaltreaktor Temperaturen im Bereich von 1200 bis 1600°C aufrechterhält und flüssige
Schlacke erzeugt, die man aus dem Spaltreaktor ableitet, und daß man das im Spaltreaktor
gebildete Spaltgas in mindestens einem Kühler mit einer Abkühlgeschwindigkeit von
mindestens 100°C pro Sekunde auf eine Temperatur von höchstens 300°C abkühlt. Unter
gasförmigem Vergasungsmittel werden alle dem Vergasungsreaktor zugeführten Gase, ausgenommen
aber H₂O in flüssiger Form oder in Dampfform, verstanden. Vorzugsweise beträgt der
O₂-Gehalt der Gesamtmenge an gasförmigem Vergasungsmittel mindestens 50 Vol.-%.
[0004] Beim Verfahren der Erfindung gelingt es, feste Vergasungsrückstände durch Verschlacken
zu inertisieren. Als Wirbelmedium im Vergasungsreaktor kommen bevorzugt gemahlene
Schlacke, Eigenasche, Sand oder ein anderes inertes Granulat infrage. Bei der Vergasung
von kommunalem Müll wird dieser üblicherweise vor der Vergasung zunächst vorsortiert,
wobei insbesondere Metall- und Glasteile ausgesondert werden. Der verbleibende Restmüll
wird dann noch zerkleinert, z.B. auf Stückgrößen von höchstens 70 mm, bevor er vergast
wird.
[0005] Der für die partielle Oxidation im Vergasungsreaktor nötige Sauerstoff wird durch
das gasförmige Vergasungsmittel bevorzugt in Form von mit Sauerstoff angereicherter
Luft oder technisch reinem Sauerstoff zugeführt. Dadurch hält man die Menge an Inertgas
gering, die den Vergasungsreaktor im Gas-Feststoff-Gemisch verläßt und das aus dem
Abscheider abgezogene staubhaltige Gas weist einen Heizwert von etwa 4000 bis 8000
kJ/Nm³ auf. Wenn der Heizwert dieses Gases hoch genug ist, macht dies die Zugabe von
Zusatzbrennstoff im Spaltreaktor entbehrlich.
[0006] Um die Bildung von Dioxinen und Furanen möglichst zu unterdrücken, ist es nötig,
das aus dem Spaltreaktor abgezogene Spaltgas, vor allem beim Durchschreiten des Temperaturbereichs
zwischen 800°C und 300°C, möglichst schockartig abzukühlen. Es empfiehlt sich eine
Abkühlgeschwindigkeit von mindestens 100°C pro Sekunde und vorzugsweise von mindestens
200°C pro Sekunde.
[0007] Für die schnelle Abkühlung des aus dem Spaltreaktor abgezogenen Spaltgases kommen
vor allem zwei Wege infrage, einerseits das direkte Einsprühen einer Überschußmenge
an Kühlwasser und andererseits eine so dosierte Menge an Kühlwasser in das Spaltgas
einzudüsen, daß kein Abwasser entsteht.
[0008] Die Weiterbehandlung des gekühlten Spaltgases, das noch Schadstoffe, wie z.B. Quecksilber,
Schwefelverbindungen, sowie Chlor- und Stickstoffverbindungen enthält, erfolgt in
bekannter Weise. Erleichtert wird die Gasreinigung dann, wenn man das gekühlte Spaltgas
einer vorhandenen Verbrennungseinrichtung, z.B. einem Kraftwerk, zuführen kann, dessen
Gasreinigungseinrichtungen in diesem Fall mitgenutzt werden.
[0009] Ausgestaltungsmöglichkeiten des Verfahrens werden mit Hilfe der Zeichnung erläutert.
Es zeigt:
- Fig. 1
- das Fließschema der Abfallvergasung mit angeschlossener Kühleinrichtung und
- Fig. 2
- eine zweite Variante der Kühleinrichtung.
[0010] Die zu vergasenden Abfallstoffe, bei denen es sich z.B. um kommunalen oder industriellen
Müll handeln kann, werden in der Leitung (1) einem Vergasungsreaktor (2) zugeführt,
wo sie mit heißen Gasen und Partikeln im Zustand der zirkulierenden Wirbelschicht
in Kontakt kommen. Sauerstoffhaltiges Fluidisierungsgas wird in der Leitung (3) herangeführt
und durch eine Verteilkammer (4) mit einem Rost (5) in die Wirbelschicht des Reaktors
(2) geleitet. Durch die Sekundärgasleitung (3a) gibt man zusätzliches sauerstoffreiches
Gas in die Wirbelschicht oberhalb des Rostes (5), wobei der O₂-Gehalt dieses Gases
höher sein kann als im Gas der Leitung (3). Bezogen auf die Gesamtmenge des dem Reaktor
(2) zugeführten Gases beträgt der O₂-Gehalt im Gas 50 bis 90 Vol.-% (wasserfrei gerechnet).
[0011] Die Vergasung im Reaktor (2) erfolgt bei Temperaturen von 800 bis 1100°C und zumeist
bei Temperaturen im Bereich von 850 bis 1000°C. Asche wird durch die Leitung (6) abgezogen
und einer Trenneinrichtung (60), z.B. einem Sieb, zugeführt. Grobe Aschenteile zieht
man in der Leitung (61) ab und die feinen Aschenteile gibt man durch die Leitung (62)
zu einer Mahlung (63), um sie dann, falls gewünscht, auf dem Transportweg (12a) dem
Spaltreaktor (13) aufgeben zu können.
[0012] Am oberen Ende des Reaktors (2) verläßt ein Gas-Feststoff-Gemisch den Reaktor durch
den Kanal (8) und strömt in einen Zyklon-Abscheider (9), aus welchem staubhaltiges
Gas mit einem Gehalt an freiem O₂ von höchstens 0,5 Vol.-% durch die Leitung (10)
abgezogen wird. Abgeschiedene Feststoffe werden vom unteren Bereich des Abscheiders
(9) durch die Leitung (11) zum Reaktor (2) zurückgeführt. Die Leitung (11) kann noch
einen Seitenabzug (12) zum Entfernen eines Feststoff-Überschusses aufweisen. Auch
diesen Feststoff-Überschuß kann man auf dem Transportweg (12a) in den Spaltreaktor
(13) leiten.
[0013] Das in der Leitung (10) aus dem Abscheider (9) abgezogene staubhaltige Gas wird dem
Spaltreaktor (13) zugeführt, wo eine partielle Verbrennung bei Temperaturen im Bereich
von 1200 bis 1600°C und vorzugsweise 1250 bis 1500°C stattfindet. In der Leitung (14)
wird sauerstoffreiches, zu 70 bis 100 Vol.-% aus O₂ bestehendes Gas herangeführt,
bei dem es sich auch um technisch reinen Sauerstoff handeln kann. Ferner ist eine
Leitung (15) für Zusatzbrennstoff, z.B. Erdgas, vorgesehen. Bei der partiellen Verbrennung
im Spaltreaktor (13) entsteht flüssige Schlacke, die nach unten abfließt. Heißes Spaltgas
verläßt zusammen mit flüssiger Schlacke den Reaktor (13) durch den Kanal (17).
[0014] Bei dem Spaltreaktor (13) kann es sich z.B. um eine Brennkammer, einen Schmelzzyklon
oder auch um einen Herdofen handeln. Im Reaktor (13) werden bei den dort erreichten
hohen Temperaturen viele in der Leitung (10) herangeführte Schadstoffe zerstört und
insbesondere auch höhere Kohlenwasserstoffe gespalten, so daß das Spaltgas im Kanal
(17) praktisch frei von Kohlenwasserstoffen mit mehr als 4 C-Atomen pro Molekül ist.
Für eine ökonomische Spaltung im Spaltreaktor (13) ist es vorteilhaft, wenn nur wenig
oder praktisch kein Zusatzbrennstoff gebraucht wird. Dies erreicht man dadurch, daß
man dem Reaktor (13) durch die Leitung (10) ein Gas mit einem Heizwert von 3000 bis
8000 kJ/Nm³ und vorzugsweise von mindestens 5000 kJ/Nm³ zuführt. Hierfür ist es wichtig,
daß man dem Vergasungsreaktor (2), zusammen mit dem Vergasungsmittel, nur möglichst
wenig Inertgas zuführt. Feststoffe, die auf dem Transportweg (12a) in den Reaktor
(13) gelangen, werden dort eingeschmolzen.
[0015] Gemäß Fig. 1 erfolgt die schockartige Kühlung des heißen Spaltgases, das den Reaktor
(13) im Kanal (17) verläßt, im Kühler (18) durch im Überschuß eingedüstes Kühlwasser,
das in der Leitung (19) herangeführt wird. Dabei wird gleichzeitig die Schlacke zu
Granulat verfestigt. Im Kühler (18) erreicht man Abkühlgeschwindigkeiten, insbesondere
im Temperaturbereich zwischen 800°C und 300°C, von 100 bis 300°C pro Sekunde und mehr.
Das gekühlte, mit Wasserdampf gesättigte Spaltgas, das den Kühler in der Leitung (20)
verläßt, weist üblicherweise eine Temperatur im Bereich von 60 bis 95°C auf.
[0016] Wasser, das Schlackengranulat mit sich führt, gelangt durch die Leitung (21) in den
Schleusenbehälter (22) und von da in den Trennbehälter (23), aus dem man durch die
Leitung (24) Schlackengranulat abzieht. Das abgetrennte Wasser wird in der Leitung
(19) zurückgeführt, wobei man in der Leitung (25) Wasser zum Ergänzen von Verlusten
zugibt.
[0017] Das gekühlte Gas der Leitung (20) wird nun noch weiter durch Wasserwäschen gereinigt,
wobei es abwärts durch einen Strahlwäscher (28), durch den Kanal (29), aufwärts in
einem Aerosolwäscher (30), durch die Leitung (31) zu einem Venturiwäscher (32), dort
abwärts zum Kanal (33) und dann aufwärts durch den Sprühturm (34) strömt. Dem Sprühturm
(34) führt man durch die Leitung (35) Frischwasser zu, dem man auch noch Natronlauge
zugeben kann, um insbesondere Chlor im zu behandelnden Gas zu binden. Es ist zweckmäßig,
im Sprühturm (34) eine Packung (36) zum Intensivieren des Gas-Flüssigkeits-Kontakts
vorzusehen. Das Gas, das den Sprühturm (34) durch die Leitung (37) verläßt, wird durch
ein Aktivkohlefilter (38) geleitet, um Quecksilber zu entfernen, bevor es in der Leitung
(39) weiteren, an sich bekannten Reinigungsstufen oder aber einer Verbrennung, z.B.
in einem Kraftwerk, zugeführt wird. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, das Gas
der Leitung (37) zunächst einer an sich bekannten Entschwefelung zu unterziehen, bevor
man es durch das Filter (38) leitet, doch wurde diese Möglichkeit in der Zeichnung
nicht berücksichtigt.
[0018] In Fig. 1 sind Wasser-Zufuhrleitungen mit der Bezugsziffer (40) und Kühler mit der
Bezugsziffer (41) versehen. Gebrauchtes Wasser, das in den Leitungen (42) und (43)
abläuft, gelangt in den Absetzbehälter (44). Aus diesem Behälter führt man teilweise
geklärtes Wasser zur Wiederverwendung im Strahlwäscher (28) und Aerosolwäscher (30)
zurück, zieht Abwasser durch die Leitung (45) ab und entfernt Schlamm durch die Leitung
(46). Schlamm und Abwasser werden in nicht dargestellter Weise getrennt weiterbehandelt.
[0019] Ein abwasserfreies Verfahren zum Kühlen des heißen Spaltgases, das im Reaktor (13)
entsteht, wird mit Hilfe der schematischen Darstellung der Fig. 2 erläutert. Hier
wird das heiße Gas, das zusammen mit flüssiger Schlacke den Reaktor (13) im Kanal
(17) verläßt, vgl. Fig. 1, in einen Sprühturm (50) von oben eingeleitet, in welchen
man gleichzeitig Wasser einsprüht, das in der Leitung (51) herangeführt wird. Die
Menge an Wasser ist so auf die Temperatur und die Menge des Gases abgestimmt, daß
das gesamte Wasser zusammen mit dem gekühlten Gas in Form von Wasserdampf durch die
Leitung (52) abgezogen wird. Feststoffe, die sich trocken am Boden des Sprühturms
(50) sammeln, werden durch die Leitung (48) entfernt. Das Wasserdampf und Staub enthaltende
Gas der Leitung (52) wird durch eine Filtereinrichtung (53) geführt, bei der es sich
z.B. um ein Schlauchfilter oder ein Elektrofilter handeln kann; ferner kann man hier
auch mehrere Filtertypen kombinieren. Entstaubtes Gas strömt in der Leitung (54) ab
und wird der weiteren, an sich bekannten Gasreinigung zugeführt, die hier nicht dargestellt
ist.
[0020] Die hier zusammen mit Fig. 1 beschriebene Variante der Behandlung des Abgases der
Leitung (20) kann durch solche bekannten Maßnahmen modifiziert werden, wie man sie
aus Anlagen zur Abfall-Verbrennung kennt.
Beispiel
[0021] In einer Anlage gemäß Fig. 1, jedoch ohne die Trenneinrichtung (60), die Mahlung
(63) und den Transportweg (12a), werden pro Stunde 7500 kg Abfälle mit folgender Analyse
vergast:
C |
32,7 Gew.-% |
H |
5,0 Gew.-% |
O |
19,0 Gew.-% |
N |
0,8 Gew.-% |
S |
0,1 Gew.-% |
Cl + F |
0,8 Gew.-% |
H₂O |
26,0 Gew.-% |
Asche |
15,6 Gew.-% |
[0022] Die Vergasung erfolgt bei 900°C, im Spaltreaktor liegt die Temperatur bei 1450°C.
Die nachfolgend genannten Daten wurden teilweise berechnet:
Stoff |
Leitung |
Menge |
Temperatur (°C) |
Luft |
3 |
1540 kg/h |
140 |
Luft |
3a |
1540 kg/h |
140 |
O₂ |
3 |
420 kg/h |
140 |
O₂ |
3a |
2240 kg/h |
140 |
O₂ |
14 |
1490 kg/h |
50 |
Heizöl |
13 |
100 kg/h |
30 |
Gasgemisch |
10 |
12500 kg/h |
900 |
Wasser |
19 |
150 t/h |
75 |
Schlacke |
24 |
1170 kg/h |
20 |
[0023] Nach Entwässerung des Schlammes der Leitung (46) erhält man einen schwermetallhaltigen
Filterkuchen in einer Menge von 50 kg/h. Das Gas der Leitung (20), das in einer Menge
von 10800 kg/h anfällt, besitzt einen Heizwert von 5,7 MJ/Nm³. Die in der Leitung
(24) abgezogene Schlacke ist durch die Vorbehandlung verglast und deshalb problemlos
deponierbar.
1. Verfahren zum Vergasen von brennbare Bestandteile enthaltenden Abfallstoffen in der
zirkulierenden Wirbelschicht, wobei man die Abfallstoffe in einem Vergasungsreaktor
unter Zufuhr von sauerstoffhaltigem Gas im Wirbelzustand vergast, vom oberen Bereich
des Vergasungsreaktors ein Gas-Feststoff-Gemisch einem Abscheider zuführt, aus dem
Abscheider staubhaltiges Gas abzieht und getrennt davon abgeschiedene Feststoffe ableitet
und die Feststoffe mindestens teilweise in den Vergasungsreaktor zurückführt, dadurch
gekennzeichnet, daß man die Vergasung im Vergasungsreaktor bei Temperaturen im Bereich
von 800 bis 1100°C unter Zufuhr von gasförmigem Vergasungsmittel durchführt, das zu
20 bis 90 Vol.-% aus Sauerstoff besteht, daß man aus dem Abscheider ein staubhaltiges
Gas abzieht, dessen Gehalt an freiem O₂ höchsten 0,5 Vol.-% beträgt, daß man das aus
dem Abscheider abgezogene Gas in einem Spaltreaktor partiell verbrennt, dem man gleichzeitig
ein sauerstoffreiches, zu 70 bis 100 Vol.-% aus O₂ bestehendes Gas zuführt, daß man
im Spaltreaktor Temperaturen im Bereich von 1200 bis 1600°C aufrechterhält und flüssige
Schlacke erzeugt, die man aus dem Spaltreaktor ableitet, und daß man das im Spaltreaktor
gebildete Spaltgas in mindestens einem Kühler mit einer Abkühlgeschwindigkeit von
mindestens 100°C pro Sekunde auf eine Temperatur von höchstens 300°C abkühlt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man das im Spaltreaktor gebildete
Spaltgas in mindestens einem Kühler in direktem Kontakt mit im Überschuß eingedüstem
Wasser kühlt und aus dem Kühler ein Abwasser abzieht.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man das im Spaltreaktor gebildete
Spaltgas in mindestens einer Kühleinrichtung mit eingedüstem Kühlwasser kühlt und
aus der Kühleinrichtung gekühltes, das Kühlwasser als Wasserdampf enthaltendes Spaltgas
mit einer Temperatur von höchstens 300°C abzieht.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man das Spaltgas
in einem Kühler mit einer Eintrittstemperatur von mindestens 800°C und einer Austrittstemperatur
von höchstens 300°C mit einer Abkühlgeschwindigkeit von mindestens 100°C pro Sekunde
kühlt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das aus dem
Abscheider abgezogene staubhaltige Gas einen Heizwert von etwa 3000 bis 8000 kJ/Nm³
aufweist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß man dem Spaltreaktor
Brennstoff zuführt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß man dem Spaltreaktor
aus dem Vergasungsreaktor abgezogene Feststoffe zuführt.