Verfahren zum Betreiben eines Hochtemperaturreaktors zur Behandlung von Entsorgungsgütern

Abstract

 Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Hochtemperaturreaktors zur Behandlung von heterogenen Entsorgungsgütern, bei dem die Entsorgungsgüter über eine Beschickungsstelle in den Reaktor eingebracht werden und unterhalb der Beschickungsstelle ein loses, geschüttetes Vergasungsbett bilden, in dem durch Sauerstoff die anorganischen bzw. organischen Bestandteile einer Aufschmelzung bzw. Vergasung und Homogenisierung unterworfen werden und oberhalb der Beschickungsstelle die gasförmigen Vergasungsprodukte zur Bildung und Stabilisierung von Synthesegas einer Hochtemperaturbehandlung unter Sauerstoffzugabe unterzogen werden, wobei zur Hochtemperaturbehandlung wassergekühlte Sauerstofflanzen eingesetzt werden.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Hochtemperaturreaktors zur Behandlung von Entsorgungsgütern, bei dem diese Entsorgungsgüter wie z.B. Haus- und/oder Industrieabfälle einer Hochtemperaturbehandlung in einem Reaktor unterzogen werden, wobei zur Hochtemperaturbehandlung sowohl der gasförmigen, flüssigen als auch der festen Bestandteile speziell ausgerichtete Sauerstofflanzen eingesetzt werden.

[0002] Aus dem Stand der Technik sind die verschiedensten Verfahren und Vorrichtungen zur Hochtemperaturbehandlung von Entsorgungsgütern wie Haus- und Industrieabfällen aller Art bekannt. Ein Verfahren, bei dem die Abfallstoffe aller Art zuerst verdichtet und dann ausgehend hiervon alle weiteren Prozeßschritte wie Trocknung, Entgasung, Vergasung und Einschmelzung ohne Unterbrechung vollzogen werden, ist in Fachkreisen unter dem Namen "Thermoselect-Verfahren" bekannt geworden (DE 41 30 416, sowie Literaturstelle von Günther Häßler: "Thermoselect - Der neue Weg, Restmüll umweltgerecht zu behandeln", Verlag Karl Goerner, Karlsruhe, 1995).

[0003] Bei diesem Verfahren werden die thermisch vorbehandelten Abfallstoffe ohne Unterbrechung über eine Beschickungsstelle in den Hochtemperaturreaktor eingebracht. Die derart thermisch vorbehandelten Abfallstoffe bilden im Reaktor selbst eine gasdurchlässige Schüttung. Durch Zugabe von Sauerstoff oder von mit Sauerstoff angereicherter Luft zu der Schüttsäule des Vergasungsbettes werden die vorhandenen Kohlenstoffanteile beim im Kern des Vergasungsbettes herrschenden Temperaturen von mehr als 2000°C oxidiert bzw. vergast. Das anfallende CO₂ wird in einem Beruhigungsraum oberhalb der Schüttung, d.h. im Topbereich des Hochtemperaturreaktors, über dem Vergasungsbett bei Temperaturen von mindestens 1200°C überwiegend zu CO reduziert. Bei diesen Temperaturen ist das Reaktionsgleichgewicht (Boudouard'sches Gleichewicht) zum CO hin verschoben. Aufgrund der in den Hochtemperaturreaktor miteingebrachten Müllfeuchte läuft parallel zur Boudouard'schen Gleichgewichtsreaktion die Reaktion

(Wassergasreaktion) ab. Das insgesamt entstehende Synthesegas, das stofflich und/oder energetisch sehr wirtschaftlich nutzbar ist, besteht bei einer solchen Temperaturführung überwiegend aus CO, H₂ und geringen Anteilen an CO₂. Organische Schadstoffe, insbesondere auch die hochgiftigen Dioxine oder Furane, sind in dem fraglichen Temperaturbereich nicht mehr stabil und werden mit Sicherheit gecrackt. Die metallischen und/oder mineralischen Bestandteile des Mülls werden hingegen in der unteren Brennzone aufgeschmolzen und aus dem Hochtemperaturreaktor abgezogen.

[0004] Es ist dabei weiter vorgesehen, eine Homogenisierung der eingeschmolzenen anorganischen Bestandteile bei gleichzeitiger Trennung der Mineralstoffe von den Metallen Phasentrennung in einem Temperaturbereich von ca. 1600 °C bis oberhalb 2000 °C vorzunehmen, bevor die eingeschmolzenen und homogenisierten anorganischen Bestandteile nach einer Schockkühlung mit Wasserstrahlen erstarren. Das Cracken der Schadstoffe im freien Gasraum, dem sogenannten Beruhigungsraum über dem Vergasungsbett des Hochtemperaturreaktors, erfordert dort genau definierte Temperaturbedingungen in jedem Raumabschnitt und definierte Verweilzeiten.

[0005] Es sind insbesondere zwei Gegebenheiten, die den Prozeß beeinträchtigen können. Erstens kann wegen der möglichen, sehr unterschiedlichen Müllzusammensetzung - vor allem bei hohem Feuchteanteil - die Temperatur des Synthesegases im Verweilraum über dem Vergasungsbett temporär absinken und zweitens können im Verweilraum über dem Vergasungsbett sich laminare Strömungsbereiche ausbilden, die für Teilbereiche die Verweilzeit des Synthesegases herabsetzen. Diese sogenannte Gassen- oder Gasssträhnenbildung muß im Beruhigungsraum unter allen Umständen vermieden werden. In beiden Fällen ist esnämlich nicht auszuschließen, daß Spuren von Schadstoffen im Synthesegas verbleiben und bei dessen Verwertung freigesetzt werden.

[0006] Die Möglichkeit, das unvergaster Kohlenstoff, beispielsweise in Form mitgeschleppter Feinpartikel, sich im Synthesegas im Beruhigungsraum befindet sei erwähnt, um auch die Notwendigkeit einer Nachvergasung im Gasraum zu begründen.

[0007] Aus der DE 195 12 249.6 ist bekannt, daß für das vorstehend beschriebene Verfahren zur Einschmelzung der anorganischen Bestandteile speziell ausgebildete Sauerstofflanzen eingesetzt werden. Diese Sauerstofflanzen sind mit einer permanent brennenden Pilotflamme hoher Flammtemperatur und großer Brenngeschwindigkeit derart ausgerüstet, daß der Lanzensauerstoff auf zumindest annäherungsweise Schallgeschwindigkeit beschleunigt wird. Dadurch soll eine Verbesserung beim Einschmelzen erreicht werden. Für die Lösung aller im Hochtemperaturreaktor auftretenden Probleme - vor allem für die Optimierung der Prozeßabläufe im Beruhigungsbereich über der Schüttung - genügt es jedoch nicht, nur die Verhältnisse in der Schüttung unterhalb der Beschickungsstelle zu verbessern.

[0008] An die Hochtemperaturbehandlung von Abfallstoffen sind hohe Anforderungen aufgrund der Heterogenität der Müllzufuhr zu stellen. Auch die vorstehend beschriebenen Lanzen konnten keine vollständige Abhilfe schaffen, so daß auch mit diesen Lanzen keine optimalen Betriebsbedingungen zum Betreiben eines derartigen Hochtemperaturreaktors erzielt werden konnten, insbesondere in bezug auf die Vergasung im oberen Reaktorteil.

[0009] Ausgehend hiervon ist es deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das vorstehend näher beschriebene Verfahren dahingehend weiterzubilden, daß eine möglichst optimale Umwandlung sowohl der anorganischen als auch der gasförmigen Bestandteile erfolgen kann.

[0010] Insbesondere ist es auch die Aufgabe der Erfindung, eine Belastung der Synthesegase mit organischen Schadstoffen sicher auszuschließen und die Qualität der mineralischen Reststoffe zu verbessern.

[0011] Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

[0012] Erfindungsgemäß wird somit vorgeschlagen, sowohl die Hochtemperaturvergasung der vergasungsfähigen Bestandteile im oberen Bereich des Reaktors als auch die Ein- bzw. Aufschmelzung der anorganischen Bestandteile im unteren Teil des Reaktors mittels Sauerstofflanzen durchzuführen, wobei die Sauerstofflanzen im unteren Bereich so ausgerichtet sind, daß sie die Fließrichtung der aufschmelzenden bzw. eingeschmolzenen anorganischen Bestandteile unterstützen, und im oberen Bereich so, daß sie der Strömungsrichtung der Vergasungsbestandteile entgegengerichtet sind, so daß eine Hemmung eintritt.

[0013] Die Kombiation Brenn-/Sauerstofflanze ist bevorzugt so ausgebildet, daß eine Teilmenge des für die Verbrennung des Heizgases erforderlichen Sauerstoffs durch die Sauerstofflanzen strömt. Dadurch wird die der Hochtemperatur ausgesetzte Düse der Lanze durch diesen Sauerstoffstrom ständig gekühlt, auch wenn kein Lanzensauerstoff erforderlich wäre. Durch diese Maßnahme wird der Brenner vor Beschädigungen bzw. vor Verschmutzung des UV-Überwachungsglases geschützt, indem das Rückströmen bz. Diffundieren des unter Druck stehenden Gases des Hochtemperaturreaktors in das Innere der Sauerstofflanze ausgeschlossen wird, wo sich ansonsten ein explosives Gemisch bildet, wenn die Lanze außer Betrieb ist.

[0014] Dadurch, daß im oberen Bereich des Reaktors, d.h. oberhalb der Beschickungsstelle, die Sauerstofflanzen entgegen der Strömungsrichtung der vergasenden Bestandteile angeordnet sind, also die aufsteigende Strömung der Synthesegase gebremst wird, erhöht sich ihre Verweilzeit in der Beruhigungszone, wodurch sowohl eine Nachvergasung eventuell noch mitgeführter Kohlenstoffanteile möglich wird, als auch die Zersetzung aller organischen Schadstoffe sichergestellt wird.

[0015] Die in Flußrichtung der auszuschmelzenden Mineral- und Metallbestandteile innerhalb der Schüttung im Reaktorbereich unterhalb der Beschickungsstelle orientierten Sauerstofflanzen begünstigen dort die gewünschte Komponententrennung, insbesondere dann, wenn Sauerstoff mit großer Strömungsgeschwindigkeit verwendet wird.

[0016] Dadurch, daß in den Beruhigungsraum in Form eines freien Gasraumes des Hochtemperaturreaktors zusätzlich sauerstoff temperaturgeregelt in solchen Teilmengen eingedüst wird, kann hier die Temperatur durch eine Teilverbrennung des Synthesegases absolut konstant gehalten werden. Das Eindüsen von zusätzlichem Sauerstoff bietet darüberhinaus die Möglichkeit, die Gasströmung im Hochtemperaturbereich so zu verwirbeln, daß laminare Strömungsbereiche, die die genannten "Durchgangsstraßen" für Schadstoffe bilden könnten, nicht mehr entstehen. In einfacher Weise läßt sich eine zusätzliche Turbulenz dadurch erreichen, daß mehrere Sauerstoffdüsen zum Eindüsen der Sauerstoffteilmenge verwendet werden, die axial und/oder radial geneigt angeordnet werden. Durch den Einsatz der Sauerstofflanzen in Verbindung mit der Verwirbelung der vergasungsfähigen Bestandteile werden gleichzeitig partiell nicht oder noch nicht vollständig vergaste Bestandteile ebenfalls einer Vergasung unterzogen. Es hat sich nämlich gezeigt, daß es beim Betreiben des Reaktors nicht ausgeschlossen werden kann, daß mit den reinen gasförmigen Bestandteilen auch solche in dem oberen Reaktorteil mitgeführt werden, die noch nicht oder nur partiell vergast sind. Diese Bestandteile werden nun durch die erfindungsgemäße Ausrichtung der Lanzen mit aufgewirbelt, erfaßt und durch die zugeführten Sauerstofflanzen oxydativ umgewandelt und vergast. Dadurch wird der Verbrennungsprozeß weiterhin optimiert und in Richtung einer vollständigen Synthesegasbildung geführt. Es hat sich gezeigt, daß mit dieser erfindungsgemäßen Ausrichtung der Sauerstofflanzen nicht nur eine "Nachvergasung" von partiell noch nicht oder noch nicht vollständig vergasten Bestandteilen stattfindet, sondern es kommt auch gleichzeitig bei diesen Betriebsbedingungen zu einer Crackung von noch im Vergasungsraum vorhandenen organischen Schadstoffrestspuren. Auch dies trägt weiter zu einer optimalen Synthesegasbildung bei. Zur Hochtemperaturvergasung werden mindestens zwei Sauerstofflanzen in der vorstehend beschriebenen Weise ausgerichtet.

[0017] Selbstverständlich ist es auch möglich, mehr als zwei Sauerstofflanzen vorzusehen, wobei ein Teil der Sauerstofflanzen eine andere als die vorstehend beschriebene Ausrichtung besitzen kann. Die Sauerstofflanzen müssen dazu auch nicht in einer Ebene angeordnet sein, sondern sie können räumlich über den Vergasungsraum verteilt werden.

[0018] Werden Sauerstofflanzen mit mindestens einer permanent brennenden, regelbaren Pilotflamme verwendet, so läßt sich die für die Schadstoffbeseitigung notwendige Temperatur in jedem Fall, also unabhängig von anderen Parametern, aufrecht erhalten.

[0019] Diese Sauerstoflanzen werden mit prozeßeigenem Synthesegas oder auch extern zugeführten Brennstoffen bevorzugt stöchiometrisch betrieben, so daß sie für die jeweilige Hochtemperaturbehandlung erforderliche Mindesttemperatur eingestellt werden kann. Für die Hochtemperaturvergasung wird der Reaktorraum oberhalb der Beschickungsstelle auf > 1000 °C gehalten. Die Dimensionierung des Reaktorraumes wird so vorgenommen, daß bis zum Ausgang des Reaktors eine für die Einstellung des Gleichgewichtsverhältnisses ausreichende Verweilzeit verbleibt, bis das Synthesegas zur Vermeidung der Neubildung von organischen Verbindungen schockgekühlt wird.

[0020] Die Sauerstofflanzen im unteren Bereich, d.h. zur Einschmelzung bzw. Aufschmelzung der anorganischen Bestandteile, sind erfindungsgemäß so ausgerichtet, daß sie die Flußrichtung der abfließenden Schmelze unterstützen. Auch hierbei ist es gemäß der vorliegenden Erfindung erforderlich, daß mindestens zwei Lanzen in dieser Richtung ausgerichtet sind. Bevorzugt wird dabei so vorgegangen, daß mehrere Lanzen dem ellipsenförmigen Reaktorboden folgend vorgesehen sind. Die Lanzen, die hierfür eingesetzt werden, entsprechen im wesentlichen den Lanzen, wie sie aus der DE 195 12 249.6 bekannt sind. Auf den Offenbarungsgehalt dieses Dokumentes wird deshalb ausdrücklich Bezug genommen. Wesentlich ist, daß der Lanzensauerstoff auf zumindest annäherungsweise Schallgeschwindigkeit beschleunigt wird, so daß er auch in der Lage ist, mit genügend Druck in die ein- bzw. aufschmelzenden anorganischen Bestandteile vorzudringen. Durch die hohe Geschwindigkeit wird gleichzeitig ein Zusetzen der Sauerstofflanze verhindert. Diese Hochtemperaturbehandlung wird bei Temperaturen bevorzugt unter 2000 °C durchgeführt.

[0021] In einer Weiterbildung ist vorgesehen, daß zusätzlich zu den vorstehend beschriebenen Sauerstofflanzen im Bereich der Einschmelzung und Aufschmelzung noch weitere Brenner im Bereich der Homogenisierung angeordnet sind. Beim erfindungsgemäßen Verfahren ist vorgesehen, den Bereich für die Homogenisierung so auszugestalten, daß eine nahezu vollständige Homogenisierung der aufgeschmolzenen anorganischen Bestandteile erfolgen kann. Zur Unterstützung ist vorgesehen, daß im Homogenisierungsteil des Reaktors auslaßseitig zusätzlich Brenner angeordnet sind, wobei diese Brenner nicht zwingend mit Sauerstofflanzen bestückt sein müssen, sondern Brenner herkömmlicher Art sein können. Diese Brenner sind so angeordnet, daß sie der Flußrichtung der abfließenden Schmelze entgegengerichtet sind. Dadurch wird erreicht, daß eventuell noch vorhandene Feststoffagglomerate durch den gerichteten Brenner wieder zurückgedrängt bzw. am Fließen gehindert werden, so daß eine genügend lange Verweilzeit vorhanden ist, um eine Aufschmelzung und damit eine Homogenesierung auch dieser noch vorhandenen Rest-Feststoffagglomerate zu erreichen. Erfindungsgemäß erfolgt somit die schockartige Abkühlung der Schmelze zur Erstarrung mittels Wasserstrahlen erst dann, wenn in der vorstehend beschriebenen Weise eine vollständige Homogenisierung der Schmelze eingetreten ist.

[0022] Wird mindestens ein Brenner im Bereich der Schmelzehomogenisierung überstöchiometrisch, d.h. mit Sauerstoffüberschuß, betrieben, so findet die Homogenisierung in einer oxidierenden Atmosphäre statt. Durch Nachoxidation wird dabei die Stabilität der ausgeschmolzenen Mineralstoffe verbessert.

[0023] Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird die Sauerstoffzufuhr der Sauerstofflanzen und/oder Brennstoffzufuhr der Pilotflammen in Abhängigkeit vom Heizwert der Entsorgungsgüter so geregelt, daß jeweils eine nahezu konstante Synthesegaszusammensetzung und/oder -menge resultiert. Diese Vorgehensweise gleicht somit unterschiedliche Heizwerte der über die Beschickungsöffnung zugeführten Versorgungsgüter aus. Wie eingangs im Stand der Technik geschildert, geht das erfindungsgemäße Verfahren auch von heterogenem Müll aus. Die Heizwerte von heterogenem Müll variieren jedoch sehr stark, da der Müll zum einen sehr viele organische Bestandteile und damit einen hohen Heizwert oder aber mehr anorganische Bestandteile bzw. Feuchtigkeit und damit einen niedrigen Heizwert aufweisen kann. Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird so vorgegangen, daß am gasseitigen Ausgang jeweils die Zusammensetzung des Synthesegasgemisches bestimmt wird und die Sauerstoffzufuhr der Sauerstofflanzen in Abhängigkeit vom Heizwert geregelt wird, d.h. die Sauerstofflanzen werden so betrieben, daß jeweils am gasseitigen Ausgang eine konstante Synthesegaszusammensetzung erzielt wird.

Ansprüche

1. Verfahren zum Betreiben eines Hochtemperaturreaktors zur Behandlung von heterogenen Entsorgungsgütern wie Industrie-, Sonder- und Hausabfall, bei dem die Entsorgungsgüter gegebenenfalls thermisch vorbehandelt und/oder komprimiert über eine Beschickungsstelle in den Reaktor eingebracht werden und unterhalb der Beschickungsstelle ein loses, geschüttetes Vergasungsbett bilden, in dem durch Sauerstoff die anorganischen bzw organischen Bestandteile einer Aufschmelzung bzw. Vergasung und Homogenisierung unterworfen werden und oberhalb der Beschickungsstelle die gasförmigen Vergasungsprodukte zur Bildung und Stabilisierung von Synthesegas einer Hochtemperaturbehandlung unter Sauerstoffzugabe unterzogen werden,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Hochtemperaturbehandlung wassergekühlte Sauerstofflanzen eingesetzt werden, wobei unterhalb der Beschickungsstelle mindestens zwei Sauerstofflanzen so angeordnet sind, daß sie die Flußrichtung der aufschmelzenden bzw. eingeschmolzenen Entsorgungsgüter unterstützen, und daß oberhalb der Beschickungsstelle mindestens zwei Sauerstofflanzen so angeordnet sind, daß sie die Strömung der aufsteigenden gasförmigen Bestandteile hemmen.

2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß in den in an sich bekannter Weise als Verweilzone ausgebildeten freien Gasraum des Hochtemperaturreaktors der Sauerstoff temperaturgesteuert in solchen Teilmengen eingedüst wird, daß eine hierdurch mögliche Teilverbrennung des Synthesegases die Temperatur oberhalb des Vergasungsbettes konstant über ca. 1000°C hält, und daß die Sauerstoffeindüsung so erfolgt, daß sie zu einer Verwirbelung der Gase führt, wobei eine Gassen-/Strähnenbildung ausgeschlossen wird und eine vollständige, homogene Gasdurchmischung sichergestellt ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2
dadurch gekennzeichnet, daß dem Hochtemperaturreaktor zusätzlich Wärme zur Aufrechterhaltung der Mindesttemperaturen der thermischen Prozesse dadurch zugeführt wird, daß Sauerstofflanzen verwendet werden, die mindestens eine permanent brennende,Pilotflamme aufweisen, die mit prozeßeigenen Synthesegasen und/oder extern zugeführten Brennstoffen stöchiometrisch betrieben wird.

4. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die Sauerstofflanzen so betrieben werden, daß eine Vergasung von partiell nicht oder noch nicht vollständig vergasten Bestandteilen erfolgt und/oder daß vorhandene Restspuren organischer Schadstoffe aus dem Vergasungsprozeß gecrackt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die Hochtemperaturbehandlung bei Temperaturen > 1000 °C durchgeführt wird.

6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß der Lanzensauerstoff der unterhalb der Beschickungsstelle angeordneten Sauerstofflanzen auf zumindest annäherungsweise Schallgeschwindigkeit beschleunigt wird.

7. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Teilmenge des Brennsauerstoffes ständig durch die Sauerstofflanze strömt, so daß die Düse der Lanze durch diesen Sauerstofstrom gekühlt und vor Verschmutzung geschützt wird, auch wenn kein Lanzensauerstoff erforderlich wäre.

8. Verfahren nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, daß die Hochtemperaturbehandlung bei Temperaturen bis über > 1600 °C erfolgt.

9. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktionsraum oberhalb der Beschickungsstelle so groß bemessen wird, daß bis zum gasseitigen Ausgang eine für die Einstellung des Gleichgewichtsverhältnisses ausreichende Verweilzeit verbleibt, bis das Synthesegas zur Vermeidung der Neubildung von organischen Verbindungen schockgekühlt wird.

10. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktor unterhalb der Beschickungsstelle so ausgebildet ist, daß er auslaßseitig einen so dimensionierten Homogenisierungsbereich aufweist, der eine vollständige Homogenisierung und Phasentrennung der abfließenden Schmelze ermöglicht, bevor diese zur Erstarrung abgekühlt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur im Homogenisierungsbereich durch mindestens einen zusätzlichen Brenner auf > 1500 °C gehalten wird, wobei mindestens ein Brenner so ausgerichtet ist, daß seine Flamme der Flußrichtung der abfließenden Schmelze entgegengerichtet ist.

12. Verfahren nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Brenner verwendet wird, dessen Flamme überstöchiometrisch derart betrieben wird, daß im Homogenisierungsbereich eine oxidierende Atmosphäre herrscht.

13. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, daß die Sauerstoffzufuhr der Sauerstofflanzen so geregelt wird, daß eine nahezu konstante Synthesegasmenge und -zusammensetzung resuliert.