DE19642161C2

DE19642161C2 - Verfahren zur umweltgerechten Verwertung von Restabfallstoffen

Info

Publication number: DE19642161C2
Application number: DE19642161A
Authority: DE
Inventors: Manfred Schingnitz; Peter Goehler; Heinz Martin
Original assignee: KRC Umwelttechnik GmbH; Noell KRC Energie und Umwelttechnik GmbH
Current assignee: KRC Umwelttechnik GmbH; Noell KRC Energie und Umwelttechnik GmbH
Priority date: 1996-10-12
Filing date: 1996-10-12
Publication date: 2001-10-11
Anticipated expiration: 2016-10-13
Also published as: DE19642161A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur umweltgerechten Verwertung von Restabfallstoffen durch biologisch-mechanische Vorbehandlung und nach folgende Vergasung unter Erzeugung eines wasserstoff- und kohlenmonoxi dreichen Gases.

Unter Restabfallstoffen werden solche Materialien verstanden, die sich nicht für eine Wertstoffrückgewinnung eignen bzw. die bei den dazu erforderlichen Trennprozessen als nicht verwertbar zwangsläufig anfallen. Diese Stoffe können sowohl eine heterogene Zusammensetzung als auch hohe Konzen trationen an anorganischen und organischen toxischen Stoffen, wie Schwermetalle, chlor- und fluororganische Verbindungen sowie zyklische Kohlenwasserstoffe, aufweisen.

Es ist bekannter Stand der Technik, Brenn- und Restabfallstoffe zur Erzeu gung brennbarer Gase durch Vergasung mit Luft und/oder technischem Sauerstoff einzusetzen. Diese Gase lassen sich energetisch in Gasmotoren oder Gasturbinen zur Erzeugung von Elektroenergie oder zur Erzeugung von Dampf durch Verbrennung in Kesseln oder stofflich als Synthesegas, bei spielsweise für die Herstellung von Methanol, nutzen. Die Vergasung kann dabei im Wirbelbett, im Fest- und Wanderbett oder im Flugstrom erfolgen.

Die Wirbelschichtvergasung wird z. B. unter dem Titel "Thermische Restab fallbehandlung mittels Wirbelschichtvergasung" im Material zum 67. Abfall technischen Kolloquium der Universität Stuttgart beschrieben. Bei der Wir belschichtvergasung fallen die mineralischen Bestandteile des Einsatzstoffes als pulverförmige Asche an. Da diese Asche toxische Schwermetallverbin dungen enthält, muß sie einem Nachbehandlungsprozeß, beispielsweise einer nachträglichen Verglasung durch einen Schmelzprozeß, unterworfen werden, wobei die flüchtigen toxischen Schwermetalle gesondert erfaßt wer den müssen. Um den gesetzlich vorgeschriebenen maximalen organischen Anteil im Vergasungsrückstand nicht zu überschreiten, sind besondere tech nologische Maßnahmen, wie innere und äußere Kreislaufführung des Verga sungsgutes, erforderlich. Bei niedrigen Ascheschmelzpunkten müssen die Vergasungstemperaturen entsprechend niedrig gehalten werden, was den Kohlenstoffumsatz vermindert. Sind außerdem höhere Alkaligehalte im Ein satzgut enthalten, so besteht die Gefahr eutektischer Schmelzen, was noch niedrigere Vergasungstemperaturen erfordert. Das bedeutet, daß toxische organische Verbindungen erhalten bleiben.

Bei der Festbett- oder Wanderbettvergasung, z. B. nach DE 41 25 521 C1, ist das erzeugte Gas immer mit einem mehr oder minder großen Anteil an kon densierbaren höheren Kohlenwasserstoffen beladen, die bei der Gasaufbe reitung als staubhaltige Öle und Teere abgeschieden werden. Deren Verwer tung ist äußerst problematisch. Außerdem fällt ein wässriges Kondensat an, das mit erheblichem technischem Aufwand aufbereitet werden muß. Im DE 41 25 521 C1 wurde deshalb vorgeschlagen, das bei der Festbettvergasung entstehende staub-, kohlenwasserstoff- und wasserdampfhaltige Gas ohne Zwischenkühlung und Kondensation einer nachgeschalteten Flugstromstufe zur Nachvergasung zuzuführen. Hierbei wirken sich der hohe technische Aufwand sowie die erheblichen Energieverluste nachteilig aus. Ähnliches gilt für die Kombination von Wirbelschicht- und Flugstromvergasung nach DE 44 35 349 C1.

Bei der partiellen Oxidation im Flugstrom können Brennstoffe, die sich in ei nem fließfähigen Zustand befinden, vergast werden. Dabei wird der Brenn stoff mit Sauerstoff in einer Flammenreaktion, vielfach auch unter erhöhtem Druck, in ein wasserstoff- und kohlenmonoxidreiches Gas umgewandelt. Es ist vorgeschlagen worden, nach diesem Verfahren auch kohlenstoffhaltige Rückstände zusammen mit einem zusätzlichen Brennstoff zu vergasen. Bei spiele dafür geben DE 28 31 208 A1 und DE 38 20 013 A1.

Heterogen zusammengesetzte Restabfallstoffe können auch in einer Kombi nation von einer Pyrolysestufe mit einer Flugstromvergasungsstufe nach DE 42 38 934 A1 verarbeitet werden. Dabei kommt der Pyrolysestufe die Aufga be zu, Zwischenprodukte zu erzeugen, die nach entsprechender Aufberei tung für die Flugstromvergasung geeignet sind. Die mineralischen Bestandteile des Einsatzstoffes werden in eine schmelzflüssige Schlacke überführt, die nach der Kühlung als glasartiges Granulat anfällt und vor ihrer Verwer tung oder Deponierung keiner Nachbehandlung bedarf. Vorteilhaft ist wei terhin, daß ein von Kohlenwasserstoffen - also auch von Dioxinen und Fura nen - freies Rohsynthesegas entsteht, dessen Aufbereitung nach einfachen konventionellen Methoden erfolgen kann. Insgesamt gesehen ist aber auch hier ein relativ hoher apparativer Aufwand erforderlich.

Im DE 41 09 063 A1 wird zur Überwindung vorgenannter Nachteile die Kom bination einer Festbettgleichstromvergasung mit einer Flugstromvergasung beschrieben. Hierbei gibt es aber sicherheitstechnische Bedenken hinsicht lich einer kontrollierten Durchströmung der Schüttgutsäule mit Sauerstoff, denen nur mit hohem zusätzlichem meß- und regeltechnischem Aufwand begegnet werden kann.

Ein weiteres Verfahren wird in DE 195 36 383 A1 beschrieben. Bei dieser Kom bination einer Wanderbettvergasung mit einer Spülgaspyrolyse, das sich auf die Verwertung heizwertarmer Brennstoffe bezieht, bewegt sich der Gas strom im Gegenstrom zur Bewegungsrichtung des Wanderbettes. Das aus der Flugstromstufe kommende Vergasungsgas mit einem Sauerstoffüber schuß von bis zu 5 Vol-% durchströmt das Wanderbett von unten nach oben und bewirkt im unteren Teil des Wanderbettes die Vergasung der aus dem oberen Teil - der Pyrolysestufe - kommenden entgasten Feststoffe. Ein Teil des Vergasungsgases wird nach der Vergasungsstufe abgezogen, während der restliche Teil, der mit den Pyrolysegasen und -dämpfen beladen ist, vom Kopf des Wanderbettes ohne Zwischenkühlung und -aufbereitung zu einem Reaktionsraum geleitet wird, in dem dieses Gas- und Dampfgemisch mit Sauerstoff zu dem oben genannten Reaktionsgas umgesetzt wird. Von Nachteil ist, daß erhebliche Wasserdampfmengen, die in den Restabfallstof fen enthalten sind, die Wanderbettvergasung energetisch belasten und den Sauerstoffverbrauch in die Höhe treiben.

Mit DE 26 22 266 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von Gas aus einem Kohlenstoff-Einsatzgut bekannt, bei dem das Einsatzgut in der ersten Stufe einer Schwelung unterworfen und der entstehende Schwel koks in einem unterhalb der Schwelzone liegenden Koksbett vergast wird, wobei zumindestens zeitweise Gas aus der Schwelzone abgenommen und unmittelbar dem Koksbett zugeführt wird, wobei das Schwelgas im heißen Koksbett gecrackt werden und zusammen mit dem bei der Vergasung des Schwelkokses gebildeten Gas das erwünschte CO- und H₂-reiche Gas bil den soll.

Insbesondere bei Anwendung des Verfahrens für die Verarbeitung von Abfäl len wie Müll ist nicht voll gesichert, daß toxische aromatische und chlororga nische Verbindungen im Schwelgas ausreichend vollständig umgesetzt wer den, so daß unzulässige Reste dieser Verbindungen im CO- und H₂-reichen Gas verbleiben. Außerdem fordert eine wirtschaftliche Teilung des Verfah rens eine Beschränkung des Wassergehaltes im Einsatzgut.

Bekannt ist auch die mechanisch-biologische Vorbehandlung von Abfallstof fen. In Chemie Technik, 25. Jahrgang (1996) Nr. 3, wird beschrieben, daß damit ein sogenanntes Stabilat geschaffen werden kann, das einen vermin derten Wassergehalt und somit höheren Heizwert besitzt und über bestimm te Zeitabschnitte zwischengelagert werden kann. Diese Vorbehandlung fin det in speziellen Rotteboxen statt, wie sie ursprünglich für die Kompostie rung von Bioabfällen entwickelt wurden. Bekannt ist weiterhin, daß diese Vorbehandlung für den nachfolgenden Einsatz in konventionellen thermi schen Abfallbehandlungsanlagen (Müllverbrennungsanlagen) von Vorteil ist, daß aber auch die Kombination mit innovativen Verfahren denkbar ist. Im Abfallwirtschaftsjournal 7 (1995), Nr. 11, werden im Artikel "Kombinations modelle von biologisch-mechanischen und thermischen Restabfallbehand lungsanlagen" solche bekannten und möglichen Verfahren, die sich auf Pyro lyse und Pyrolyse/Vergasung stützen, namentlich benannt.

In DE 195 03 669 A1 wird beschrieben, daß ein biologisch-mechanisch vor behandelter Abfallstoff in einer Verbrennungsanlage als Sekundärbrennstoff eingesetzt bzw. kompaktiert oder in einer gewünschten Form verpackt einer Verwertung zugeführt werden kann, nicht aber, wie die Verwertung konkret erfolgt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein kombiniertes Verfahren zur umweltfreundlichen Verwertung von Restabfallstoffen, die mit toxischen Komponenten belastet sein können, zu schaffen, das es gestattet, mit ge ringstmöglichem energetischem und Sauerstoffaufwand gleichzeitig hetero gen zusammengesetzte stückige, staubförmige, flüssige und gasförmige Materialien mit und ohne zusätzliche Brennstoffe einzusetzen und daraus ein wasserstoff- und kohlenstoffreiches Gas zu erzeugen, das praktisch frei von Kohlenwasserstoffen und damit auch frei von Dioxinen und Furanen ist und das einen ohne weitere Nachbehandlung verwertbaren oder einfach zu de ponierenden festen Rückstand liefert sowie den Aufbereitungsaufwand für die zu verwertenden Restabfallstoffe minimiert.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des ersten Patentanspruches ge löst. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausführungen der Erfindung wieder. Die erfindungsgemäße Kombination der an sich bekannten biolo gisch-mechanischen Aufbereitung von Restabfallstoffen mit der bereits vor geschlagenen kombinierten Wanderbettpyrolyse und -vergasung solcher Stoffe hat den Vorteil, daß die vorgeschaltete Vorzerkleinerung, Aussortie rung von Metallen und anderen verwertbaren und nicht verwertbaren inerten Materialien sowie die Verrottung der Reststoffe zu einer Trocknung des Ein satzgutes und damit zu einer volumenmäßigen und energetischen Entla stung der Vergasungskombination führt. Im Interesse einer homogenen Durchströmung des Wanderbettes ist es vorteilhaft, die Reststoffe nach der Verrottung abzusieben und den Feinanteil zu brikettieren, so daß letzten En des die Funktion der Pyrolyse- und der Vergasungsstufe durch ein getrock netes und ein nach Form und Zusammensetzung homogenisiertes Einsatz gut optimiert wird.

Das Wanderbett hat in seinem oberen Teil die Funktion einer Spülgaspyroly se und in seinem unteren Teil stellt es eine Gegenstromfestbettvergasung dar. Das am Kopf der Vergasungskombination zugeführte Grobgut und die aus dem Feingut gepreßten Reststoffbriketts werden in der Pyrolysestufe durch entgegenströmendes Vergasungsgas auf Temperaturen über 600°C aufgeheizt und dadurch pyrolysiert. Der zur Aufheizung der Pyrolysestufe verwendete Teil des Vergasungsgases wird gemeinsam mit den entbunde nen flüchtigen Pyrolyseprodukten als Kreislaufgas mit Temperaturen von 200°C bis 500°C aus der Pyrolysestufe abgezogen und einem Reaktions raum, der sich an das untere Ende des Wanderbettes anschließt, unter Zu fuhr von technischem Sauerstoff und/oder Luft zugeleitet. Die Zuführungs einrichtung kann beispielsweise als Injektorbrenner ausgeführt sein. Auch besteht die Möglichkeit, die Absaugung des Kreislaufgases aus der Pyroly sestufe und dessen Zuführung zum Reaktionsraum mittels eines Gebläses vorzunehmen. Zusätzlich zum Kreislaufgas können dem Reaktionsraum flüssige, gasförmige oder fließfähige feste Brennstoffe zwecks Stabilisierung des Energiehaushaltes oder aber auch andere zu entsorgende fließfähige Stoffe zugeführt und mit verwertet werden. Das Verhältnis von Sauerstoff und/oder Luft zu den kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffen ist so zu wählen, daß im Reaktionsraum Temperaturen auftreten, die ein Aufschmelzen der anor ganischen Bestandteile der Einsatzstoffe und ein Abfließen der entstehen den flüssigen Schlacke gewährleisten. Bei üblichen Zusammensetzungen von Restabfallstoffen sind das im allgemeinen Temperaturen zwischen 1200°C und 1650°C. Dabei ist sicherzustellen, daß der Sauerstoffgehalt des aus dem Reaktionsraum in die Vergasungsstufe überströmenden Reakti onsgases die untere Zündgrenze des in der Vergasungsstufe entstehenden Rohgases unterschreitet. Das ist bei einem Sauerstoffgehalt kleiner 5 Vol-% immer der Fall. Damit ist auch bei unregelmäßiger Durchströmung des Wan derbettes infolge inhomogener Schüttung die Bildung explosibler Gemische ausgeschlossen.

Das 1200°C bis 1650°C heiße Reaktionsgas, tritt in die Vergasungsstufe ein und reagiert im Gegenstrom mit dem sich nach bewegenden aus der Pyroly sestufe kommenden Pyrolysekoks zu Vergasungsgas, das hauptsächlich aus Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Wasserdampf besteht. Ein Teil dieses Vergasungsgases wird zwischen Vergasungsstufe und Pyrolysestufe abge zogen und nach entsprechender Aufbereitung einer energetischen oder stofflichen Verwertung zugeführt. Der restliche Teil tritt wie beschrieben in die über der Vergasungsstufe liegende Pyrolysestufe ein.

Durch die hohen Temperaturen im Reaktionsraum und in der Vergasungs stufe wird erreicht, daß die Pyrolyseprodukte vollständig vergast und darin enthaltene oder über den Reaktionsraum zugeführte toxische organische Stoffe restlos zerstört werden. Das gilt auch für chlororganische Biphenyle, Dioxine und Furane. Der Chloranteil wird dabei in Chlorwasserstoff überführt, der auf einfache Weise aus dem Gasstrom ausgewaschen werden kann. Die stark reduzierende Atmosphäre verhindert, daß sich bei der Abkühlung des für die Verwertung vorgesehenen Vergasungsgases Dioxine und Furane neu bilden. Ein weiterer wesentlicher Vorteil ist die vollständige Überführung der mineralischen Bestandteile der Einsatzstoffe in schmelzflüssige Schlacke, die bei der Kühlung in einer nachgeschalteten Granuliereinrichtung (Wasserbad) zu glasartigem Granulat erstarrt, in das toxische anorganische Stoffe wie Schwermetalle eluationsfest eingeschmolzen sind.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand einer schematischen Darstellung des Verfahrens (Fig. 1) und einem Ausführungsbeispiel erläutert:

Die Restabfallstoffe 1 werden in einer Vorzerkleinerung 2 auf eine kanten länge kleiner 200 mm gebracht. Danach werden in einer Separation 3 nach bekannten Trennverfahren metalle 4 und Inertmaterialien 5 zwecks Aufarbei tung und Wiederverwendung weitestgehend abgeschieden. Die vorwiegend aus organischen Materialien bestehenden Reststoffe 6 werden eienr Verrot tung 7 zugeführt und nach ausreichender Dauer des Verrottungsvorganges gelangt das verrottete und dadurch auf einen Wassergehalt von 15 Masse-% reduzierte und auf einen Heizwert von 12 MJ/kg gebrachte Rotteprodukt 8 entweder auf einen Stapelplatz 9 oder in eine Absiebung 10. Das dort anfal lende Feingut 11 mit einer Kantenlänge kleiner 10 mm wird in einer Brikettie rung 12 mit Hilfe eines Bindemittels in Würfel mit einer Kantenlänge von 80 mm gepreßt. Diese Briketts 13 werden zusammen mit dem Grobgut 14 in die Vergasungskombination 15 eingebracht. In der Pyrtolysestufe 16 strömt dem nach unten gleitenden Einsatzgut von unten ein Teil des aus der Verga sungsstufe 17 kommenden Vergasungsgases 18 mit einer Temperatur von 1100°C entgegen. Nach übergangslosem Eintritt in die Vergasungsstufe wird der Pyrolysekoks 19 durch das aus dem Reaktionsraum 20 kommende Re aktionsgas 21 einer Vergasungsreaktion unterworfen, so daß die verbleiben den anorganischen Bestandteile aufgeschmolzen werden und sich am Bo den des Reaktionmsraumes in einem Schlackebad 22 sammeln und schließ lich über einen Schlackeablauf 23 abgezogen werden. Anschließend wird die Schlacke in einer Granuliereinrichtung in ein glasartiges Granulat verwan delt. Der nicht in der Pyroysestufe 16 benötigte Teil 24 des Vergasungsga ses 18 wird zwischen Vergasungsstufe 17 und Pyrolysestufe 16 abgezogen und der weiteren Aufbereitung und Verwertung zugeführt. Das aus einer Mi schung von Vergasungsgas und flüchtigen Pyroyseprodukten bestehende Kreislaufgas 25 wird am Kopf der Pyroysestufe 16 mit einer Temperatur von 430°C Abgezogen und dem Injektionsbrenner 26 des Reaktionsraumes 20 gemeinsam mit technischem Sauerstoff 27 zugeleitet. Die Aufheizung und Inbetriebnahme des Verfahrens erfolgt mittels eines Zünd- und Pilotbrenners 28, der mit Erdgas und Sauerstoff betrieben wird.

Liste der verwendeten Bezugszeichen

1

Restabfallstoffe

2

Vorzerkleinerung

3

Separation

4

Metalle

5

Inertmaterial

6

vorwiegend organische Reststoffe

7

Verrottung

8

Rotteprodukt

9

Stapelplatz

10

Absiebung

11

Feingut

12

Brikettierung

13

Briketts

14

Grobgut

15

Vergasungskombination

16

Pyrolysestufe

17

Vergasungsstufe

18

Vergasungsgas

19

Pyrolysekoks

20

Reaktionsraum

21

Reaktionsgas

22

Schlackebad

23

Schlackeablauf

24

Vergasungsgas zur Verwertung

25

Kreislaufgas

26

Injektionsbrenner

27

technischer Sauerstoff

28

Zünd- und Pilotbrenner

Claims

1. Verfahren zur umweltgerechten Verwertung von Restabfallstoffen durch biologisch-mechanische Vorbehandlung und nachfolgende Vergasung unter Erzeugung eines wasserstoff- und kohlenmonoxidreichen Gases, wobei die Restabfallstoffe einer Verrottungsstufe zwecks Reduzierung ihres Wassergehaltes zugeführt und das Verrottungsprodukt in einer Kombination von Pyrolyse und Vergasung in Form eines Wanderbettes in ein Brenngas umgewandelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß
das aus der Verrottung kommende und durch die Verrottung in seinem Wassergehalt und Volumen reduzierte Gut abgesiebt und daß der Feinanteil nach der Brikettierung zusammen mit dem Grobanteil von oben der Pyrolysestufe eines Wanderbettes, das im oberen Teil aus ei ner Pyrolysestufe und im unteren Teil aus einer Vergasungsstufe be steht, zugeführt wird,
daß das Vergasungsgas am oberen Ende der Vergasungsstufe zu ei nem Teil abgezogen und einer Verwertung zugeführt wird, zum ande ren Teil die Pyrolysestufe im Gegenstrom zum Einsatzgut aufsteigend durchströmt und dabei das Einsatzgut aufheizt und pyrolisiert,
der in der Pyrolysestufe aufsteigende Teil des Vergasungsgases ge meinsam mit flüchtigen Pyrolyseprodukten am Kopf der Pyrolysestufe abgezogen und einem mit dem unteren Ende der Vergasungsstufe ver bundenen Reaktionsraum zugeführt wird und in diesem Reaktionsraum mit Sauerstoff und/oder Luft zu dem Reaktionsgas umgesetzt wird, wo bei der Umsatz in einer solchen Weise erfolgt, daß im Reaktionsgas freier Sauerstoff verbleibt und im Reaktionsraum Temperaturen erreicht werden, die ein Aufschmelzen der anorganischen Rückstände des Ein satzgutes gewährleisten, und die aufgeschmolzenen anorganischen Rückstände als flüssige Schlacke über den genannten Reaktionsraum abfließen und anschließend die Schlacke granuliert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Reaktionsraum außer dem aus der Pyrolysestufe abgezogenen Kreislaufgas zusätzlich fließfähige Brenn- und/oder Restabfallstoffe zu geführt werden können.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktionsgas mit Temperaturen von 1200 bis 1650°C von unten in die Vergasungszone einströmt und daß das aus einem Gemisch von Vergasungsgas und flüchtigen Pyrolyseprodukten bestehende Kreis laufgas mit Temperaturen von 200 bis 500°C aus der Pyrolysestufe angezogen und dem Reaktionsraum zugeführt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Reaktionsraum feste, flüssige oder gasförmige Reststoffe, die bei der Aufbereitung des Vergasungsgases anfallen, zugeführt werden können.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kantenlänge der Briketts, die nach dem Absieben der aus der Ver rottung kommenden Reststoffe aus dem Feingut gepreßt werden, zwi schen 10 und 100 mm beträgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Vergasungsmittel technischer Sauerstoff, Luft oder ihre Mischungen mit Wasserdampf und/oder Kohlendioxid eingesetzt werden.