AT409413B

AT409413B - Verfahren zum vergasen von abfall

Info

Publication number: AT409413B
Application number: AT0139300A
Authority: AT
Inventors: Ernst Dipl Ing Rudelstorfer; Bruno Ing Berger
Original assignee: Rotec Engineering Gmbh & Co Kg
Priority date: 2000-08-11
Filing date: 2000-08-11
Publication date: 2002-08-26
Also published as: AU2002231422A1; US20040055216A1; WO2002014455A1; EP1307528A1; ATA13932000A; CA2418700A1

Description


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   Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vergasen von festen Abfallstoffen in einem Wirbel- schichtbett, bei welchem dem Wirbelschichtbett als Vergasungsmittel Wasserdampf und Sauerstoff zugeführt werden und bei dem im Freiraum über dem Wirbelschichtbett durch Zuführen von Sauer- stoff eine Nachvergasung ausgeführt wird. 



   Ein derartiges Verfahren ist bekannt. Bei dem bekannten Verfahren wird in das Wirbelschicht- bett Wasserdampf in einer Menge zugeführt, die ein molares Verhältnis von zugeführtem Wasser- dampf zu im Abfallstoff enthaltenem Kohlenstoff von 0,37 bis 0,62 ergibt (vgl. Scharpff, Jens-Tilo in : "Vergasung von Kunststoffen und backender Steinkohle in der Wirbelschicht", Berichte aus der Eisenhüttenkunde, Band 9/95, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen). 



   Nachteilig bei dem bekannten Verfahren ist es, dass die Vergasung unvollständig ist und im Reaktionsgas höhere organische Kohlenstoff-Verbindungen, wie Aromaten (Naphtalin), Phenole und Teer enthalten sind. 



   Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren der eingangs genannten Gattung an- zugeben, bei dem die Nachteile des bekannten Verfahrens nicht auftreten, und eine wirksame und vollständige Vergasung von Abfallstoffen, beispielsweise aus Hausmüll oder ausgewähltem Son- dermüll, möglich ist. 



   Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäss mit einem Verfahren, das die Merkmale des An- spruches 1 aufweist. 



   Bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprü- che. 



   Dadurch, dass bei dem erfindungsgemässen Verfahren Wasserdampf ein molares Verhältnis von zugeführtem Wasserdampf zu in den Abfallstoffen enthaltenem Kohlenstoff oder gegebenen- falls zusätzlich zugegebenen Kohlenstoff von mindestens 2,1 eingehalten wird, rekombinieren die gecrackten Verbindungen des Abfallstoffes nicht mehr zu schweren Verbindungen und es entsteht ein, verglichen mit dem bekannten Verfahren, saubereres Reaktionsgas. 



   Das molare Verhältnis zwischen zugeführtem Wasserdampf und im Abfallstoff enthaltenen Kohlenstoff kann beim erfindungsgemässen Verfahren bis auf 4,0, insbesondere bis auf 3,5 gestei- gert werden. 



   Die beim erfindungsgemässen Verfahren zugeführten, gegenüber bekannten Verfahren erhöhte Menge an Wasserdampf, ergibt ein sauberes Reaktionsgas, wobei der erhöhte Energieaufwand, der zum Erzeugen des Wasserdampfes benötigt wird, wenigstens zum Teil dadurch ausgeglichen werden kann, dass der Wärmeinhalt des zugeführten Wasserdampfes das Wirbelschichtbett auf der für das Ausführen des erfindungsgemässen Verfahrens erforderliche Temperatur hält und den zugeführten Abfallstoff auf diese Temperatur aufwärmt 
Bei dem erfindungsgemässen Verfahren können die mit hoher Temperatur aus dem Reaktions- raum austretenden Reaktionsgase (diese können eine Temperatur im Bereich von 1000 C haben) dazu herangezogen werden, Wasserdampf zu überhitzen und/oder zu erzeugen.

   So kann der Ge- samtenergiebedarf beim Ausführen des erfindungsgemässen Verfahrens in Grenzen gehalten wer- den, obwohl entgegen dem Stand der Technik mehr Wasserdampf zugeführt wird. 



   Bei dem erfindungsgemässen Verfahren kann Sauerstoff in Form von Luft, mit Sauerstoff ange- reicherter Luft oder in Form von technisch reinem Sauerstoff zugeführt werden. 



   Die Zustandsform der Wirbelschicht ist bei dem erfindungsgemässen Verfahren an sich belie- big. So können blasenbildende oder zirkulierende Wirbelschichten verwendet werden, wobei eine blasenbildende Wirbelschicht bevorzugt ist, da diese hinreichende Verweilzeiten erlaubt und nach- geschaltete Staubabscheider (Zyklone) entbehrlich sind. 



   In dem Reaktionsraum kann beim Ausführen des erfindungsgemässen Verfahrens Unteratmo- sphärendruck oder Überdruck aufrecht erhalten werden. Der Unteratmosphärendruck liegt in der Regel zwischen 15 und 5, vorzugsweise bei 10 mbar. Überdruck wird für gewöhnlich auf 10 bis 40, vorzugsweise auf 18 bis 28 bar eingestellt 
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des erfindungsgemässen Verfahrens ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen des erfindungsgemässen Verfah- rens, in der auf die angeschlossene Zeichnung Bezug genommen wird. Die Zeichnung zeigt sche- matisch eine Anlage, in der das erfindungsgemässe Verfahren ausgeführt werden kann. 



   In einem Wirbelschichtreaktor 1 ist unten ein beispielsweise als Glockenboden ausgebildeter Anströmboden 2 vorgesehen. Unterhalb des Anströmbodens 2 münden in den Reaktor eine 

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 Leitung 3 für das Zuführen von Sauerstoff und eine Leitung 4 für das Zuführen von überhitztem Wasserdampf. Über dem Anströmboden 2 befindet sich das Wirbelschichtbett 5. Die zu vergasen- den Abfallstoffe werden über einen Aufgabebehälter 6, eine Zellenradschleuse 7 und eine Förder- schnecke 8 in den Reaktor 1 knapp oberhalb der Wirbelschicht 5, die vorzugsweise als blasenbil- dende Wirbelschicht ausgebildet ist, aufgegeben. 



   In den Bereich 9 des Innenraums des Reaktors 1, der sich über dem Wirbelschichtbett 5 befin- det, und in dem eine Nachvergasung zugeführt wird, mündet eine Sauerstoffleitung 10, wobei der in den Raum 9 zugeführte Sauerstoff über in einer Ebene angeordnete Düsen 11austritt. 



   Die den Reaktor 1 verlassenden Reaktionsgase, die beispielsweise eine Temperatur von 1050  C haben, treten in eine Kammer 12 ein, in der ein Dampfüberhitzer 13 und ein Dampferzeu- ger 14 vorgesehen sind. Der Dampferzeuger 14 wird aus einer Dampftrommel 15, in die über eine Leitung 16 Kesselspeisewasser eingeleitet wird, über eine Leitung 17 mit Wasser versorgt. In dem Dampferzeuger 14 erzeugter Dampf strömt über eine Leitung 18 in die Dampftrommel 15 zurück. 



  Dampf aus der Dampftrommel 15 wird über eine Leitung 19 dem Dampfüberhitzer 13 zugeführt. 



  Der Ausgang des Dampfüberhitzers 13, aus dem Dampf mit einer Temperatur von beispielsweise 800  C austritt, ist an die Leitung 4 angeschlossen. 



   Reaktionsgas 21 tritt aus dem Raum 12 über eine Leitung 21 aus und kann über diese Leitung 21 weiterer Verwendung zugeführt werden. 



   Asche kann aus dem Reaktor 1 nach unten über eine Leitung 20 ausgeschleust werden. 



   Abfallstoffe aus Hausmüll oder aus ausgewähltem Sondermüll werden aufbereitet, wobei Me- talle, Steine und Glas abgetrennt werden. Beim Aufbereiten erfolgt, soweit erforderlich, eine Stück- grössenvereinheitlichung auf fördergerechte Stückgrössen, vorzugsweise mit Abmessungen zwi- schen 6 mm und 60 mm, indem zu grosse Stücke zerkleinert und zu kleine Stücke agglomeriert werden. 



   Bevorzugt ist weiterhin eine thermische Behandlung der Abfallstoffe, um diese zu trocknen und Wasserinhaltsstoffe der Abfallstoffe zu entfernen. 



   Die so stückig aufbereiteten Abfallstoffe werden beispielsweise über die Schleuse 7 und einen Schneckenförderer 8 dem Wirbelschichtbett 5 aufgegeben. 



   Soferne Abfallstoffe aus einer getrennten Sammlung von thermoplastischen Kunststoffen stam- men, kann die Aufbereitung zu Stückgut entfallen, da thermoplastische Abfallstoffe verflüssigt und direkt in den Wirbelschichtreaktor 1 eingepresst werden können. 



   Die Vergasung erfolgt in der Wirbelschicht 5 unter Zugabe von überhitztem Dampf und von Sauerstoff, wobei die Zugabe unterhalb des Anströmbodens 2 des Wirbelschichtbettes 5 erfolgt. Im Wirbelschichtbett 5 wird eine Schüttung feinkörniger Teilchen durch das aufwärts strömende Gas (Sauerstoff und Wasserdampf) aufgelockert und in Schwebe gehalten. Vorteile eines Wirbel- schichtbettes 5 sind unter anderem eine einheitliche Temperatur im Wirbelschichtbett 5 als Folge der intensiven Feststoffdurchmischung und eine leichtere Handhabung der Feststoffe durch das flüssigkeitsähnliche Verhalten der Wirbelschicht. 



   Das Wirbelschichtbett 5 besteht in der Regel aus inertem Quarzsand. 



   Um das Einbinden von sauren Schwefel- und Chlorbestandteilen der Abfallstoffe in die Asche- fraktion zu erreichen, kann dem Wirbelschichtbett 5 Kalkstein zugesetzt werden. 



   Nach dem Vergasen der Abfallstoffe werden Asche und nicht verbrennbare Stoffe aus dem 
Wirbelschichtbett 5 am Anströmboden 2 ausgeschleust. 



   Wasserdampf wird dem Wirbelschichtbett 5 (bezogen auf den Kohlenstoffgehalt des zu verga- senden Abfalls) im Uberschuss zugegeben und dient gleichzeitig als Fluidisierungsmittel der Wir- belschicht. Sauerstoff wird unterstöchiometrisch (bezogen auf den Kohlenstoffgehalt des zu verga- senden Abfalls) zugegeben und zwar in einer Menge, die erforderlich ist, um die gewünschte Tem- peratur im Wirbelschichtbett 5 zu erreichen. Da es bevorzugt ist, dass stark überhitzter (Hochtem- peratur-) Wasserdampf in grosser Menge zugeführt wird, kann die Zugabe von Sauerstoff ver- gleichsweise klein gehalten werden. 



   Durch das Überangebot an Wasserdampf im Wirbelschichtbett 5 rekombinieren thermisch ge- crackte Verbindungen der Abfallstoffe nicht mehr zu schweren Verbindungen und es entsteht ein sauberes Reaktionsgas. 



   Die maximal erreichbare Temperatur des Wirbelschichtbettes 5 wird durch Abfallinhaltstoffe, vornehmlich anorganische Stoffe, vorgegeben. Ab einer von der Art der Inhaltstoffe abhängigen, 

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 kritischen Temperatur erweichen diese Stoffe und führen zum Verkleben der Wirbelschicht. Es wird daher beim erfindungsgemässen Verfahren bevorzugt so gearbeitet, dass diese von der Art der Inhaltsstoffe abhängige, kritische Temperatur nicht erreicht wird. 



   Bei den erreichbaren Temperaturen werden sehr stabile, chemische Verbindungen, wie aroma- tische Verbindungen, und bestimmte Stickstoff- oder Halogenverbindungen, nicht oder nur teilwei- se zerstört (gecrackt). Deshalb wird das aus dem Wirbelschichtbett 5 austretende Gas einer Nach- vergasungstufe zugefuhrt. Das Nachvergasen wird im Freiraum 9 über dem Wirbelschichtbett 5 ausgeführt, indem zusätzlicher Sauerstoff eingegeben wird. Hiezu ist oberhalb der Wirbelschicht eine Düsenverteilerebene 11angeordnet, in der zusätzlicher Sauerstoff eingedüst wird.

   Durch das Zuführen zusätzlichen Sauerstoffs wird die Reaktionstemperatur weiter erhöht und in Kombination mit einer ausreichenden Verweilzeit werden auch die erst bei höheren Temperaturen nicht mehr stabilen, chemischen Verbindungen zu leichteren, gasförmigen Verbindungen, zu elementarem Wasserstoff und/oder Sauerstoff gecrackt. 



   Bevorzugt wird im Rahmen der Erfindung das Abkühlen das Reaktionsgas mit dem Erzeugen von überhitztem Wasserdampf, der für das erfindungsgemässe Verfahren vorteilhaft ist, kombiniert Auch während des Abkühlens der Reaktionsgase wirkt sich die Anwesenheit von Überschuss- dampf im Reaktionsgas günstig aus, da so leichte Crack-Produkte nicht oder nicht in nennenswer- tem Ausmass zu schwereren Verbindungen rekombinieren. 



   In der nachfolgenden Reinigung des Reaktionsgases wird Wasserdampf durch Kondensation entfernt, wobei auch toxische Inhaltsstoffe entfernt werden können, so dass das entstandene Reaktionsgas in einem Gasmotor oder einer Gasturbine verwendet werden kann, wobei es möglich ist, die Abgasgrenzwerte einzuhalten. 



   Beispiel : 
15 Mg/h aufbereiteter Hausmüll mit einer durchschnittlichen Elementaranalyse von 
H2 6,4 Gewichts-% 
N2 0,2 Gewichts-% 
C 46,0 Gewichts-% 
O2 34,4 Gewichts-% 
H2O 10,6 Gewichts-% 
S 0,2 Gewichts-% 
C12 (und Halogene) 0,4 Gewichts-% 
Inerte 1,7 Gewichts-% 
Anorg. Schadstoffe (Pb, Cd, TI, Cr, Cu, Ni, Hg, As, Sn, Zn) werden in das Wirbelschichtbett aufgegeben. 



   Das Wirbelschichtbett wird mit einer Dampfmenge von 22,2 Mg/h beaufschlagt, so dass in der Gasphase ein molares Verhältnis von Wasserdampf zu im Hausmüll enthaltenem Kohlenstoff von 2,4 erreicht wird. Die zuzuführende Dampfmenge wurde im vorliegenden Beispiel wie folgt berechnet : 
Molare Menge Kohlenstoff im Einsatz (Hausmüll): 
15 Mg/h x 46 %   / 12   g/mol = 0,575 Mmol/h. 



   Erforderliche Dampfmenge : 
2,4 x 0,575   Mmol/h   x 18,01 g/mol = 24,8 Mg/h 
Zuzuführende Dampfmenge = erforderliche Dampfmenge abzüglich Wasserdampfgehalt im Hausmüll: 24,8   Mg/h -  15 Mg/h x 10,6 % = 22,2 Mg/h. 



   Die Temperatur des in das Wirbelschichtbett eingeleiteten Wasserdampfes beträgt 800 C. 



   Die durchschnittliche Temperatur des Wirbelschichtbettes beträgt 650 C. Diese Temperatur wird erreicht und aufrecht erhalten, indem 3,1 Mg/h Sauerstoff zugeführt werden. 



   In das das Wirbelschichtbett verlassende Reaktionsgas werden zum Nachvergasen weitere 3,2 Mg/h Sauerstoff zugeführt, so dass sich in der Nachvergasungszone eine Temperatur des Re- aktionsgases von 1050 C einstellt Die Nachvergasungszone ist so gross dimensioniert, dass eine durchschnittliche Verweilzeit des Reaktionsgases bei der genannten Temperatur von durchschnitt- lich 2 s eingehalten wird. 



   Nach Verlassen der Nachvergasungszone wird das Reaktionsgas unter Verwendung der in ihm enthaltenen Wärme zur Wasserdampferzeugung und gegebenenfalls unter anderer Wärmenutzung auf etwa 35 C abgekühlt. Der Grossteil des im Reaktionsgas enthaltenen Wasserdampfes ein- 

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 schliesslich der entstehenden Schadstoffverbindungen kondensiert dabei aus. Geringe, noch im Reaktionsgas allenfalls verbleibende Schadstoffverbindungen können in einer anschliessenden Wä- sche mit Wasser bzw. Lauge ausgewaschen werden. 



   Das Reaktionsgas hat nach Abzug der Restfeuchte die folgende durchschnittliche Menge und Zusammensetzung : 
 EMI4.1 
 
<tb> Menge <SEP> 23. <SEP> 400 <SEP> Nm3/h
<tb> 
<tb> 
<tb> 
<tb> CO <SEP> 30,64 <SEP> vol%
<tb> 
<tb> 
<tb> 
<tb> H2 <SEP> 40,01 <SEP> vol%
<tb> 
<tb> 
<tb> 
<tb> 
<tb> CH4 <SEP> 3,10 <SEP> vol%
<tb> 
<tb> 
<tb> 
<tb> andere <SEP> Kohlenwasserstoffe <SEP> 0,42 <SEP> vol%
<tb> 
<tb> 
<tb> 
<tb> 
<tb> CO2 <SEP> 20,36 <SEP> vol%
<tb> 
<tb> 
<tb> 
<tb> 
<tb> N2 <SEP> 5,46 <SEP> vol%
<tb> 
<tb> 
<tb> 
<tb> 
<tb> Heizwert <SEP> 68,1 <SEP> MW
<tb> 
 
Mit dem erfindungsgemässen Verfahren können feste Abfallstoffe, die Kohlenstoff oder Kohlen- stoffverbindungen enthalten, wie aufbereiteter Hausmüll, Kunststoffabfälle, Industrieabfälle, Auto- reifen, biogene Abfallstoffe, jeweils mit Schadstoffanteil vergast werden.

   Vorzugsweise liegt der Mindestheizwert der Abfallstoffe bei etwa 9 MJ/kg. Aber auch Abfallstoffe mit einem Mindestheiz- wert unter 9 MJ/kg können nach dem erfindungsgemässen Verfahren vergast werden, wenn den Abfallstoffen Kohlenstoff in Form von Koks oder Kohle zugegeben wird. 



   Zusammenfassend kann ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wie folgt beschrie- ben werden: 
Bei einem Verfahren zum Vergasen von festen Abfallstoffen in einem Wirbelschichtbett wird in das Wirbelschichtbett als Vergasungsmittel Wasserdampf und Sauerstoff eingeblasen. Dabei wird ein molares Verhältnis von zugeführtem Wasserdampf und im Abfallstoff enthaltenem Kohlenstoff von wenigstens 2,1 eingestellt. Soferne im zu vergasenden Abfallstoff zum Erreichen der für die Vergasung erforderlichen Temperatur zu wenig Kohlenstoff enthalten ist, kann Kohlenstoff in Form von Koks oder Kohle zugegeben werden. Die das Wirbelschichtbett verlassenden Reaktionsgase werden im Freiraum über dem Wirbelschichtbett im Reaktor unter Zufuhr zusätzlichen Sauerstoffs nachvergast.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Verfahren zum Vergasen von festen Abfallstoffen in einem Wirbelschichtbett, bei welchem dem Wirbelschichtbett als Vergasungsmittel Wasserdampf und Sauerstoff zugeführt wer- den, und bei dem das Wirbelschichtbett verlassende Reaktionsgase im Freiraum uber dem Wirbelschichtbett unter Sauerstoffzufuhr nachvergast werden, dadurch gekennzeichnet, dass das molare Verhältnis von dem Wirbelschichtbett zugeführtem Wasserdampf zu im Abfallstoff enthaltenen Kohlenstoff auf wenigstens 2,1 eingestellt wird
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zugeführte Wasserdampf eine Temperatur hat, die über der Durchschnittstemperatur im Wirbelschichtbett liegt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Wasserdampf mit einer Tem- peratur von 500 bis 1000 C, vorzugsweise 800 C, zugeführt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine durch- schnittliche Temperatur des Wirbelschichtbettes von 650 C aufrechterhalten wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zugeführ- te Wasserdampf überhitzter Wasserdampf ist.
6 Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Wasser- dampf, insbesondere überhitzter Wasserdampf, als Fluidisierungsmittel der Wirbelschicht dient.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mit den aus dem Reaktionsraum austretenden Reaktionsgasen Wasserdampf überhitzt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mit den aus <Desc/Clms Page number 5> dem Reaktionsraum austretenden Reaktionsgasen Wasserdampf erzeugt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionsgase, nachdem sie zum Überhitzen von Wasserdampf verwendet worden sind, zum Erzeugen von Was- serdampf verwendet werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei Abfall- stoffen mit einem Heizwert unter 9 MJ/kg Kohlenstoff, beispielsweise in Form von Koks oder Kohle, zugegeben wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Verweil- zeit der das Wirbelschichtbett verlassenden Reaktionsgase in der Nachvergasungszone, in der Sauerstoff zugeführt wird, wenigstens 1 s, vorzugsweise etwa 2 s, beträgt.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Tempe- ratur des Reaktionsgases in der Nachvergasungszone durch Sauerstoffzufuhr auf 900 bis 1100 C, insbesondere 1050 C, eingestellt wird.
13 Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass im Reakti- onsraum ein Unteratmosphärendruck in der Grösse von 15 bis-5 mbar, insbesondere von 10 mbar, aufrecht erhalten wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass im Reakti- onsraum ein Druck von 10 bis 40 bar, insbesondere von 18 bis 28 bar, aufrecht erhalten wird.