DE19606575A1 - Verfahren zur stofflichen und energetischen Verwertung von Rest- und Abfallstoffen in einem Schachtofen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur stofflichen und energetischen Verwertung von Rest- und Abfallstoffen in einem Schachtofen, vorzugsweise in einem Kupol- oder Hochofen.

Die Erfindung ist überall dort anwendbar, wo Rest- und Abfallstoffe sowie heizwertarme Brennstoffe in Verbindung mit Schachtofenanlagen der metallurgischen Industrie oder der Baustoffindustrie, beispielsweise in einem Hochofenwerk, energetisch und stofflich verwertet oder wo bestehende Anlagen dieser Art von einem Teil der Brennstoff- bzw. Rohstoffkosten entlastet werden sollen.

Unter Rest- und Abfallstoffen sind zu verstehen Hausmüll, Gewerbemüll, kommunale und industrielle Klärschlämme, Reste aus der Aufbereitung verbrauchter Industriegüter mit organischen Anteilen, wie Kabel, Altautos, Elektronikschrott, nicht unmittelbar recyclingfähige Reste aus der Sammlung von Kunststoff- und Verpackungsabfällen sowie Restprodukte aus verschiedenen technologischen Verfahren, besonders der Recyclingwirtschaft. Unter diese Kategorie der Rest- und Abfallstoffe fallen weiter mit öligen oder ölhaltigen Kühl-, Gleit- oder Schmiermitteln behaftete Walz- und Schmiedezunder und Metallbearbeitungsspäne. Heizwertarme Brennstoffe sind beispielsweise Biobrennstoffe, wie Stroh, Holz, Gräser, Laub, spezielle für die energetische Verwertung vorgesehene Pflanzen, aber auch belastete brennbare Gase, beispielsweise Deponie- und Klärgase, unterschiedlicher Herkunft.

Es sind bereits Verfahren zur stofflichen und energetischen Verwertung von Rest- und Abfallstoffen in Hochöfen bekannt.

So wird in DE 39 11 982 A1 ein Verfahren zum Beseitigen von Abfällen beschrieben, bei dem die Abfälle im Bereich der Windeingabe des Schachtofens direkt der Verbrennungszone zugeführt werden. Viele der in Frage kommenden Rest- und Abfallstoffe liegen jedoch in einer solchen Beschaffenheit vor, daß sie sich nicht oder nicht mit der erforderlichen Gleichmäßigkeit unmittelbar der Verbrennungszone eines Schachtofens zuführen lassen.

DE 41 04 252 A1 beschreibt ein weiteres Verfahren dieser Art, bei dem Abfallstoffe in fließfähiger Form einem Schachtofen, insbesondere einem Hochofen, über die Windform zugeführt werden. Unter fließfähiger Form wird dabei verstanden, daß das dem Schachtofen zuzuführende Material als Flüssigkeit, als Gas bzw. Dampf oder als feinkörniger, in einer Trägerflüssigkeit bzw. einem Trägergas suspendierter Feststoff vorliegen muß. Das ist aber, wie bereits dargestellt, beispielsweise bei üblichen Hausmüllgemischen nicht gegeben.

Eine Reihe der oben genannten Abfallstoffe, besonders auch Biobrennstoffe, sind weiter mit einem relativ hohen Wassergehalt belastet, der im Schachtofenprozeß häufig unerwünscht ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur stofflichen und energetischen Verwertung von Rest- und Abfallstoffen und heizwertarmen Brennstoffen in einem Schachtofen, insbesondere in einem Hochofen, zu entwickeln, in dem solche Materialien unabhängig von ihrer Beschaffenheit verwertet werden können, also auch Materialien, die nicht in einem fließfähigen Zustand vorliegen und sich nicht durch einfache Trocknungs- und Zerkleinerungsstufen in einen solchen Zustand überführen lassen.

Diese Aufgabe wird durch den kennzeichnenden Teil des ersten Patentanspruches gelöst. Günstige Ausführungsvarianten sind in den Patentansprüchen 2 bis 12 beschrieben.

Die erfindungsgemäße Lösung sieht vor, daß Rest- und Abfallstoffe, aber auch heizwertarme Brennstoffe, in einem Pyrolysereaktor thermisch vorbehandelt werden. Dabei werden diese Materialien unter vollem oder weitgehendem Ausschluß von Luft bzw. Sauerstoff auf Temperaturen zwischen etwa 300 und 800°C erhitzt. Unter diesen Bedingungen werden die organischen Bestandteile einer thermischen Zersetzung unterworfen und gas- und dampfförmige Zersetzungsprodukte - im weiteren Pyrolysegas genannt - abgespalten. Es verbleibt ein fester koksartiger Rückstand - im weiteren mit Pyrolysekoks bezeichnet -, der auch die anorganischen Bestandteile des Einsatzgutes mit aufnimmt.

Der Pyrolysekoks wird mit bekannten mechanischen Aufbereitungsverfahren beispielsweise mit einer Wälzmühle mit Sichterkreislauf, mindestens zum Teil in eine feinkörnige Form gebracht. Weiterhin werden dieser in feinkörnige Form gebrachte Pyrolysekoks und das Pyrolysegas dem Schachtofen zugeführt.

In der Regel erfolgt die Zuführung zum Schachtofen in Höhe etwa der Windform, bevorzugt in die oder durch die Windform, in das Gestell des Ofens. Bei den in diesem Bereich des Schachtofens herrschenden Temperaturen verbrennen der organische Anteil des eingeblasenen Pyrolysekokses sowie die brennbaren Komponenten des Pyrolysegases mit einem Teil des dem Schachtofen zugeführten Windes. Durch den üblichen Überschuß an Koks im Möller wird das primär gebildete Kohlendioxid sofort zu Kohlenmonoxid reduziert, sofern nicht schon primär Kohlenmonoxid gebildet wird. Ebenso wird der im Pyrolysekoks und im Pyrolysegas gebundene Wasserstoff sowie der im Pyrolysegas enthaltene Wasserdampf in gasförmigen Wasserstoff umgewandelt.

Das durch den Umsatz von Pyrolysekoks und Pyrolysegas entstehende Gas steigt, zusammen mit dem übrigen, durch Umsatz des verbleibenden (größeren) Teils des Windes mit Koks aus dem Möller entstehende Formengas, im Schacht aufwärts und nimmt an den in der langsam nach unten rutschenden Möllersäule ablaufenden Reaktionen, im Beispiel des Hochofens an der Reduktion des Eisenerzes, teil. Die durch den Umsatz der Pyrolyseprodukte frei werdende Wärmemenge wird parallel zur Aufheizung des Möllers genutzt. Entsprechend kann der Kokssatz im Möller gesenkt, also Koks eingespart werden.

Unter den im Gestell herrschenden Bedingungen werden organische Verbindungen, auch aromatische Verbindungen und chlorierte organische Verbindungen, einschließlich hochtoxischer Dioxine und Furane, vollständig umgesetzt. Eine nachträgliche Synthese von Dioxinen und Furanen während der Abkühlung des im Gestell gebildeten und im Schacht aufsteigenden Gases ist unter der dort herrschenden stark reduzierenden Atmosphäre ausgeschlossen. Wie zum Beispiel auch aus DE 41 04 252 A1 bekannt, werden die anorganischen Bestandteile des Pyrolysekokses und gegebenenfalls des vom Pyrolysegas mitgeführten Staubes aufgeschmolzen und entweder von der schmelzflüssigen Schlacke oder von der flüssigen Metallphase aufgenommen. Das alt auch für die mitgeführten Schwermetallspuren.

Der in feinkörniger Form vorliegende Pyrolysekoks kann in an sich bekannter Weise pneumatisch über Förderleitungen dem Schachtofen zugeführt werden. In der Regel münden diese Förderleitungen jeweils in einer Windform, wobei die in der Windform herrschende hohe Luftgeschwindigkeit für die gute Verteilung in der im Gestell des Ofens sich bildenden Verbrennungszone und für die sofortige Zündung sorgt.

Alternativ kann der in feinkörniger Form vorliegende Pyrolysekoks mit Ölen zu einer pumpfähigen Öl-Feststoff-Suspension angemaischt und auf hydraulischem Wege dem Gestell des Schachtofens zugeführt werden. Das als Trägerflüssigkeit benötigte Öl kann zum Beispiel ein belastetes Altöl, aber auch ein landwirtschaftlich erzeugtes pflanzliches Öl, z. B. auf stillgelegten landwirtschaftlichen Flächen erzeugtes Rapsöl, sein.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform wird das Pyrolysegas, das den Pyrolysereaktor verläßt, einer Abkühlung und Kondensation unterworfen, bevor es dem Schachtofen zugeführt wird. Dabei wird ein Kondensat abgetrennt, aus dem eine ölige Phase ("Pyrolyseteer") und eine wäßrige Phase gewonnen werden kann. Es ist zweckmäßig, die genannte ölige Phase in den Vergasungsreaktor zu geben. Vorteilhafterweise wird sie dazu zur Herstellung der Öl-Staub-Suspension herangezogen. Grundsätzlich ist es möglich, auch die wäßrige Phase dem Vergasungsreaktor zuzuführen und im Vergasungsprozeß gelöste organische Bestandteile und weitere unerwünschte Bestandteile, wie beispielsweise NH₃, zu zerstören.

Bei stark wasserhaltigen Einsatzstoffen, das gilt besonders für manche Biobrennstoffe und für Müll mit hohem Anteil an Küchenabfällen, ist es vorteilhaft, die aus dem Kondensat abgetrennte wäßrige Phase einer mechanischen, chemischen und/oder biologischen Aufbereitung zu unterwerfen. Das gereinigte Wasser kann dann für werksinterne Zwecke, z. B. als Kühlwasser, genutzt oder in ein Gewässer abgestoßen werden. Eine solche Ausgestaltung der Erfindung bietet den Vorteil, daß z. B. der Schachtofen von häufig für den Prozeßablauf unerwünschtem Wasserdampf entlastet wird.

Vielfach ist die Kühlung und Kondensation in Form eines Waschkühlers mit Wasser als Waschmittel ausgestaltet oder enthält neben anderen bekannten Mitteln zur Kühlung und Kondensation auch eine Wasserwäsche. Eine solche Ausgestaltung bietet den Vorteil, daß im Pyrolysegas enthaltener, durch thermische Spaltung von organischen Chlorverbindungen in den Abfallstoffen entstandener Chlorwasserstoff sowie Dämpfe und Nebel von chloridischen Salzen aus dem Pyrolysegas vor Einführung in den Schachtofen abgetrennt werden.

Vor allem beim Einsatz hausmüllartiger Abfälle ist es meist günstig, aus dem Pyrolysekoks nach Austrag aus dem Pyrolysereaktor, z. B. durch eine Siebanordnung, grobe Bestandteile auszuhalten, um die Einrichtungen zur Zerkleinerung des Pyrolysekokses zu entlasten, da sich in der groben Fraktion vorwiegend Steine, Keramik- und Ziegelbrocken, Glas, aber auch metallische Bestandteile, wiederfinden.

Es ist weiter möglich, mit an sich bekannten Separationsverfahren, wie z. B. durch Magnetscheidung oder/und durch Wirbelstromscheidung, metallische Bestandteile abzutrennen und einer gesonderten Verwertung zuzuführen. Man kann dazu die aus dem Pyrolysekoks abgetrennten metallischen Bestandteile dem Schachtofen über dessen Gicht aufgeben. Grundsätzlich gilt das auch für nichtmetallische grobe Fraktionen des Pyrolysekokses, wenn die mineralischen Bestandteile der eingesetzten Abfälle möglichst vollständig in eine für Bauzwecke verwendbare Hochofenschlacke überführt werden soll.

Es kann in vielen Fällen auch wirtschaftlich vorteilhaft sein, den Pyrolysekoks in vollem Umfang oder zu einem Teil zu agglomerieren (z. B. auf einem Pelletierteller), und die Agglomerate dem Schachtofen über dessen Gicht aufzugeben. Man sollte allerdings bei einer solchen Gestaltung des Verfahrens durch geeignete Temperaturführung bei der Pyrolyse für geringe Restgehalte an flüchtigen Bestandteilen im Pyrolysekoks sorgen.

Schließlich ist eine weitere Koppelung von Schachtofen und Pyrolysereaktor dadurch möglich, daß das im Schachtofen anfallende Gichtgas, ggf. nach einer Reinigungsstufe, zur Beheizung des Pyrolysereaktors herangezogen wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren sei an einem Ausführungsbeispiel und dem beigefügten vereinfachten Schema näher erläutert.

Das Beispiel, stellvertretend für viele Ausgestaltungs- und Anwendungsfälle der Erfindung, betrifft die Nutzung eines Hochofens für die stoffliche und energetische Verwertung des in der Umgebung des Hüttenwerkes anfallenden kommunalen Rest- und Gewerbemülls.

Der angelieferte und in einem Müllbunker 1 zwischengelagerte Müll wird in einem Brecher 2 auf eine Stückgröße von maximal etwa 100 mm vorzerkleinert und über eine Aufgabevorrichtung dem als indirekt beheiztes Drehrohr gestalteten Pyrolysereaktor 3 aufgegeben. Durch Beheizung mit Gichtgas aus dem Hochofenbetrieb wird der Müll unter Luftabschluß auf eine Endtemperatur von ca. 500°C aufgeheizt. Dabei werden die organischen Bestandteile des Mülls der thermischen Zersetzung unterworfen, wobei ein mit Kohlenwasserstoff- und Wasserdämpfen beladenes Pyrolysegas und ein koksartiger, spröder, fester Rückstand, der Pyrolysekoks, entsteht.

Im Ausfallgehäuse 4 wird der Pyrolysekoks aufgefangen, während das Pyrolysegas gesondert zur nur schematisch dargestellten Kühlung und Kondensation 5 geleitet wird.

Der Pyrolysekoks passiert einen Magnetscheider 6 zur Abtrennung von Eisenbestandteilen und einen Wirbelstromscheider 7, in dem die unmagnetischen Leicht- und Buntmetalle gewonnen werden. Der verbleibende Pyrolysekoks, einschließlich seiner anorganischen Bestandteile, wird in der Mühle 8 auf eine Feinheit von < 0,5 mm zerkleinert.

Das mit Öl- und Wasserdämpfen beladene Pyrolysegas wird in der Kühlung und Kondensation 5 auf etwa 40°C abgekühlt. Das anfallende Kondensat wird in einem im Schema nicht gesondert dargestellten Scheidebehälter in eine ölige Phase (im Schema als Pyrolyseöl bezeichnet) und eine wäßrige Phase (Pyrolysewasser) getrennt.

Das gekühlte, von der Hauptmenge der Öl- und Wasserdämpfe befreite Pyrolysegas wird über den Verdichter 9 auf einen für die Injektion in die Windform 11 des Hochofens 12 ausreichenden Druck von etwa 4 bar komprimiert und auf dem Wege zu den Windformen des Hochofens mit dem über ein pneumatisches Dichtstromfördersystem 10 zugeführten, aufgemahlenen Pyrolysekoks vermischt. Das Pyrolysegas übernimmt so die Rolle eines zusätzlichen Fördergases für den Transport des Kokses zum Hochofen 12. Parallel wird das Pyrolyseöl über die Pumpe 13 einer in die Windform 11 mündenden Lanze zugeführt.

Im vorliegenden Beispiel werden Pyrolysegas, aufgemahlener Koks und Pyrolyseöl gleichmäßig auf alle Windformen des Hochofens verteilt. Es ist aber auch möglich, das Pyrolysegas und den Pyrolysekoks einem symmetrisch über den Umfang des Hochofens angeordneten Teil der Windform, das Pyrolyseöl einem anderen Teil der Windform zuzuleiten.

In jedem Fall übernimmt der Heißwindstrom die Zerstäubung, Verteilung und Vermischung der in die Windform injizierten Pyrolyseprodukte und gewährleistet die sofortige Zündung. Die durch Verbrennung der Pyrolyseprodukte in der Verbrennungszone des Hochofens entstehenden und in Kontakt mit dem Hochofenkoks zu CO und H₂ reduzierten Gase nehmen - wie bekannt - am Hochofenprozeß teil, während die anorganischen Bestandteile der Pyrolyseprodukte aufgeschmolzen werden und sich im Roheisen und in der Hochofenschlacke wiederfinden.

Das in Kühlung und Kondensation 5 anfallende Pyrolysewasser wird einer mechanischen und biologischen Abwasseraufbereitung 14 unterworfen und als gereinigtes Abwasser für Kühlzwecke im Hochofenwerk eingesetzt.

Im Schema nicht dargestellt, werden die aus dem Pyrolysekoks abgeschiedenen Eisenbestandteile dem Hochofen über die normale Begichtung zugeführt und damit für die Roheisengewinnung genutzt. Die angefallene Leicht- und Buntmetallfraktion wird nach weiterer Separation anderen einschlägigen Hüttenwerken zur Verwertung gegeben.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird unter Einsatz eines Hochofens für 2000 t Roheisen pro Tag, der mit einem Pyrolysereaktor gekoppelt ist, die im umliegenden Landkreis anfallende Rest- und Gewerbemüllmenge von ca. 40 000 t/Jahr entsorgt und dabei praktisch vollständig verwertet. Über die Entlastung der Umwelt durch Wegfall der Deponie des Mülls hinaus ergibt sich ein wirtschaftlicher Vorteil für das Hüttenwerk insbesondere durch Einsparung von Koks und durch die im Vergleich mit dem Betrieb einer Deponie oder einer separaten Müllverbrennungsanlage deutlich verminderten Betriebskosten für Pyrolyse und Aufbereitung der Pyrolyseprodukte und für die Injektion in den Hochofen.

Claims (13)

1. Verfahren zur stofflichen und energetischen Verwertung von Rest- und Abfallstoffen sowie heizwertarmen Brennstoffen in einem Schachtofen, vorzugsweise in einem Kupol- oder Hochofen, dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Rest- und Abfallstoffe in einem Pyrolysereaktor durch Erhitzung auf Temperaturen zwischen 300 und 800°C thermisch vorbehandelt werden, wobei ein Pyrolysekoks und ein Pyrolysegas entstehen,
• - der Pyrolysekoks mindestens zu einem Teil mit an sich bekannten mechanischen Aufbereitungsverfahren in eine feinkörnige Form gebracht wird
• - und der in eine feinkörnige Form gebrachte Pyrolysekoks und das Pyrolysegas dem Schachtofen zugeführt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der in eine feinkörnige Form gebrachte Pyrolysekoks, gemeinsam mit dem Pyrolysegas, dem Schachtofen über die Windform zugeführt werden.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der in eine feinkörnige Form gebrachte Pyrolysekoks der Windform pneumatisch zugeführt wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, der der in eine feinkörnige Form gebrachte Pyrolysekoks als Öl-Staub-Suspension der Windform zugeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Pyrolysegas vor der Zuführung zum Schachtofen einer Abkühlung und Kondensation unterworfen und ein Kondensat abgetrennt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Kondensat vollständig oder teilweise dem Vergasungsreaktor zugeführt wird.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Kondensat eine ölige Phase gewonnen und zur Herstellung der Öl- Staub-Suspension herangezogen wird.

8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Kondensat in eine wäßrige und eine ölige Phase getrennt wird und die wäßrige Phase einer mechanischen, chemischen und/oder biologischen Aufbereitung unterworfen wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Pyrolysekoks durch an sich bekannte Klassierungsstufen grobe Bestandteile ausgehalten werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Pyrolysekoks durch an sich bekannte Separationsverfahren metallische Bestandteile abgetrennt werden.

11. Verfahren nach den Ansprüchen 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß die aus dem Pyrolysekoks abgetrennten groben Bestandteile und/oder metallischen Bestandteile dem Schachtofen über dessen Gicht aufgegeben werden.

12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil des in eine feinkörnige Form gebrachten Pyrolysekokses einer Agglomeration unterworfen wird und die Agglomerate dem Schachtofen über dessen Gicht aufgegeben werden.

13. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 12 dadurch gekennzeichnet, daß die zur Durchführung der Pyrolyse erforderliche Energie durch Verbrennung von Gicht aus dem Schachtofen gewonnen wird.