DE3808485A1 - Verfahren und vorrichtung zur bindung von halogenen an feststoffen bei der verbrennung von fossilen brennstoffen oder muell - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur bindung von halogenen an feststoffen bei der verbrennung von fossilen brennstoffen oder muell

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bindung von Halogenen an Feststoffen bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe oder Müll, bei dem den festen Brennstoffen oder dem Müll vor der Verbrennung basische Stoffe, insbesondere CaCO3 oder MgCO3, zugegeben werden mit folgenden Verfahrensschritten:
  • - Der Feuchtigkeitsgehalt der fossilen Brennstoffe oder des Mülls wird auf 15 bis 35 Gew.% eingestellt;
  • - die basischen Feststoffe werden den fossilen Brennstoffen oder dem Müll in möglichst gleichmäßiger Verteilung zugegeben, wobei das stöchiometrische Verhältnis von basischen Feststoffen zu Halogenen kleiner als 5 : 1 ist;
  • - nach Zugabe der basischen Feststoffe verweilen die fossilen Brennstoffe oder der Müll in einem weitgehend abgeschlossenen Behälter, so daß sich ein Wasserdampf-Sättigungszustand ein­ stellt;
  • - anschließend wird die Mischung mit einer Feuerbett-Temperatur verbrannt, die unterhalb der thermischen Dissoziationstemperatur der aus den basischen Feststoffen und den Halogenen entstehenden Verbindungen liegt,
gemäß Patent P 37 17 191.
Es ist bekannt, dem Entstehen von Säuregasen bei der Verbrennung von Müll oder fossilen Brennstoffen durch die Zugabe von basischen Feststoffen entgegenzuwirken. So ist es bekannt, dem trockenen Müll basische Feststoffe in Form von Calciumcarbonat (CaCO3) oder Magnesiumkarbonat (MgCO3) zuzumischen und die Mischung zu brikettieren. Die Briketts werden anschließend mit relativ hohen Temperaturen verbrannt.
Ferner ist es bekannt, in den Verbrennungsraum basische Fest­ stoffe pulverisiert einzublasen (Wirbelschichtfeuerung). In beiden Fällen hat die Zugabe der basischen Feststoffe den Sinn, die bei der Verbrennung entstehenden Säuren zu neutralisieren. Ein Teil der chemisch durch die basischen Feststoffe umgewandel­ ten Halogene findet sich in der Schlacke nach dem Verbrennungs­ vorgang in ungefährlicher Form.
Die mit den bekannten Verfahren erzielten Ergebnisse führen nur zu einer relativ geringen Verminderung des Ausstoßes von Säuregasen, so daß regelmäßig eine anschließende Rauchgasreini­ gung erforderlich ist, wenn man nicht die Säuregase in die Atmosphäre ablassen will.
Das Verfahren gemäß dem Hauptpatent zielt darauf ab, bereits vor dem Feuerbett eine praktisch hundertprozentige Umwandlung der Salzbildner in unschädliche Verbindungen zu erhalten, die eine hohe thermische Festigkeit, also eine hohe thermische Dissoziationstemperatur, aufweisen. Dadurch ist es möglich, die neuen Verbindungen praktisch vollständig in der Schlacke zurückzu­ behalten, wenn die Verbrennungstemperatur so eingestellt wird, daß die Feuerbett-Temperatur unterhalb dieser Dissoziations­ temperatur liegt. Für übliche, im Müll enthaltene Halogene liegt bei der Verwendung von Calciumcarbonat oder Magnesiumcarbonat die thermische Dissoziationstemperatur bei 850°C oder höher, so daß ohne vorherige Prüfung des Mülls vorzugsweise eine Feuer­ bett-Temperatur unterhalb von 850°C vorzugsweise unterhalb von 810°C eingestellt wird. Die für die Müllverbrennung wirksame Temperatur im Feuerraum liegt dabei u. U. wesentlich höher, so daß eine wirksame Müllverbrennung auch bei Einstellung der Feuerbett-Temperatur unterhalb von 850°C erreicht wird.
Das stöchiometrische Verhältnis zwischen den basischen Stoffen und den Halogenen liegt vorzugsweise unter 4,2 : 1, insbeson­ dere bei etwa 2 : 1. Allerdings ist das stöchiometrische Verhältnis abhängig von der Art der Zugabe der basischen Stoffe, also von der erreichten feinen Verteilung der basischen Stoffe innerhalb der fossilen Brennstoffe, des Mülls o. dgl. Eine sehr feine Verteilung, also innige Vermischung von basischen Stoffen mit den fossilen Brennstoffen, dem Müll o. dgl., wird erreicht, wenn die basischen Stoffe beispielsweise aufgedüst werden.
Durch die Einstellung des Feuchtigkeitsgehalts der fossilen Brennstoffe, des Mülls, wobei sich der angegebene Feuchtigkeits­ gehalt nicht auf kristallin oder chemisch gebundenes Wasser bezieht, und durch die Einstellung eines Wasserdampf-Sätti­ gungszustandes während der Verweilzeit wird erreicht, daß die basischen Stoffe praktisch vollständig mit den Halogenen in den fossilen Brennstoffen oder im Müll reagieren können. Da die Reaktionen exothermisch ablaufen, entsteht dabei eine erhebliche Erhitzung. Dadurch kommt es zu einer starken Verdampfung, die zur Trocknung der fossilen Brennstoffe, des Mülls o. dgl. führen, so daß dieser auf dem Feuerbett gut verbrannt werden kann.
Vorzugsweise beträgt die Verweilzeit in dem geschlossenen Behälter zwischen Zugabe der Feststoffe und Feuerbett mindestens 10, vorzugsweise mindestens 20 Minuten. In einem kontinuierlich ablaufenden Verfahren kann sich die Verweilzeit vorteilhaft aus dem Transport der fossilen Brennstoffe, des Mülls o. dgl. von der Aufgabestation für die basischen Stoffe zum Feuerbett ergeben.
Die bei der Zugabe von Calciumcarbonat oder Magnesiumcarbonat mit den Halogenen gebildeten Verbindungen sind beispielsweise CaCl2, CaSO4, Ca(NO3) 2 bzw. MgCl2, MgSO4 und Mg(NO3)2. Diese Stoffe weisen die hohen thermischen Dissoziationstemperaturen auf, die bei Einhaltung einer Feuerbett-Temperatur unterhalb von 850°C nicht erreicht werden, so daß diese Stoffe in der Schlacke verbleiben und diese Schlacke unbedenklich als Bau­ stoff, z. B. für den Straßenbau, eingesetzt werden kann.
Die vorliegende Anmeldung betrifft Weiterentwicklungen des Verfahrens gemäß dem Hauptpatent.
Danach können die basischen Stoffe vorzugsweise als Suspension oder Lösung von basischen Feststoffen zugegeben werden. Dabei wird der Feuchtigkeitsgehalt der fossilen Brennstoffe, des Mülls o. dgl. vorzugsweise auf 25 Vol.-% eingestellt.
Wenn die basischen Stoffe in einer vor dem Feuerbett angeordne­ ten Zugabestation zugegeben werden, die von einer seitlichen Wand mit einer großen Wäremabstrahlfläche begrenzt wird, die von den Verbrennungsgasen des Feuerbetts aufgeheizt wird, läßt sich eine vorteilhafte Temperatur für die vor der Verbrennung auf dem Feuerbett angestrebte Umsetzung der Salzbildner in unschädliche Feststoffe mit hohen Dissoziationstemperaturen einstellen, ohne daß hierfür zusätzliche Aufheizungen vorgenommen werden müßten. Die in der Zugabestation eingestellte Temperatur beträgt dabei 180°-350°C, vorzugsweise 300°C.
Eine gute Regulierung der niedrigen Feuerbettemperatur läßt sich dadurch erreichen, daß oberhalb des Feuerbettes ein Unterdruck durch Gasabsaugung hergestellt wird. Der Unterdruck kann vorzugsweise 0,3 mbar betragen, wobei die Strömungsgeschwindig­ keit im Verbrennungsraum < 3 m/s ist.
Durch die erfindungsgemäße Zugabe der basischen Stoffe und die Einhaltung einer niedrigen Feuerbettemperatur wird das Auftreten von anorganischen Säuregasen in der beschriebenen Weise vermin­ dert. Bei der Verbrennung von fossilen Brennstoffen oder von Müll o. ä. entstehen jedoch regelmäßig auch Kohlenwasserstoffe. Es ist bekannt, die Verunreinigung der Luft mit Kohlenwasserstoffen durch eine Nachverbrennung der Rauchgase zu verringern bzw. zu vermeiden. Hierzu werden mit einem zusätzlichen Brenner die die Kohlenwasserstoffe enthaltenden Rauchgase auf Temperaturen von über 1000°C aufgeheizt, und zwar über eine so lange Strecke, daß sich die Kohlenwasserstoffe - und evtl. gebildetes Kohlenmonoxid - zu Kohlendioxid umgewandelt werden. Eine derartige Nachverbren­ nungsstrecke ist sehr aufwendig und hat einen hohen Energieverbrauch.
Erfindungsgemäß können in einer gemeinsamen Vorrichtung auch die Kohlenwasserstoffe unschädlich gemacht werden, in dem oberhalb des Feuerbetts eine das Verbrennungsgas aufnehmende Nachreaktionskam­ mer angeordnet ist, deren Wände so ausgebildet sind, daß nur Wärmeverluste auftreten. Die Wände sind dabei aus einem infrarot strahlenden Material, vorzusweise aus Keramik gebildet, wobei SiC- Verbindungen besondere Vorteile bieten. Die Verbrennungsgase be­ wirken dabei automatisch, daß in der Nachreaktionskammer eine Temperatur von über 900°C, insbesondere eine Temperatur zwischen 1050°C-1250°C auftritt. Durch Umwegleitungen kann die Strah­ lungsintensität der Infrarotstrahlung für die Verbrennungsgase in der Nachreaktionskammer so intensiviert werden, daß unter der Einwirkung der Infrarotstrahlung die Kohlenwasserstoffmoleküle zu CO2 und HO2 bzw. CO2 und NO2 dissoziieren, wenn die Einwirkungs­ zeit der Infrarotstrahlung mehr als 0,1 s beträgt. In der Nach­ reaktionskammer werden im übrigen auch Schwefeloxid- und Stick­ oxidgase so aufbereitet, daß sie als Schwefelsäuregase und Sal­ petersäuregase in einen Kondensator geführt werden können, wo sie der Abluft als Säurekondensat entzogen werden, wie dies beispielsweise in der DE-Patentschrift 33 29 823 beschrieben ist.
Für die Einhaltung einer gleichmäßigen hohen Temperatur in der Nachverbrennungskammer ist die bereits erwähnte Absaugung der Verbrennungsgase vorteilhaft, wenn eine Frischluftzufuhr, ggf. gedrosselt, unterhalb des Feuerbettes angeordnet ist. Dadurch wird erreicht, daß oberhalb des Feuerbettes im Bereich der Verbrennungsgase durch Sekundärluft kein Temperaturabfall erfolgt, wie dies bei bisherigen Sekundärluftzufuhren oberhalb des Feuer­ bettes zur Erhöhung der Feuerbettemperatur der Fall war. Die Nachreaktion wird durch die Sekundärluftzufuhr demzufolge nicht gestört.
Durch die einstellbare Absaugung der Verbrennungsgase läßt sich die Feuerbettemperatur auf dem gewünschten niedrigen Wert halten. Darüber hinaus läßt sich verhindern, daß zuviel Verbrennungsluft durch das Feuerbett gesaugt wird, die für die Verbrennung nicht benötigt wird und daher die Temperatur oberhalb des Feuerbettes erniedrigen könnte. Ein Maß für die richtige Verbrennung, insbesondere auch im Unterlastfall, ist die Einhaltung eines Gehalts an freiem Sauerstoff in der Nachreaktionskammer von 3 Vol.-% oder niedriger. Es ist daher zweckmäßig, den Gehalt von freiem Sauerstoff in der Nachreaktionskammer zu messen und entsprechend die Absaugung zu regeln.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist schematisch in der Zeichnung dargestellt.
In einem weitgehend geschlossenem Gehäuse 1 befindet sich ein Zuführband 2, daß sich in horizontaler Richtung hin- und her­ bewegt, wie dies der Doppelpfeil A andeutet. Das Zuführband 2 weist auf seiner Oberseite Mitnehmerkeile 3 auf, die in Trans­ portrichtung schräg ansteigen und dann sägezahnförmig steil ab­ fallen und dadurch eine steile Kante 4 bilden. Die steile Kante 4 schiebt bei der Vorbewegung des Transportbandes 2 über die Schräge geglittene Brennstoffe in Transportrichtung, so daß auf diese Weise ein Transport in der Zeichnung nach rechts erfolgt, obwohl das Transportband 2 sich ledglich hin- und herbewegt.
Die Aufgabe der fossilen Brennstoffe erfolgt von der Oberseite des Gehäuses 1 über eine Dossiereinrichtung 5, beispielsweise eine Dosierschnecke oder eine Zellenradschleuse. Am Ende des Transportbandes 2 fallen die fossilen Brennstoffe über eine Stufe 6 auf eine tiefer liegende Ebene, auf der sich ein Feuerrost 7 befindet. Mit der Bewegung des Transportbandes 2 ist ein Schieber 8 gekoppelt, der die fossilen Brennstoffe auf dem Feuerrost 7 in der Zeichnung nach rechts weiterschiebt, wo sie das Feuerbett bilden. Unterhalb des Feuerrostes 7 befindet sich ein Aschekasten 9, dessen Wand eine Öffnung für eine Frischluftzufuhr 10 aufweist. In der Frischluftzufuhr befindet sich eine Drosselklappe 11, mit der der Frischluftstrom regelbar ist. Vor dem Feuerrost 7 befindet sich in der Oberseite des Gehäuses 1 eine Zugabestation 12 für eine Lösung oder eine Suspension basischer Feststoffe. Die Zugabestation 12 weist eine Tropfdüse 13 auf, mit der die Zugabe der basischen Stoffe dosierbar ist.
Oberhalb des Feuerrostes 7 befindet sich eine Nachreaktions­ kammer 14, die die Verbrennungsgase aufnimmt. Die Nachreaktions­ kammer 14 weist keramische Seitenwände 15 und eine keramisch Zwischenwand 16 auf, die so angeordnet ist, daß sich eine ver­ tikale Steigleitung 17 und eine vertikale Gegenstromleitung 18 bildet, die in einen Ausgang 19 der Nachreaktionskammer 14. An den Ausgang 19 schließt sich ein separater (nicht dargestellter) Wärmetauscher herkömmlicher Bauart an.
Die zur Aufgabestation 12 zeigende keramische Außenwand 15′ weist eine große Wärmeabstrahlfläche auf. Die von ihr abgestrahlte Wärme wird von einem wärmeleitenden Blech 20 aufgenommen, daß sich von unterhalb des Transportbandes 2 schräg vom Feuerrost 7 wegzeigend nach oben erstreckt und unmittelbar neben der Aufgabestation 12 angeordnet ist. Das wärmeleitende Blech erhitzt sich durch die von der keramischen Außenwand 15′ abgegebenen Wärmestrahlung auf eine Temperatur, die für eine ausreichende Reaktionstemperatur im Bereich der Aufgabestation 12 sorgt. Vorzugsweise stellen sich hier etwa 300°C ein, die die Umwandlung der Halogene mit den zugegebenen basischen Stoffen zu ungefährlichen Reaktionsprodukten mit hohen Dissoziations­ temperaturen begünstigt.
Die etwas unterhalb der Tropfdüse 13 liegende obere Kante des Bleches 20 wird mit einem zur Außenwand 15′ schräg geneigten Blechstück 21 fortgesetzt. Das Blechstück 21 weist Öffnungen für Kondensatflüssigkeit auf, durch die die im oberen Bereich des Gehäuses 1 abgekühlte Kondensatflüssigkeit zwischen Blech 20 und Außenwand 15′ der Nachreaktionskammer 14 gerät und durch eine Öffnung in einem keramischen Boden 22 zwischen Blech 20 und Außenwand 15′ auf den Feuerrost 7 tropfen kann, so daß ein Kreislauf gebildet wird.
Die dargestellte Ausbildung der Nachreaktionskammer 14 sorgt bei Einhaltung einer niedrigen Strömungsgeschwindigkeit für die Ver­ brennungsgase durch die geeignete Einstellung der Absaugung für eine ausreichende Verweilzeit der Verbrennungsgase in einem Hochtemperaturbereich. Dadurch werden die Verbrennungsgase in der gewünschten Weise umgesetzt.

Claims (27)

1. Verfahren zur Bindung von Halogenen an Feststoffen bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe oder Müll, bei dem den festen Brennstoffen oder dem Müll vor der Verbrennung basische Stoffe, insbesondere CaCO3 oder MgCO3, zugegeben werden mit folgenden Verfahrensschritten:
  • - Der Feuchtigkeitsgehalt der fossilen Brennstoffe oder des Mülls wird auf 15 bis 35 Gew.-% eingestellt;
  • - die basischen Feststoffe werden den fossilen Brennstof­ fen oder dem Müll in möglichst gleichmäßiger Verteilung zugegeben, wobei das stöchiometrische Verhältnis von basischen Feststoffen zu Halogenen kleiner als 5 : 1 ist;
  • - nach Zugabe der basischen Feststoffe verweilen die fossilen Brennstoffe oder der Müll in einem weitgehend abgeschlossenen Behälter, so daß sich ein Wasserdampf- Sättigungszustand einstellt;
  • - anschließend wird die Mischung mit einer Feuerbett- Temperatur verbrannt, die unterhalb der thermischen Dissoziationstemperatur der aus den basischen Feststof­ fen und den Halogenen entstehenden Verbindungen liegt,
gemäß Patent P 37 17 191, dadurch gekennzeichnet, daß die basischen Stoffe als Suspension oder Lösung von basischen Feststoffen zugegeben werden.
2. Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Feuchtigkeitsgehalt der fossilen Brennstoffe oder des Mülls auf 25 Vol.-% eingestellt wird.
3. Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß die basischen Stoffe in einer vor dem Feuerbett angeordneten Zugabestation zugegeben werden, die von einer seitlichen Wand mit einer großen Wärmeabstrahl­ fläche begrenzt wird, die von den Verbrennungsgasen des Feuerbetts aufgeheizt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Zugabestation eine Temperatur von 180°C-350°C eingestellt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der Zugabestation eine Temperatur von 300°C eingestellt wird.
6. Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb des Feuerbetts ein Unterdruck durch Gasabsaugung hergestellt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Unterdruck von 0,3 mbar eingestellt wird.
8. Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 oder nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb des Feuerbetts eine das Verbrennungsgas aufnehmende Nachreaktionskammer angeordnet ist, deren Wände so ausge­ bildet sind, daß nur geringe Wärmeverluste auftreten.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit der Verbrennungsgase in der Nachreaktion­ kammer kleiner 3 m/s gehalten wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Wände der Nachreaktionskammer aus einem infrarot abstrah­ lenden Material gebildet sind.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbrennungsgas in der Nachreaktionskammer mit Hilfe des Materials der Wände mehrfach umgelenkt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur in der Nachreaktionskammer auf größer 900°C eingestellt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturen der Nachreaktionskammer auf 1050°C-1250°C eingestellt wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Gehalt an freiem Sauerstoff in der Nach­ reaktionskammer auf 3 Vol.% eingestellt wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 14, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Einstellung der Verbrennungsparameter durch Regelung des Unterdruckes bzw. der Strömungsgeschwindigkeit der abgesaugten Verbrennungsgase erfolgt.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sich an den Ausgang der Nachreaktionskammer ein Wärmetauscher anschließt.
17. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 16, gekennzeichnet durch
  • - eine Zuführungseinrichtung für die Brennstoffe zu einem Feuerbett,
  • - eine vor dem Feuerbett angeordnete Zugabestation für basische Stoffe,
  • - ein die Zugabestation und das Feuerbett umgebendes, zu­ mindest weitgehend dichtes Gehäuse und
  • - eine regelbare Absaugvorrichtung für die vom Feuerbett aufsteigenden Verbrennungsgase.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch eine unterhalb des Feuerbetts angeordnete Frischluftzufuhr.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, gekennzeichnet durch eine in die Frischluftzufuhr eingesetzte Drossel.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 19, gekennzeich­ net durch eine oberhalb des Feuerbetts angeordnete Nach­ reaktionskammer aus keramischen Wänden.
21. Vorrichtung nach Anspruch 20, gekennzeichnet durch eine Lei­ tungsführung in der Nachreaktionskammer mit einer vertikalen Steigleitung und wenigstens einer vertikalen Gegenstromlei­ tung, die jeweils durch keramische Wände begrenzt sind.
22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß die keramischen Wände aus SiC- Verbindungen bestehen.
23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 22, gekenn­ zeichnet durch einen separaten, an den Ausgang der Nach­ reaktionskammer angeschlossenen Wärmetauscher.
24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß nahe der Zugabestation ein vom Feuerbett schräg wegzeigendes wärmeleitendes Blech angeordnet ist, das von einer keramischen Außenwand der Nachreaktionskammer ab­ gestrahlte Wärme aufnimmt.
25. Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß sich an die Oberkante des Bleches ein schräg zur Nachreak­ tionskammer zeigendes, Öffnungen für den Durchtritt von Kondensationsflüssigkeit aufweisendes Blechstück an­ schließt und daß zwischen der Unterseite des Bleches und der Außenwand der Nachreaktionskammer ein Boden angeordnet ist, der eine über der Rostaufgabe liegende Austrittsöffnung für die Kondensatflüssigkeit aufweist.
26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugabestation eine Tropfdüse für die Suspension oder Lösung der basischen Stoffe aufweist.
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