DE3815187A1 - Temperaturgeregelte anlage zur thermischen abfallentsorgung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anlage zur thermischen Abfallentsorgung

• a) mit einem Pyrolysereaktor, der aufgegebenen Abfall in Schwelgas und Pyrolysereststoff umsetzt,
• b) mit einer Brennkammer, der das Schwelgas und der Pyrolyse­ reststoff nach geeigneter Aufbereitung zugeführt sind,
• c) mit einem Wärmetauscher, der in die Wand der Brennkammer integriert ist, und
• d) mit einem Heizkreislauf für ein Heizgas, wie z.B. Luft, für den Pyrolysereaktor, der vom Pyrolysereaktor über den Wärmetau­ scher zurück zum Pyrolysereaktor führt.

Eine solche Anlage zur thermischen Abfallentsorgung ist in der älteren, nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung P 38 04 853.1 beschrieben. Bei der dort vorgeschlagenen Anlage ist ein Wärmetauscher in die Nachbrennkammer integriert, bei dem das dort erwärmte Heizgas zum Heizen der Schwelvorrichtung (Pyrolysereaktor) ausgenutzt wird.

Es wird im vorliegenden bevorzugt eine Anlage betrachtet, aus deren Brennkammer (oder Nachbrennkammer) eine schmelzflüssige Schlacke abgezogen werden kann, die bei Abkühlung zu einer glasartigen, leicht deponierbaren Substanz erstarrt.

Es hat sich gezeigt, daß im Betrieb beim Eintritt des Schwel­ gases und des Pyrolysereststoffes in die Brennkammer keine konstanten Verhältnisse herrschen. In Abhängigkeit von der Zusammensetzung des dem Pyrolysereaktor zugeführten Abfalls schwankt die Schwelgas-Feuchte und damit der Heizwert des Schwelgases, aber auch der des Pyrolysereststoffes. Das bedeutet, daß das Energieangebot in der Brennkammer Schwan­ kungen unterworfen ist. Gleichzeitig variiert der Energiebedarf im Pyrolysereaktor. Mit anderen Worten, das Wärmeangebot in der Brennkammer und der Energiebedarf im Pyrolysereaktor sind von Art und Beschaffenheit des Abfalls abhängig. Liegt beispiels­ weise ein heizwertreicher Abfall mit geringer Feuchte vor, so steigt das Energieangebot in der Brennkammer, und im Pyrolyse­ reaktor sinkt der Energiebedarf, der zum Verschwelen des Ab­ falls benötigt wird. Liegt andererseits ein heizwertarmer und feuchter Abfall vor, so sinkt das Energieangebot in der Brenn­ kammer, und der Energiebedarf im Pyrolysereaktor steigt an.

Die Erfindung basiert auf der praktischen Erfahrung, daß weit­ gehend konstante Betriebsparameter in dem Pyrolysereaktor und in der Brennkammer eingestellt oder gehalten werden sollten. Im einen Extremfall kann ein schwankendes Abfall-Heizwert-Angebot zu einer Überhitzung der Wärmetauscher-Wand und im anderen Extremfall zur Bildung eines "eingefrorenen" Niederschlags der schmelzflüssigen Schlacke an der Wärmetauscher-Wand führen. Die Wärmetauscher-Wand sollte also nach Möglichkeit abfallun­ abhängig stets etwa gleiche Temperaturverhältnisse aufweisen; zumindest sollte die Verbrennung dort bei Temperaturen in einem vorgegebenen Temperaturbereich vonstatten gehen.

Man sollte auch bestrebt sein, unabhängig von der Zusammensetzung des Abfalls konstante Temperaturbedingungen sowohl am Heizgas- Eintritt als auch am Heizgas-Austritt des Pyrolysereaktors zu schaffen. Diese Randbedingung sollte ebenfalls bei einem optima­ len Betrieb einer Anlage zur thermischen Abfallentsorgung ein­ gehalten werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Anlage zur thermischen Abfallentsorgung der eingangs genannten Art dafür Sorge zu tragen, daß sowohl eine Überhitzung der Wärmetauscher- Wand im Falle eines heizwertreichen, trockenen Abfalls ver­ mieden als auch ein Erstarren der schmelzflüssigen Schlacke an der Wärmetauscher-Wand im Falle eines heizwertarmen, feuch­ ten Abfalls verhindert wird. Unabhängig von der Abfall- Zusammensetzung im Pyrolysereaktor soll die benötigte Schwel­ energie bereitgestellt werden, und zwar bei konstanter Heizgas- Eintritts- und Austrittstemperatur.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in den Heizkreislauf ein Zusatz-Wärmetauscher eingeschlossen ist, der überschüssige Wärmeenergie aus dem Heizkreislauf abführt.

Hierbei kann der Zusatz-Wärmetauscher als eine Art elastisches (thermisches) Bindeglied oder als Puffer zwischen dem Energie- Erzeuger Brennkammer und dem Energie-Verbraucher Pyrolyse­ reaktor betrachtet werden.

Die vom Zusatz-Wärmetauscher abgegebene Wärmeenergie kann als Nutzenergie einem Verbraucher zugeführt werden. Bei­ spielsweise kann damit Wasserdampf erzeugt oder eine Wasser­ vorwärmung vorgenommen werden.

Eine bevorzugte Weiterbildung zeichnet sich durch einen Temperatur-Regelkreis aus, der in Abhängigkeit von der Rauch­ gastemperatur in der Brennkammer und dem Energiebedarf in dem Pyrolysereaktor die Abfuhr der Wärmeenergie aus dem Heizkreis­ lauf regelt.

Durch die Anwendung des Zusatz-Wärmetauschers ist - wie bereits erwähnt - eine flexible und geregelte, d.h. thermo­ dynamisch elastische Verbindung zwischen dem Energie-Lieferan­ ten Brennkammer und dem Energie-Verbraucher Pyrolysereaktor geschaffen. Dabei ist darauf geachtet, daß die Brennkammer im Bereich der vorgeschriebenen Betriebstemperaturen gefahren wird. Dasselbe gilt für den Pyrolysereaktor, dessen Heizgas- Eintrittstemperatur und dessen Heizgas-Austrittstemperatur auf vorgegebenen optimalen Werten gehalten werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand einer Figur näher erläutert.

Nach der Figur wird Abfall 2 über eine (nicht gezeigte) Eintrags-Schnecke einem Pyrolysereaktor 4 zugeführt. Dieser Pyrolysereaktor 4 ist im vorliegenden Fall bevorzugt als Pyro­ lyse-Trommel ausgebildet. Mit einer endseitig angeschlossenen Austragsvorrichtung 6 wird einerseits ein Schwelgas g und andererseits ein Pyrolysereststoff r aus dem Pyrolysereaktor 4 ausgetragen. Der Reststoff r wird nach geeigneter Behandlung, beispielsweise Abtrennung gewisser Komponenten und Zermahlen, was nicht näher dargestellt ist, ebenso wie das Schwelgas g einer Haupt-Brennkammer 8 zugeführt. Hier findet eine Ver­ brennung statt, wobei eine Temperatur von 1200°C und mehr und eine Verweilzeit der Gase von 1 bis 5 sec erreicht werden. Am Ende der Haupt-Brennkammer 8 ist eine Nachbrennkammer 8 a ange­ ordnet. Beide Kammern 8, 8 a, die gemeinsam eine einzige Brenn­ kammer darstellen können, die z. B. U-förmig gekrümmt ist, sind mit einem Abzug 10 zum Austragen schmelzflüssiger Schlacke ver­ sehen, welche beim Abkühlen glasartig erstarrt. Am eingangssei­ tigen Teil weist die Nachbrennkammer 8 a einen hier zylindri­ schen Wärmetauscher 12 auf, der in ihre Wand integriert ist. Die von der Nachbrennkammer 8 a abgegebenen Rauchgase werden in einem Abhitze-Kessel 14 auf die Eintrittstemperatur einer nach­ geschalteten Rauchgas-Reinigungsanlage 16 abgekühlt. Die fühl­ bare Wärme des Rauchgases wird im Abhitze-Kessel 14 beispiels­ weise in Dampf umgesetzt, der als Prozeßdampf oder zur Energie­ versorgung über ein Kraftwerk genutzt wird. Das gereinigte Rauchgas wird über einen Kamin 18 an die Umgebung abgegeben. Der Wärmetauscher 12 könnte auch in die Wand der Haupt-Brenn­ kammer 8 integriert sein.

Es ist zur Beheizung des Pyrolysereaktors 4 und damit zur Bereitstellung der Schwelwärme ein geschlossener Heizgas- Kreislauf vorgesehen. Dieser führt vom Wärmetauscher 12 über eine Leitung 20, einen Zusatz-Wärmetauscher 22 und eine Leitung 24 in das Heizgas-Eintrittsgehäuse 4 E des Pyrolysereaktors 4. Von dessen Heizgas-Austrittsgehäuse 4 A führt er über ein Ge­ bläse 28, eine Leitung 26, gegebenenfalls ein Grundeinstellungs­ ventil 27 und eine Leitung 29 in den Wärmetauscher 12 zurück. In diesem Kreislauf 20-29 wird ein Heizgas h, z.B. Luft, ge­ fördert. Dieses hat eine Temperatur von beispielsweise 750°C; die Temperatur schwankt in Abhängigkeit von der Zusammensetzung und Feuchte des Abfalls.

Zwischen der Leitung 26 und der Leitung 24 ist ein Bypass 30 angeordnet, der ein steuerbares Ventil 32 enthält. Dieses Ventil 32 ist Bestandteil eines ersten Temperatur-Regelkreises, der die Eintrittstemperatur T _E des Heizgases h beim Eintritt in den Pyrolysereaktor 4 auf einen vorgegebenen, insbesondere konstanten Sollwert T _E* regelt. Hierzu ist ein Regler 34 vorgesehen, dem von einem Temperaturmeßfühler 36 der Istwert der Eintrittstemperatur T _E im Eintrittsgehäuse 4 E und von einem (nicht gezeigten) Sollwertgeber der Temperatur-Sollwert T _E* vorgegeben wird. In diesem Regelkreis wird die Eintritts- Temperatur T _E beispielsweise auf einen konstanten Wert von T _E = 650°C geregelt. Die Temperaturregelung erfolgt dabei durch mehr oder minder starkes Zumischen von abgekühltem Heizgas h der Temperatur T _A , z.B. mit T _A =250°C, aus dem Heizgas-Aus­ trittsgehäuse 4 A des Pyrolysereaktors 4 über das Ventil 32 und die Leitung 30.

Es hat sich gezeigt, daß bei Pyrolysetrommeln 4 eine Eintritts­ temperatur T _E von etwa 650°C für eine durchschnittliche Verschwelungstemperatur von 450 bis 500°C ausreicht. Bei dieser Verschwelungstemperatur können kostengünstige Materia­ lien im Reaktor 4 verwendet werden. T _E und T _A kennzeichnen den Energiebedarf des Pyrolysereaktors 4.

Die Ausgangstemperatur T _A des Heizgases h am Austritt des Pyrolysereaktors 4 soll einen vorgegebenen Wert, beispielsweise T _A =250°C, nicht unterschreiten. Um dieses zu gewährleisten, ist ein zweiter Regelkreis vorgesehen. Zu diesem Regelkreis gehört ein Temperaturfühler 38, der im Heizgas-Austrittsgehäuse 4 A die Ausgangstemperatur T _A erfaßt. Dieser Temperatur-Istwert T _A wird auf einen Regler 40 gegeben, dem von einem (nicht gezeigten) Sollwert-Geber ein vorgegebener, insbesondere kon­ stanter Temperatur-Sollwert T _A vorgegeben wird. Der Regler 40 ist ausgangsseitig mit dem Stellorgan 42 eines Regelventils 44 verbunden. Dieses Regelventil 44 sitzt im Sekundärkreislauf 45 des Zusatz-Wärmetauschers 22. Es dient dazu, den Strom im Se­ kundärkreislauf 45 und damit die aus dem Heizkreislauf 20-28 abgeführte Wärmeenergie zu steuern. Der Zusatz-Wärmetauscher 22 ist somit regelbar.

Schließlich ist auch ein dritter Temperatur-Regelkreis vorge­ sehen. Auf das Stellorgan 42 ist nämlich zusätzlich der Ausgang eines weiteren Reglers 46 aufgeschaltet. Dieser Regler 46 ist ebenfalls ein Temperatur-Regler. Er ist über einen Temperatur- Sensor 48 mit dem Istwert T _K des Rauchgases in der Nachbrenn­ kammer 8 a beaufschlagt. Ihm ist weiterhin von einem (nicht gezeigten) Sollwertgeber ein Sollwert T _K vorgegeben, der ins­ besondere einen konstanten Wert besitzt.

Die vom Zusatz-Wärmetauscher 22 abgegebene Energie, symboli­ siert durch einen Pfeil 50, wird einem (nicht gezeigten) Verbraucher als Nutzenergie zugeführt. Beispielsweise kann damit Wasserdampf erzeugt werden. Die Energie 50 kann auch zur Wasservorwärmung dienen.

Mit Hilfe des Zusatz-Wärmetauschers 22 wird die Temperatur T _K in der Nachbrennkammer 8 a und damit auch die Wandtemperatur des Wärmetauschers 12 durch Abzug überschüssiger Energie auf opti­ male Verhältnisse geregelt. Dies soll im folgenden näher aus­ geführt werden.

Der Regler 46 steuert das Stellorgan 42 dergestalt, daß bei plötzlich erhöhtem Energieangebot in der Nachbrennkammer 8 a, d.h. bei erhöhter Temperatur T _K , das Regelventil 44 aufgemacht wird. Damit wird über den Zusatz-Wärmetauscher 22 relativ viel Energie aus dem Heizgas-Kreislauf 20-29 entnommen. Dies hat zur Folge, daß die Temperatur T _e am Ausgang des Zusatz-Wärmetauschers 22 sinkt. Damit sinkt auch die Temperatur T _E am Eingang des Heizgas-Eintrittsgehäuses 4 E des Pyrolyse­ reaktors 4. Der Regler 34 versucht, die Temperatur T _E beizube­ halten. Infolge der Funktion des Reglers 34 wird also das Ventil 32 etwas geschlossen, so daß weniger (relativ kühles) Heizgas h der Temperatur T _A über die Bypass-Leitung 30 in den Heizgas-Vorlauf (Leitung 24) beigemischt wird. Damit wird die vorgegebene Temperatur T _E von beispielsweise 650°C wieder erreicht. Damit strömt weniger Heizgas h von der Leitung 24 durch den Pyrolysereaktor 4 in dessen Heizgas-Austrittsgehäuse 4 A.

Es stellen sich so bei erhöhtem Energieangebot durch den Abfall nach einiger Zeit wegen erhöhter Wärmeabfuhr durch den Zusatz- Wärmetauscher 22 wieder stabile Verhältnisse ein.

Sinkt nun z.B. die Temperatur T _A im Heizgas-Austrittsgehäuse 4 A unter den vorgegebenen Sollwert T _A , so tritt der Regler 40 in Funktion. Sein Ausgangssignal führt dazu, daß über das Stell­ organ 42 das Regelventil 44 etwas geschlossen wird. Damit wird aus dem Zusatz-Wärmetauscher 22 weniger Energie abgeführt, so daß mehr Heizgas-Energie über die Leitung 24 dem Pyrolyse­ reaktor 4 zugeführt wird. Die Temperatur T _e steigt an, und durch Zumischen von Heizgas h über den Bypass 30 wird die Ein­ trittstemperatur T _E wieder abgesenkt auf z.B. 650°C. Die die Kammern 4 E und 4 A durchfließende Heizgasmenge steigt an. Damit steigt auch die Austritts-Temperatur T _A wieder, so daß sich auch in diesem Fall stabile Verhältnisse einstellen.

Die funktionell voneinander abhängigen Regelkreise sorgen also dafür, daß der Pyrolysereaktor 4 über das Heizgas h ein dem aktuellen Bedarf entsprechendes Wärmeenergie-Angebot erhält, während die Temperaturbedingungen in der Nachbrennkammer 8 a konstant gehalten werden. Damit können Verschleiß und Korrosion in der Brennkammer 8 auf ein Mindestmaß beschränkt werden.

Claims (8)

1. Anlage zur thermischen Abfallentsorgung

• a) mit einem Pyrolysereaktor (4), der aufgegebenen Abfall (2) in Schwelgas (g) und Pyrolysereststoff (r) umsetzt,
• b) mit einer Brennkammer (8, 8 a), der das Schwelgas (g) und der Pyrolysereststoff (r) nach geeigneter Aufbereitung zugeführt sind,
• c) mit einem Wärmetauscher (12), der in die Wand der Brennkammer (8, 8 a) integriert ist,
• d) mit einem Heizkreislauf (20, 24, 26, 28, 29) für ein Heizgas (h), z.B. Luft, für den Pyrolysereaktor (4), der vom Pyrolyse­ reaktor (4) über den Wärmetauscher (12) zurück zum Pyrolysereak­ tor (4) führt,

dadurch gekennzeichnet, daß in den Heizkreislauf (20, 24, 26, 28, 29) ein Zusatz-Wärmetauscher (22) eingeschlossen ist, der überschüssige Wärmeenergie aus dem Heizkreislauf (20, 24, 26, 28, 29) abführt.

2. Anlage nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen dem Zusatz-Wärmetauscher (22) zugeordneten Rauchgas-Temperatur-Regelkreis (46), der in Abhängigkeit von der Rauchgastemperatur (T _K ) in der Brennkammer (8) die Abfuhr der Wärmeenergie (50) aus dem Heizkreislauf (20, 24, 26, 28, 29) regelt.

3. Anlage nach Anspruch 1 und/oder 2, gekennzeichnet durch einen dem Zusatz-Wärmetauscher (22) zugeordneten Pyrolyse- Energie-Regelkreis (34, 40, 42, 44), der in Abhängigkeit von dem Energiebedarf (T _E , T _A ) im Pyrolysereaktor (4) die Abfuhr der Wärmeenergie (50) aus dem Heizkreislauf (20-29) regelt.

4. Anlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Pyrolysereaktor (4) ein erster Temperaturregler (34) zugeordnet ist, der die Eintrittstemperatur (T _E ) in dem Pyrolysereaktor (4) durch Veränderung der über einen Bypass (30) fließenden Menge des Heizgases (h) auf einem vorgegebenen Sollwert (T _E ) fest­ hält, und daß dem Pyrolysereaktor (4) ein zweiter Temperatur­ regler (40) zugeordnet ist, der bei Variation der Energieabfuhr (50) aus dem Zusatz-Wärmetauscher (22) die Ausgangstemperatur (T _A ) am heizgasseitigen Ausgang des Pyrolysereaktors (4) auf einem vorgegebenen Wert (T _A ) festhält.

5. Anlage nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Zu­ satz-Wärmetauscher (22) ein dritter Temperaturregler (46) zu­ geordnet ist, der die Rauchgastemperatur (T _K ) in der Brenn­ kammer (8) durch Verändern der über den Zusatz-Wärmetauscher (22) abfließenden Wärmemenge (50) auf einem vorgegebenen Soll­ wert (T _K ) festhält.

6. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung der überschüssigen Wärmeenergie ein Regelventil (44) vorgesehen ist, das im Sekundärkreis (45) des Zusatz-Wärme­ tauschers (44) angeordnet ist.

7. Anlage nach Anspruch 4, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß dem Einstellorgan (42) des Regelventils (44) sowohl das Ausgangs­ signal des zweiten Reglers (40) als auch das Ausgangssignal des dritten Reglers (46) aufgeschaltet ist.