DE3900977A1 - Verfahren zum verbrennen von brennstoffen sowie verbrennungsanlage zum durchfuehren dieses verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbrennen von Brennstoffen, insbesondere Abfällen, in Verbrennungsanlagen, vor allem Müllverbrennungsanlagen, bei denen die Brennstoffe über einen Schacht einem Feuerraum mit Feuerraumboden zugeführt und dort unter Zugabe von Verbrennungsluft verbrannt werden. Sie betrifft ferner eine Müllverbrennungsanlage mit einem Feuerraum, einem Feuerraumboden - gegebenenfalls ausgestattet mit Vortriebsmitteln für den Transport des Brennstoffes über den Feuerraumboden - und einer Luftzuführeinrichtung zum Einblasen von Verbrennungsluft in den Feuerraum sowie mit einem Schacht für die Aufgabe des Brennstoffes.

Die bekannten Müllverbrennungsanlagen weisen im Regelfall einen großen Feuerraum aus, der nach unten durch einen meist als Rost ausgebildeten Feuerraumboden abgeschlossen wird. Dieser Feuerraumboden ist entweder stark geneigt angeordnet oder weist geeignete Vortriebsmittel, beispielsweise Vorschubroste oder dergleichen auf. An der höchstgelegenen Stelle wird der Abfall dem Feuerraumboden beispielsweise über einen senkrechten Schacht aufgegeben. Der Abfall wandert dann über den Feuerrraumboden abwärts und wird dabei verbrannt. Eine solche Müllverbrennungsanlage ist zum Beispiel der DE-OS 15 26 076 zu entnehmen.

Bei der Wanderung über den Feuerraumboden verläuft die Verbrennung des Abfalls in vier Phasen. Zunächst trocknet der Abfall unter Verdampfung der Feuchtigkeit aus. Mit der anschließenden Entgasung werden höhermolekulare Verbindungen bei erhöhter Temperatur in niedermolekulare flüchtige Verbindungen und Koks zerlegt. Bei der Vergasung reagieren vor allem Wasser und Kohlenmonoxid. Die flüchtigen und gasförmigen Abgase verbrennen dann schließlich. In den normalen Müllverbrennungsanlagen überlagern sich diese Reaktionen. Sie verlaufen darüber hinaus auch nicht ganz vollständig.

Einen wesentlichen Einfluß auf die Rauchgasemissionen hat dabei die Temperaturführung in der Müllverbrennungsanlage. Damit eine möglichst vollständige Verbrennung der Abfallstoffe erreicht wird, sieht die TA-Luft eine Mindesttemperatur von 800°C vor. Für die Verbrennung von PCBs werden sogar 1200°C vorgeschrieben. Hohe Temperaturen haben jedoch den Nachteil, daß hierdurch die Stickstoffoxid-Bildung begünstigt wird. Man ist deshalb bemüht, den Temperaturbereich, bei dem die Stickstoffoxide thermodynamisch stabil werden, zu meiden und die Abgase hinreichend lange bei mittlerer Temperatur zu halten. Dies hat jedoch einen schlechten Ausbrand der Abgase und damit entsprechend hohe Schadstoffemissionen zur Folge. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß die in Müllverbrennungsanlagen üblichen Verbrennungstemperaturen zu einer Verschlackung des verbrannten Abfalls führt, was wegen der Neigung zu Ablagerungen zu Störungen im Betriebsablauf verursacht.

Daneben sind als Schachtöfen ausgebildete Verbrennungsöfen bekannt, bei denen die Abfälle von oben einem zentralen Schacht zugegeben werden (vgl. DE-PS 26 04 409, DE-PS 33 12 863). Der Schacht bildet eine Zersetzungskammer, die im unteren Bereich durch einen Rost begrenzt wird. In der Zersetzungskammer wird der eingefüllte Abfall im Durchlauf von oben nach unten zunächst getrocknet, dann entgast und schließlich - unter Teilverbrennung - vergast. Im Bereich des Rostes werden dabei Temperaturen um 800°C erreicht. Die für die Zersetzung des Abfalls notwendige Energie wird durch kontrollierte Zugabe von unterstöchiometrischen Mengen an Primärluft und gegebenenfalls auch durch Rückführung von Rauchgas erzeugt. Durch den Rost fallen koksartige Zersetzungsrückstände, Asche und sonstige Inerte in eine Brennkammer, wo sie durch weitere Luftzufuhr ausgebrannt werden.

Die bei dem Zersetzungsprozeß anfallenden Prozeßgase werden aus der Brennkammer abgezogen und in einer die Brennkammer durchdringenden Gasführungsleitung (vgl. DE-PS 33 12 863) oder in einem, besonderen Zyklonbrenner unter Zugabe von Sekundärluft ei hohen Temperaturen im Bereich von 1100 bis 1200°C verbrannt. Hierdurch wird eine vollständige, weil nahezu stöchiometrische Verbrennung der Prozeßgase und damit ein geringes Abgasvolumen erreicht. Die Abgaswerte liegen innerhalb der erlaubten Bereiche. Die Abgasverluste sind vergleichsweise klein. In der Brennkammer selbst können die Temperaturen im Bereich von 800°C gehalten werden. Entsprechend gering ist die Temperaturbelastung der Brennkammerwände. Ferner wird ein Schmelzen der Asche und damit eine Verschlackung vermieden.

Obwohl dieses Verfahren bzw. die damit betriebenen Verbrennungsöfen schon seit langem als sogenanntes "Jülicher Verbrennungsverfahren" (Ullmanns Enzyklopädie der technischen Chemie, 4. Auflage, 1981, Band 6, Seite 602) in die allgemeine Fachliteratur Eingang gefunden haben, ist die Entwicklung der Technik von großen Müllverbrennungsanlagen hierdurch nicht beeinflußt worden. Dies hängt damit zusammen, daß es sich bei dem beschriebenen Verbrennungsofen gattungsmäßig um einen Schachtofen handelt, deren Durchsatzmenge begrenzt ist (Ullmanns Enzyklopädie der technischen Chemie, 4. Auflage, 1981, Band 6, Seite 598). Der Einsatzbereich dieser Verbrennungsöfen blieb deshalb trotz zunehmender Verbreitung auf den Kleingewerbebereich beschränkt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Müllverbrennungsanlage mit hohem Durchsatz zu schaffen, bei der einerseits ein Schmelzen der Asche und damit eine Verschlackung vermieden wird, andererseits aber die entstehenden Abgase so verbrannt werden, daß nur ein geringes Abgasvolumen entsteht und daß auch die Schadstoffe, insbesondere der CO-Gehalt, der Anteil hochmolekularer organischer Stoffe und die Stickoxide, klein bleiben.

Diese Aufgabe wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch gelöst, daß die Brennstoffe in dem Aufgabeschacht der Müllverbrennungsanlage unter Zugabe von Vergasungsmitteln im Durchlauf zunächst getrocknet, dann entgast und schließlich vergast werden, wobei die entstehenden Prozeßgase aus dem Schacht herausgeführt und in den Feuerraum zur Verbrennung eingeführt werden und die vergasten, koksartigen Rückstände dem Feuerraumboden zugeführt werden, und daß dem Feuerraum Verbrennungsluft in einem solchen Überschuß zugeleitet wird, daß die koksartigen Rückstände bei Temperaturen nicht über 900°C verbrannt werden und sich das in den Feuerraum eingeleitete Prozeßgas mit dem Restsauerstoff der Abgase von der Verbrennung der koksartigen Rückstände in zumindest stöchiometrischem Mengenverhältnis vermischt.

Erfindungsgemäß werden also die Brennstoffe, insbesondere Abfälle, vor Einleitung in den Feuerraum einer Verbrennungsanlage derart vorkonditioniert, daß dem Feuerraumboden getrocknete entgaste und vergaste Rückstände zugeführt werden, die sich bei vergleichsweise geringen Temperaturen unter 900°C, vorzugsweise bei 800°C, vollständig und insbesondere ohne Schlackenbildung verbrennen lassen, während die bei der Zersetzung entstehenden Prozeßgase gleichfalls dem Feuerraum zugeführt und dort nahstöchiometrisch verbrannt werden. Dabei wird die Verbrennung dadurch bewirkt, daß dem Feuerraum Verbrennungsluft in einem entsprechenden Überschuß zugeführt wird, wodurch einerseits die Verbrennungstemperatur auf dem Feuerraumboden niedrig gehalten wird, andererseits die Verbrennung der Prozeßgase zumindest stöchiometrisch erfolgt. Dies hat zur Folge, daß das Abgasvolumen und die darin enthaltenen Schadstoffanteile gering sind und die Abgasverluste klein gehalten werden können. Außerdem fällt ein geringerer Staubtransport an, was eine wesentlich herabgesetzte Staubbeaufschlagung vor allem der Wärmetauscherflächen zur Folge hat.

Damit steht erstmals ein für große Verbrennungsanlagen, insbesondere Müllverbrennungsanlagen geeignetes Verfahren zur Verfügung, das den bisher zwangsläufig eintretenden Anfall von Schlacke vermeidet und trotzdem einen vollständigen Ausbrand der Abgase ohne Zusatzenergie bewirkt. Durch die Besonderheit des Verfahrens sind keine durchsatzmäßigen Grenzen gesetzt, d. h. das Verfahren ist grundsätzlich auch bei großen Verbrennungsanlagen anzuwenden. Dabei ist von besonderem Vorteil, daß der Feuerraumboden, der bei solchen Anlagen die Haupterstellungskosten verursacht, kurz gehalten werden kann, da auf ihm nur noch die Verbrennung erfolgt.

In Ausbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß im Bereich der Einmündung der Prozeßgase in den Feuerraum Sekundärluft zur Einstellung des zumindest stöchiometrischen Mengenverhältnisses zugegeben wird. Dies ermöglicht eine feinfühlige Steuerung der Verbrennung mit dem Ziel, daß möglichst eine leicht überstöchiometrische Verbrennung erreicht wird.

Die Verbrennungsluft sollte den koksartigen Rückständen von der Unterseite des Feuerraumbodens zugeführt werden, da hierdurch das Ausbrennen der Rückstände bei den gewünschten, relativ niedrigen Temperaturen begünstigt wird.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Vergasungsmittel in zwei übereinander angeordneten Ebenen zugeführt werden. Dabei hat es sich als zweckmäßig erwiesen, wenn die Vergasungsmittel Luft- und/oder Rauchgase enthalten oder daraus bestehen.

Eine nach dem vorbeschriebenen Verfahren arbeitende Verbrennungsanlage ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß der Schacht als Schachtofen zur Trocknung, Entgasung und Vergasung des Abfalls ausgebildet ist und daß im unteren Bereich des Schachtofens ein Abzugskanal für den Abzug der entstehenden Prozeßgase vorgesehen ist, der in den Feuerraum mündet, und daß die Luftzuführeinrichtung hinsichtlich der Zuführmenge derart einstellbar ist, daß der im Schachtofen verkokte Rückstand bei Temperaturen unter 900°C, vorzugsweise im Bereich von 800°C, verbrennt und sich der Restsauerstoff der Abgase von der Verbrennung der koksartigen Rückstände mit den aus dem Schachtofen eingeleiteten Prozeßgasen in einem zumindest stöchiometrischen Mengenverhältnis vermischt.

Die erfindungsgemäße Verbrennungsanlage zeichnet sich dadurch aus, daß der dem Rost zugeführte Abfall in einem vorgeschalteten Schachtofen in einer Weise vorkonditioniert wird, daß koksartige Rückstände entstehen, die bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen unter 900°C auf dem Rost ohne Schlackenbildung verbrannt werden können. Die bei der Zersetzung des Abfalls entstehenden Prozeßgase werden im Feuerraum nachverbrannt, indem Verbrennungsluft in einem solchen Überschuß zugeführt wird, daß die Verbrennung des Prozeßgases aus dem Schachtofen zumindest stöchiometrisch erfolgt. In einer solchen Verbrennungsanlage fällt lediglich schlackenfreie Asche sowie ein vergleichsweise geringes und zudem noch schadstoffarmes Abgas an. Dabei zeichnet sich die erfindungsgemäße Verbrennungsanlage auch dadurch aus, daß sie durch nachträgliche Umrüstung schon vorhandener Verbrennungsanlagen hergestellt werden kann.

In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß im Bereich der Einmündung des Abzugskanals in den Feuerraum ein zusätzlicher Sekundärluftzuführkanal mündet, der mit einer Sekundärluftsteuerung derart versehen ist, daß das Prozeßgas zumindest stöchiometrisch verbrennt. Ein solcher zusätzlicher Sekundärluftzuführkanal ermöglicht eine feinfühlige Steuerung des Verbrennungsverhältnisses und stellt eine saubere Verbrennung der im Schachtofen entstehenden Prozeßgase sicher. Die Luftzuführeinrichtung für die Verbrennungsluft sollte grundsätzlich unter dem Feuerraum münden.

Nach der Erfindung ist ferner vorgesehen, daß der Schachtofen Zuführeinrichtungen für die Zufuhr von Vergasungsmitteln aufweist. Dabei ist es von Vorteil, wenn die Zuführeinrichtungen mit dem Kamin des Feuerraums verbunden sind, um eine Abgasrückführung zu ermöglichen. Auch sollten die Zuführeinrichtungen auf zwei übereinander angeordnete Ebenen aufgeteilt sein.

Der Abzugskanal für die Herausführung der Prozeßgase aus dem Schachtofen umgibt diesen zweckmäßigerweise ringförmig, wobei er mit dem Schachtofen mittels über den Umfang verteilter Öffnungen verbunden ist.

In der Zeichnung ist die Erfindung eines schematisch gehaltenen Ausführungsbeispiels näher veranschaulicht. Sie zeigt in einem Vertikalschnitt eine Müllverbrennungsanlage (1). Die Müllverbrennungsanlage (1) ist zweiteilig aufgebaut. Eingangsseitig weist sie einen Schachtofen (3) auf, in den der Abfall (4) ständig nachgefüllt und in etwa in Höhe der Befüllmarke (5) gehalten wird. In diesem Schachtofen (3) wird der Abfall (4) zersetzt, d. h. er wird zunächst getrocknet, dann entgast und schießlich vergast. Die hierfür notwendige Energie wird durch Zugabe von unterstöchiometrischen Mengen an Primärluft erzeugt, und zwar in einer ersten Ebene (6) und einer im Abstand darunter liegenden, zweiten Ebene (7). Hierzu sind in beiden Ebenen (6, 7) Eintrittsöffnungen - beispielhaft mit (8) bezeichnet - angeordnet, über die - was hier nicht näher dargestellt ist - die Primärluft in den Schachtofen (3) geleitet wird.

Zusätzlich ist eine Rauchgasrückführung vorgesehen, so daß mit der Primärluft auch Rauchgase in den Schachtofen (3) bzw. dessen Zersetzungskammer eingeleitet wird. Das Rauchgas unterstützt auf Grund seines hohen Gehaltes an CO₂ und H₂O die Vergasung der Abfälle und sorgt dafür, daß die Temperaturen im unteren Bereich des Schachtofens auf einen Bereich um 800°C begrenzt bleiben. Auf diese Weise wird eine Schlackenbildung vermieden.

Am unteren Ende ist der Schachtofen (3) von einem Ringkanal (9) umgeben. Dieser Ringkanal (9) ist über Öffnungen mit dem Schachtofen (3) verbunden. In ihn strömen die bei der Zersetzung des Abfalls im Schachtofen (3) entstehenden Prozeßgase ein und werden auf diese Weise aus dem Schachtofen (3) abgezogen.

Die verbleibenden, koksartigen Rückstände (10) fallen auf einen schräg nach unten gerichteten Rost (11), der die untere Begrenzung eines Feuerraums (12) bildet. An das untenseitige Ende des Rostes (11) schließt sich ein Ascheabzug (13) an.

An der Unterseite des Rostes (11) befindet sich ein Luftzuführkanal (14), über den die Verbrennungsluft von unten durch den Rost (11) und damit durch die koksartigen Rückstände (10) geblasen wird. Dabei wird der Volumenstrom so eingestellt, daß die koksartigen Rückstände (10) bei ca. 800°C ausgebrannt werden. Zurück bleibt schlackenfreie Asche, die über den Ascheabzug (13) aus dem Feuerraum (12) entfernt wird.

Der Feuerraum (12) verengt sich zunächst nach oben und geht dann in eine Erweiterung (15) über. Im Bereich der Verengung mündet der Ringkanal (9) in den Feuerraum (12).

Die in der Zersetzungskammer des Schachtofens (3) entstehenden Prozeßgase werden also über den Ringkanal (9) in den Feuerraum (12) eingeleitet. Dort werden sie verbrannt, wobei durch entsprechende Luftzufuhr über den Luftzuführkanal (14) dafür gesorgt wird, daß im Bereich der Mündung des Ringkanals (9) noch hinreichend Sauerstoff für eine zumindest stöchiometrische, vorzugsweise leicht überstöchiometrische Verbrennung zur Verfügung steht. Die Verbrennung erfolgt bei Temperaturen von 1100 bis 1200°C, so daß die Prozeßgase sowie die Abgase von der Verbrennung der koksartigen Rückstände (10) im wesentlichen ohne Zusatzenergie ausbrennen, und zwar bei geringem Anfall von Schadstoffen, wie beispielsweise Stickstoffoxiden oder Kohlenmonoxid.

Gegenüber der Mündung des Ringkanals (9) ist ein Sekundärluftzuführkanal (16) angeordnet, über den zusätzlich Sekundärluft eingeblasen werden kann. Dieser Sekundärluftzuführkanal (16) eignet sich zur feinfühligen Steuerung des Verbrennungsprozesses, insbesondere zur Einhaltung der zumindest stöchiometrischen Verbrennung.

Die solchermaßen verbrannten Abgase passieren als Rauchgase die Erweiterung (15) und einen nachfolgenden Dampferzeuger (17) mit Wärmetauscher (18). Untenseitig ist dort eine Entaschungsöffnung (19) vorgesehen. Anschließend gelangen die Rauchgase in einen Rauchgaskanal (20), der zu einem Kamin führt. Von diesem Rauchgaskanal (20) geht ein Anteil Rauchgase über einen Rückführkanal (21) in den Schachtofen (3) als gegebenenfalls zusätzliches Vergasungsmittel, wobei für die Förderung ein Verdichter (22) vorgesehen ist.

Selbstverständlich eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren nicht nur zur Müllverbrennung, sondern auch zur Verbrennung anderer fester Brennstoffe, z.B. Kohle oder dergleichen, zur Wärmeerzeugung.

Claims (13)

1. Verfahren zum Verbrennen von Brennstoffen, insbesondere Abfällen, in Verbrennungsanlagen, vor allem in Müllverbrennungsanlagen, bei dem die Brennstoffe über einen Schacht einem Feuerraum mit Feuerraumboden zugeführt und dort unter Zugabe von Verbrennungsluft verbrannt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffe in dem Schacht (3) zunächst getrocknet, dann entgast und schließlich vergast werden, wobei die entstehenden Prozeßgase aus dem Schacht (3) herausgeführt und in den Feuerraum (12) zur Verbrennung eingeführt werden und die vergasten, koksartigen Rückstände dem Feuerraumboden (11) zugeführt werden, und daß dem Feuerraum (12) Verbrennungsluft in einem solchen Überschuß zugeleitet wird, daß die koksartigen Rückstände (10) bei Temperaturen nicht über 900°C verbrannt werden und sich das in den Feuerraum (12) eingeleitete Prozeßgas mit dem Restsauerstoff der Abgase von der Verbrennung der koksartigen Rückstände (10) in zumindest stöchiometrischem Mengenverhältnis vermischt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Einmündung des Prozeßgases in den Feuerraum (12) Sekundärluft zur Einstellung des zumindest stöchiometrischen Mengenverhältnisses zugegeben wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungsluft den koksartigen Rückständen (10) von der Unterseite des Feuerraumbodens (11) zugeführt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergasungsmittel in zwei übereinander angeordneten Ebenen (6, 7) zugeführt werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergasungsmittel Luft enthalten oder daraus bestehen.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergasungsmittel zurückgeführtes Rauchgas enthalten oder daraus bestehen.

7. Verbrennungsanlage mit einem Feuerraum, einem Feuerraumboden - gegebenenfalls ausgestattet mit Vortriebsmitteln für den Transport des Brennstoffs über den Feuerraumboden - und einer Luftzuführeinrichtung zum Einblasen von Verbrennungsluft in den Feuerraum sowie mit einem Schacht für die Aufgabe des Brennstoffs, dadurch gekennzeichnet, daß der Schacht als Schachtofen (3) zur Trocknung, Entgasung und Vergasung des Brennstoffs (4) ausgebildet ist und daß im unteren Bereich des Schachtofens (3) ein Abzugskanal (9) für den Abzug der entstehenden Prozeßgase vorgesehen ist, der in den Feuerraum (12) mündet, und daß die Luftzuführeinrichtung (14) hinsichtlich der Zuführmenge derart einstellbar ist, daß der im Schachtofen (3) verkokte Rückstand (10) bei Temperaturen unter 900°C verbrennt und sich der Restsauerstoff der Abgase von der Verbrennung der koksartigen Rückstände mit den aus dem Schachtofen (3) eingeleiteten Prozeßgasen in einem zumindest stöchiometrischen Mengenverhältnis vermischt.

8. Verbrennungsanlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Einmündung des Abzugskanals (9) in den Feuerraum (12) ein zusätzlicher Sekundärluftzuführkanal (16) mündet, der mit einer Sekundärluftsteuerung derart versehen ist, daß das Prozeßgas zumindest stöchiometrisch verbrennt.

9. Verbrennungsanlage nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftzuführeinrichtung (14) für die Verbrennungsluft unter dem Feuerraumboden (11) mündet.

10. Verbrennungsanlage nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Schachtofen (3) Zuführeinrichtungen (8) für die Zufuhr von Vergasungsmitteln aufweist.

11. Verbrennungsanlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführeinrichtungen (8) mit dem Kamin des Feuerraums (12) verbunden sind.

12. Verbrennungsanlage nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführeinrichtungen (8) auf zwei übereinander angeordnete Ebenen (6, 7) aufgeteilt sind.

13. Verbrennungsanlage nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Abzugskanal (9) den Schachtofen (3) ringförmig umgibt und mit dem Schachtofen (3) mittels über den Umfang verteilter Öffnungen verbunden ist.