DE4033649A1 - Verbrennungsverfahren mit integrierter reststoffeinschmelzung und vorrichtung hierfuer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbrennung eines Brennstoffes, bei dem Rückstände entstehen, die in einer nachgeschalteten Behandlungsstufe geschmolzen werden.

Derartige Verbrennungsverfahren sind beispielsweise aus der thermischen Abfallentsorgung bekannt. So fallen z. B. in Müllverbrennungsanlagen mit Rostfeuerungen Verbrennungs­ rückstände, Flugstäube und Reaktionsprodukte aus der Rauch­ gasreinigung an. Bei den Verbrennungsrückständen handelt es sich um Schlacken, Rostabwurf und Rostdurchfall. Bei den Flugstäuben sind Kesselaschen und Filterstäube zu nennen. Als Reaktionsprodukte aus der Rauchgasreinigung kommen Salze und Gipse in Betracht. All diese Rückstände enthalten orga­ nische Reststoffe, wie z. B. polyzyklische aromatische Koh­ lenwasserstoffe, Dioxine und Furane, Schwermetalle, wie z. B. Quecksilber, Kadmium, Blei und Zinn, oder auslaugbare Kompo­ nenten, wie z. B. Salze. Die bisherige Ablagerung von Schlak­ ken und Kesselaschen auf Hausmülldeponien oder von Filter­ stäuben und salzhaltigen Reaktionsprodukten auf Sondermüll­ deponien wird durch erschöpftes Deponievolumen ständig schwieriger und teurer.

Die thermische Entsorgung von Abfällen wird substratspezi­ fisch auch in anderen Verbrennungssystemen durchgeführt. So wird beispielsweise Sondermüll in Drehrohröfen entsorgt, während Klärschlamm in Wirbelschichtöfen oder Etagenöfen verbrannt wird. Das Problem der Rückstandsentsorgung stellt sich aber bei all diesen Systemen in ähnlicher Weise. Allein der Drehrohrofen erlaubt eine weitgehende Einbindung der Rückstände in die flüssige Schlacke. Er eignet sich aber nur für ein beschränktes Produktspektrum.

Die Lösung der Rückstandsproblematik gelingt im Prinzip nur über Hochtemperaturprozesse, bei denen die organischen Schadstoffe, wie polyzyklische aromatische Kohlenwasserstof­ fe, Dioxine und Furane, zerstört, die anorganischen Bestand­ teile unter Bildung einer schmelzflüssigen Glasschlacke mi­ neralisiert und die Schwermetalle in die Glasmatrix einge­ bunden bzw. im Rauchgas und den resultierenden Stäuben für Wiedergewinnungszwecke als Sekundärrohstoffe angereichert werden. Hierzu sind verschiedene Verfahren entwickelt wor­ den. So ist es beispielsweise bekannt, die Rückstände in Glaswannen mit Badelektroden oder mit Widerstandselektro­ den zu schmelzen. Ein anderes bekanntes Verfahren verwendet einen Schmelzzyklon mit Öl- oder Gasbrennern. Auch der Einsatz von Drehstromplasmaöfen mit direktem Plasmabogen ist bereits bekannt. Nach dem sogenannten Brennschmelzver­ fahren werden Tiegelschmelzöfen mit sauerstoffbetriebenen Brennern verwendet.

Die grundsätzlichen Mängel der elektrischen Schmelzverfahren sind unter anderem hoher Energiebedarf und hohe Behandlungs­ kosten. Außerdem sind diese Verfahren auf staubförmige Rück­ stände, wie Flugaschen und Filterstäube, beschränkt. Darü­ ber hinaus weisen die genannten Verfahren einen gegenüber der Müllverbrennungstechnik fremden Charakter auf, so daß es Probleme bei der Personalqualifikation und der Anlagenin­ tegrierbarkeit geben kann. Beim Brennschmelzverfahren wird ein systemverwandtes Schmelzprinzip auf der Basis von sauer­ stoffbetriebenen Brennern und Tiegelöfen eingesetzt, so daß eine hohe Integrierbarkeit, unter anderem mit gemeinsamer Rauchgasbehandlung für Rostfeuerung und Rückstandsschmelze, erreicht wird. Bei den bekannten Brennschmelzverfahren ist im Anschluß an die Rostfeuerung und vor dem Schmelzaggregat eine Zwischenaufbereitung der Schlacken vorgesehen, um eine Beschädigung des Schmelzaggregates durch in das Schmelzbad fallendes Sperrgut zu verhindern. Die zwischengeschaltete Schlackeaufbereitung ist jedoch störanfällig und mit hohem apparativem Aufwand verbunden. Außerdem treten dabei nicht unerhebliche Wärmeverluste auf. Staubentwicklung ist ein weiteres Problem.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß auf wirtschaftliche Weise eine weitgehende Entsorgung der Rückstände erreicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Schmelzen der Rückstände ohne Zwischenbehandlung unmittel­ bar im Anschluß an die Verbrennung erfolgt. Dabei liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, daß durch Kombination von Verbrennung und Rückstandsschmelze ein weitaus wirt­ schaftlicherer Betrieb möglich ist, als bei der üblichen Zwischenschaltung einer Schlackeaufbereitung. Da aufgrund strengerer Abfallgesetze in Zukunft auch bei der thermi­ schen Abfallentsorgung nur noch vorsortierter Restmüll zur Verbrennung kommt, kann auf die Zwischenschaltung einer Schlackeaufbereitung verzichtet werden. Es resultiert eine Verbrennungs- und Schmelzeinheit in gekapselter Blockbau­ weise, wobei die Verbrennungseinheit ihre weitgehend aus­ gebrannten Schlacken unmittelbar in die Schmelzeinheit aufgibt. Vorzugsweise wird bei der Verbrennung des Brenn­ stoffs sowie beim Schmelzen der Rückstände anfallendes Abgas gemeinsam abgezogen und gereinigt. Gemäß einer beson­ ders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird zur Verbrennung des Brennstoffs mit Sauerstoff angereicherte Luft oder technisch reiner Sauerstoff verwendet. Alternativ oder zusätzlich ist vorgesehen, zum Schmelzen der Rückstände mit Sauerstoff angereicherte Luft oder technisch reinen Sauer­ stoff einzusetzen. Durch die Luftanreicherung bzw. den reinen Sauerstoffbetrieb wird die Gesamtmenge des Rauch­ gases vermindert. Dadurch wird es möglich, den zusätzlichen Schmelzbetrieb mit der konventionellen Rauchgasreinigung der Verbrennungseinheit bestreiten zu können. Bei einer konven­ tionellen Müllverbrennungsanlage mit Rostfeuerung entstehen bei Luftbetrieb ca. 5500 Nm Rauchgas pro Tonne Müll. Ergänzend entstehen ca. 300 kg Schlacke und ca. 30 kg Flug­ stäube, die beim Einschmelzen mit konventioneller Luftbrenn­ technik im Tiegel- oder Drehrohrofen ca. 850 m³ Rauchgas pro Tonne Müll liefern. Diese Rauchgasmenge ist bereits so hoch, daß eine Mitbehandlung in der rostbezogenen Rauchgas­ reinigung kritisch wird. Die vorgeschlagene Luftanreiche­ rung bzw. der reine Sauerstoffbetrieb bewirken dagegen eine so große Rauchgasminderung, daß eine gemeinsame Rauchgasbe­ handlung möglich wird.

Vorteilhafterweise wird das Schmelzen der Rückstände bei Temperaturen durchgeführt, die ausreichend hoch sind, um in den Rückständen enthaltene Dioxine und Furane zu zerstören. Auch aus diesem Grund ist es zweckmäßig, zum Schmelzen der Rückstände mit Sauerstoff angereicherte Luft oder technisch reinen Sauerstoff zu verwenden.

Zweckmäßigerweise werden in der Rauchgasreinigung abgeschie­ dene Feststoffe in die Schmelzeinheit zurückgeführt, um ge­ meinsam mit den Rückständen aus der Verbrennung geschmolzen zu werden. Zur Vermeidung einer Schadstoffkreisführung soll­ ten bei der Feststoffrückführung aus der Rauchgasreinigung Schadstoffsenken, z. B. Extraktions- oder Fällungsstufen, installiert werden. Die in den Schadstoffsenken abgeschie­ denen Schadstoffe können einer Metallrückgewinnung zugeführt werden.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens besteht aus einer Verbrennungseinrichtung zur Verbrennung des Brenn­ stoffs und einem nachgeschalteten Schmelzaggregat zum Schmelzen der Rückstände. Die Verbrennungseinrichtung weist eine Abfuhrseite, die z. B. einfach das Rostende einer Rost­ feuerung sein kann, zur Abführung der Rückstände auf. Das Schmelzaggregat besitzt seinerseits eine Aufnahmeseite zur Aufnahme der Rückstände.

Erfindungsgemäß schließt die Aufnahmeseite des Schmelzag­ gregates unmittelbar an die Abfuhrseite der Verbrennungsein­ richtung an. Zur Vermeidung von Wärmeverlusten sind die Ver­ brennungseinheit und das Schmelzaggregat vorzugsweise in einer gemeinsamen Einhausung untergebracht. Zweckmäßigerwei­ se ist die Verbrennungseinrichtung als einfacher Verbren­ nungsrost ausgebildet. Es entsteht so eine gemeinsame gekap­ selte und kompakte Anlage für Rostfeuerung auf einem ver­ kürzten Verbrennungsrost mit unmittelbar nachfolgendem Schmelzaggregat für Rostschlacken und Rückstände aus der Rauchgasreinigung sowie einer gemeinsamen Rauchgasreinigung.

Das der Verbrennungseinrichtung nachgeschaltete Schmelz­ aggregat kann sowohl ein Tiegel- oder Wannenofen sein als auch ein Drehrohrofen. Im zweiten Fall können den heißen Schlacken auch geeignete Sondermüllfraktionen zur thermi­ schen Entsorgung und zur Herbeiführung günstiger Schlacke­ qualität beigemischt werden.

Zur Minderung der Rauchgasmenge und zum sicheren Erreichen einer hinreichend hohen Schlackeschmelztemperatur ist gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, daß das Schmelzaggregat eine Zuführung für mit Sauerstoff angereicherte Luft oder technisch reinen Sauer­ stoff aufweist. Alternativ oder zusätzlich wird empfohlen, die Verbrennungseinrichtung mit einer Zuführung für mit Sauerstoff angereicherte Luft oder technisch reinen Sauer­ stoff zu versehen.

Dem Schmelzaggregat können Zuschläge beigemischt werden, die aus der Schmelze ein Produkt mit Glasmatrix und weiter verbesserten Eluierungswerten erstarren lassen. Bei mecha­ nischer Aufbereitung der Schlacken kann als Schmelzaggregat auch ein Schmelzzyklon eingesetzt werden. Das Schmelzag­ gregat kann ebenso in eine Wirbelschichtfeuerung integriert werden.

Die Kombination von Rostfeuerung und Drehrohrofen kann auch zur gleichzeitigen Entsorgung von Haus- und Sondermüll ver­ wendet werden. Dabei wird der Drehrohrofen als Sondermüll­ entsorgungs- und Schlackeschmelzaggregat zum Kernstück, dem die Rostfeuerung als Hausmüllentsorgungsaggregat ergänzend ihre festen Rückstände aufgibt.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung weisen eine Reihe von Vorteilen auf. Aufgrund der kompakten und vereinfachten Bauweise werden Baukosten reduziert. Bei gleicher Dimensionierung der Verbrennungs­ einheit wird ein erhöhter Durchsatz erreicht. Aufgrund der geringeren Wärmeverluste wird auch die Schlackequalität verbessert, wodurch wiederum Deponiekosten reduziert werden können. Insgesamt ergibt sich ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung mit erhöhter Wirtschaftlichkeit und Betriebs­ sicherheit.

Die Erfindung eignet sich für alle Verbrennungsverfahren, bei denen Rückstände entstehen. Insbesondere ist die Er­ findung für den Einsatz bei Müllverbrennungsanlagen für Hausmüll und/oder Sondermüll gedacht.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Figur schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher er­ läutert.

Die Figur zeigt einen Schnitt durch eine Müllverbrennungs­ anlage mit Rostfeuerung und anschließendem Schmelzaggregat.

Am vorderen Ende eines geneigt angeordneten Rostes 1 ist ein Eintragsschacht 2 zum Beschicken der Müllverbrennungs­ anlage mit Abfall 3 (z. B. Hausmüll oder Gewerbemüll) vorge­ sehen. Der Abfall 3 wird im Verlauf des Verbrennungspro­ zesses an das hintere (untere) Ende des Rostes 1 bewegt. Die beim Verbrennungsprozeß anfallenden Rückstände fallen dort in den Schmelztiegel 4, in dem die Rückstände unter Bildung einer schmelzflüssigen Glasschlacke eingeschmolzen werden. Der Schmelztiegel 4 wird mittels Brenner 5 beheizt. Die bei der Verbrennung entstehenden Abgase ziehen in einen Abgas­ schacht 7 über einem Feuerraum 8 ab und werden anschließend einer Nachbehandlung, z. B. einer Rauchgaswäsche, unterzogen.

Dem auf dem Rost 1 befindlichen Abfall 3 wird technisch reiner Sauerstoff über sogenannte Unterwindzonen 9 mittels der Sauerstoffleitung 6 zugeführt. Der technisch reine Sauerstoff wird in einem in der Figur nicht dargestellten Flüssiggastank bereitgestellt. Es ist auch möglich, Umge­ bungsluft mit dem technisch reinen Sauerstoff anzureichern und die so entstehende Verbrennungsluft mit einem gegenüber der Umgebungsluft erhöhten Sauerstoffanteil zur Verbrennung einzusetzen. Dies hat im Vergleich zur Zufuhr von reiner Umgebungsluft den Vorteil, daß die Verbrennung des Abfalls bei hohen Temperaturen und längeren Gasverweilzeiten und somit unter weitgehend vollständigem Ausbrand erfolgt. Darüber hinaus ist eine geringere Menge an zuzuführender Verbrennungsluft notwendig, wodurch sich einerseits die Abgasmenge verringert und andererseits die Strömungsge­ schwindigkeit der Gase kleiner wird. Es kann daher das Bauvolumen der Verbrennungsanlage kleiner gehalten werden. Durch die geringere Strömungsgeschwindigkeit der Gase werden weniger Stäube aus dem Abfall von den Gasen mit­ gerissen, was die Emissionswerte, insbesondere der Dioxine und Furane, verbessert. Die geschilderten Vorteile gelten in erhöhtem Maße für die Verwendung von technisch reinem Sauerstoff als Verbrennungsgas.

Auch die Brenner 5 im Schmelztiegel 4 werden mit technisch reinem Sauerstoff über Leitung 6 versorgt. Alternativ wird mit technisch reinem Sauerstoff angereicherte Luft verwen­ det. Auf diese Weise wird eine besonders hohe Schmelztem­ peratur erreicht, so daß die in den Rückständen enthaltenen organischen Schadstoffe, insbesondere PAK′s, PCDD′s und PCDF′s sicher zerstört, die anorganischen Bestandteile unter Bildung einer schmelzflüssigen Glasschlacke minera­ lisiert und die Schwermetalle in die Glasmatrix eingebunden werden. Insgesamt wird dadurch die Schlackequalität ent­ scheidend verbessert. Außerdem wird durch die Verwendung technisch reinen Sauerstoffs oder von mit Sauerstoff an­ gereicherter Luft die entstehende Abgasmenge beträchtlich gegenüber der Verwendung von Umgebungsluft verringert. Die geschilderten Vorteile gelten in erhöhtem Maße für den Einsatz von technisch reinem Sauerstoff.

Die Verwendung von technisch reinem Sauerstoff bzw. von mit Sauerstoff angereicherter Luft sowohl im Bereich des Verbrennungsrostes 1 als auch im Schmelztiegel 4 bewirkt insgesamt eine beträchtliche Abgasreduzierung, so daß es möglich wird, die Abgase aus der Verbrennung und aus der Rückstandsschmelze gemeinsam zu erfassen und zu behandeln. Zu diesem Zweck wird das Abgas aus dem Schmelztiegel 4 im Gegenstrom zum Abfall 3 zum Abgasschacht 7 geleitet und gemeinsam mit dem bei der Verbrennung anfallenden Abgas abgezogen.

Der Schmelztiegel 4 schließt unmittelbar an den Rost 1 an. Auf eine zwischengeschaltete Schlackeaufbereitung wird ver­ zichtet. Rost 1 und Schmelztiegel 4 sind in einer gemeinsa­ men Einhausung 10 untergebracht. Es resultiert so ein Ver­ brennungs- und Schmelzaggregat in gekapselter Blockbauwei­ se, bei dem der verkürzte Rost 1 seine weitgehend ausge­ brannten Schlacken unmittelbar in den mit Sauerstoffbren­ nern 5 beheizten Schmelztiegel 4 aufgibt. Da der Schmelztie­ gel 4 unmittelbar an den Rost 1 anschließt und sich beide in einer gemeinsamen Einhausung 10 befinden, treten kaum Wärmeverluste auf, d. h. Abwärme aus dem Schmelztiegel kann zur Aufheizung des Abfalls verwendet werden, so daß man mit einem gegenüber herkömmlichen Verfahren verkürzten Rost 1 auskommt. Rückstände aus der in der Figur nicht dargestell­ ten Rauchgasreinigung und Kesselstäube werden über einen Schacht 11 ebenfalls dem Schmelztiegel 4 zugeführt. Die Entnahme der schmelzflüssigen Schlacken erfolgt über ein beheiztes Siphon 12.

Insgesamt handelt es sich also um eine gekapselte und kom­ pakte Anlage für Müllausbrand auf einem verkürzten Verbren­ nungsrost 1 mit unmittelbar nachfolgendem Schmelztiegel 4 für Rostschlacken und Rückstände aus der Rauchgasreinigung sowie einer gemeinsamen Rauchgasreinigung. Aufgrund der niedrigen Wärmeverluste und der hohen erreichbaren Verbren­ nungs- und Schmelztemperaturen wird eine weitgehende Entsorgung des Mülls, d. h. Verbrennung der brennbaren Anteile und Einschmelzen der Reststoffe, erreicht. Dabei weist die erhaltene Schlacke eine besonders hohe Qualität auf, d. h. die organischen Schadstoffe (PAK′s, PCDD′s, PCDF′s) wurden in der Schmelze bei den erreichten hohen Temperaturen weitestgehend zerstört, die anorganischen Bestandteile wurden praktisch vollständig unter Bildung einer schmelzflüssigen Glasschlacke mineralisiert und die Schwermetalle wurden sicher in die Glasmatrix eingebunden. Die Schlacke kann beispielsweise als Baustoff verwendet werden. Wegen der gemeinsamen Rauchgaserfassung von Verbrennungsrost 1 und Schmelztiegel 4 ist die Rauchgas­ reinigung vereinfacht. Aufgrund des Einsatzes von technisch reinem Sauerstoff bzw. von mit Sauerstoff angereicherter Luft sowohl im Verbrennungsteil als auch im Schmelzteil und der daraus resultierenden reduzierten Stickstoffverdünnung des Rauchgases ist das Rauchgas wesentlich höher konzen­ triert als bei herkömmlichen Verfahren. Daher lassen sich Rauchgasreinigungssysteme mit besseren Reinigungsleistungen einsetzen. Im Rauchgas enthaltene Wertstoffe können aus dem höher konzentrierten Rauchgas sehr viel leichter abgeschie­ den werden, um einer Verwertung zugeführt zu werden.

Claims (12)

1. Verfahren zur Verbrennung eines Brennstoffes, bei dem Rückstände entstehen, die in einer nachgeschalteten Behandlungsstufe geschmolzen werden, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Schmelzen der Rückstände ohne Zwischenbehandlung unmittelbar im Anschluß an die Verbrennung erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verbrennung des Brennstoffes mit Sauerstoff ange­ reicherte Luft oder technisch reiner Sauerstoff verwen­ det wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß zum Schmelzen der Rückstände mit Sauerstoff angereicherte Luft oder technisch reiner Sauerstoff ver­ wendet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Schmelzen der Rückstände bei Temperaturen durchgeführt wird, die ausreichend sind, um in den Rückständen enthaltene Dioxine und Furane zu zerstören.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß bei der Verbrennung des Brennstoffs sowie beim Schmelzen der Rückstände anfallendes Abgas gemeinsam abgezogen und gereinigt wird.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit einer Verbrennungseinrichtung zur Verbrennung des Brennstoffs und einem nachgeschal­ teten Schmelzaggregat zum Schmelzen der Rückstände, wobei die Verbrennungseinrichtung eine Abfuhrseite zur Abführung der Rückstände und das Schmelzaggregat eine Aufnahmeseite zur Aufnahme der Rückstände aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmeseite des Schmelzaggregats (4) unmittelbar an die Abfuhrseite der Verbrennungseinrichtung (1) anschließt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungseinrichtung (1) und das Schmelz­ aggregat (4) in einer gemeinsamen Einhausung (10) untergebracht sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Verbrennungseinrichtung (1) als Verbrennungsrost ausgebildet ist.

9. Vorrichtung nach einem der Anspüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Schmelzaggregat (4) als Tiegel­ oder Wannenofen ausgebildet ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Schmelzaggregat (4) als Dreh­ rohrofen ausgebildet ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungseinrichtung (1) mindestens eine Zuführung (6) für mit Sauerstoff ange­ reicherte Luft oder technisch reinen Sauerstoff auf­ weist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Schmelzaggregat (4) mindestens eine Zuführung (6) für mit Sauerstoff angereicherte Luft oder technisch reinen Sauerstoff aufweist.