DE4230062A1 - Verfahren und Vorrichtung zur dauerhaften Immobilisierung schwermetallhaltiger Schadstoffe und zur Rückgewinnung von Schwermetallen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vor­ richtung zur dauerhaften Immobilisierung von schwer­ metallhaltigen Schadstoffen und zur Rückgewinnung von Schwermetallen.

Die Erfindung ist anwendbar bei der Behandlung und umweltverträglichen Entsorgung von Schadstoffen unter gleichzeitiger Erzeugung von wieder- bzw. weiterver­ wertbaren Produkten.

Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Lösungen bekannt, die das Einschmelzen der unterschiedlichsten Schadstoffe zum Inhalt haben. So beschreibt die DE 26 31 220 ein Verfahren zum Einschmelzen von ra­ dioaktiven Bestandteilen in Glas.

Die radioaktiven Bestandteile werden in wäßriger Suspension oder als Schlamm zusammen mit einem zum Erschmelzen von Glas geeigneten Gemenge in den Schmelzofen eingegeben. Die Schmelze aus Glas und den radioaktiven Bestandteilen wird elektrisch beheizt. Nach Erkalten der Schmelze liegt ein lagerbarer Fest­ stoff vor, welcher die radioaktiven Abfallstoffe ein­ schließt.

Eine wirtschaftliche Verwertung der Endprodukte die­ ses Verfahrens ist nicht möglich.

Die DE 38 41 889 beschreibt eine Lösung zur Überfüh­ rung von Müllverbrennungsasche in Glasform. Hierbei wird ein Teil der Schadstoffe aus der Müllverbren­ nungsasche unmittelbar in der Glasschmelze fest ein­ gebunden, die in Gasform entweichenden Schadstoffe werden abgekühlt, kondensiert und der Schmelze erneut zugeführt. Als Zuschlagstoffe können Glasscherben eingesetzt werden. Die entstehenden Glaskörper können als Schotter oder Betonzuschlag Verwendung finden.

Weiterhin ist in der DE 39 30 899 eine Lösung be­ schrieben, welche der umweltschonenden Beseitigung von Klärschlamm oder Flugasche dient, wobei die ge­ trockneten Rückstände gemeinsam mit fester Hochofen­ schlacke und/oder trockenem Rauchgasgips zu einer glasartigen Masse verschmolzen werden, welche über einen Überlauf kontinuierlich abgezogen wird.

All die bekannten Verfahren haben den Nachteil, daß eine Rückgewinnung der Schwermetalle aus den schwer­ metallhaltigen Schadstoffen nicht möglich ist, die Anwendungsgebiete der bekannten Lösungen durch den Einsatz von Elektroheizungen eingeschränkt sind und eine hohe Empfindlichkeit gegenüber organischen Stof­ fen besteht.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, welches effektiv und kosten­ günstig eine breite Palette von Schadstoffen dauer­ haft immobilisiert, weiterverwertbare Produkte er­ zeugt und die Rückgewinnung von Schwermetallen ermög­ licht.

Eine weitere Aufgabe besteht darin, eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens zu schaffen.

Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch die Merk­ male im kennzeichnenden Teil der Hauptansprüche 1 und 11 im Zusammenwirken mit den Merkmalen der jeweiligen Oberbegriffe sowie den ausgestaltenden Merkmalen der zugehörigen Unteransprüche gelöst.

Das erfindungsgemäße Schmelzreaktorverfahren hat ge­ genüber bekannten Verfahren den besonderen Vorteil, wertvolle Schwermetalle aus den eingesetzten Schad­ stoffen zurückzugewinnen und die aus den Schadstoffen nicht rückgewinnbaren Stoffe durch chemische Hochtem­ peraturreaktionen in einer Glasmatrix dauerhaft zu immobilisieren, wobei beide Produkte einer weiteren Verwertung zugeführt werden.

Beispiele verarbeitbarer schwermetallhaltiger Schad­ stoffe sind: Galvanikschlämme, Farb- und Lackschläm­ me, Klärschlämme, Filterstäube, Filteraschen, Äsche­ reischlamm, Bleikrätze, Salzschlacken, Gichtgasstäu­ be, Zinnaschen, Bleiaschen, Calciumphosphatschlamm, Anodenschlamm, Brüniersalzabfälle.

Das erfindungsgemäße Verfahren basiert darauf, daß schwermetallhaltige Schadstoffe, sonst nicht mehr verwertbares Altglas und die Rückstände der Abluft­ reinigung des Schmelzreaktors gemischt und zerklei­ nert diesem Reaktor zugeführt und bei Temperaturen bis etwa 1500°C geschmolzen und zur chemischen Reak­ tion gebracht werden. In der Reaktionszone des Schmelzreaktors werden dem einschmelzenden Gemisch separat Mittel zur Steuerung der erwünschten chemi­ schen Reaktion zudosiert.

Durch Regelung der mit fossilen Brennstoffen erfol­ genden Beheizung des Schmelzreaktors und die Zufuhr von Reaktionsmitteln und/oder Katalysatoren in gas­ förmigem, festem und/oder flüssigem Zustand zu der sich im Schmelzreaktor befindlichen Glasschmelze wer­ den die notwendigen chemischen Reaktionen und die dazu nötigen Temperaturen je nach Zusammensetzung und Oxidationsgrad bzw. Redoxpotential der eingesetzten schwermetallhaltigen Schadstoffe und den erwünschten Eigenschaften der zu produzierenden Stoffe beeinflußt und gesteuert.

Beispiele derartiger Reaktionsmittel/Katalysatoren sind:
gasförmig: Luft, Sauerstoff, brennbare Gase, Schwefeldioxid,
flüssig: Öle, Fette, Wasser, Wasserstoffperoxid,
fest: Kohlenstaub, Brikettabrieb, Zinnchlo­ rid, Zinnoxid, Nitrate.

Das dem Schmelzreaktor zugeführte Gemisch reagiert bei hohen Temperaturen in festem, gasförmigem und/oder flüssigem Zustand untereinander, mit der darüberliegenden, aus Verbrennungsprodukten und Gasen und Stäuben des zugeführten Gemisches bestehende At­ mosphäre und den in die Glasmasse eingebrachten Reak­ tionsmitteln und Katalysatoren.

Die mit Schwermetallen angereicherte Glasschmelze wird nach einer Konditionierung kontinuierlich einer weiteren Verarbeitung zugeführt und die in flüssiger Form anfallenden Schwermetalle werden durch eine Öff­ nung im Boden des Schmelzreaktors in verhüttungsfähi­ gem Zustand kontinuierlich und/oder diskontinuierlich abgelassen.

Bei Einhaltung entsprechender Glasbildungsbedingungen ist die abgeführte Glasmasse ein komplexer, physika­ lisch und chemisch einheitlicher glasiger Stoff, der vollkommen andere chemisch-physikalische Eigenschaf­ ten besitzt als die Stoffe, aus denen er gebildet wurde.

Die in der Glasmasse enthaltenen Schwermetalle liegen in Form einer silikatischen Bindung vor, wie zum Bei­ spiel Chrom in grünem Flaschenglas.

Halogenverbindungen können bis zu einem bestimmten Anteil ebenfalls in die Glasmatrix eingebaut werden.

Schwermetalle, die sich aus der Glasschmelze und/oder dem zugeführten Gemisch ausscheiden, sammeln sich infolge der Dichteunterschiede zwischen den Schwerme­ tallen und der Glasmasse am Boden des Schmelzreaktors in flüssigem Zustand.

Die aus dem Schmelzreaktor abgelassenen Schwermetalle stellen einen wertvollen Rohstoff dar, der von der metallverarbeitenden Industrie wieder zur Herstellung anderer Produkte verwendet wird.

Die Glasmasse kann in vielfältiger Form, beispiels­ weise im Bauwesen und zur Herstellung von Isolierma­ terialien, weiterverarbeitet werden.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Schmelzreak­ torverfahrens wurde ein geschlossener Schmelzreaktor geschaffen, der mit fossilen Brennstoffen über Öff­ nungen in den Stirn- und/oder Seitenwänden oberhalb der Glasschmelze beheizt wird.

In den Stirn- und/oder Seitenwänden des Schmelzreaktors befindet sich mindestens je eine Öffnung für die Zufuhr des Gemisches und den Ablaß der Glasschmelze, wobei die Zufuhröffnung oberhalb und die Ablaßöffnung unterhalb der Oberfläche der flüssigen Glasschmelze angeordnet ist.

Der Abzug für die gasförmigen, mit Staub beladenen Reaktionsprodukte aus Verbrennung und Hochtemperatur­ reaktionen des zugeführten Altglas-Schadstoff-Gemi­ sches befindet sich an den Seiten- und/oder Stirnwän­ den und/oder in der Decke des Schmelzreaktors, er kann aus mehreren Öffnungen bestehen. Hinter dem Ab­ zug ist eine Abluftreinigung angeordnet, die verhin­ dert, daß staub- oder gasförmige Schadstoffe an die Umgebung abgegeben werden. Die aufgefangenen Schad­ stoffe werden in den Schmelzreaktor zurückgeführt.

Zur Beeinflussung der chemischen Reaktionen im Schmelzreaktor sind im Boden und/oder in Seiten- und/oder Stirnwänden mindestens zwei Düsen unterhalb der Oberfläche der flüssigen Glasschmelze angeordnet.

Im Boden des Schmelzreaktors ist mindestens eine Öff­ nung vorhanden, durch die flüssige Schwermetalle ab­ gelassen werden. Der Boden des Schmelzreaktors ist allseitig in Richtung des Schwermetallablasses geneigt.

Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausfüh­ rungsbeispielen näher erläutert werden. Dabei wird sowohl das erfindungsgemäße Verfahren als auch die zu seiner Durchführung geschaffene Vorrichtung beschrie­ ben.

Die Figur zeigt einen Schnitt durch den erfindungs­ gemäßen Schmelzreaktor.

Die nötigenfalls vorgetrockneten und zerkleinerten schwermetallhaltigen Schadstoffe werden mit dem zer­ kleinerten Altglas und dem in der Abluftreinigung anfallenden schadstoffbehafteten Staub gemischt, wo­ bei das Mischungsverhältnis (je nach Zusammensetzung des Schadstoffes) zwischen dem Altglas und dem Schad­ stoff 1 : 0,1 bis 1 : 4 betragen kann. Dieses Altglas- Schadstoffgemisch 7 wird mittels bekannter Vorrich­ tungen dem Schmelzreaktor 1 über Stirnwand- und/oder Seitenwandöffnungen oberhalb der sich im Schmelzreak­ tor 1 befindlichen Glasschmelze 8 zugeführt.

Im Schmelzreaktor 1 wird mittels fossiler Brennstoffe eine Temperatur bis ca. 1500°C erzeugt, wodurch das Altglas-Schadstoffgemisch 7 schmilzt und eine Hoch­ temperaturreaktion ausgelöst wird.

Die Reaktionszeit und die Reaktionsparameter sind dabei so bemessen, daß die Hochtemperaturreaktion vollständig abläuft und die Schadstoffe eine silika­ tische Bindung in der Glasschmelze eingehen.

Der in der Figur im Schnitt schematisch dargestellte Schmelzreaktor 1 gliedert sich in einen Reaktionsteil A, einen Läuterteil B und einen Konditionierungsteil C.

Das Altglas-Schadstoff-Gemisch 7 gelangt durch den Zulauf 1a in den Reaktionsteil A. Im Reaktionsteil A werden durch im Boden 4 befindliche Düsen 3, deren Mündungen sich innerhalb der Glasschmelze befinden und deren Eintauchtiefe unterschiedlich sein kann, Reaktionsmittel und/oder Katalysatoren der Glas­ schmelze 8 zugeführt. Im Reaktionsteil A finden die wesentlichen Reaktionen zur Glasbildung und zur Ab­ scheidung von Schwermetallen statt.

Eine weitere Zufuhr von Reaktionsmitteln und/oder Katalysatoren erfolgt zu Beginn des Läuterteiles B, wobei je nach gewünschtem Effekt Mittel zur Beein­ flussung der chemischen Reaktionen oder zur Beein­ flussung der Läuterung der Glasschmelze eingesetzt werden.

Im Boden 4 des Schmelzreaktors 1 ist mindestens ein Schwermetallablaß 5 vorhanden, durch den die flüssi­ gen Schwermetalle abgelassen werden. Der Boden 4 des Schmelzreaktors 1 ist allseitig in Richtung des Schwermetallablasses 5 geneigt.

Die sich aus der Glasschmelze 8 ausscheidenden Schwermetalle sammeln sich durch das Gefälle des Re­ aktorbodens 4 am Schwermetallablaß 5 und werden durch diesen aus dem Schmelzreaktor 1 entfernt.

Die mit Schwermetallen angereichertge Glasschmelze 8 wird aus dem Konditionierungsteil c des Schmelzreak­ tors durch den Überlauf 6 entfernt.

Eine Beheizung des Schmelzreaktors mit fossilen Brennstoffen erfolgt über die Öffnungen 2, wobei sich bei diesem Anwendungsbeispiel die Abzüge für Verbren­ nungs- und Reaktionsprodukte in der gegenüberliegen­ den Seitenwand befinden und die Beheizung und Vorwär­ mung der Verbrennungsluft regenerativ stattfinden.

Die Erfindung leistet einen wesentlichen Beitrag zur Gesundung der Umwelt, indem Schadstoffe nicht nur effektiv beseitigt, sondern in weiterverarbeitbare Stoffe umgewandelt und zusätzlich wertvolle Materia­ lien zurückgewonnen werden. Die zur Verfahrensdurch­ führung benötigte Energie kann ebenfalls aus Abfall­ produkten, beispielsweise Altöl, erzeugt werden.

Claims (13)

1. Verfahren zur dauerhaften Immobilisierung schwermetallhaltiger Schadstoffe und zur Rückge­ winnung von Schwermetallen unter Verwendung ei­ ner Glasschmelze,
dadurch gekennzeichnet,
daß Glas und schwermetallhaltige Schadstoffe ge­ mischt und zerkleinert einem Schmelzreaktor zu­ geführt werdenn
im Schmelzreaktor Temperaturen bis ca. 1500°C erzeugt werden,
das Gemisch aus Schadstoffen und Glas bei dieser Temperatur geschmolzen und einer Hochtemperatur­ reaktion unterzogen wird,
dem Schmelzreaktor Reaktionsmittel und/oder Ka­ talysatoren zur Steuerung der chemischen Reak­ tion zugeführt werden,
Schwermetalle in flüssiger Form durch einen Ab­ laß aus dem Prozeß kontinuierlich und/oder dis­ kontinuierlich entfernt werden und
die mit Schwermetallen angereicherte Glasschmel­ ze kontinuierlich durch einen Überlauf entfernt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß das Masseverhältnis von Glas und schwermetallhaltigen Schadstoffen im Bereich von 1 : 0,1 bis 1 : 4 liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als Glas Altglas verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die schwermetallhaltigen Schadstoffe in Schlämmen und/oder Stäuben und/oder Aschen und/oder Schlacken enthalten sind.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Erzeugung der Temperatur im Schmelzreaktor durch Verbrennung fossiler Brenn­ stoffe erfolgt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß als fossiler Brennstoff Altöl verwendet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Zuführung der Reaktionsmittel und/oder Katalysatoren zur Steuerung der chemi­ schen Reaktionen im Schmelzreaktor innerhalb der Glasschmelze erfolgt.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die bei dem Schmelzvorgang und der Hochtemperaturreaktion entstehenden gasförmigen, mit Staub beladenen Reaktionsprodukte einer Ab­ luftreinigung zugeführt, die Schadstoffe weitge­ hend entfernt und dem Schmelzreaktor erneut zu­ geführt werden.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die aus der Glasschmelze erhaltene Glasmasse einer weiteren Verwertung zugeführt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die abgelassenen Schwermetalle einer Verhüttung zugeführt werden.

11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bestehend aus ei­ nem geschlossenen Schmelzreaktor, der je eine Öffnung für die Zufuhr des Gemisches oberhalb und für den Überlauf unterhalb der Oberfläche der flüssigen Glasschmelze besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß im Boden (4) und/oder in den Seiten- und/oder Stirnwänden des Schmelzreaktors (1) mindestens zwei Düsen (3) zur Einführung von Reaktionsmitteln und/oder Katalysatoren in die Glasschmelze (8) unterhalb der Oberfläche der Glasschmelze (8) angeordnet sind und sich im Boden (4) des Schmelzreaktors (1) mindestens ein Schwermetallablaß (5) zum Ablassen der Schwerme­ talle befindet.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Boden (4) allseitig in Rich­ tung des Schwermetallablasses (5) geneigt ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Schmelzreaktor (1) aus einem Reaktionsteil (A), einem Läuterteil (B) und ei­ nem Konditionierungsteil (C) besteht, wobei der Reaktionsteil (A) und der Läuterteil (B) über Öffnungen (2) direkt mit fossilen Brennstoffen beheizt wird.