DE4425117C2

DE4425117C2 - Verfahren zur Verbrennung von Klärschlamm in einem Wirbelschichtkessel

Info

Publication number: DE4425117C2
Application number: DE4425117A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr Bierbaum; Helmut Dr Kreusing
Original assignee: Rheinische Braunkohlenwerke AG
Current assignee: Rheinbraun AG
Priority date: 1994-07-15
Filing date: 1994-07-15
Publication date: 1998-05-07
Anticipated expiration: 2014-07-16
Also published as: DE4425117A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbrennen von Klärschlamm in einem Wirbelschichtkessel für die Verbrennung von Braunkohle, der einen der die Wirbelschicht enthaltenden Brennkammer nachgeschalteten Abscheider zur Trennung von Rauchgas und umlaufendem Bettmaterial sowie eine Rückführ leitung für die Rückführung des Bettmaterials in die Brenn kammer aufweist, wobei die zu verbrennende Braunkohle auf die Rückführleitung in einem Abstand vor der Mündung der Rückführ leitung in die Brennkammer aufgegeben wird.

Das Beseitigen von Klärschlämmen aller Art, beispielsweise kommunalen Klärschlämmen und Schlämmen aus der gewerblichen Wirtschaft, ist problematisch, sobald man diese Beseitigung unter dem Gesichtspunkt einer umweltgerechten Entsorgung vor nehmen will. Das früher geübte Deponieren von Klärschlämmen kann die Umwelt insoweit belasten, als die Klärschlämme häufig Schwermetalle enthalten, die nicht in den Untergrund gelangen dürfen. Zugleich hat sich die Menge der anfallenden Klär schlämme in den letzten Jahren stark vergrößert. Dies gilt insbesondere für kommunale Klärschlämme, die aus den Klär anlagen für Abwasser stammen. Auch diese Klärschlämme sind mit Schwermetallkomponenten belastet. Nach der geltenden TA-Sied lungsabfall ist das Deponieren von kommunalem Klärschlamm in der Zukunft nicht mehr uneingeschränkt möglich; es muß daher nach Möglichkeiten gesucht werden, sich des Klärschlamms auf andere Weise zu entledigen.

Daneben ist bekannt, daß die Trockensubstanz der Klärschlämme einen verhältnismäßig hohen Heizwert hat. Es lag also nahe, die Klärschlämme durch Trocknung thermisch soweit zu behan deln, daß deren Trockensubstanz entweder allein oder zusammen mit Stützbrennstoffen verbrannt werden kann.

In diesem Zusammenhang ist der Anmelderin ein unfangreicher Stand der Technik bekannt geworden, der sich insgesamt dadurch auszeichnet, daß man Klärschlämme mit kohlenstoffhaltigen und schadstoffeinbindenden, d. h., neutralisierenden Substanzenn vermischt, wodurch einerseits eine gewisse Abtrocknung der Klärschlämme erreicht wird und andererseits ein neuartiger Brennstoff entsteht, der in Kesselfeuerungen verbrannt werden kann. Im Zusammenhang damit ist auch das Brikettieren von Klärschlämmen und anderen Brennstoffen ggf. unter Einbindung von Kalk als neutralisierende Substanz bekannt geworden. Allen bekannten Maßnahmen ist jedoch gemeinsam, daß der Klärschlamm entweder vorher eine thermische, d. h. energieaufwendige Be handlung erfahren oder mit Hilfe von Zusatzstoffen in eine Form überführt werden muß, die seine Verbrennung erst ermög licht.

Aus der DE-40 07 635 C1 ist ein Verfahren zum Verbrennen von festen oder schlammartigen Brennstoffen in einer schwach ex pandierten Wirbelschicht bekannt, bei welchem der aus dem Wirbelschichtkessel mit dem Rauchgas ausgetragene Flugstaub gekühlt und zur Konstanthaltung der Wirbelschichttemperatur zurückgeführt wird. Wie im einzelnen der Klärschlamm beschaf fen ist und in welcher Weise er in den Wirbelschichtkessel eingeführt wird, bleibt in der genannten Vorveröffentlichung uneörtert.

Vor diesem Hintergrund hat sich die Erfindung die Aufgabe gestellt, mechanisch entwässerten Klärschlamm ohne weitere Behandlung einer Feuerung zuzuführen, in der der Klärschlamm so, wie er anfällt, verbrannt werden kann. Das Einführung des mechanisch entwässerten Klärschlamms in die Feuerung soll in einer Weise erfolgen, die einen störungsfreien Betrieb des Wirbelschichtkessels ermöglicht, insbesondere auch durch eine gute Verteilung des Klärschlamms in der Wirbelschicht.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, daß man bis auf einen Wassergehalt von 70 bis 75 Gew.-% mechanisch entwässer ten Klärschlamm in einem Mengenverhältnis zu Braunkohle zwi schen 0,2 : 1 und 1 : 1 zwischen der Aufgabestelle für die zu verbrennende Braunkohle und der Mündung der Rückführleitung in die Brennkammer des Wirbelschichtkessels auf das Gemisch aus Bettmaterial und Braunkohle auf die Rückführleitung aufgibt und zusammen mit der Braunkohle bei Atmosphärenduruck und Temperaturen zwischen 750 und 850°C innerhalb der Wirbel schicht, bei der es sich nicht um eine stationäre und schwach expandierte Wirbelschicht handelt, mit Hilfe von O₂-haltigen Gasen verbrennt.

Diese Verfahrensführung ist für die alleinige Verbrennung von Braunkohle in der Wirbelschicht an sich bekannt. Hierbei nutzt man die Wärmeenergie, die in dem abgeschiedenen und in den Wirbelschichtkessel zurückgeführten Bettmaterial enthalten ist, für die Vortrocknung der Braunkohle, um diese dadurch in einen reaktionsfreudigen Zustand zu überführen. Die Erfin dung geht noch einen Schritt weiter, indem sie vorsieht, auf das wärmeenergiereiche Gemisch aus Bettmaterial und Braunkohle eine vorbestimmte Menge an entwässertem Klärschlamm aufzuge ben, so daß dieser ebenfalls in einen reaktionsfreudigen Zu tand überführt wird und im Wirbelschichtkessel zusammen mit der Braunkohle verbrannt werden kann. Dabei ist es wichtig, daß der Klärschlamm auf das Gemisch aus Bettmaterial und Braunkohle aufgeben und nicht etwa auf andere Weise zugemischt wird. Nur bei dieser Art des Aufgebens ist gewährleistet, daß die Feuchtigkeitsanteile des Klärschlamms soweit entgasen, daß dessen Trockenzustand in den für die Verbrennung erforderli chen thermischen Zustand überführt wird.

Als günstig hat sich ein mittlerer Abstand zwischen der Auf gabestelle für die Braunkohle und der Aufgabestelle für den Klärschlamm erwiesen, der mindestens 30 und höchstens 50 cm beträgt. Als Bettmaterial wird Quarzsand verwendet, der sich im Laufe der Zeit immer mehr mit Asche und teilweise umgesetz ten Reststoffen der eingesetzten Brennstoffe, Braunkohle und Klärschlamm, anreichert. Das Bettmaterial ist für den Betrieb eines Wirbelschichtkessels unerläßlich.

Zur gemeinsamen Verbrennung des Klärschlamms mit der Braunkoh le kann sowohl Rohbraunkohle mit einem Feuchtigkeitsgehalt zwischen 50 und 65% als auch vorzerkleinerte Trockenbraunkoh le, mit einem Feuchtigkeitsgehalt zwischen 8 und 15%, vor gesehen werden. Je nachdem, welche Braunkohle für die Ver brennung vorgesehen ist, ändert sich das Mengenverhältnis zwischen Braunkohle und Klärschlamm. Im Falle der Rohbraunkoh le beträgt das Verhältnis von Rohbraunkohle zur Klärschlamm 4 : 1, und im Falle der Verbrennung von Trockenbraunkohle beträgt das Mengenverhältnis zwischen Trockenbraunkohle und Klärschlamm 2,75 : 1. Bevorzugt werden diese Grenzen etwas weiter gewählt, so daß man ein Mengenverhältnis von Braunkohle zu Klärschlamm zwischen 5 : 1 und 1 : 1 angibt.

Im Falle der Verbrennung von Rohbraunkohle beträgt deren Kör nung zwischen 0 und 15 mm und im Falle der Verbrennung von Trockenbraunkohle beträgt deren Körnung zwischen 0 und 5 mm ϕ.

Die Verbrennung im Wirbelschichtkessel zeichnet sich insbeson dere durch ein niedriges Temperaturniveau aus.

Hierbei wird das Entstehen von Stickstoffoxidverbindungen weitgehend vermieden. Im vorliegenden Falle sind demgemäß Verbrennungstemperaturen zwischen 750 und 850°C vorgesehen. Die Verbrennung selbst erfolgt mit Hilfe eines sauerstoff haltigen Gases, beispielsweise Luft, oder eines Gemisches aus Sauerstoff und Wasserdampf.

Das bei der Verbrennung im Wirbelschichtkessel entstehende Rauchgas wird zunächst über Wärmetauscherflächen geleitet, wo es seine fühlbare Wärme zur Erzeugung von Dampf abgibt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Nachfolgend wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher beschrieben. Die Figur zeigt in stark vereinfachter und teilweise schematischer Darstellung eine Anlage mit einem Wirbelschichtkessel für die gemeinsame Verbrennung von Braun kohle und Klärschlamm.

Der beispielsweise per LKW 1 angelieferte und auf Wassergehal te zwischen 70 und 75 Gew.-% mechanisch vorentwässerte Klär schlamm 2 wird zunächst in einem Behälter 3 zwischengelagert. Aus dem Behäler 3 wird der Klärschlamm 2 von einer Feststoff pumpe 4 abgezogen und in eine Zuführungsleitung 5 gedrückt. Die Zuführungsleitung 5 führt zu einem Wirbelschichtkessel 6.

Der Wirbelschichtkessel 6 besteht aus einer Brennkammer 7, welche die Wirbelschicht (nicht gezeigt) enthält. Seitlich an das obere Ende der Brennkammer 7 ist ein Abscheider 8 ange schlossen, der einen Ausgang 9 für das Rauchgas und eine Rück führungsleitung 10 aufweist. Wie man in der Figur erkennt, mündet das untere Ende 11 der Rückführleitung 10 unter einem spitzen Winkel 12 in den unteren Teil 13 der Brennkammer 7.

In einem mittleren Abstand 14 von der Mündung des unteren Endes 11 der Rückführleitung 10 in den unteren Teil 13 der Brennkammer 7 mündet eine Leitung 15, über welche Braunkohle 16 dem Wirbelschichtkessel 6 zugeführt wird. Die Aufgabestelle ist mit 36 bezeichnet. Die Braunkohle 16 ist in einem Behälter 17 bevorratet. Der mittlere Abstand 14 kann zwischen 2 bis 5 m betragen und hängt von der Länge und dem Durchmesser des unteren Teils 11 der Rückführungsleitung 10 ab.

In jedem Fall wird der mittlere Abstand groß genug gewählt, damit eine ausreichende Vermischung zwischen der Braunkohle 16 und dem Bettmaterial 18 stattfinden kann, das von dem Abschei der 8 aus dem Rauchgas 9 abgeschieden wird. Beim Bettmaterial handelt es sich um Inertmaterial, beispielsweise Quarzsamd. das als Wärmeträger funktioniert und sich im Laufe der Ge brauchszeit immer stärker mit Asche und unverbrannten, d. h., verkokten Reststoffen der eingestzten Brennstoffe, Braunkohle und Klärschlamm anreichert. Im vorliegenden Fall wird das Bettmaterial 18 beispielsweise in einem Zwischenbehälter 19 gesammelt, bevor es über das untere Ende 11 der Rückführlei tung 10 in den unteren Teil 13 der Brennkammer 7 abfließt.

In jedem Fall ist der mittlere Abstand 14 zwischen de Auf gabestelle 36 der Braunkohle 16 und der Mündung des unteren Endes 11 der Rückführleitung 10 in die Brennkammer 7 so ge wählt, daß eine ausreichende Vermischung mit dem heißen Bett material 18 und der zu verbrennenden Braunkohle 16 stattfinden kann, bevor das Gemisch in den unteren Teil 13 der Brennkammer 7 eintritt.

In einem Abstand 20, der zwischen 30 und 50 cm betragen kann, befindet sich die zweite Aufgabestelle 21 für das Eintragen von Klärschlamm 2 in den Wirbelschichtkessel 6.

Der Abstand 20 ist so gewählt, daß der einzutragende Klär schlamm 2 auf das Gemisch von Bettmaterial und Braunkohle aufgegeben werden kann, bevor das resultierende Gemisch aus diesen drei Stoffen in den unteren Teil 13 der Brennkammer 7 eingetragen wird. Hierbei ist gewährleistet, daß der Klärschlamm 2 von dem heißen Bettmaterial 18 und den aus der Braunkohle 16 austretenden flüchtigen Bestandteilen in einen reaktionsfreudigen Zustand überführt werden kann. Erfahrungs gemäß reicht dafür die zwischen dem mittleren Abstand 14 und dem Abstand 20 der zweiten Aufgabestelle 21 verbleibende Rest strecke aus.

Das aus dem Abscheider 8 austretende Rauchgas 9 wird zunächst über Wärmetauscherflächen 22 geführt, die innerhalb eines Rauchgaszuges 23 angeordnet sind. Dort gibt das Rauchgas 9 seine fühlbare Wärme ab und es entsteht Turbinendampf (nicht gezeigt) zur weitergehenden energetischen Nutzung.

Jedenfalls strömt das seiner fühlbaren Wärme weitgehend entle digte Rauchgas 24 über eine Leitung 25 zu einem Elektrofilter 26. Dort wird das abgekühlte Rauchgas 24 entstaubt; der an fallende Staub 27 wird unterhalb des Elektrofilters 26 abgezo gen. Das entstaubte Rauchgas 28 wird einer Reinigungsanlage 29 zugeführt, wo es mit einem Adsorptionsmittel in Berührung gebracht wird. Aus der Reinigungsanlage 29 wird das gereinigte Rauchgas 30 über einen Kamin 31 an die Atmosphäre 32 abge geben.

Im vorliegenden Fall besteht die Reinigungsanlage 29 aus einer Anordnung von mehreren Gewebefiltern 33. Diese Anordnung be dingt, daß dem entstaubten Rauchgas 28 vor dem Eintritt in die Reinigungsanlage 29 ein Adsorptionsmittel 34 zugeführt wird.

Auf diese Weise wird das entstaubte Rauchgas 28 mit dem Ad sorptionsmittel 34 in Berührung gebracht und auf der Außensei te der Gewebefilter 33 abgeschieden. Bei dem Adsorptionsmittel handelt es sich um Braunkohlenkoks mit feiner Körnung. Durch die Berührung mit dem Rauchgas 28 belädt sich der Braunkohlen koks 34 mit den Schadstoffen des Rauchgases 28, beispielsweise Schwefelverbindungen und Schwermetallkomponenten, und wird vom Gewebefilter 33 zurückgehalten. Davon wird er von Zeit zu Zeit abgeklopft und kann über eine Förderschnecke 35 aus der Reini gungsanlage 29 abgezogen werden.

In einem anderen, hier nicht gezeigten Beispiel, besteht die Reinigungsanlage 29 aus einem Festbettfilter, in welchem Braunkohlenkoks als Adsorptionsmaterial angeordnet ist.

Auf dessen Oberfläche schlagen sich zunächst die von dem Rauchgas 28 mitgeführten Schwefeloxide nieder und schaffen eine saure Atmosphäre. Diese saure Atmosphäre ist die Voraus setzung dafür, daß anschließend auf derselben Oberfläche die Schwermetallkomponenten zurückgehalten werden können. Hierbei belädt sich der Braunkohlenkoks und kann entweder kontinuier lich oder diskontinuierlich über eine Förderschnecke 35 un terhalb der Reinigungsanlage 29 abgezogen werden. Der beladene Braunkohlenkoks kann anschließend entweder der Brennkammer 7 zugeführt werden oder in einer gesonderten Verbrennung (nicht gezeigt) oder Deponie entsorgt werden.

Bezugszeichenliste

1

LKW

2

Klärschlamm

3

Behälter

4

Feststoffpumpe

5

Zuführungsleitung

6

Wirbelschichtkessel

7

Brennkammer

8

Abscheider

9

Ausgang Rauchgas

10

Rückführleitung

11

unteres Ende d. Rückführleitung

12

Winkel

13

unteres Ende d. Brennkammer

14

mittlerer Abstand

15

Leitung

16

Braunkohle

17

Behälter

18

Bettmaterial

19

Zwischenbehälter

20

Abstand

21

zweite Aufgabestelle

22

Wärmetauscherfläche

23

Rauchgas

24

Rauchgas

25

Leitung

26

Elektrofilter

27

Staub

28

entstaubtes Rauchgas

29

Reinigungsanlage

30

gereinigtes Rauchgas

31

Kamin

32

Atmosphäre

33

Gewebefilter

34

Adsorptionsmittel

35

Förderschnecke

36

Aufgabestelle für die Braunkohle

Claims

1. Verfahren zum Verbrennen von Klärschlamm in einem Kessel mit zirkulierender Wirbelschicht für die Verbrennung von Braunkohle, der einen der die Wirbelschicht enthaltenden Brennkammer nachgeschalteten Abscheider zur Trennung von Rauchgas und umlaufendem Bettmaterial sowie eine Rückführ leitung für die Rückführung des Bettmaterials in die Brenn kammer aufweist, wobei die zu verbrennende Braunkohle auf die Rückführleitung in einem Abstand von der Mündung der Rückführ leitung in die Brennkammer aufgegeben wird, dadurch gekennzeichnet, daß man bis auf einen Wasser gehalt von 70-75 Gew.-% mechanisch entwässerten Klärschlamm in einem Mengenverhältnis zur Braunkohle zwischen 0,2 : 1 und 1 : 1 zwischen der Aufgabestelle für die zu verbrennende Braunkohle und der Mündung der Rückführleitung in die Brenn kammer auf das Gemisch aus Bettmaterial und Braunkohle auf die Rückführleitung aufgibt und zusammen mit der Braunkohle bei Atmosphärendruck und Temperaturen zwischen 750 und 850°C innerhalb der Wirbelschicht, bei der es sich nicht um eine stationäre und schwach expandierte Wirbelschicht handelt, mit Hilfe von O₂-haltigen Gasen verbrennt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß man Rohbraunkohle mit einem Wassergehalt zwischen 50 und 65 Gew.-% und einer Körnung zwischen 0 und 15 mm im Mengenverhältnis zum Klärschlamm von ungefähr 4 : 1 zusammen mit dem Klärschlamm verbrennt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß man auf einen Wassergehalt zwischen 8 und 12 Gew.-% vorgetrocknete und auf eine Körnung zwischen 0 und 5 mm vorzerkleinerte Trockenbraunkohle im Mengenverhältnis zum Klärschlamm von ungefähr 1,75 : 1 zusammen mit dem Klärschlamm verbrennt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man die fühlbare Wärme der Rauchgase zur Erzeugung von Wasserdampf nutzt.

5. Wirbelschichtkessel für die Verbrennung von Braunkohle und Klärschlamm gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit einer Brennkammer, welche die Wirbelschicht enthält, und einem der Brennkammer nachgeschalteten Abscheider zur Trennung von Rauchgas und umlaufendem Bettmaterial sowie einer Rück führleitung für die Rückführung des Bettmaterials in die Brennkammer mit einer Aufgabestelle für die Braunkohle, die in einem Abstand vor der Mündung in die Brennkammer an der Rück führleitung vorgesehen ist, sowie mit Einrichtungen zum Ent stauben und Reinigen des Rauchgases, dadurch ge kennzeichnet, daß an der Rückführleitung (10, 11) zwischen der Aufgabestelle (36) für die Braunkohle (16) und der Mündung der Rückführleitung (11) in die Brennkammer (7) eine zweite Aufgabestelle (21) für den Klärschlamm (2) vor gesehen ist, die zur Aufgabestelle (36) für die Braunkohle (16) einen mittleren Abstand (20) von 50 cm hat.

6. Wirbelschichtkessel nach Anspruch 5, dadurch ge kennzeichnet, daß ein Vorratsbunker (3) für den zu verbrennenden Klärschlamm vorgesehen ist, der über eine Fest stoffpumpe (4) und eine Verbindungsleitung (5) mit einer zwei ten Aufgabestelle (21) für den Klärschlamm (2) an der Rück führleitung (11) in Verbindung steht.

7. Wirbelschichtkessel nach Anspruch 5, dadurch ge kennzeichnet, daß im Zuge des Rauchgases (9) hinter dem Abscheider (8) Wärmetauscherflächen (22) für die Dampf erzeugung, wenigstens ein Elektrofilter (26) und eine Ein richtung (29) zum Reinigen des Rauchgases (9, 24) vorgsehen sind und das entstaubte Rauchgas (28) mit einem Adsorptions mittel (34) in Berührung gebracht wird.