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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein neues Verfahren für die Nassoxidation
von Schlamm, insbesondere von überschüssigem Schlamm,
der durch biologische Kläranlagen
erzeugt wird, sowie auf eine Vorrichtung zum Ausführen des
Verfahrens.
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Nassoxidation
ist ein bekannter Prozess, bei dem durch Sauerstoff, der direkt
in der flüssigen
Reaktionsphase gelöst
ist, die organischen Substanzen, die in Abfallflüssigkeiten (Abwasser) oder
Schwerstoffwasser (Schlamm) vorhanden sind, abgebaut und/oder durch
Oxidation modifiziert werden können,
vorausgesetzt, dass ihre Konsistenz ein Pumpen zulässt, so
dass sie in die Anlage geleitet werden können. Die Konzentration von
oxidierbaren Stoffen in Abwasser kann als COD (kumulativer Sauerstoffbedarf)
ausgedrückt
werden, der die Menge von Sauerstoff in mg/l oder kg/m3 angibt,
die erforderlich ist, um die vorhandenen Substanzen vollständig abzubauen.
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Biologische
Anlagen zum Klären
von Abwasser mit industriellem und privatem Ursprung produzieren in
ihrem Normalbetrieb einen Überschuss
an suspendierter Biomasse, die aus dem Produktionszyklus systematisch
abgezogen wird und unter der Bezeichnung überschüssiger Schlamm bekannt ist.
Dieser Schlamm ist gekennzeichnet durch den Gehalt an suspendierten
Schwebstoffen (im Folgenden als SS bezeichnet) und durch den Gehalt
an flüchtigen
suspendierten Schwebstoffen (im Folgenden als VSS bezeichnet), die
den Anteil der suspendierten Schwebstoffe darstellen, der durch
Erhitzen der gesamten suspendierten Schwebstoffe auf 600°C verbrennt
oder in die Luft verdampft und im Wesentlichen aus den oxidierbaren
organischen Substanzen und Wasser von der Kristallisation der anorganischen
Verbindungen besteht.
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Der
Gehalt an flüchtigen
suspendierten Schwebstoffen eines überschüssigen biologischen Schlamms kann
in Übereinstimmung
mit einem Korrelationskoeffizienten, der je nach Schlamm verschieden
ist, jedoch durch einen Fachmann leicht bestimmt werden kann, mit
seinem COD-Wert korreliert werden. Deswegen kann dann, wenn der
Gehalt an VSS eines bestimmten biologischen Schlamms gegeben ist,
der COD-Wert des Schlamms bestimmt werden, falls der Korrelationskoeffizient
bekannt ist.
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Nachdem
der überschüssige Schlamm
aus der Anlage entnommen wurde, wird er gewöhnlich verdickt, gefiltert
oder zentrifugiert. Nur verdickter Schlamm kann direkt mit einer
Nassoxidation behandelt werden, da er aus dichten Flüssigkeiten
besteht, die noch gepumpt werden können. Verdickter Schlamm hat
eine Konzentration von suspendierten Schwebstoffen, die im Allgemeinen
niedriger als 2,5 bis 3,5 Gewichtsprozent des Gesamtgewichts beträgt, und
einen Wert COD von 25 bis 45 g/l.
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Das
Verfahren der Nassoxidation ist an sich exotherm, um jedoch innerhalb
von industriell akzeptablen Zeiträumen zu arbeiten, ist es erforderlich,
das Abwasser gewöhnlich
in einem oder zwei Schritten zu erwärmen, bei denen das Abwasser
z. B. anfangs auf Temperaturen von etwa 100°C gebracht wird und anschließend auf
eine Temperatur gebracht wird, die im Allgemeinen im Bereich von
180°C bis
260°C liegt,
d. h. eine Temperatur, bei der der Sauerstoff in Bezug auf das Abwasser
eine ausreichend hohe Reaktionsfähigkeit
besitzt.
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Ein
Erwärmen
wird herkömmlich
mit Hilfe von Wärmetauschern
ausgeführt.
Im Unterschied zu flüssigem
Abwasser besitzt der Schlamm insbesondere dann, wenn er verdickt
wurde, den Nachteil, dass er auf den Oberflächen der Wärmetauscher, die entworfen
wurden, um den Schlamm zu erwärmen,
Ablagerungen erzeugt und rasch bewirkt, dass sie ihre Wirksamkeit
verlieren, was eine häufige
Reinigung erzwingt, was demzufolge finanzielle Ausgaben und einen
Verlust der Anlageneffektivität
zur Folge hat. Das Problem ist insbesondere in dem Erwärmungsschritt
schwerwiegend, bei dem der Schlamm auf die endgültige Arbeitstemperatur der
Anlage gebracht wird. Da darüber
hinaus die Notwendigkeit der Pumpfähigkeit des Schlamms eine Behandlung
von Schlamm mit einem niedrigen COD-Gehalt erzwingt, erzwingt das
schwache exotherme Verhalten der Oxidation ein wesentliches Vorheizen,
wodurch das Phänomen
von Ablagerungen verschlechtert wird. Ein Beispiel der Nassoxidation
nach dem Stand der Technik ist durch Schultz u. a. gegeben (
US 5.540.847 ).
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Als
eine Folge des oben Beschriebenen besteht das Ziel der Erfindung
darin, ein Verfahren für
die Nassoxidation von pumpfähigen
Schlämmen,
insbesondere von überschüssigem Schlamm,
der durch biologische Kläranlagen
erzeugt wird, zu schaffen, das die im Stand der Technik vorhandenen
Nachteile überwindet.
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Eine
der Aufgaben besteht darin, ein Verfahren für die Nassoxidation von überschüssigem Schlamm zu
schaffen, das in den Wärmetauschern
keine Probleme von Ablagerungen bewirkt.
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Eine
weitere Aufgabe besteht darin, ein Verfahren für die Nassoxidation von überschüssigem Schlamm
zu schaffen, bei dem die Wärmemenge,
die im Erwärmungsschritt
angewendet werden muss, verringert werden kann.
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Eine
Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren für die Nassoxidation
von überschüssigem Schlamm
zu schaffen, das in Bezug auf die vorhandene Technologie wirtschaftlich
vorteilhaft ist.
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Eine
weitere Aufgabe besteht darin, eine Vorrichtung zu schaffen, die
insbesondere zum Bereitstellen eines Verfahrens für die Nassoxidation
von Schlamm, die oben definiert wurde, dient.
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Dieses
Ziel und diese sowie weitere Aufgaben werden im Folgenden besser
verständlich
und werden durch ein Verfahren für
die Nassoxidation von Schlamm, insbesondere für überschüssigen Schlamm, der durch biologische
Kläranlagen
erzeugt wird, erreicht, das wenigstens einen Schritt der Erhöhung der
Temperatur des Schlamms unter Verwendung wenigstens einer Injektion
von Dampf unter einem hohen Druck umfasst, wobei der Schlamm einen
Gehalt an suspendierten Schwebstoffen von weniger als 15 Gewichtsprozent des
Gesamtgewichts des Schlamms hat und wobei der Hochdruckdampf einen
Druck im Bereich von 18 bis 85 Bar aufweist und in jedem Fall höher ist
als der Druck, bei dem die Nassoxidation erfolgt.
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Das
Ziel und die Aufgaben der Erfindung werden außerdem erreicht durch eine
Vorrichtung zum Ausführen
eines Verfahrens für
die Nassoxidation von Schlamm, die wenigstens einen Oxidationsreaktor,
ein Mittel, um den Schlamm mit Druck zu beaufschlagen und dem Reaktor
zuzuführen,
und ein Mittel zum Hinzufügen von
Sauerstoff innerhalb der Vorrichtung umfasst, dadurch gekennzeichnet,
dass sie ein Mittel zum Injizieren von Dampf, der einen Druck im
Bereich von 18 bis 25 Bar hat, an wenigstens einem Punkt innerhalb
der Vorrichtung umfasst.
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Es
ist klar, dass jede Charakteristik, die in Bezug auf lediglich einen
der Aspekte der Erfindung erwähnt wurde,
jedoch auch andere Aspekte betreffen kann, in Bezug auf die anderen
Aspekte ebenfalls als gültig
zu betrachten ist, obwohl das nicht explizit wiederholt wird.
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In
einem ersten Aspekt bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren
für eine
Nassoxidation, das in Bezug auf bekannte Verfahren im Wesentlichen
durch die teilweise oder vollständige
Ersetzung der Wärmetauscher
durch eine oder mehrere Injektionen von erhitztem Dampf gekennzeichnet
ist, wobei wenigstens eine Injektion mit Hochdruckdampf erfolgt.
Die vollständige
Ersetzung der Wärmetauscher
sowohl im Vorwärmschritt
als auch in dem Oxidationsaufrechterhaltungsschritt ermöglicht eine
Behandlung von Schlamm, ohne dass Probleme von Ablagerungen an den
Wärmetauschern
auftreten. Da es die Erfindung darüber hinaus erleichtert, Schlamm,
wie etwa verdickten Schlamm, mit einem hohen Gehalt an suspendierten
Schwebstoffen, flüchtigen
suspendierten Schwebstoffen und COD (wobei die unüberwindliche
Grenze der Pumpfähigkeit
eingehalten wird) zu behandeln, ist es in geringerem Maße erforderlich,
eine beträchtliche
Wärmemenge
zuzuführen,
um den Schlamm auf die endgültige
Arbeitstemperatur zu bringen, wodurch die Nachteile der Wärmetauscher
weiter verringert werden.
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Gemäß der Erfindung
wird die Temperatur des Schlamms mit Hilfe wenigstens einer Injektion
von Dampf bei einem hohen Druck auf einen Wert erhöht, der
im Bereich von 180°C
bis 260°C
liegt. Bei zwei oder mehr Injektionen ist es vorteilhaft, Injektionen
von Dampf bei niedrigem und hohem Druck zu kombinieren. Besonderer
Vorzug sollte der Ausführungsform
gegeben werden, bei der zwei Injektionen erfolgen, wobei die erste
Injektion mit Niederdruckdampf erfolgt, um den Schlamm auf Temperaturen
vorzuwärmen,
die im Allgemeinen im Bereich von 70°C bis 120°C liegen, und die zweite Injektion
mit Hochdruckdampf erfolgt, um den Schlamm auf eine Temperatur zu
bringen, die im Bereich von 180°C
bis 260°C
liegt (Arbeitstemperatur).
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Der
Niederdruckdampf muss stromaufwärts
von der Pumpe injiziert werden, die den Schlamm dem Reaktor zuführt, hat
einen Druck, der vorteilhaft im Bereich von 0,1 Bar bis 15 Bar liegt,
und eine Temperatur, die im Bereich von 105°C bis 200°C liegt.
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Der
Hochdruckdampf hat einen Druck, der größer als der Arbeitsdruck in
dem Oxidationsreaktor ist, und liegt im Bereich von 18 bis 85 Bar,
vorteilhaft im Be reich von 30 bis 55 Bar, und eine Temperatur im
Bereich von 210°C
bis 300°C,
vorzugsweise im Bereich von 235°C
bis 270°C.
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Die
wenigstens eine Injektion von Hochdruckdampf kann erfolgen, bevor
der Schlamm dem Reaktor zugeführt
wird und/oder in dem eigentlichen Reaktor, d. h. sowohl vor als
auch während
der Oxidation. Wenn mehrere Reaktoren in der Vorrichtung vorhanden
sind, wird der Dampf unter hohem Druck spätestens in den ersten Reaktor
injiziert.
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Die
durch die Erfindung geschaffene Lösung ermöglicht, Schlamm zu verarbeiten,
der stärker
konzentriert ist und einen höheren
COD-Wert als jener in der herkömmlichen
Technik besitzt, was zu einer vorteilhaften Verringerung des Betrags
der Energie führt,
die zugeführt
werden muss, um eine Oxidation des Schlamms in einer industriell
nutzbaren Zeit zu erreichen, jedoch ohne die Nachteile für die Wärmetauscher.
Dieser zuletzt genannte Aspekt ist eine wirtschaftliche Verbesserung,
da er die Wartungskosten der Anlage verringert.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
umfasst das erfindungsgemäße Verfahren
die folgenden Schritte:
- a) Bereitstellung von überschüssigem Schlamm,
gekennzeichnet durch einen Gehalt von suspendierten Schwebstoffen
von weniger als 15%, vorzugsweise im Bereich von 4 Gewichtsprozent
bis 8 Gewichtsprozent des Gesamtgewichts des Schlamms;
- b) Vorerhitzung, bei einem Druck von weniger als 3 Bar, vorzugsweise
bei Umgebungsdruck, des Schlamms auf eine Temperatur im Bereich
von 70°C
bis 140°C,
vorzugsweise im Bereich von 80°C
bis 100°C,
unter Verwendung von
– wenigstens
einer Injektion von Niederdruckdampf mit einem Druck im Bereich
von 0,1 Bar bis 15 Bar oder
– einem oder mehreren Wärmetauschern;
- c) Erhöhung
des Drucks des Schlamms auf einen Druck im Bereich von 15 bis 80
Bar, vorteilhafterweise im Bereich von 25 bis 50 Bar;
- d) Einführen
des vorerhitzten und unter Druck gesetzten Schlamms, des Sauerstoffs,
der zur Oxidation des Schlamms benötigt wird, und des Hochdruckdampfes
in einen Reaktor zur Nassoxidation, und Stattfindenlassen der Oxidationsreaktion,
bis die ausgewählte
Reduktion von COD erzielt wird.
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Es
ist sehr vorteilhaft, dass der Schritt b) unter Verwendung von Niederdruckdampf
erfolgt, um die Nachteile der Verwendung der Wärmetauscher vollständig zu
beseitigen.
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Wenn
mehr als ein Reaktor verwendet wird, kann der Sauerstoff auf die
verschiedenen Reaktoren verteilt werden. Als eine Alternative zur
direkten Injektion des Hochdruckdampfes in den Reaktionsreaktor
kann dieser Dampf in das Rohr zum Zuführen des Schlamms zum Reaktor
(d. h. zwischen den Schritten c) und d), die oben beschrieben wurden,
ausgeführt
werden.
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Das
Verfahren enthält
vorteilhaft nach dem Schritt d) einen zusätzlichen Schritt des Folgenden:
- e) Wiedergewinnen des Abflusses von Schritt
d) und Auftrennen desselben in einen Bestandteil, der die Feststoffe
enthält,
und einen Bestandteil, der die flüssigen Stoffe enthält.
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Es
ist noch vorteilhafter, wenn das Verfahren nach dem Schritt e) einen
zusätzlichen
Schritt des Folgenden enthält:
- f) Waschen mit Wasser, vorzugsweise mit einer
wässerigen
alkalischen Lösung,
des Bestandteils, der die Feststoffe des in Schritt e) wiedergewonnenen
Abflusses enthält.
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Der
Waschschritt ist so entworfen, dass er aus dem Abfluss sämtliche
organischen Substanzen entfernt, die noch nicht vollständig abgebaut
wurden, jedoch wasserlöslich
geblieben sind und im Wasser noch vorhanden sein können, um
diesen Abfluss reaktionsträge
zu halten. Eine vollständige
Reaktionsträgheit
ist vorteilhaft in Hinsicht auf die Entsorgung von Reststoffen und
im Hinblick auf die rechtlichen Einschränkungen bei der chemischen
und bakteriologischen Güte
der Reststoffe, die entsorgt werden sollen.
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Wenn
der anfängliche
Schlamm einen Gehalt von suspendierten Schwebstoffen von mehr als
12 Gewichtsprozent hat, umfasst das Verfahren einen Schritt zum
Verdünnen
des Schlamms. In diesem Fall kann das Verdünnen in einem Schritt a') erfolgen, der vor
den anderen Schritten zuerst auszuführen ist.
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Es
ist vorteilhaft, wenn der anfängliche
Schlamm einen Gehalt von suspendierten Schwebstoffen hat, der im
Bereich von 2 Gewichtsprozent bis 15 Gewichtsprozent des Gesamtgewichts
des Schlamms liegt. Wenn der anfängliche
Gehalt des Schlamms unterhalb dieses Bereichs liegt, kann das Verfahren
einen Schritt a'') zum Konzentrieren
des Schlamms enthalten, der vor den anderen Schritten auszuführen ist.
Dieser Schritt kann z. B. in Sieben oder Abscheidertanks wahlweise
mit Hilfe von Flockungsmitteln und/oder Polyelektrolyten erfolgen.
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Die
Ausdrücke "Flockungsmittel" und "Polyelektrolyte" bezeichnen gewöhnlich polymere
Substanzen, die in der Lage sind, Koagulation, Ausflockung und Abscheidung
des Schlamms zu verursachen. Beispiele von Flockungsmitteln sind
anorganische Flockungsmittel, die aus Eisenchlorid und -sulphat,
Aluminiumchlorid, Polychlorid und Sulphat und Mischungen hiervon
ausgewählt
werden. Beispiele von Polyelektrolyten sind organische Polyelektrolyte,
die aus Polyalkoholen, Polyestern, Polyethern, Polyacrylaten und/oder
Polyacrylamiden, die wahlweise substituiert sind, und Mischungen
hiervon ausgewählt
werden.
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In
einem zweiten Aspekt bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung
zum Ausführen
eines Verfahrens für
die Nassoxidation von Schlamm, insbesondere von überschüssigem Schlamm, der durch biologische Kläranlagen
erzeugt wird. Die Vorrichtung ist unterschiedlich in Bezug auf die
herkömmliche
Vorrichtung, da sie mit Mitteln ausgerüstet ist, um innen Hochdruckdampf
zu injizieren, wodurch die gewöhnlich
verwendeten Wärmetauscher
ersetzt werden.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
schließt
nicht das Vorhandensein von herkömmlichen
Wärmetauschern
aus, die trotzdem vorhanden sein können, die jedoch ausschließlich während des
Vorerhitzungsschrittes (anstelle des Niederdruckdampfes) verwendet
werden. Das Vorerhitzen ist tatsächlich
der Schritt, der weniger Probleme der Bildung von Ablagerungen beinhaltet,
da er gewöhnlich
bei geringem Druck (atmosphärischer
Druck oder wenige Bar) in leichtgewichtigen Vorrichtungen ausgeführt wird,
die leicht inspiziert und deswegen bei geringen Kosten gereinigt
werden können.
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Der
Reaktor kann bereits mit Vorrichtungen versehen sein, die beschaffen
sind, um die gasförmige Phase
(Gase, die durch die Reaktion erzeugt werden, plus gesättigter
Dampf), die im Reaktor vorhanden ist, abzutrennen und zu entfernen.
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In
einer Ausführungsform
umfasst das Mittel zum Injizieren von Dampf Düsen und wenigstens einen Generator
für Hochdruckdampf
(z. B. eine Verdampfungseinrichtung).
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In
einer weiteren Ausführungsform
umfasst die Vorrichtung ferner außerdem wenigstens eine Vorheizkammer,
die vor dem Reaktor oder den Reaktoren angeordnet ist, in denen
eine Oxidation erfolgt, und umfasst ein Mittel zum Injizieren des
Dampfes bei geringem Druck. Die Vorheizkammer kann durch einen oder
mehrere Wärmetauscher
ersetzt werden.
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In
einer weiteren Ausführungsform
umfasst die Vorrichtung ferner außerdem wenigstens eine Ausdehnungskammer,
die stromabwärts
von dem Reaktor oder den Reaktoren angeordnet ist und in der infolge
der Ausdehnung des Ausflusses des Reaktors Niederdruckdampf erzeugt
wird und vorteilhaft verwendet wird, um den Schlamm vorzuheizen.
Wenn der Ausfluss des Reaktors eine Mischphase (Flüssigkeit,
Festkörper
und Gas) ist, d. h. wenn die Trennung der gasförmigen Phase nicht im Reaktor
erfolgt, gibt es wenigstens zwei Ausdehnungskammern mit abnehmendem
Druck und die gasförmige
Phase wird in der ersten Kammer entfernt, während der Niederdruckdampf
in der zweiten Kammer erzeugt wird.
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In
einer Ausführungsform
umfasst die Vorrichtung ferner außerdem wenigstens einen Abscheidertank, der
stromabwärts
von dem Reaktor und von der Ausdehnungskammer, falls vorhanden,
angeordnet ist.
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In
einer Ausführungsform
umfasst die Vorrichtung ferner außerdem wenigstens einen Wäscher, der stromabwärtig von
dem Abscheidertank angeordnet ist.
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Vorzugsweise
sind sämtliche
optionalen Elemente, die oben beschrieben wurde, vorhanden, da es
dadurch möglich
ist, die Dampfphase der Ausdehnung des Ausflusses als eine Quelle
des Niederdruckdampfes, der injiziert werden soll, wiederzugewinnen
und erneut zu nutzen.
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Die
Düsen zum
Injizieren des Dampfes unter hohem Druck befinden sich vorzugsweise
an dem wenigstens einen Oxidationsreaktor und wenn wenigstens zwei
Reaktoren vorhanden sind, die durch geeignete Verbinder verbunden
sind, müssen
die Düsen
an dem ersten Reaktor der verschiedenen Reaktoren angeordnet sein.
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Als
eine Alternative können
die Düsen
an dem Rohr angeordnet sein, das den Schlamm dem (ersten) Reaktor
zuführt.
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Wie
erwähnt
wurde, sind in einer Vorrichtung, die wenigstens eine Vorheizkammer
umfasst, die Düsen zum
Injizierten von Dampf bei einem geringen Druck an der Vorheizkammer
angeordnet. Als eine Alternative können die Düsen für den Niederdruckdampf lediglich
oder außerdem
an dem Rohr angebracht sein, das den Schlamm der wenigstens einen
Vorheizkammer zuführt.
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Die
Erfindung wird beispielhaft unter Bezugnahme auf die 1 und 2 beschrieben,
die zwei Blockschaltpläne
zweier bevorzugter Ausführungsformen
sind und wobei:
- – das Element 1 eine
Schlamm-Vorheizkammer ist, wobei der Druck der Umgebungsdruck oder
ein etwas höherer
Wert ist (wenige Bars),
- – das
Element 2 eine Pumpe zur Druckbeaufschlagung des vorgeheizten
Schlamms ist,
- – das
Element 3 ein Nassoxidationsreaktor ist,
- – das
Element 4 ein Abscheidertank ist,
- – das
Element 5 die Kombination aus einem weiteren Abscheidertank
und einem Wäscher
ist,
- – das
Element 6 die Leitung zum Wiederherstellen des Niederdruckdampfes
ist, die den Dampf, der in den Ausdehnungskammern 7 und 8 gebildet
wurde, zu der Vorheizeinheit 1 befördert,
- – das
Element 7 eine erste Kammer für die Ausdehnung des Ausflusses
des Reaktors ist,
- – das
Element 8 eine zweite Ausdehnungskammer für den Ausfluss
des Reaktors ist,
- – das
Element 9 die Leitung ist, die die Komponente, die die
Flüssigkeiten
des Oxidationsausflusses enthält,
zur biologischen Kläranlage
befördert,
- – das
Element 10 die Leitung ist, die die flüssige Komponente, die durch
Waschen der Komponente, die die Feststoffe des Oxidationsausflusses
enthält,
erhalten wird, zur biologischen Kläranlage befördert,
- – das
Element 11 die Leitung zum Sammeln der reaktionsträge gemachten
Feststoffe ist, die aus der Nassoxidation des Schlamms erhalten
werden.
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In
der in 1 veranschaulichten Ausführungsform wird das erfindungsgemäße Verfahren
mit Hilfe einer Vorrichtung realisiert, die aufgebaut ist aus einem
Schlammvorheizer, in dem praktisch bei atmosphärischem Druck der zugeführte Schlamm
durch Injizieren von Dampf, der aus der Ausdehnung des Flüssigkeitsstroms,
der aus dem Oxidationsreaktor fließt, auf etwa 100°C erhitzt
wird. Von dem Vorheizer wird der Schlamm durch eine Pumpe gesammelt
und zu einem einzigen Reaktor geleitet, der ununterbrochen arbeitet und
in dem gemeinsam mit dem Sauerstoff, der zum Ausführen der
eigentlichen Oxidation benötigt
wird, Hochdruckdampf (der in einem in geeigneter Weise bereitgestellten
Verdampfer erzeugt wird) hinzugefügt wird, wobei durch Kondensieren
die Wärme
bereitgestellt wird, die erforderlich ist, um den Schlamm auf die
Temperatur vorzuheizen, die für
eine industriell annehmbare Oxidationsrate benötigt wird. Die Mischphase (Flüssigkeit, Gas
und pulverförmiger
Feststoff), die aus dem Reaktor strömt, erfährt eine erste Ausdehnung auf
einen Zwischendruck, um eine Trennung der restlichen Gase und des
im Überschuss
erzeugten Dampfes zuzulassen, die so weit wie möglich kondensieren und entladen
werden, und erfährt
anschließend
eine zweite Ausdehnung praktisch auf atmosphärischen Druck, um den Dampf
zu erzeugen, der für
das anfängliche
Vorheizen des Schlamms erforderlich ist.
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Die
Flüssigkeit,
die durch diese zweite Ausdehnung erzeugt wird, bildet gemeinsam
mit dem fein verteilten Festkörperanteil,
der sie begleitet, den Ausfluss der Anlage und wird entladen. Die
Trennung der wässrigen
Phase von den suspendierten Feststoffen, die nun anorganisch sind,
wird in einem Abscheidertank ausgeführt, z. B. des Typs mit Plättchen oder
des herkömmlichen
Typs, wobei das Schwimmende hiervon (wässrige Lösung) am Kopf der Anlage recycelt
wird, während
der Schlamm, der vom Boden abgesaugt wird, zu zwei Wäschern geleitet
wird (z. B. ein Mischer-Abscheider mit einem alternierenden Betrieb),
wobei die Pulver gewaschen werden, indem sie mit Wasser (oder Wasser
und Natriumhydroxid) gewaschen werden, gefolgt von einem Abscheiden
und dem Entfernen der aufschwimmenden Flüssigstoffe (diese Operation
kann mehrmals wiederholt werden).
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In
der Ausführungsform,
die in 2 veranschaulicht ist, unterscheidet sich das
Verfahren von dem vorhergehenden Verfahren im Wesentlichen dadurch,
dass der Hochdruckdampf mit dem vorgeheizten Schlamm gemischt wird,
bevor der Schlamm in den ersten der beiden nach einander angeordneten
Reaktoren eingeleitet wird, die ununterbrochen betrieben werden
und wobei in dem ersten (oder in Abhängigkeit von den Strömungsraten
und Anforderungen in beiden) der für die Nassoxidationsreaktion
benötigte
Sauerstoff injiziert wird. Als eine weitere Variation kann ein Waschen
mit Wasser (oder einer Natriumlösung)
direkt in dem in geeigneter Weise geformten unteren Teil des Abscheidertanks
ausgeführt
werden.
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Weitere
Charakteristiken und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden
besser deutlich aus der Beschreibung der folgenden bevorzugten Ausführungsformen,
die ausschließlich
als nicht einschränkende
Beispiele vorgesehen sind. Obwohl die Beispiele, die folgen, und
der Text lediglich einige Ausführungsformen
der Erfindung explizit veranschaulichen, wird ein Fachmann leicht
erkennen, dass zahlreiche weitere Modifikationen an dem Verfahren
und an der Vorrichtung, die beschrieben werden, ausgeführt werden
können,
während die
gezeigten Vorteile aufrechterhalten werden.
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Beispiel 1
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Eine
Vorrichtung für
die Nassoxidation, in der der überschüssige Schlamm,
der durch die biologische Anlage zum Klären von Abwasser einer chemischen
Fabrik erzeugt wird, und verschiedene wässrige Abfälle eines externen Ursprungs
mit reinem Sauerstoff behandelt werden. Der Schlamm ist durch die
folgenden Parameter gekennzeichnet:
SS | 2,8%
= | 28000
mg/l |
VSS/SS | | 0,85 |
COD: | | 36000
mg/l |
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Die
Reaktionsparameter lauten:
Temperatur: | 220–240°C |
Druck: | 40–50 Bar |
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Die
Anlage arbeitet mit einem Reaktor, der einen Innendurchmesser von
etwa 0,6 m und eine Höhe von
etwa 5 m besitzt.
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Während eines
normalen Betriebs werden dem Reaktor, der unter einer Druckbeaufschlagung
von 45 Bar gehalten wird, 870 l/h des oben beschriebenen Schlamms
zugeführt,
der auf 97°C
vorerhitzt wird, indem 130 kg/h Niederdruckdampf (der aus der atmosphärischen
Entspannung des Ausflusses des Reaktors wiedergewonnen wird) in
den Vorheizbehälter
eingeleitet werden. Außerdem
werden 280 kg/h Dampf, der bei 55 Bar gesättigt ist, und Sauerstoff in
einer stöchiometrischen
Menge (etwa 30 kg/h) in den Reaktor eingeleitet.
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Infolge
der Wärme,
die durch die Oxidationsreaktion erzeugt wird, und des Hochdruckdampfs,
der eingeleitet wird, steigt die Temperatur des Reaktors (des Kopfes)
auf 240°C
(die auch die Ausgabetemperatur des Reaktors ist).
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Der
Ausfluss des Reaktors (Mischphase) erfährt eine erste Entspannung
bei einem Druck von etwa 16 Bar und 180°C, was ermöglicht, die Reaktionsgase (Kohlendioxid
und Sauerstoff) und den überschüssigen Dampf,
der erzeugt wird, zu trennen, und erfährt anschließend eine
zweite Entspannung bei einem Druck, der etwas höher als der atmosphärische Druck
ist (0,1 bis 0,3 Bar), wodurch 130 kg/h Dampf erzeugt werden, die zum
Vorheizen des Einspeisematerials benötigt werden.
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Etwa
940 l/h Abwasser mit den folgenden Charakteristiken werden als flüssige Restmenge
der beiden aufeinander folgenden Entspannung erhalten:
SS | 0,43% | 4300
mg/l |
VSS/SS | | 0,102 |
COD: | | 11600
mg/l |
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Die
folgende Umwandlung (COD-Reduktion) erfolgt zu mehr als 65%. Die
Reduktion in vollständig suspendierten
Feststoffen beträgt
mehr als 83% der ursprünglichen
Menge und die Reduktion in flüchtigen suspendierten
Feststoffen beträgt
etwa 98% der ursprünglichen
Menge. Die suspendierten Feststoffe sind sehr fein (minimaler Durchmesser
etwa 50 μm;
Durchmesser 50 = 2,4 bis 3,2 μm).
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Das
Abwasser, das erzeugt wird, wird einem Abscheidertank zugeführt und
in zwei Teile getrennt: eine schwimmende wässrige Phase (etwa 900 l/h),
die in der biologische Anlage recycelt wird, um von dem Gehalt an
organischen Substanzen gereinigt zu werden, und ein Schlamm mit
etwa 10% suspendierten Feststoffen (etwa 40 l/h, SS = 10,2%).
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Der
resultierende Schlamm wird am Boden des Abscheidertanks gesammelt
und nach jeweils 4 bis 6 Stunden in einen herkömmlichen konisch-zylindrischen
Mi scher-Abscheider übertragen,
wo er wiederholt gewaschen wird, indem er mit alkalischen Lösungen und
neutralem Wasser gemischt wird, anschließend abgeschieden wird und
die schwimmenden Stoffe entladen werden, bis die Mutterlauge und
die darin enthaltenen organischen Substanzen vollständig entfernt
wurden. Das entladene Waschabwasser wird in der biologischen Anlage
recycelt, um von dem Gehalt an organischen Substanzen gereinigt
zu werden.
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Der
gewaschene Schlamm wird auf einer Filterpresse gefiltert, wodurch
Platten mit einem Gehalt an Trockensubstanz von etwa 50% erhalten
werden.
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Die
resultierenden Platten besitzen die folgenden Charakteristiken:
Restmenge
bei 105°C
(Trockensubstanz) | 48% |
Restmenge
bei 600°C | 43,2% |
Restmenge
bei 600°C
(in der Trockensubstanz) | 89,6% |
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Analyse
der Restmenge bei 600°C:
Aluminium | 11,1
mg/g der Restmenge |
Calcium | 306,2
mg/g der Restmenge |
Chrom | 1,9
mg/g der Restmenge |
Eisen | 27,9
mg/g der Restmenge |
Phosphor | 88,2
mg/g der Restmenge |
Magnesium | 38,7
mg/g der Restmenge |
Mangan | 2,4
mg/g der Restmenge |
Silicium | 25,4
mg/g der Restmenge |
Zink | 3,6
mg/g der Restmenge |
Andere
(Ni, Pb, Cu), insgesamt | 2,4
mg/g der Restmenge |
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Die
Platten werden anschließend
in einem Trommeltrockner getrocknet.
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Beispiel 2
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Eine
Anlage für
die Nassoxidation, in der überschüssiger Schlamm,
der durch eine biologische Anlage zum Klären von Abwasser städtischer
Haushalte erzeugt wird, mit reinem Sauerstoff behandelt wird. Der Schlamm
ist durch die folgenden Parameter gekennzeichnet:
SS | 2,5%
= | 25000
mg/l |
VSS/SS | | 0,76 |
COD: | | 27000
mg/l |
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Die
Reaktionsparameter lauten:
Temperatur: | 220–240°C, |
Druck: | 40–50 Bar. |
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Die
Anlage arbeitet mit einem Reaktor, der einen Innendurchmesser von
etwa 0,6 m und eine Höhe von
etwa 5 m besitzt.
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Während des
normalen Betriebs werden 870 l/h Schlamm, der oben definiert wurde
und auf 97°C
vorgeheizt wurde, indem 130 kg/l Niederdruckdampf (der aus der atmosphärischen
Entspannung des Ausflusses des Reaktors wiedergewonnen wird) in
den Vorheizbehälter
eingeleitet werden, dem Reaktor zugeführt, der auf einem Druck von
45 Bar gehalten wird. 300 kg/h gesättigter Dampf bei 55 bar und
Sauerstoff in einer stöchiometrischen
Menge (etwa 25 kg/h) werden außerdem
in den Reaktor eingeleitet.
-
Infolge
der Wärme,
die durch die Oxidationsreaktion erzeugt wird, und des Hochdruckdampfs,
der eingeleitet wird, steigt die Temperatur des Reaktors (des Kopfes)
auf 240°C
(die auch die Ausgabetemperatur des Reaktors ist).
-
Der
Ausfluss des Reaktors (Mischphase) erfährt eine erste Entspannung
bei einem Druck von etwa 16 Bar und 180°C, was ermöglicht, die Reaktionsgase (Kohlendioxid
und Sauerstoff) und den überschüssigen Dampf,
der erzeugt wird, zu trennen, und erfährt anschließend eine
zweite Entspannung bei einem Druck, der etwas höher als der atmosphärische Druck
ist (0,1 bis 0,3 Bar), wodurch 130 kg/h Dampf erzeugt werden, die zum
Vorheizen des Einspeisematerials benötigt werden.
-
Etwa
960 l/h Abwasser mit den folgenden Charakteristiken werden als flüssige Restmenge
der beiden aufeinander folgenden Entspannung erhalten:
SS | 0,58% | 5800
mg/l |
VSS/SS | | 0,0625 |
COD: | | 8500
mg/l |
-
Die
folgende Umwandlung (COD-Reduktion) erfolgt zu mehr als 65%. Die
Reduktion in vollständig suspendierten
Feststoffen beträgt
74,5% und die Reduk tion in flüchtigen
suspendierten Feststoffen ist höher als
97,5%. Die suspendierten Feststoffe sind sehr fein (maximaler Durchmesser
= etwa 50 μm;
d. 50 = 2,8 bis 3,2 μm).
-
Das
resultierende Abwasser wird einem Abscheidertank zugeführt und
in zwei Teile getrennt: eine schwimmende wässrige Phase (etwa 900 l/h),
die in der biologische Anlage recycelt wird, um von dem Gehalt an
organischen Substanzen gereinigt zu werden, und ein Schlamm mit
etwa 10% suspendierten Feststoffen (etwa 60 l/h, SS = 9,3%).
-
Der
resultierende Schlamm wird am Boden des Abscheidertanks gesammelt
und nach jeweils 4 bis 6 Stunden in einen herkömmlichen konisch-zylindrischen
Mischer-Abscheider übertragen,
wo er wiederholt gewaschen wird, indem er mit alkalischen Lösungen und
neutralem Wasser gemischt wird, anschließend abgeschieden wird und
die schwimmenden Stoffe entladen werden, bis die Mutterlauge und
die darin enthaltenen organischen Substanzen vollständig entfernt
wurden. Das entladene Waschabwasser wird in der biologischen Anlage
recycelt, um von dem Gehalt an organischen Substanzen gereinigt
zu werden. Der gewaschene Schlamm wird auf einer Filterpresse gefiltert,
wodurch Platten mit einem Gehalt an Trockensubstanz von etwa 50%
erhalten werden.
-
Die
resultierenden Platten besitzen die folgenden Charakteristiken:
Restmenge
bei 105°C
(Trockensubstanz) | 46% |
Restmenge
bei 600°C | 43,0% |
Restmenge
bei 600°C
(in der Trockensubstanz) | 93,5% |
-
Analyse
der Restmenge bei 600°C:
Aluminium | 14,4
mg/g der Restmenge |
Calcium | 293,3
mg/g der Restmenge |
Chrom | 1,7
mg/g der Restmenge |
Eisen | 27,4
mg/g der Restmenge |
Phosphor | 89,3
mg/g der Restmenge |
Magnesium | 25,5
mg/g der Restmenge |
Mangan | 1,1
mg/g der Restmenge |
Silicium | 28,1
mg/g der Restmenge |
Zink | 4,6
mg/g der Restmenge |
Andere
(Ni, Pb, Cu), insgesamt | 2,4
mg/g der Restmenge |
-
Die
Platten werden anschließend
in einem Trommeltrockner getrocknet.
-
Beispiel 3
-
Eine
Anlage für
die Nassoxidation, in der reiner Sauerstoff verwendet wird, um den überschüssigen Schlamm,
der durch die Anlage für
die biologische Klärung
des Abwassers einer chemischen Fabrik erzeugt wird, und verschiedene
wässrige
Abfälle
externen Ursprungs zu behandeln. Der Schlamm wird, bevor er der Nassoxidation
zugeführt
wird, mittels einer Siebeinrichtung und durch das Hinzufügen kleiner
Mengen von Polyelektrolyt verdickt, um die Konzentration der suspendierten
Feststoffe auf einen Wert von etwa 6% zu bringen. Der Schlamm, der
auf diese Weise konzentriert wurde, ist durch die folgenden Parameter
gekennzeichnet:
SS | 5,6%
= | 56000
mg/l |
VSS/SS | | 0,85 |
COD: | | 72000
mg/l |
-
Die
Reaktionsparameter lauten:
Temperatur: | 220–240°C, |
Druck: | 40–50 Bar. |
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Die
Anlage arbeitet mit einem Reaktor, der einen Innendurchmesser von
etwa 0,6 m und eine Höhe von
etwa 5 m besitzt.
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Während des
normalen Betriebs werden 870 l/h Schlamm, der oben definiert wurde
und auf 97°C
vorgeheizt wurde, indem 130 kg/l Niederdruckdampf (der aus der atmosphärischen
Entspannung des Ausflusses des Reaktors wiedergewonnen wird) in
den Vorheizbehälter
eingeleitet werden, dem Reaktor zugeführt, der auf einem Druck von
45 Bar gehalten wird. 200 kg/h gesättigter Dampf bei 55 bar und
Sauerstoff in einer stöchiometrischen
Menge (etwa 30 kg/h) werden außerdem
in den Reaktor eingeleitet.
-
Infolge
der Wärme,
die durch die Oxidationsreaktion erzeugt wird, und des Hochdruckdampfs,
der eingeleitet wird, steigt die Temperatur des Reaktors (des Kopfes)
auf 240°C
(die auch die Ausgabetemperatur des Reaktors ist).
-
Der
Ausfluss des Reaktors (Mischphase) erfährt eine erste Entspannung
bei einem Druck von etwa 16 Bar und 180°C, was ermöglicht, die Reaktionsgase (Kohlendioxid
und Sauerstoff) und den überschüssigen Dampf,
der erzeugt wird, zu trennen, und erfährt anschließend eine
zweite Entspannung bei einem Druck, der etwas höher als der atmosphärische Druck
ist (0,1 bis 0,3 Bar), wodurch 130 kg/h Dampf erzeugt werden, die zum
Vorheizen des Einspeisematerials benötigt werden. Etwa 880 l/h Abwasser
mit den folgenden Charakteristiken werden als flüssige Restmenge der beiden
aufeinander folgenden Entspannung erhalten:
SS | 0,43% | 4300
mg/l |
VSS/SS | | 0,102 |
COD: | | 11600
mg/l |
-
Die
folgende Umwandlung (COD-Reduktion) erfolgt zu mehr als 65%. Die
Reduktion in vollständig suspendierten
Feststoffen beträgt
mehr als 83% und die Reduktion in flüchtigen suspendierten Feststoffen
beträgt
etwa 98%. Die suspendierten Feststoffe sind sehr fein (maximaler
Durchmesser = etwa 50 μm;
d. 50 = 2,4 bis 3,2 μm).
-
Das
resultierende Abwasser wird einem Abscheidertank zugeführt und
in zwei Teile getrennt: eine schwimmende wässrige Phase (etwa 900 l/h),
die in der biologische Anlage recycelt wird, um von dem Gehalt an
organischen Substanzen gereinigt zu werden, und ein Schlamm mit
etwa 10% suspendierten Feststoffen (etwa 40 l/h, SS = 10,2%).
-
Der
resultierende Schlamm wird am Boden des Abscheidertanks gesammelt
und nach jeweils 4 bis 6 Stunden in einen herkömmlichen konisch-zylindrischen
Mischer-Abscheider übertragen,
wo er wiederholt gewaschen wird, indem er mit alkalischen Lösungen und
neutralem Wasser gemischt wird, anschließend abgeschieden wird und
die schwimmenden Stoffe entladen werden, bis die Mutterlauge und
die darin enthaltenen organischen Substanzen vollständig entfernt
wurden. Das entladene Waschabwasser wird in der biologischen Anlage
recycelt, um von dem Gehalt an organischen Substanzen gereinigt
zu werden. Der gewaschene Schlamm wird auf einer Filterpresse gefiltert,
wodurch Platten mit einem Gehalt an Trockensubstanz von etwa 50%
erhalten werden. Die resultierenden Platten besitzen die folgenden
Charakteristiken:
Restmenge
bei 105°C
(Trockensubstanz) | 52% |
Restmenge
bei 600°C | 46,7% |
Restmenge
bei 600°C
(in der Trockensubstanz) | 89,8% |
-
Analyse
der Restmenge bei 600°C:
Aluminium | 13,2
mg/g der Restmenge |
Calcium | 299,1
mg/g der Restmenge |
Chrom | 1,9
mg/g der Restmenge |
Eisen | 32,5
mg/g der Restmenge |
Phosphor | 94,9
mg/g der Restmenge |
Magnesium | 36,1
mg/g der Restmenge |
Mangan | 2,4
mg/g der Restmenge |
Silicium | 25,5
mg/g der Restmenge |
Zink | 3,6
mg/g der Restmenge |
Andere
(Ni, Pb, Cu), insgesamt | 2,5
mg/g der Restmenge |
-
Die
Platten werden anschließend
in einem Trommeltrockner getrocknet.
-
Dort,
wo technischen Merkmalen, die in irgendeinem Anspruch erwähnt sind,
Bezugszeichen folgen, sind diese Bezugszeichen für den alleinigen Zweck eingefügt worden,
um die Verständlichkeit
der Ansprüche zu
verbessern, weshalb derartige Bezugszeichen keinerlei einschränkende Wirkung
auf die Interpretation aller Elemente, die durch diese Bezugszeichen
beispielhaft gekennzeichnet sind, haben.