DE68907887T2

DE68907887T2 - Verfahren zum kontinuierlichen Verkoken einer Mischung von hauptsächlich organischem Abfallmaterial.

Info

Publication number: DE68907887T2
Application number: DE89123446T
Authority: DE
Inventors: Jerry W Jones; James E Kowalczyk; Harold A Lange; Bernard A Loomans
Original assignee: APV Chemical Machinery Inc
Current assignee: APV Chemical Machinery Inc
Priority date: 1988-12-28
Filing date: 1989-12-19
Publication date: 1993-11-11
Anticipated expiration: 2009-12-20
Also published as: US5017269A; DE68907887D1; EP0379705B1; AU623466B2; EP0379705A1; JPH02229588A; JP2927849B2; AU4719689A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum kontinuierlichen Karbonisieren einer Mischung aus zerkleinertem, hauptsächlich organischem Abfallmaterial.
Verfahren dieser Art sind in den US-A-4 098 649, 4 123 332 und 4 308 103 offenbart.
Die Umwandlung von industriellem und städtischem bzw. kommmunalem Abfall durch Verbrennung in herkömmlichen Verbrennungsöfen und/oder dessen Vergraben in Landauffüllbereichen ist in der Zukunft nicht länger entwicklungsfähig. Die herkömmliche Verbrennung des Materials setzt Abgase und Rauch in die Atmosphäre frei, was unzulässig ist und Verschmutzungprobleme verursacht. Ferner ist die gegenwärtig praktizierte Verbrennung teuer und führt nicht zur Rückgewinnung irgendwelcher brauchbarer Produkte, die die Verbrennungskosten ausgleichen können. Das Vergraben von Abfall in Landauffüllbereichen ist in dieser Gesellschaft ebenfalls unbefriedigend im Hinblick auf die enormen Abfallmengen, die landesweit erzeugt werden, und auf die Verknappung von Landauffüllbereichen, die nachher für die meisten anderen Zwecke nicht länger brauchbar sind.
Bekannte Verfahren, wie z.B. das in der US-A-4 098 649 offenbarte Verfahren, haben zuerst die Abfälle in organische und anorganische Materialien getrennt. Grundsätzlich hat diese Aufteilung der Abfälle oder des Mülls zu einer Trennung der Metalle und des Glases von organischen Materialien wie Papier, Holz, Lumpen, Kunststoff, Gewebe und pflanzliche Dinge geführt.
Es handelt sich um das organische Material, das bei dem in der US-A-4 098 649 beschriebenen Verfahren behandelt wird und mit dem sich die vorliegende Erfindung befaßt. Wie in dem in der US-A-4 098 649 beschriebenen Verfahren wird das organische Material zuerst in kleine Teilchen zerkleinert (geschreddet) und dann durch eine Trocknungsstation hindurchgeleitet, aus der es einem Mischer-Reaktor für die weitere Verarbeitung des Materiales zugeführt wird.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Umwandeln organischer Abfallmaterialien in verwendbares Material zu schaffen, bei dem die Materialien und die verwertete Wärmeenergie zu einem beträchtlichen Teil für die Beseitigungskosten herangezogen werden können, ohne Verschmutzung-(Pollutions-) und Landauffüllprobleme zu erzeugen, und bei dem das Pyrolisieren des Materiales im Reaktor besser kontrolliert wird, wobei eine Ringbildung des Materiales im Mischer vermieden und das mit niedrigem Schüttgewicht verarbeitete Material als ein sich bewegender Strom positiv vorwärts geschoben wird, mit dem Ergebnis, daß das erhaltene Produkt ein homogenes Produkt ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gelöst, das folgende Schritte enthält:
a) Kontinuierliches Zuführen eines Stromes des zerkleinerten Abfallmateriales mit einem wesentlichen organischen Materialanteil in ein Ende eines kontinuierlichen Doppelschneckenmischers, der einen sich axial erstreckenden länglichen Mantel aufweist, in dem sich axial erstreckende gemeinsam rotierende Mischerwellen untergebracht sind;
b) Inberührungbringen des Materiales mit Material-Vorschubelementen an den Wellen, um das diesem Ende des Mischers zugeführte Material kontinuierlich durch einen ersten Mischerbereich vorwärtszubewegen;
c) in einem abströmseitigen Mischerbereich dieses Mischers wird das Material im wesentlichen bei Fehlen von Luft progressiv zusammengepreßt, indem es durch an den Wellen vorgesehene Materialförder- und Zusammenpreßelemente hindurchbewegt wird, die im Material ein relativ reduziertes Raumvolumen in einem Ausmaß zur Bildung einer Masse sich bewegenden Material es belassen, das den Mantel ausfüllt und als Dampfsperre wirkt, während das Material gegen sich selbst arbeitet, um im Material Wärme zu erzeugen, die die Temperatur des Material es adiabatisch auf flüchtige Stoffe freigebende und materialkarbonisierende Temperaturen hält, ohne Anwendung irgendwelcher Materialaußentemperaturen am Mischer zur Übertragung auf das sich bewegende Material;
d) Entlüften der flüchtigen Stoffe aus dem abströmseitigen Mischerbereich;
e) und Ablassen des karbonisierten Produktes.
Die vorliegende Erfindung benutzt einen Doppelschnekkenmischer oder -Reaktor, der das Material an einem Ende aufnimmt und es als eine Kohle (Kohlenprodukt) am anderen Ende abläßt. Während des Verarbeitens werden leichtere flüchtige Stoffe an einer Stelle entlüftet, und sie können nützlicherweise verbrannt oder weiterverarbeitet werden, um sie zu trennen und sie auf brauchbare Produkte zu reduzieren. Schwerere flüchtige Stoffe werden aus einem anderen Bereich abströmseitig entlüftet, und sie können ebenfalls auf nützliche Weise verbrannt oder separiert und dann weiterverarbeitet werden, um brauchbare Produkte zu schaffen.
Beim vorliegenden Verfahren enthält der Doppelschnekkenmischer-Reaktor, der sehr zufriedenstellend verwendert wird, ein Paar gemeinsam rotierender, sich axial erstreckender Wellen mit im wesentlichen gemeinsam abstreifenden (wischenden), das Material vorwärts bewegenden Elementen daran, die auch im wesentlichen das Innere des Mantels abstreifen. Eher als daß versucht wird, äußere Wärme am Mantel anzuwenden, entsprechend dem Verfahren, das bei den früheren Systemen, auf die Bezug genommen worden ist, praktiziert wird, wird die Wärmeenergie ausgenutzt, die dem Material während seines für den Prozeß notwendigen Vorwärtsbewegens und Zusammenpressens übermittelt wird, um die Temperatur des Materiales adiabatisch zu erhöhen. Indem das Material so verarbeitet wird, werden tatsächlich enorme Kosteneinsparungen möglich, und die Abfallbeseitigung wird unmittelbar ökonomischer entwicklungsfähig gemacht. Im besonderen wird das Verfahren durch die Mischer- oder Rührerelementgeometrie gesteuert, die die Energiezufuhr bestimmt, und es wurde herausgefunden, daß kleinere Verarbeitungsreaktoren verwendet werden können, um größere Volumen an Kohle zu produzieren als vorher.
Das vorliegende Verfahren bringt ferner eine Verarbeitung des städtischen Abfallmateriales beispielsweise bei viel niedrigeren Temperaturen als früher mit sich, so daß das abgelassene Kohlematerial einen größeren optimalen Prozentsatz an schwereren Kohlenwasserstoffen enthält, was den kJ-(BTU)-Ausstoß der Kohle erhöht, wenn es später auf nützliche Weise in einer Anlage, z.B. einer kohlegefeuerten Kraftanlage verbrannt wird.
Wenn städtischer Abfall gemäß diesem Verfahren verarbeitet wird, wird ein Endprodukt erzielt, das einen höheren kJ- (BTU) -Wert aufweist als er früher erreicht worden ist, und das als ein trockenes, zerbröckelndes Produkt abläuft, das nicht agglomeriert und leichter gehandhabt und verwendet werden kann, wenn es mit Kohlenteilchen gemischt wird. Dieses Verfahren kann sehr wirkungsvoll ein großes Volumen an Material in einer Weise behandeln, daß eine Wirtschaftlichkeit an Waagenleistungen erzeugt und ein maximaler Nutzen aus der Beseitung von früher unerwünschtem Abfallmaterial erreicht wird.
Andere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden deutlich aus der nachfolgenden Beschreibung:
Fig.1 ist eine teilweise schematische Seitenschnittansicht, die einen Reaktor darstellt, in dem das Material verarbeitet wird;
Fig.2 ist eine geschnittene Aufsicht auf den in Fig.1 gezeigten Reaktor;
Fig.3 ist eine Querschnittsansicht durch die Doppelschnecke entlang irgendeiner der Linien 3-3 in Fig.2;
Fig.4 ist eine Querschnittsansicht der selbstabstreifenden Paddeln, die in bestimmten Bereichen verwendet werden, entlang irgendeiner der Schnittlinien 4-4 in Fig.2;
Fig.5 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie 5- 5 in Fig.2;
Fig.6 ist eine geschnittene Teil-Aufsicht im vergrößerten Maßstab auf das Beschickungsende des Reaktors;
Fig.7 ist eine geschnittene Teil-Aufsicht auf das Auslaßende des Reaktors;
Fig.8 ist eine vergrößerte Seitenansicht, die schematisch die Art und Weise veranschaulicht, in der die Paddelelemente bei schraubenförmiger Ausbildung auf jeder Welle in mehreren Bereichen des Reaktors zusammengeordnet sind;
Fig.9 ist eine Endansicht der in Fig.8 dargestellten Elemente;
Fig.10 ist ein Verdichtungsdiagramm zur Darstellung, wie das Material bei seinem Durchgang durch den Reaktor zusammengepreßt und entspannt wird;
Fig.11 ist ein Diagramm, das die Temperaturbereiche veranschaulicht, bei denen das vorliegende Verfahren eine brauchbare Kohle aus städtischem Abfall produziert.
Unter besonderer Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen und im ersten Fall insbesondere auf Fig.1 ist es so zu verstehen, daß der zu karbonisierende Müll bzw. Abfall zuerst so bearbeitet worden ist, daß Metall und Glas entfernt ist. Er wird, mit andern Worten, im wesentlichen aus organischem Material bestehen und besitzt im Falle von städtischem bzw. kommunalem Abfall einen relativ hohen Papiergehalt im Verhältnis zu anderem organischen Material, das üblicherweise Küchenabfälle, Holz und Kunststoffmaterial enthält. Das Abfallmaterial wird dann geschreddet, gemahlen und getrocknet, und es wird dann in den allgemein mit R bezeichneten Mischer-Reaktor über eine mit einem Trichter H in Verbindung stehende Speiseöffnung 10 eintreten und durch eine horizontal angeordnete, kraftgetriebene Schnecke 11 zugeführt, die das Material positiv in die Ziffer-8-förmige Mantelkammer 12 (vgl. Fig.3 und 4) mit einer vorbestimmten Rate einspeist. Das eingespeiste Abfallmaterial wird typischerweise in Stücken bis zu 2,5 bis 1,25 cm im Durchmesser in den Reaktor eintreten und im Falle von städtischem Abfall einen Kunststoffgehalt in der Größenordnung von 4 bis 8 Gew.-% aufweisen, abhängig von dem Grad, bis zu welchem das einzuspeisende Material zuvor vorsortiert worden ist. Die Materialzuführmenge durch die Schnecke 11 wird derart sein, daß die Mantelkammer 12 teilweise mit Material gefüllt gehalten wird, wenn sich das Material in einem kontinuierlichen Strom vom Speiseöffnungsende der Maschine zum Auslaßende der Maschine vorwärts bewegt, wobei es in den Fig.1 und 2 von rechts nach links wandert.
Allgemein gesprochen: In Untersuchungen, die mit städtischem Abfall durchgeführt worden sind, wurde herausgefunden, daß das Material relativ gute Fließeigenschaften hatte, und es war, um es mit geeigneten handelsüblichen Mengen zu verarbeiten, notwendig, das relativ lockere Material zusammenzupressen und es gegen sich selbst arbeiten zu lassen, um die Arbeitsenergie zu vermitteln, die erforderlich ist, um es auf die gewünschten Temperaturen zu erwärmen.
Wie die Figuren zeigen, ist in der sich in axialer Richtung erstreckenden Mantelkammer 12, die in dem allgemein mit 12a bezeichneten Mantel vorgesehen ist, ein Paar gemeinsam rotierender Wellen 13 und 14 untergebracht, die von einem allgemein mit M bezeichneten Motor durch ein allgemein mit 15 bezeichnetes Getriebesystem angetrieben werden, das Zahnräder enthält, die mehr oder weniger schematisch bei 15a, 15b und 15c angedeutet sind, um die Wellen in derselben Richtung und mit derselben Drehgeschwindigkeit anzutreiben.
Es leuchtet ein, daß die Misch- und Förderelemente, die an den Wellen von einem Ende des Reaktors R zum anderen vorgesehen sind, sowohl in Schnecken- als auch in Paddelform sind und in den unterschiedlichen Zonen der Mantelkammer 12 unterschiedliche Formgebungen aufweisen, um ausgewählte Aufgaben zu erfüllen. Über den ganzen Reaktor R besitzen sowohl die Schnecken als auch die Paddel (Rührschaufeln) einen gemeinsam abstreifenden Charakter, wie es in den Fig.3, 4 und 5 veranschaulicht ist, so daß, wenn das Material von einem Ende des Reaktors zum anderen weiterbewegt wird, die radialen Flächen der Schnecken und Paddel vollkommen gemeinsam abgestreift werden, wie die ganzen Innenflächen der Ziffer-8-förmigen Mantelkammer 12. Die veranschaulichten besonderen Schnecken- und Paddel-Querschnittsformgebungen werden bevorzugt und arbeiten in der Praxis des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung sehr zufriedenstellend. Es wird angenommen, daß andere Paddelformen ebenfalls möglich sind, jedoch solche Paddeln von allgemein dreieckigem oder dreiflügeligem Typ.
An den Wellen 13 und 14 sind am Beschickungsende des Reaktors R schraubenförmige Vorschubschneckenabschnitte 16 und 17 befestigt, die von linsenförmigem Querschnitt sind, wie es in Fig.3 veranschaulicht ist. Diese Abschnitte 16 und 17 erstrecken sich etwas über einen ersten Mantelentlüftungsstutzen 18 hinaus, der grundsätzlich Dampf aus dem Reaktor entfernt. Obwohl das zugeführte Material vorgetrocknet sein wird, wird es typischerweise einen niedrigen Restfeuchtigkeitsgehalt im Bereich von 8 bis 9% besitzen.
Obwohl es ferner erwünscht ist, daß die Karbonisierung im Reaktor soweit als möglich in Abwesenheit von Sauerstoff durchgeführt wird, ist unvermeidlicherweise ein geringer Anteil an Luft im Produkt eingeschlossen oder mitgeschleppt worden, die ebenfalls am Entlüftungsstutzen 18 abgelassen wird. Obgleich es nicht veranschaulicht ist, könnte- falls gewünscht - ein Rohr am Beschickungsende des Reaktors R in die Mantelkammer 12 hineinführen, um das Produkt mit Stickstoffgas als ein Oxydationssteuermittel zu fluten.
Unmittelbar abströmseitig von den Vorschubschneckenabschnitten 16 und 17 befindet sich ein allgemein mit 19 bezeichneter erster Material-Zerhacker- und -Zusammenpreßbereich, in dem linsenförmige Paddeln 20a und 20b von der gleichen Formgebung wie die Paddeln 31a und 31b (offenbart in Fig.4) auf den entsprechenden Wellen in einem um 90º phasenverschobenen Verhältnis angeordnet sind. Diese radial aneinander anstoßenden Paddeln 20a und 20b, die auf den Wellen 14 bzw. 13 befestigt sind, sind auf jeder Welle zunehmend in axialer Richtung winklig außer Phase oder versetzt, wobei die axial einander benachbarten Paddeln auf jeder Welle in schraubenförmiger Ausbildung zusammengeordnet sind. Die Paddeln 20a und 20b in den Zuström- und Mittelteilen des Bereiches 19 sind in einer schrauben- bzw. schneckenförmigen Reihe zusammengeordnet, die den größten Anteil des Materiales in Abströmrichtung vorwärts bewegt. Das Material wird durch einen Schleppstrom bewegt, wobei ein Teil dieses Material es in einer Richtung bewegt wird, um gegen das vorwärts bewegte Material zu arbeiten. Diese Materialarbeitswirkung der Paddeln 20a und 20b wird am Auslaßende des Bereichs 19 verstärkt, indem mehrere Paddeln 20a und 20b am abströmseitigen Ende des Bereichs 19 in umgekehrter schraubenförmiger Ausbildung auf jeder Welle 13 und 14 zusammengeordnet sind, wie es in Fig.8 bei x gezeigt ist, so daß der größere Anteil des Materiales in diesem Teil des Reaktors dazu neigt, rückwärts oder umgekehrt gerichtet zu werden. In der Tat tendiert die weitaus größte Anzahl der Paddeln 20a und 20b dazu, daß Material vorwärts zu drängen, so daß die Nettowirkung eine Vorwärtsbewegung der Masse ist. In Fig.8 sind die Paddelflügel zum Zwecke der Veranschaulichung der schraubenförmigen Ausbildung schraffiert, und in Fig.9 sind die Paddeln 20a und 20b detaillierter dargestellt, und es läßt sich erkennen, daß die Zwischenfläche der Paddeln der Vorwärtsseite und der Umkehrseite bei x' liegt. Obwohl die Paddeln 20a und 20b so gezeigt sind, daß sie in schraubenförmiger, produktbewegender Ausbildung angeordnet sind, ist es so zu verstehen, daß sie auch oder alternativ schraubenförmig ausgebildet sein könnten, zum Zweck der Produktförderung. Obwohl die aufeinanderfolgenden Paddeln 20a und 20b in den Fig.8 und 9 zwecks besserer Veranschaulichung der schraubenförmigen Ausbildung als um 30% außer Phase auf jeder Welle 13 und 14 gezeigt sind, ist es so zu verstehen, daß sie normalerweise eher in ihrer schraubenförmigen Ausbildung 45 oder 60% außer Phase sein werden.
Die Funktion der Paddeln 20a und 20b im Bereich 19 besteht darin, das zugeführte Material zusammenzupressen, um eine Dampfsperre am Abströmende des Bereichs 19 im Abschnitt 19a zu bilden, und außerdem das Material zu zerhacken oder weiter zu schredden, um es in seiner Teilchengröße weiter zu reduzieren. Im Hinblick auf die Ausbildung der Mantelfüllung wird die sich bewegende Materialmasse am Abströmende des Bereichs 19 zusammengepreßt, und Dampf sowie jegliche kleinen Anteile von Luft, die freigegeben werden, strömen im Gegenstrom in Zuström- oder umgekehrter Richtung zum Entlüftungsstutzen 18. Diese Dämpfe können als brauchbar in einem allgemein mit HE bezeichneten Wärmetauscher angesehen werden, der benutzt werden kann, um Wärme für nützliche Zwecke zu liefern, entweder für einen industriellen Prozeß, in dem Wärme benötigt wird, zum Erwärmen eines Gebäudes oder für irgendeine ähnliche Funktion.
Der Bereich 19 kann in geeigneter Weise als ein Produktverdampfungsbereich beschrieben werden, in dem das Produkt weiter getrocknet und Dampf ausgetrieben wird, aber im wesentlichen keine Pyrolyse des zugeführten Materiales auftritt. Die über die Arbeitsenergie, die in das Material durch die Paddeln 20a und 20b eingebracht wird, erreichte Temperatur wird in der Nähe von 107ºC (225ºF) am Entlüftungsstutzen 18 und in der Nähe von 204ºC (400ºF) am Auslaßende des Bereichs 19 liegen.
Der Temperaturanstieg im zugeführten Material, beginnend mit der Umgebungstemperatur, bei der das Material der Maschine zugegeben wird, bis zu der Temperatur von 204ºC (400ºF), die am Abströmende 19a des Bereichs 19 erreicht ist, ist tatsächlich einzig und allein eine Funktion der Arbeitsenergie, die dem Material mitgeteilt wird, indem es über die Paddeln 20a und 20b bearbeitet wird, und sie wird graduell oder progressiv im Bereich 19 erreicht. Das Gehäuse 21, das den Mantel 12a umgibt und eine Vielzahl von umgebenden Kammern 22, 22a, 22b, 22c und 22d schafft, ist mit einem Wärmeübertragungsfluid gefüllt, das tatsächlich nur Metall erwärmt und keine Wärme auf das zu verarbeitende Material übermittelt. Die das Metall erwärmenden Heizfluide in der Kammer 22 sind rezirkulierende Fluide, die in zweckmäßiger Weise bei Betriebsbeginn verwendet werden, wenn kein Material verarbeitet wird, um das Metall zu Beginn auf eine Gleichgewichtstemperatur des Prozesses zu erwärmen, damit das Metall von der Charge während deren Verarbeitung keine Wärme abführt. Diese Wärme zur Mantelerwärmung könnte ebenso elektrisch dem Mantel zugeführt werden.
Unmittelbar abströmseitig vom Bereich 19 befindet sich eine erste Entspannungszone, die allgemein mit 23 bezeichnet ist. In diesem Bereich besitzen die schraubenförmigen Vorschubschneckenabschnitte 24 und 25, die auf den Wellen 13 und 14 befestigt sind, dieselbe Steigung und denselben linsenförmigen Querschnitt wie die Schneckenabschnitte 16 und 17. Die Schneckenabschnitte 24 und 25 sind dementsprechend für einen niedrigeren Füllungsgrad als der Bereich 19a gestaltet, und das Material kann sich in genügender Weise entspannen, so daß es nicht aus einem zweiten Entlüftungsstutzen 26 ausströmt. In dieser Beziehung sind die Schraubenabschnitte 24 und 25 wie die Schraubenabschnitte 16 und 17 ausgeführt, und zwar in dem Sinne, daß der Druck innerhalb der Mantelkammer 12 an diesen Entlüftungsstutzen nicht derart ist, daß festes Material aus diesen Entlüftungsstutzen ausgetrieben wird. Obwohl es als unnötig angesehen wird, wenn eine Maschine einmal in Betrieb ist, so können Pumpen oder Lüfter mit irgendeinem der Entlüftungsstutzen verbunden werden, die in dem System benutzt werden, um das Anfahren des Prozesses zu unterstützen, oder um selbst das Abziehen von dampfförmigem oder Abgas-Material zu unterstützen, sollte dies für wünschenswert angesehen werden.
Der Entlüftungsstutzen 26 ist ein Entlüftungsstutzen, der leichte flüchtige Stoffe abzieht, die abströmseitig vom Bereich 19 freigegeben werden, und der Entlüftungsstutzen 26 kann zu einem geeigneten Kondensator führen und diesen speisen, wenn ein Grund dafür besteht, diese flüchtigen Stoffe einzufangen und brauchbare Produkte von ihnen zu trennen, oder er kann zu einem Brenner führen, um sie zu verbrennen. Abströmseitig von der Zone 23 und an den Wellen 13 und 14 sind schraubenförmige Schneckenabschnitte 27 und 28 mit Einzelvorsprungs- oder-flügelgestaltung befestigt, die in Fig.5 offenbart ist, die eine solche Steigung relativ zur Steigung der Schneckenabschnitte 24 und 25 haben, daß begonnen wird, das Material wieder zusammenzupressen. Der Mantelbereich 29, der von den Schneckenabschnitten 27 und 28 eingenommen wird, wirkt als eine anfängliche Wiederzusammenpreßzone und führt zu einem Bereich 30, in dem Paddeln 31a und 31b, die von derselben linsenförmigen Konfiguration und schraubenförmigen Ausbildung wie die Paddeln 20a und 20b sind, das Material weiter zerhacken und reduzieren, während es weiter zusammengepreßt und verdichtet wird. Die Paddeln 31a und 31b sind identisch zu der Darstellung der Paddeln 20a und 20b in den Fig.8 und 9 angeordnet. Hier sind wiederum viel mehr Paddeln 31a und 31b schraubenförmig angeordnet, um den Strom vorwärts zu bewegen, als ihn im abströmseitigen Ende des Bereichs 30 umgekehrt zu bewegen, wo die Paddeln sich an der Zwischenfläche z gegenüberliegen, wobei die Nettoströmung vorwärts ist. In den Bereichen 23 und 29 hat das zugeführte lockere Material begonnen zu rösten, und es röstet weiter im Bereich 30, so daß es zu der Zeit, wenn es den benachbarten abströmseitigen Bereich 31 erreicht hat, eine dunkelbraune Farbe angenommen hat. Die Farbe des Materiales, das sich vom Bereich 23 in Abströmrichtung weiter bewegt, ändert sich schrittweise von gelbbraun zu der dunkelbraunen Farbe, die es am Auslaßende des Bereichs 30 annimmt, wo eine Temperatur in der Nähe von 232ºC (450ºF) erreicht worden ist.
Im Bereich 31 sind Einzelflügel-Schneckenabschnitte 32 und 33 (identisch zu den Schneckenabschnitten 27 und 28) am Zuströmende des Bereichs 31 auf den Wellen 13 und 14 befestigt. Einzelfügel-Schneckenabschnitte 34 und 35 von genau derselben Konfiguration, jedoch mit umgekehrter Richtung, sind auf den Wellen 13 und 14 am Abströmende des Bereichs 31 befestigt, wobei sie den vorwärts fördernden Schneckenabschnitten 32 und 33 an der Zwischenfläche z gegenüberliegen. Die Schneckenabschnitte 34 und 35 wirken mit den Schneckenabschnitten 32 und 33, um das Material gegen sich selbst zu arbeiten und eine ausreichend erhöhte Arbeitswärmezufuhr zum Material zu schaffen. Das Material, das durch die Bereiche 29, 30 und 31 weiterbewegt wird, wird während des Prozesses der Pyrolisierung im Volumen und in der Teilchengröße stark reduziert, so daß zumindest im Bereich 36, nahe der Zwischenfläche z zwischen den Schneckenabschnitten 34 und 35 sowie 32 und 33 eine Dampfsperre aus zusammengepreßtem Material geschaffen wird, das die Mantelkarnmer 12 ausfüllt. Die leichteren flüchtigen Stoffe, die in den Bereichen 29, 30 und 31 freigegeben werden, werden auf diese Weise im Gegenstrom in einer Rückwärts- oder Zuströmrichtung gefördert, um am Entlüftungsstutzen 26 ausgestoßen zu werden.
Abströmseitig vom Bereich 31 befindet sich ein zweiter Entspannungsbereich (Entspannungszone 37), von dem aus sich ein Entlüftungsstutzen 38 erstreckt. In diesem Bereich 37 besitzen Vorschubschneckenabschnitte 39 und 40, die auf auf den Wellen 13 und 14 befestigt sind und dieselbe Formgebung aufweisen wie die Schneckenabschnitte 24, 25 und 16, 17, eine solche Steigung, daß sie eine Entspannung des Materiales am Entlüftungsstutzen 38 gestatten. Der Entlüftungsstutzen 38 ist ein Entlüftungsstutzen für schwere flüchtige Stoffe und kann zu einem Kondensator führen, der eine Trennung und Rückgewinnung der brauchbaren schweren Dampfe ermöglicht. Wahlweise können diese Dämpfe wirkungsvoll verbrannt werden, um notwendige Wärme für einen industriellen Prozeß oder dgl. zu liefern.
Abströmseitig vom Bereich 37, wo die Temperaturen eine Temperatur in der Nähe von 302 bis 316ºC (575 bis 600ºF) erreicht haben, sind Einzelflügel-Entspannungs- Förderschneckenabschnitte 41 und 42 derselben Formgebung wie die Schneckenabschnitte 27 und 28 auf den Wellen 13 und 14 in einem allgemein mit 43 bezeichneten Bereich befestigt, und sie arbeiten mit identisch gestalteten Einzelflügel-Schraubenabschnitten 44 und 45 entgegengesetzter Richtung, die auf den Wellen 13 und 14 befestigt sind, um das Material wieder zusammenzupressen und um eine dritte Dampfsperre an der Zwischenfläche 46 zu bilden, die die in diesem Bereich und im Bereich 37 freigegebenen schweren flüchtigen Stoffe zu zwingen, sich im Gegenstrom in umgekehrter oder Zuströmrichtung zum Entlüftungsstutzen 38 zu bewegen. Im Dampfsperrenbereich 46 ist die Temperatur auf eine Temperatur in der Nähe von 316ºC (600ºF) angestiegen, und das abschließende Verkohlen des Materiales tritt ein. In den Schneckenabschnitten 39 und 40 hat das Produkt eine schwarz-braune/schwarzschimmernde Farbe angenommen, während das Material im Bereich 43 vollkommen schwarz ist und ein holzkohlenartiges Aussehen besitzt.
Das Material wird aus dem Bereich 43 direkt in einen herkömmlichen Energierückgewinnungskühler extrudiert, der die Kohle unter eine Selbstentzündungstemperatur abkühlt, bevor es in die Umgebung abgegeben wird.
Typischerweise kann der Kühler einen Mantel enthalten, in dem eine hohle Förderschnecke untergebracht ist, durch die ein zirkulierendes Kühlfluid hindurchgeleitet wird. Ein so erwärmtes rezirkulierendes Kühlfluid kann selbstverständlich weiter benutzt werden, um Wärme für einen brauchbaren Zweck zu liefern.
Während seines Hindurchleitens durch den Reaktor R wird das zugeführte Abfallmaterial im Gewicht um etwa 50 bis 60% reduziert werden, und es wird auch im Volumen stark reduziert worden sein. Im Reaktor ist es erforderlich, daß immer höhere Verdichtungsgrade erreicht werden, wenn die Temperatur ansteigt und die Pyrolisierung progressiv fortschreitet. Fig.10 offenbart die Verdichtungskurve, die sich bei dem Verfahren auf einer Skala 0 bis 10 ergibt, um eine relative Verdichtung zu veranschaulichen, wobei der Wert 10 die extrudierende Verdichtung am Auslaß anzeigt. Das Produkt wird vom Kühler als trockenes, zerbröckelndes zerkleinertes Produkt an die Umgebung abgegeben, das im Falle von pyrolysiertem städtischen Abfall ohne weitere Verarbeitung als ein Kohleadditiv in einer Betriebskraftanlage, beispielsweise, benutzt werden kann. Solch ein Additiv kann in einer Mischung verwendet werden, die in einen Betriebsgruppenbrenner eingespeist wird, in einem Gewichtsverhältnis von Kohle zu Additiv im Bereich von 90% pulverisierter Kohle zu 10% Kohleprodukt, das durch das vorliegende System erzeugt ist. Das Kohleprodukt, das vom vorliegenden System abgegeben ist, wird - wie angegeben - zerbröckelt sein und nicht dazu neigen, aufgrund der Anwesenheit von klebrigen, schweren Teeren oder dgl. an den Oberflächen der Kohlepartikel zu agglomerieren. Dadurch, daß das Material schrittweise pyrolysiert und seine Temperatur schrittweise auf eine Endtemperatur im Bereich 288 bis 316ºC (550 bis 600ºF) erhöht wird, erhält man ein Kohleprodukt, das bestimmte organische Materialien in einem chemisch verbundenen Zustand zurückbehält, so daß das Kohleprodukt einen höheren kJ- (BZU) -Gehalt als zuvor liefert, wenn es verbrannt wird. Das pyrolysierte städtische Abfall-Kohleprodukt, das durch den vorliegenden Niedrigtemperatur- Prozeß hergestellt wird, liefert typischerweise kJ/kg(BTU per pound) -Werte ziemlich so wie eine hochgradige Kohle, wobei das durch die früheren Verfahren erzeugte Produkt kJ-(BTU)-Größen gleich denen von niedriggradiger Kohle lieferte. Auch die Brennbarkeit des vorliegenden Produkts ist beträchtlich erhöht. In Fig.11 ist ein Diagramm vorgesehen, das die gelieferten Werte veranschaulicht.
Der Abfall aus einer Stahlumschmelzeinrichtung, die Automobilkörper verarbeitet, kann - nach Abtrennung der Metall- und Glasanteile - ebenfalls unter Benutzung des vorliegenden Verfahrens umgewandelt werden. Üblicherweise werden, nachdem die Automobile geschreddet worden sind, Magnetabscheider benutzt, um Stahl- und andere magnetische Legierungen zu entfernen, und Aluminium, Kupfer und Glas werden ebenfalls vorab vom geschreddeten Material abgetrennt. Das übrige Material besteht typischerweise, zu einem großen Anteil, aus einem Kunststoffgehalt, kann jedoch auch irgendwelches Zellulosematerial wie Papier, Holz und natürliches Fasermaterial enthalten. Typischerweise wird das Kunststoffmaterial geschäumtes zellförmiges Material enthalten, das von thermoplastischer oder von durch Wärme aushärtender Eigenschaft, ein synthetisches Textilmaterial und ein steifes Form- und Plattenmaterial sein kann. Bestimmte Fahrzeuge können natürlich auch ganz oder teilweise in ihrem Körper aus synthetischem Kunststoffmaterial geformt sein.
Solche organischen industriellen Abfallmaterialien können durch den Mischer-Reaktor, der in den Fig.1 bis 9 der Zeichnungen offenbart ist, unter im wesentlichen denselben Prozeßbedingungen wie das städtische Abfallmaterial hindurchgeführt werden. Soweit es Fig.10 der Zeichnung betrifft, wird die gezeichnete Kurve typisch sein, obwohl die Temperaturen wegen des höheren Kunststoffgehalts des Abfalls etwas variieren können. Das trockene, gleichförmig schwarze Kohlematerial, das als ein Ergebnis der Pyrolyse erhalten wird, beträgt annähernd 6 mm (1/4") in seiner maximalen Größe und besitzt einen höheren Aschegehalt. Sein erhöhter Pro-Pfund-Produktheizwert ist entsprechend niedriger, etwa 11 632 kJ/kg (5000 BTU's per pound). Es wird angenommen, daß ein solches Kohleprodukt mit Brennstoffen gemischt werden muß, die einen beträchtlich höheren kJ- (BTU) -Wert besitzen, um irgendeinen Heizwert aus der Kohle wiederzugewinnen. Die Kohle ist jedoch anderweitig brauchbar, beispielsweise als ein im wesentlichen inerter Füller in Zementanlagen, wegen ihres sehr hohen Aschegehalts.
Wie zuvor produziert der erste Pyrolysator-Entlüftungsstutzen 18 Dunst-Luft-Dampf, der zweite Entlüftungsstutzen 26 einen leichten organischen Dampf und der dritte Entlüftungstutzen eine kleine Menge dunklen, mehr flüssigen Dampfes. Die Kohle tritt aus dem Mischer bei einer Temperatur aus, die typischerweise im Bereich von 280 bis 316ºC (536 - 600ºF) liegt. Am Entlüftungsstutzen 38 kann die Temperatur des Materiales typischerweise im Bereich 260 bis 292ºC (500 bis 557ºF) liegen, während am Entlüftungsstutzen 26 seine Temperatur typischerweise im Bereich 204 bis 277ºC (400 bis 530ºF) betragen kann. Am Entlüftungsstutzen 18 kann seine typische Temperatur im Bereich 107 bis 260ºC (225 bis 500ºF) liegen. Bei durchgeführten Tests arbeitete das Verfahren erfolgreich, und es wurde nur beendet, als ein Stück Metall mit dem zugeführten Material in den Pyrolysierer gelangte und dessen Innenseite verklemmte.

Claims

1. Verfahren zum kontinuierlichen Karbonisieren einer Mischung aus zerkleinertem, hauptsächlich organischem Abfallmaterial, enthaltend folgende Schritte:

a) Kontinuierliches Zuführen eines Stromes des zerkleinerten Abfallmateriales mit einem wesentlichen organischen Materialgehalt in ein Ende eines kontinuierlichen Doppelschneckenmischers, der einen sich axial erstreckenden länglichen Mantel aufweist, in dem sich axial erstreckende, gemeinsam rotierende Mischerwellen untergebracht sind;

b) Inberührungbringen des Materiales mit Material- Vorschubelementen an den Wellen, um das diesem Ende des Mischers zugeführte Material kontinuierlich durch einen ersten Mischerbereich vorwärtszubewegen;

c) in einem abströmseitigen Mischerbereich dieses Mischers wird das Material im wesentlichen in Abwesenheit von Luft progressiv zusammengepreßt, indem es durch an den Wellen vorgesehene Materialförder- und -zusammenpreßelemente gefördert wird, die ein relativ reduziertes Raumvolumen im Mantel für das Material in einem Ausmaß zur Bildung einer Masse sich bewegenden Materiales übriglassen, das den Mantel ausfüllt und als Dampfsperre wirkt, während das Material gegen sich selbst arbeitet, um im Material Wärme zu erzeugen, die die Temperatur des Materiales adiabatisch auf flüchtige Stoffe freigebende und materialkarbonisierende Temperaturen hält, ohne Anwendung irgendwelcher Materialaußenwärme am Mischer zur Übertragung auf das sich bewegende Material;

d) Entlüften der flüchtigen Stoffe aus diesem abströmseitigen Mischerbereich;

e) und Auslassen des karbonisierten Produktes.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Arbeitsenergie, die während des Vorschubs und Zusammenpressens des Materiales dem Material übermittelt wird, verwendet wird, um die Temperatur des Materiales adiabatisch zu erhöhen.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei dieses Abfallmaterial zu einem großen Teil von synthetischem Kunststoffgehalt ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei dieses Abfallmaterial städtischer Abfall ist, der einen hohen Papiergehalt im Verhältnis zum anderen organischen Material aufweist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei dieses Abfallmaterial eine Mischung aus geschreddetem Abfallmaterial ist, das einen großen Anteil an synthetischem Kunststoffmaterial enthält.

6. Verfahren nach Anspruch 4, wobei das genannte andere organische Material Küchenabfälle, Holz und Kunststoffmaterial enthält.

7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das karbonisierte Produkt durch einen Kühler hindurchgeleitet wird, um seine Temperatur unter eine Selbstentzündungstemperatur herabzusetzen.

8. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Temperatur des Materiales adiabatisch auf eine flüchtige Stoffe freigebende und karbonisierende Temperatur in den Bereich von 232ºC bis 316ºC (450ºF bis 600ºF) erhöht wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1, wobei kleine Mengen Luft, die in dem genannten abströmseitigen Mischerbereich freigegeben werden, im Gegenstrom zu der genannten Masse des sich bewegenden Materiales zu einem ersten Entlüftungsstutzen strömen.

10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Temperatur des Materiales am ersten Entlüftungsstutzen in der Nähe von 107ºC (225ºF) liegt.

11. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die genannten Materialförder- und -zusammenpreßelemente in dem abströmseitigen Mischerbereich linsenförmige Paddel sind.

12. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das zusammengepreßte Material in einer ersten Entspannungszone entspannt wird, wobei freigegebene flüchtige Stoffe in einem zweiten Entlüftungsstutzen abgezogen werden, während das Material ausreichend entspannt, so daß es nicht aus diesem zweiten Entlüftungsstutzen ausströmt.

13. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das entspannte Material in Abwesenheit von Luft in einem Wiederzusammenpreßbereich progressiv erneut zusammengepreßt wird, indem das Material gemeinsam rotierende Misch- und Materialförderelemente passiert, die ein relativ reduziertes Raumvolumen im Material für das Material in einem Ausmaß zur Bildung einer Masse sich rotierenden Materiales übriglassen, das den Mantel ausfüllt und als zweite Dampfsperre wirkt, während die zum Wiederzusammenpressen des Materiales erforderliche Arbeitsenergie dazu benutzt wird, ohne Anwendung irgendwelcher Materialaußenwärme zum Mischer für die Übertragung auf das Material die Materialtemperatur adiabatisch auf eine leichtere flüchtige Stoffe verdampfende Temperatur zu erhöhen.

14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei diese gemeinsam rotierenden Misch- und Materialförderelemente Einzelflügel-Schneckenabschnitte enthalten.

15. Verfahren nach Anspruch 13, wobei in diesem Wiederzusammenpreßbereich die Misch- und Materialförderelemente Material im Gegenstrom bewegen, um gegen das Material zu arbeiten, das von diesen Misch- und Materialförderelementen in einer Abströmrichtung bewegt wird.

16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Material in diesem Wiederzusammenpreßbereich von einem Einzelflügelabschnitt umgekehrter Richtung im Gegenstrom bewegt wird.

17. Verfahren nach Anspruch 13, wobei in dieser Wiederzusammenpreßzone freigegebene leichtere flüchtige Stoffe durch einen zweiten Entlüftungsstutzen abströmseitig von der ersten Dampfsperre abgezogen werden.

18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei an diesem zweiten Entlüftungstutzen die Materialtemperatur auf ein Niveau in der Nähe von 204ºC (400ºF) erhöht worden ist.

19. Verfahren nach Anspruch 13, wobei abströmseitig von diesem Wiederzusammenpreßbereich das Material durch gemeinsam rotierende Misch- und Materialförderelemente vorwärts bewegt wird, die das Material entspannen und eine wandernde Materialmasse schaffen, die den Mantel nicht so ausfüllt, daß es durch einen dritten Entlüftungsstutzen nach außen getrieben wird.

20. Verfahren nach Anspruch 19, wobei das entspannte Material in einem zweiten Wiederzusammenpreßbereich erneut zusammengepreßt wird, wobei die Materialtemperatur an diesem dritten Entlüftungsstutzen auf ein Niveau in der Nähe von 310ºC (590ºF) erhöht worden ist.

21. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die genannten Misch- und Materialförderelemente in diesem Wiederzusammenpreßbereich Einzelflügelelemente sind.

22. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das karbonisierte Produkt eine zerbröckelnde Teilchenkohle ist.

23. Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine Karbonisierung in diesem Mantel soweit wie möglich in Abwesenheit von Sauerstoff erfolgt, wobei ein geringer Anteil an Luft im Material eingeschlossen oder davon mitgenommen ist.

24. Verfahren nach Anspruch 19, wobei schwerere flüchtige Stoffe durch den genannten dritten Entlüftungsstutzen abgezogen werden.

25. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die genannten Misch- und Materialförderelemente Elemente enthalten, die in gegenüberliegender Schraubenausbildung auf den genannten Wellen angeordnet sind, um einen Netto-Vorwärts- und Zusammenpreßdruck auf das Material auszuüben.

26. Verfahren nach Anspruch 1, wobei auf den gemeinsam rotierenden Mischerwellen im wesentlichen gemeinsam abstreifende Materialvorschubelemente vorgesehen sind, die auch im wesentlichen das Innere des Mantels abstreifen.