EP0897967A2 - Verfahren und Vorrichtung zur Vergasung von Abfallstoffen - Google Patents

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EP0897967A2
EP0897967A2 EP98114660A EP98114660A EP0897967A2 EP 0897967 A2 EP0897967 A2 EP 0897967A2 EP 98114660 A EP98114660 A EP 98114660A EP 98114660 A EP98114660 A EP 98114660A EP 0897967 A2 EP0897967 A2 EP 0897967A2
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EP
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slag
gasification
gas
bath
waste materials
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Siegmar Dr. Dipl.-Ing. Marschner
Sven Dipl.-Ing. Halang
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Linde Engineering Dresden GmbH
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Linde KCA Dresden GmbH
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Definitions

  • Waste with organic admixtures may no longer be disposed of in landfills become. For this reason, thermal disposal of the Waste in the form of incineration (waste incineration) or gasification.
  • the oxygen costs for gasification are disadvantageous.
  • the gasification in the fixed-bed pressure carburetor is technically carried out.
  • This carburetor with a shaft reactor is characterized by a relatively low oxygen requirement.
  • it has the disadvantage that an addition of coarse coal is necessary in order to create a supporting structure for the waste materials.
  • a pyrolysis zone is built up in the gasifier shaft, so that the escaping gas contains typical admixtures of a pyrolysis gas (pyrolysis oils, tars), which require complex gas cleaning.
  • the gasification of waste materials in the entrained flow is known as the Noell KRC process.
  • Gas cleaning is comparatively easy here because the gas contains no hydrocarbons other than methane.
  • entrained-flow gasification requires the waste materials to be ground to a grain size of less than 0.5 mm.
  • a pyrolysis drum is therefore arranged in front of the actual entrained-flow gasifier, in which the only roughly comminuted waste is converted into a pyrolysis gas and an easily grindable pyrolysis coke.
  • the pyrolysis gas and the ground pyrolysis coke are then further split in the entrained-flow gasifier.
  • This upstream pyrolysis stage, the subsequent compression of the pyrolysis gas to the pressure of the entrained-flow gasifier and the equipment for cooling, grinding, intermediate storage and metering the pyrolysis coke are very cost-intensive.
  • Thermoselect process also precedes a pyrolysis stage for gasification.
  • the cost of processing the waste materials for gasification is very low because the waste materials are pressed into the horizontal pyrolysis shaft without any special pre-treatment.
  • the gasification process can only be operated at normal pressure because the pyrolysis shaft does not guarantee a secure sealing of the gas space.
  • the invention has for its object a method and an apparatus for gasification of waste materials that are already available at proportionate low throughputs enable economical operation.
  • this object is achieved in that the gasification in one stage in a gasifier with a liquid, rotating slag bath.
  • the process according to the invention is characterized by a one-step gasification process through which the feed into usable fission gas and an unrestricted depositable slag granulate is transferred. A complex pretreatment of the Commodities are not required.
  • a magnetic separator can be arranged to remove iron components.
  • the liquid slag bath in the gasification zone fulfills several functions. Mineral components and heavy metals in the feed are melted and adsorbed. At the same time, the slag bath serves as a heat buffer and reaction mediator and thus ensures an intensive heat and material exchange. An important function is the safe ignition and, if necessary, re-ignition of the burners.
  • excess slag together with the fission gas generated during gasification through a slag drain discharged, which protrudes beyond the slag bath and into which the slag passes a side drain opens.
  • the slag bath is preferably obtained by introducing the gasification agent tangentially and / or at least some of the waste materials are set in rotating motion.
  • at least some of the waste is in at least one solid fuel burner lumpy, with recirculated fission gas as the carrier gas to the carburetor.
  • waste materials with a diameter of up to 5 mm are expediently inserted into the carburetor above the slag bath and there will be a jet of this Waste is formed and directed to the surface of the slag bath while waste with a diameter of over 5 mm to 40 mm directly into the slag bath be entered.
  • At least one gas burner is used, which is with oxygen and during start-up with natural gas and during operation with recycle cracked gas is fed.
  • oxygen is advantageously generated by oxygen lances fed directly into the slag bath.
  • the slag bath Sand, lime and / or other substances to influence the slag melting behavior and added to the slag viscosity are added to the slag viscosity.
  • the discharged slag is expediently dropped into a water bath and transferred there into a glass-like, non-elutable state.
  • the slag bath is preferably replaced by a synthetic slag formed.
  • a device for carrying out the method has a gasification chamber for Gasification of waste materials.
  • the task is solved in that the gasification chamber Has devices for forming a rotating slag bath.
  • the gasification chamber preferably has an essentially cylindrical design with a concentrically arranged slag run through the floor.
  • the inside of the reactor jacket is expediently protected by a cooling screen, which consists of gas-tight welded fin coils with cooling water are flowed through in forced circulation.
  • the tubes are preferred on the product side donated and covered with a ceramic ramming paste.
  • One freezes on this layer Slag layer firmly and forms a thermally insulating "slag fur", the Cooling screen from the high operating temperatures as well as the direct attack by the protects liquid slag.
  • the thickness of the slag protection layer depends on the operating conditions (Temperatures, slag composition).
  • the carburetor consists of a gasification chamber 1 which is surrounded by a reactor jacket 5 and a reactor cover 7 is formed.
  • the reactor jacket 5 is through a cooling screen protected, which consists of gas-tight welded fin tube coils, through which cooling water flows in forced circulation.
  • the gas discharge at the lower part of the carburetor leads to an internal circulation of the cracked gas.
  • the swirling of the gas makes it more even the residence time and thereby achieve a more perfect balance.
  • Large quantities of slag droplets entrained in the gas hit the Carburetor wall down and flow into the slag bath 2.
  • Two types of burners are provided for introducing feed material and gasification agent into the gasification chamber 1, which are oriented obliquely downwards, tangentially to the surface of the slag bath.
  • the slag is set into a rotational movement by the transmitted impulse, as a result of which the slag bath 2 is thoroughly mixed.
  • natural gas is burned in the start-up phase and fission gas returned during operation is burned with oxygen (if necessary with the addition of steam).
  • the fine grain fraction (d ⁇ 5 mm) of the feed is burned with oxygen, with recycled cracked gas acting as the carrier gas. Small particles are already converted into entrained-flow gasification in the gas space above the slag bath 2.
  • the slag bath is expediently first formed by a synthetic slag (CaO + SiO 2 + Al 2 O 3 ).
  • a synthetic slag CaO + SiO 2 + Al 2 O 3
  • lime and sand in a ratio of approx. 0.8 to approx. 1.2 as well as a smaller proportion of Al 2 O 3 (approx. 10% by mass) are mixed and filled into the reactor.
  • the mixture is melted by the combustion of natural gas fed into the burners and brought to operating temperature.
  • the slag bath is constantly renewed by mineral components brought in with the waste.
  • the properties of the slag are determined by its composition.
  • the main components of the slag are CaO, SiO 2 and Al 2 O 3 .
  • Other slag components are metals and their oxides that are deposited with the waste. Together, the slag components form eutectics, whose melting points are significantly below the melting points of the individual components (see Pawlek; Metall prisenischen, Walter de Gruyter (1983)).
  • An important parameter for the operation of the slag bath gasifier is the viscosity of the slag.
  • the silica is formed by SiO 4 tetrahedra, in the center of which there is an Si atom which is surrounded by four O atoms. These tetrahedra form space lattices through common oxygen atoms, which remain in the liquid state as coherent complexes. The limited mobility of these large structures results in a high viscosity.
  • the Al 3+ cations are able to replace Si 4+ and in turn form AlO 4 tetrahedra, so that Al 2 O 3 has an effect similar to SiO 2 on the viscosity of a slag.
  • SiO 2 and Al 2 O 3 are so-called network formers (see Kozakevitch, Urban; viscosity and structure of liquid slags, Metz 1954). So-called network converters, such as CaO and MgO, are able to break the tetrahedron bonds of the oxygen atoms and thus lead to a reduction in the slag viscosity.
  • substances such as sand and / or lime can be added to the slag, so that the melting and viscosity behavior of the slag can be influenced within certain limits.
  • the slag run 6 is analogous to the crucible construction made of pressurized water-cooled, welded fin tubes manufactured. These are pinned on both sides and with a ceramic ramming compound busy. A slag layer freezes on the ramming mass, which closes the material from the high operating temperatures and a direct attack by the chemical protects aggressive slag.
  • the combined removal of slag and hot cracked gas keeps the slag flowable due to the high temperatures of the gas.
  • the further discharge takes place via the post-reaction room.
  • This can be designed, for example, as a port furnace or, as shown in FIG. 1, as a melting cyclone 3.
  • the slag is then refined in this way, so that possible foaming does not cause discharge problems. If the temperatures in the melting cyclone 3 are not sufficient for free flow of the slag, a burner 14 operated with recirculated fission gas and oxygen can be arranged.
  • a water bath 4 for slag granulation is flanged onto the post-reaction space.
  • the slag granulate cannot be eluted and can be deposited without restrictions.
  • the gasifier according to the invention is advantageous for a wide range of waste materials applicable.
  • the working temperature of the slag bath gasifier is set at 1600 ° C.
  • the waste gasification is carried out as an autothermal process, with the splitting of the waste materials and the amount of heat required to melt the mineral components generated by partial oxidation of the combustible components with oxygen becomes.
  • Table 1 shows the composition of standard waste according to the NRW State Environment Agency.
  • the pretreatment of the waste is limited to a rough crushing of the input material to a grain size below 40 mm. Iron can also be separated by magnetic separation.
  • the grain fraction 0 ... 5 mm is introduced into the gasification chamber via the solid fuel burner, the grain fraction 5 ... 40 mm using a screw conveyor via a nozzle.
  • Composition of a standard waste according to the NRW State Environment Agency Garbage components Dimensions-% Ash component kg / t waste C.
  • 357 M 3 iN oxygen (96 vol% O 2 ) is required for autothermal gasification of 1.0 t waste.
  • the cracked gas obtained has a high proportion of steam due to the moisture content of the feed.
  • the cracked gas has a high CO and H 2 content, so that there are sufficient energy reserves to cover any higher heat losses.
  • the ash in the waste has a high content of SiO 2 and Al 2 O 3 , which leads to a high viscosity of the slag. If this causes operational problems, adding lime through a nozzle can reduce the slag viscosity.
  • An advantageous application of the slag bath gasifier according to the invention is the gasification of old PVC, since in addition to the waste disposal, the HCl contained in the PVC can be recovered and used as HCl gas in the oxychlorination in order to ultimately produce PVC again.
  • Table 2 shows the composition of a PVC-containing waste mixture. Waste mixture with a high PVC content component Dimensions-% Pure PVC 61 Plasticizers 20th chalk 8.6 combustible waste 6.4 non-combustible waste 4th
  • an additional sifter (zigzag sifter) should be provided for the pre-treatment.
  • the heavy non-ferrous metals are separated, which are mainly converted to metal chlorides in the slag bath and would thereby reduce the HCl yield.
  • the silicates and light metals Al, Mg are desirable slag formers.
  • the possibility of using relatively coarse-grained feed material is particularly economical with PVC, since this means that comminution in a granulator is sufficient and complex and very costly low-temperature grinding is not necessary.
  • Table 3 shows that there is an oxygen requirement of 420 m 3 iN / t old PVC for autothermal gasification of the old PVC.
  • the HCl-free cracked gas is rich in CO and H 2 and can be used to generate electrical energy and process steam.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Vergasung von Abfallstoffen. Um auch bei verhältnismäßig geringen Durchsätzen einen wirtschaftlichen Betrieb zu ermöglichen, wird vorgeschlagen, daß die Vergasung in einem Vergaser (1) mit einem flüssigen, rotierenden Schlackebad (2) erfolgt. Das Schlackebad (2) wird vorzugsweise durch tangentiale Einleitung des Vergasungsmittels und/oder zumindest eines Teiles der Abfallstoffe in rotierende Bewegung versetzt. Während Abfallstoffe mit einem Durchmesser von bis zu 5 mm oberhalb des Schlackebades (2) in den Vergaser (1) eingegeben werden, werden größere Abfallstoffe direkt in das Schlackebad eingebracht.

Description

Abfälle mit organischen Beimengungen dürfen in Zukunftnicht mehr auf Deponien entsorgt werden. Deshalb erfolgt in zunehmendem Maße eine thermische Entsorgung der Abfälle in Form von Verbrennung (Müllverbrennung) oder Vergasung.
Für die Müllverbrennung existieren technisch ausgefeilte Verfahren, die bei einem möglichst hohen Wirkungsgrad für die Erzeugung von thermischer und Elektroenergie umweltverträgliche Abprodukte erzeugen. Das erfordert Parameter der Verbrennung, welche die Erzeugung von Schlacken gewährleistet, die einen hohen Widerstand gegenüber einer Auslaugung der enthaltenen Schwermetalle durch Wasser besitzen. Notwendig ist außerdem eine intensive Reinigung der Rauchgase von Stäuben, Stickoxiden sowie Dioxinen/Furanen. Die dabei entstehenden Filterstäube und Prozeßwasser müssen ebenfalls kostenaufwendig zu umweltverträglichen Produkten aufgearbeitet werden. Der technische Aufwand für die umweltverträgliche Verbrennung von Abfallstoffen wird dabei so hoch, daß nur Einheiten mit einem großen Durchsatz an Abfallstoffen wirtschaftlich arbeiten können.
Große Durchsätze bedingen wiederum ein großes Einzugsgebiet, um die erforderlichen Abfallstoffe bereitzustellen. Somit werden die Kosten für den Transport von Abfallstoffen vom Entstehungsort zur Verbrennungsanlage eine nicht zu vernachlässigende Größe der Gesamtkosten.
Alternativ zur Verbrennung können die Abfallstoffe auch mit Sauerstoff vergast werden. Die Vergasung besitzt gegenüber der Verbrennung eine Reihe von Vorteilen:
  • a) Die Vergasung arbeitet im Gegensatz zur Verbrennung mit Sauerstoffunterschuß. Die Hauptkomponenten im Vergasungsgas sind deshalb H2, CO und CH4. Der Schwefel setzt sich zu H2S um, welches vergleichsweise einfacher aus dem Vergasungsgas entfernt werden kann als SO2 aus dem Rauchgas der Verbrennung. Das Vergasungsgas ist als Brenngas einsetzbar. Es entsteht kein NOx.
  • b) Die Vergasung erfolgt in der Regel bei höherer Temperatur als die Verbrennung. Damit wird eine höhere Zerstörungseffizienz von organischen Schadstoffen erreicht, die Dioxin-Furan-Problematik wird sicher beherrscht, und es ist eine mineralische Einbindung von Schwermetallen in die Schlacke zu nicht eluierbaren Verbindungen möglich.
  • c) Die auf Normzustand bezogene Brenngasmenge aus der Vergasung beträgt nur etwa 1/10 der Rauchgasmenge einer Verbrennung. Bei der Vergasung unter Druck liegt der Volumenstrom des Brenngases sogar unter 1 % des Volumenstromes vom Rauchgas. Dadurch werden die Apparate für die Gasreinigung vergleichsweise klein.
    • Beim Kostenvergleich zwischen Verbrennung und Vergasung sind die Sauerstoffkosten für die Vergasung von Nachteil.
    Technisch ausgeführt ist die Vergasung im Festbettdruckvergaser. Dieser Vergaser mit einem Schachtreaktor zeichnet sich durch einen relativ niedrigen Sauerstoffbedarf aus. Er hat aber den Nachteil, daß eine Zumischung von grobstückiger Kohle notwendig ist, um ein Stützgerüst für die Abfallstoffe zu schaffen. Außerdem wird durch die thermodynamisch an sich günstige Gegenstromfahrweise von Abfallstoffen und Vergasungsgas eine Pyrolysezone im Vergaserschacht aufgebaut, so daß das entweichende Gas typische Beimengungen eines Pyrolysegases (Pyrolyseöle, Teere) enthält, welche eine aufwendige Gasreinigung erfordern.
    Die Vergasung von Abfallstoffen im Flugstrom ist als Noell-KRC-Verfahren bekannt. Hier ist die Gasereinigung vergleichsweise einfach, weil das Gas außer Methan keine Kohlenwasserstoffe enthält. Die Flugstromvergasung erfordert jedoch eine Aufmahlung der Abfallstoffe auf Korngröße kleiner 0,5 mm.
    Beim Noell-KRC-Verfahren ist deshalb vor dem eigentlichen Flugstromvergaser eine Pyrolysetrommel angeordnet, in welcher die nur grob zerkleinerten Abfälle zu einem Pyrolysegas sowie einem leicht vermahlbaren Pyrolysekoks umgewandelt werden. Das Pyrolysegas sowie der gemahlene Pyrolysekoks werden anschließend im Flugstromvergaser weiter aufgespalten. Diese vorgeschaltete Pyrolysestufe, die anschließende Verdichtung des Pyrolysegases auf den Druck des Flugstromvergasers sowie die Ausrüstungen zur Kühlung, Vermahlung, Zwischenlagerung und Dosierung des Pyrolysekokses sind sehr kostenintensiv.
    Beim Verfahren von Thermoselect wird ebenfalls eine Pyrolysestufe der Vergasung vorangestellt. Die Kosten für die Aufarbeitung der Abfallstoffe für die Vergasung sind dabei sehr gering, weil die Abfallstoffe ohne besondere Vorbehandlungen in den waagerechten Pyrolyseschacht gepreßt werden.
    Allerdings kann damit der Vergasungsprozeß nur bei Normaldruck betrieben werden, weil der Pyrolyseschacht keine sichere Abdichtung des Gasraumes gewährleistet.
    Damit werden die Apparate für die Gasreinigung vergleichsweise groß und kostenintensiv. Außerdem erfolgt die Pyrolyse im Pyrolyseschacht sehr unvollständig, so daß unkontrolliert Abfälle mit teilweise sehr großen Abmessungen in den Vergasungsraum fallen und dort auf der Schlacke schwimmen. Damit wird der Betrieb des Vergasers sehr unregelmäßig, was sich entweder auf starke Schwankungen von Menge und Zusammensetzung des Vergasungsgases und/oder durch stark schwankenden Sauerstoffbedarf auswirkt. Die starken Schwankungen des Vergasungsgases erschweren die Nutzung des Gases, der stark schwankende Sauerstoffbedarf ist schwierig auszuregeln.
    Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Vergasung von Abfallstoffen zur Verfügung zu stellen, die bereits bei verhältnismäßig niedrigen Durchsätzen einen wirtschaftlichen Betrieb ermöglichen.
    Diese Aufgabe wird verfahrensseitig erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Vergasung einstufig in einem Vergaser mit einem flüssigen, rotierenden Schlackebad erfolgt.
    Dadurch sind kleinere, dezentrale Anlagen möglich, wodurch die durch den Antransport des Abfallstoffes verursachten Kosten gesenkt werden.
    Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch einen einstufigen Vergasungsprozeß aus, durch den das Einsatzgut in nutzbares Spaltgas und ein uneingeschränkt deponierfähiges Schlackegranulat überführt wird. Eine aufwendige Vorbehandlung des Einsatzgutes ist nicht erforderlich.
    Das Einsatzgut kann mit Korngrößen bis zu 40 mm in den Vergaser eingesetzt werden, so daß nur eine Grobzerkleinerung der Abfallstoffe vorgeschaltet wird. Das Gemisch wird beispielsweise in einer Siebklassierung in die Fraktionen
  • d = 0..5 mm
  • d = 5..40 mm
  • d > 40 mm
    • aufgetrennt. Der Siebüberlauf wird einer Mühle und danach erneut der Siebmaschine zugeführt.
    Zur Entfernung von Eisenanteilen kann ein Magnetscheider angeordnet werden.
    Das sich in der Vergasungszone befindende flüssige Schlackebad erfüllt mehrere Funktionen. Mineralische Bestandteile und Schwermetalle des Einsatzgutes werden aufgeschmolzen und adsorbiert. Gleichzeitig dient das Schlackebad als Wärmepuffer und Reaktionsvermittler und sorgt dadurch für einen intensiven Wärme- und Stoffaustausch.
    Eine wichtige Funktion ist die sichere Zündung und ggf. Rückzündung der Brenner.
    Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird überschüssige Schlacke gemeinsam mit dem bei der Vergasung anfallenden Spaltgas durch einen Schlackeablauf ausgetragen, der über das Schlackebad hinausragt und in den die Schlacke durch eine seitliche Abflußöffnung abfließt.
    Vorzugsweise wird das Schlackebad durch tangentiale Einleitung des Vergasungsmittels und/oder zumindest eines Teiles der Abfallstoffe in rotierende Bewegung versetzt. Mit Vorteil wird zumindest ein Teil der Abfallstoffe in mindestens einem Festoffbrenner stückig, mit rückgeführtem Spaltgas als Trägergas dem Vergaser zugeführt werden. Dabei werden zweckmäßigerweise Abfallstoffe mit einem Durchmesser von bis 5 mm oberhalb des Schlackebades in den Vergaser eingeführt und es wird ein Strahl dieser Abfallstoffe gebildet und auf die Oberfläche des Schlackebades gerichtet, während Abfallstoffe mit einem Durchmesser von über 5 mm bis 40 mm direkt in das Schlackebad eingetragen werden.
    Bevorzugt wird mindestens ein Gasbrenner eingesetzt, der mit Sauerstoff sowie während des Anfahrens mit Erdgas und während des Betriebes mit rückgeführtem Spaltgas gespeist wird. Außerdem wird vorteilhafterweise Sauerstoff durch Sauerstofflanzen direkt in das Schlackebad eingespeist.
    Gemäß einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens werden in das Schlackebad Sand, Kalk und/oder andere Stoffe zur Beeinflussung des Schlackeschmelzverhaltens und der Schlackeviskosität zugegeben.
    Die ausgetragene Schlacke wird zweckmäßigerweise in ein Wasserbad tropfen gelassen und dort in einen glasartigen, nicht eluierbaren Zustand überführt.
    Bei Inbetriebnahme des Vergasers wird das Schlackebad vorzugsweise durch eine synthetische Schlacke gebildet.
    Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens besitzt einen Vergasungsraum zur Vergasung der Abfallstoffe.
    Vorrichtungsseitig wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, daß der Vergasungsraum Einrichtungen zur Ausbildung eines rotierenden Schlackebades aufweist.
    Der Vergasungsraum besitzt vorzugsweise eine im wesentlichen zylindrische Bauform mit einem durch den Boden geführten, konzentrisch angeordneten Schlackenablauf.
    Der Reaktormantel wird zweckmäßigerweise innen durch einen Kühlschirm geschützt, welcher aus gasdicht verschweißten Flossenrohrschlangen besteht, die mit Kühlwasser im Zwangsumlauf durchströmt werden. Produktseitig sind die Rohre bevorzugt bestiftet und mit einer keramischen Stampfmasse belegt. Auf dieser Schicht friert eine Schlackenschicht fest und bildet einen thermisch isolierenden "Schlackepelz", der den Kühlschirm vor den hohen Betriebstemperaturen sowie dem direkten Angriff durch die flüssige Schlacke schützt. Die Dicke der Schlackeschutzschicht hängt von den Betriebsbedingungen (Temperaturen, Schlackezusammensetzung) ab.
    Im folgenden soll die Erfindung anhand eines in den Figuren schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden:
    Es zeigen
  • Figur 1 einen Querschnitt durch einen Vergaser mit rotierendem Schlackebad
  • Figur 2 einen Längsschnitt durch den in Fig. 1 dargestellten Vergaser
    • In den Figuren sind dieselben Anlagenteile mit den denselben Bezugsziffern versehen.
    Der Vergaser besteht aus einem Vergasungsraum 1, der von einem Reaktormantel 5 und einem Reaktordeckel 7 gebildet wird. Der Reaktormantel 5 wird durch einen Kühlschirm geschützt, welcher aus gasdicht verschweißten Flossenrohrschlangen besteht, die mit Kühlwasser im Zwangsumlauf durchströmt werden.
    Da der Vergaser nach oben durch den Deckel 7 verschlossen ist, kann das bei der Vergasung anfallende Spaltgas nur gemeinsam mit der überschüssigen Schlacke durch den als Zentralrohr 6 ausgebildeten Schlackeablauf strömen.
    Durch den Gasabzug am Unterteil des Vergasers kommt es zu einer inneren Zirkulation des Spaltgases. Durch die Verwirbelung des Gases wird eine Vergleichmäßigung der Verweilzeit und dadurch eine vollkommenere Gleichgewichtseinstellung erreicht. Mit dem Gas mitgerissene Schlacketröpfchen schlagen sich zum großen Teil an der Vergaserwand nieder und fließen in das Schlackebad 2 ab.
    Zum Einbringen von Einsatzgut und Vergasungsmittel in den Vergasungsraum 1 werden zwei Arten von Brennern vorgesehen, die schräg nach unten, tangential auf die Schlackenbadoberfläche ausgerichtet sind. Durch den übertragenen Impuls wird die Schlacke in eine Rotationsbewegung versetzt, wodurch eine gute Durchmischung des Schlackebades 2 bewirkt wird.
    In den Gasbrennern 8 wird in der Anfahrphase Erdgas und während des Betriebs rückgeführtes Spaltgas mit Sauerstoff (bei Bedarf unter Zumischung von Dampf) verbrannt.
    In den Feststoffbrennern 9 wird der Feinkornanteil (d < 5 mm) des Einsatzgutes mit Sauerstoff verbrannt, wobei rückgeführtes Spaltgas als Trägergas fungiert. Kleine Partikel werden bereits im Gasraum über dem Schlackebad 2 in einer Flugstromvergasung umgesetzt. Größere Partikel können wegen der längeren nötigen Reaktionszeit auf die Schlacke treffen und in diese eintauchen. Der Grobkornanteil (d = 5..40 mm) des Einsatzgutes wird mittels Dosierschnecke über einen radial angeordneten Stutzen 10 direkt in das Schlackebad 2 gegeben.
    Aufgrund des intensiven Wärme- und Stoffübergangs werden die organischen Bestandteile sicher vergast, während die mineralischen Bestandteile aufgeschmolzen und von der Schlacke absorbiert werden.
    Mit den Brennern wird nur ein Teil des benötigten Sauerstoffs zugeführt. Der andere Teil gelangt durch tangential angeordnete Sauerstofflanzen 8 direkt in das Schlackebad 2, was mehrere Vorteile bietet.
    Durch die Direkteinblasung wird eine intensive Durchmischung des Schlackebades erreicht, da zum einen der Impuls besser übertragen wird und zum anderen die aufsteigende Sauerstoffblasen für zusätzliche Turbulenz sorgen.
    Daneben ermöglicht der Sauerstoff eine Vergasung der in die Schlacke eingetragenen organischen Komponenten im Schlackebad, wodurch einerseits die Vergasungsreaktion beschleunigt und andererseits die Anzahl der die Viskosität der Schlacke steigernden Fremdkeime verringert wird.
    Das Schlackebad wird bei Inbetriebnahme der Vorrichtung zweckmäßigerweise zunächst durch eine synthetische Schlacke (CaO + SiO2 + Al2O3) gebildet. Dazu werden Kalk und Sand im Verhältnis von ca. 0,8 bis ca. 1,2 sowie ein geringerer Anteil an Al2O3 (ca. 10 Masse-%) vermischt und in den Reaktor gefüllt. Während des Anfahrens wird die Mischung durch die Verbrennung von in die Brenner eingespeistes Erdgas aufgeschmolzen und auf Betriebstemperatur gebracht.
    Während des Betriebs des Vergasers wird das Schlackebad ständig durch mit dem Abfall eingebrachte mineralische Bestandteile erneuert.
    Die Eigenschaften der Schlacke (Schmelzpunkt, Viskosität) werden durch deren Zusammensetzung bestimmt. Hauptbestandteile der Schlacke sind CaO, SiO2 und Al2O3. Andere Schlackekomponenten sind mit dem Abfall eingetragene Metalle und deren Oxide. Zusammen bilden die Schlackekomponenten Eutektika, deren Schmelzpunkte deutlich unterhalb der Schmelzpunkte der Einzelkomponenten liegen (s. Pawlek; Metallhüttenkunde, Walter de Gruyter (1983)).
    Ein wichtiger Parameter für den Betrieb des Schlackebadvergasers ist die Viskosität der Schlacke. Die Kieselsäure wird durch SiO4-Tetraeder gebildet, in deren Zentrum ein Si-Atom angeordnet ist, welches von vier O-Atomen umgeben ist. Diese Tetraeder bilden durch gemeinsame Sauerstoffatome Raumgitter, welche auch im flüssigen Zustand als zusammenhängende Komplexe bestehen bleiben. Die eingeschränkte Beweglichkeit dieser großen Gebilde bedingt eine hohe Viskosität. Die Al3+-Kationen sind in der Lage Si4+ zu ersetzen und ihrerseits AlO4-Tetraeder zu bilden, so daß Al2O3 eine ähnliche Wirkung wie SiO2 auf die Viskosität einer Schlacke hat. SiO2 und Al2O3 sind sogenannte Netzwerkbildner (s. Kozakevitch, Urban; Viskosität und Gefüge von flüssigen Schlacken, Metz 1954).
    Sogenannte Netzwerkwandler, wie CaO und MgO, sind in der Lage, die Tetraederbindungen der Sauerstoffatome aufzubrechen und führen dadurch zu einer Verringerung der Schlackenviskosität.
    Das System CaO-SiO2 ist im Bereich von CaO/SiO2 = 0,8 bis 1,2 bei Temperaturen oberhalb 1450 °C genügend flüssig. Durch einen radial angeordneten Stutzen 12 oberhalb des Schlackebades 2 können der Schlacke Stoffe, wie Sand und/oder Kalk, zugegeben werden, so daß das Schmelz- und Viskositätsverhalten der Schlacke in gewissen Grenzen beeinflußt werden kann.
    In dem gleichen Maße wie dem Schlackebad 2 schlackbildende Komponenten zugeführt werden, fließt über den Schlackeablauf 6 überschüssige Schlacke ab. Das Abflußrohr ragt erfindungsgemäß über das Schlackebad 2 hinaus und hat in der gewünschten Höhe eine Abflußöffnung. Dadurch wird im Vergleich zur Ausführung als Schlackeüberlauf mit Tropfkante ein konzentrierter, dickerer Schlackestrahl erzeugt, wodurch eine Strähnenbildung vermieden wird. Der Schlackeablauf 6 ist erfindungsgemäß analog der Tiegelkonstruktion aus druckwassergekühlten, verschweißten Flossenrohren gefertigt. Diese sind beidseitig bestiftet und mit einer keramischen Stampfmasse belegt. Auf der Stampfmasse friert eine Schlackeschicht fest, die das Material vor den hohen Betriebstemperaturen und einem direkten Angriff durch die chemisch aggressive Schlacke schützt.
    Durch den gemeinsamen Abzug von Schlacke und heißem Spaltgas wird die Schlacke durch die hohen Temperaturen des Gases fließfähig gehalten.
    Der weitere Austrag erfolgt über den Nachreaktionsraum. Dieser kann z.B. als Hafenofen oder, wie in Fig. 1 dargestellt, als Schmelzzyklon 3 ausgeführt sein. In diesem erfolgt dann eine Läuterung der Schlacke, so daß ein mögliches Schäumen keine Austragsprobleme bereitet. Falls die Temperaturen im Schmelzzyklon 3 für ein freies Fließen der Schlacke nicht ausreichend sind, kann ein mit rückgeführtem Spaltgas und Sauerstoff betriebener Brenner 14 angeordnet werden.
    Bevor das Produktgas den Vergaser verläßt, können in der Vergasungszone nicht umgesetzte kohlenstoffhaltige Partikel in den Nachvergasungszone weiter umgesetzt werden.
    Bei einer Ausführung als Zyklon werden mit dem Spaltgas mitgerissene Schlacketröpfchen und Feststoffpartikel an der Wandung abgeschieden, wodurch der Flugstaubaustrag erheblich verringert wird.
    An den Nachreaktionsraum ist ein Wasserbad 4 zur Schlackengranulierung angeflanscht. Das Schlackegranulat ist nicht eluierbar und uneingeschränkt deponierfähig.
    Ein Betrieb des erfindungsgemäßen Vergasers unter erhöhtem Druck ist bei entsprechendem apparativen Aufwand möglich.
    Der erfindungsgemäße Vergaser ist für ein breites Spektrum an Abfallstoffen vorteilhaft einsetzbar.
    Im folgenden werden zwei Anwendungsbeispiele näher beschrieben.
    Die Arbeitstemperatur des Schlackebadvergasers wird mit 1600 °C angesetzt. Die Abfallvergasung wird als autothermer Prozeß geführt, wobei die zur Aufspaltung der Abfallstoffe sowie die Aufschmelzung der mineralischen Bestandteile benötigte Wärmemenge durch eine partielle Oxidation der brennbaren Bestandteile mit Sauerstoff erzeugt wird.
    Beispiel 1: Müllvergasung
    In der Tabelle 1 ist die Zusammensetzung eines Standardmülls nach Landesumweltamt NRW angegeben.
    Die Vorbehandlung des Mülls beschränkt sich auf eine Grobzerkleinerung des Einsatzgutes auf Korngröße unterhalb 40 mm. Zusätzlich kann eine Eisenabtrennung durch Magnetscheidung erfolgen.
    Die Kornfraktion 0...5 mm wird über die Feststoffbrenner, die Kornfraktion 5...40 mm mittels Schneckenförderer über einen Stutzen in den Vergasungsraum eingebracht.
    Zusammensetzung eines Standardmülls nach Landesumweltamt NRW
    Müllkomponenten Masse-% Aschekomponente kg/t Müll
    C 27,16 SiO2 110
    H 3,45 Al2O3 34
    O 18,39 CaO 31
    N 0,3 Fe 30
    S 0,2 Na2O 15,205
    Cl 0,5 Fe2O3 15
    Feuchte (H2O) 25 MgO 4,5
    Asche 25 Al 4
    K2O 3
    Wie in Tabelle 3 aufgeführt, werden für eine authotherme Vergasung von 1,0 t Müll 357 M3 i.N. Sauerstoff (96 Vol-% O2) benötigt.
    Das erhaltene Spaltgas hat aufgrund der Feuchte des Einsatzgutes einen hohen Dampfanteil. Daneben weist das Spaltgas eine hohen CO- und H2-Gehalt auf, so daß genügend Energiereserven zur Abdeckung von eventuell höheren Wärmeverlusten vorhanden sind.
    Die Asche des Mülls hat einen hohen Gehalt an SiO2 und Al2O3, die zu einer hohen Viskosität der Schlacke führen. Falls dies Betriebsprobleme verursacht, kann durch eine Kalkzugabe über einen Stutzen die Schlackeviskosität gesenkt werden.
    Beispiel 2: Vergasung von Alt-PVC
    Eine vorteilhafte Anwendung des erfindungsgemäßen Schlackebadvergasers besteht in der Vergasung von Alt-PVC, da neben der Müllbeseitigung das im PVC enthaltene HCl zurückgewonnen und als HCl-Gas in der Oxichlorierung eingesetzt werden kann, um im Endeffekt erneut PVC herzustellen.
    In Tabelle 2 ist die Zusammensetzung eines PVC-haltigen Abfall-Gemisches angegeben.
    Abfall-Gemisch mit hohem PVC-Gehalt
    Komponente Masse-%
    Rein-PVC 61
    Weichmacher 20
    Kreide 8,6
    brennbare Abfälle 6,4
    nicht brennbare Abfälle 4
    Neben der Siebklassierung mit entsprechender Zerkleinerung des Alt-PVC auf die Korngröße d < 40 mm und dem Magnetscheider zur Eisenabtrennung, sollte zur Vorbehandlung ein zusätzlicher Sichter (Zickzacksichter) vorgesehen werden. In diesem werden die schweren NE-Metalle abgetrennt, die im Schlackenbad überwiegend zu Metallchloriden umgesetzt werden und dadurch die HCl-Ausbeute herabsetzen würden. Im Gegensatz dazu sind die Silikate und Leichtmetalle (Al, Mg) erwünschte Schlackebildner.
    Die Möglichkeit des Einsatzes von relativ grobkörnigen Einsatzgut ist bei PVC besonders wirtschaftlich, da dadurch eine Zerkleinerung in einer Schneidmühle ausreichend und eine aufwendige und sehr kostenintensive Tieftemperaturaufmahlung nicht nötig ist.
    Die Fraktion d = 0...5 mm wird über die Feststoffbrenner, die Fraktion d = 5...40 mm mittels Förderschnecke über einen Stutzen in den Vergasungsraum eingebracht.
    Tabelle 3 zeigt, daß zur autothermen Vergasung des Alt-PVC ein Sauerstoffbedarf von 420 m3 i.N. /t Alt-PVC besteht.
    Man erhält eine nahezu 100 % HCl-Ausbeute. Das HCl wird durch nachfolgende Absorption und Destillation aus dem Spaltgas gewonnen und einer weiteren Verarbeitung zugeführt. Eine Minderung der HCl-Ausbeute kann durch Metallchloridbildung im Schlackebad verursacht werden. Durch die direkte Einleitung von Sauerstoff in das Schlackebad wird ein Sauerstoffüberschuß in der Schlacke verursacht, wodurch die Metallchloridbildung der Schlackekomponenten unterdrückt wird bzw. Metallchlorid unter Cl2-Abspaltung oxidiert werden, sofern die Neigung der Elemente zur Oxidation gegenüber der Chlorierung überwiegt (vgl. freie Reaktionsenthalpie). MeCl2 + ½ O2 → MeO + ½ Cl2
    Das HCl-freie Spaltgas ist CO- und H2-reich und kann zur Erzeugung von Elektroenergie und Prozeßdampf genutzt werden.
    Die im Alt-PVC enthaltene Kreide wird im Schlackebad in CO2 und CaO aufgespalten, wodurch eine Zugabe von Sand zur Schlacke erforderlich werden kann.
    Bilanzierung für Spaltgas von Abfallstoffen im Schlackenbadvergaser (t = 1600 °C, Q v = 0)
    Abfall Sauerstoffbedarf (96 Vol-% O) Spaltgasmenge Spaltgaszusammensetzung
    HCl H2 H2O CO CO2 N2
    m3 i.N. /t m3 i.N. /t Vol-%
    Müll (NRW) 357 1230 0 13,7 42,6 23,6 17,5 1,3
    Alt-PVC 422 1531 14,4 27,1 1,4 55,2 0,7 1,1
    Die beiden angeführten Beispiele mit Abfallstoffen sehr unterschiedlicher Zusammensetzung zeigen, daß aus Sicht des Energiehaushaltes die Vergasung mit Sauerstoff im Schlackebad auf eine große Sortenvielfalt an Abfallstoffen ohne größere Probleme reagieren kann.

    Claims (15)

    1. Verfahren zur Vergasung von Abfallstoffen, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergasung einstufig in einem Vergaser (1) mit einem flüssigen, rotierenden Schlackebad (2) erfolgt.
    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß überschüssige Schlacke gemeinsam mit dem bei der Vergasung anfallenden Spaltgas durch einen Schlackeablauf (6) ausgetragen wird, der über das Schlackebad (2) hinausragt und in den die Schlacke durch eine seitliche Abflußöffnung abfließt.
    3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Schlackebad (2) durch tangentiale Einleitung des Vergasungsmittels und/oder zumindest eines Teiles der Abfallstoffe in rotierende Bewegung versetzt wird.
    4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der Abfallstoffe in mindestens einem Feststoffbrenner (9) stückig, mit rückgeführtem Spaltgas als Trägergas dem Vergaser (1) zugeführt wird.
    5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Abfallstoffe mit einem Durchmesser von bis zu 5 mm oberhalb des Schlackebades (2) in den Vergaser (1) eingeführt werden und ein Strahl dieser Abfallstoffe gebildet und auf die Oberfläche des Schlackebades (2) gerichtet wird, während Abfallstoffe mit einem Durchmesser von über 5 mm bis 40 mm direkt in das Schlackebad (2) eingetragen werden.
    6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Gasbrenner (8) eingesetzt wird, der mit Sauerstoff sowie während des Anfahrens mit Erdgas und während des Betriebs mit rückgeführtem Spaltgas gespeist wird.
    7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Sauerstoff durch Sauerstofflanzen direkt in das Schlackebad (2) eingespeist wird.
    8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in das Schlackebad (2) Sand, Kalk und/oder andere Stoffe zur Beeinflussung des Schlackeschmelzverhaltens und der Schlackeviskosität zugegeben werden.
    9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die ausgetragene Schlacke in ein Wasserbad (4) tropfen gelassen wird und dort in einen glasartigen, nicht eluierbaren Zustand überführt wird.
    10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Schlackebad (2) bei Inbetriebnahme durch eine synthetische Schlacke gebildet wird.
    11. Vorrichtung zur Vergasung von Abfallstoffen mit einem Vergasungsraum (1), dadurch gekennzeichnet, daß der Vergasungsraum (1) Einrichtungen zur Ausbildung eines rotierenden Schlackebades (2) aufweist.
    12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergasungsraum (1) eine im wesentliche zylindrische Bauform aufweist mit einem durch den Boden geführten, konzentrisch angeordneten Schlackeablauf (6).
    13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergasungsraum (1) und der Schlackeablauf (6) aus verschweißten, druckwasserdurchströmten Flossenrohrschlangen gefertigt sind, die bestiftet und mit einer keramischen Stampfmasse belegt sind.
    14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein als Schmelzzyklon ausgeführter Nachreaktionsraum (3) vorgesehen ist, in dem mit dem Spaltgas mitgerissene Schlacketröpfchen und Flugstaub abgeschieden werden.
    15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß im Schmelzzyklon (3) ein mit rückgeführtem Spaltgas gespeister Zusatzbrenner (14) installiert ist.
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