Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen die Erzeugung von Dampf aus nassem Brennstoff und im besonderen einen Prozeß, bei dem der Brennstoff durch Ausnutzung der Wärmeenergie des bei der Verbrennung von getrocknetem Brennstoff in einem Ofen erzeugten Rauchgases getrocknet wird. Die Energie des Prozesses steht in der Form von Dampf zur Verfügung. Der Prozeß kann für z.B. jeden beliebigen festen, brennbaren organischen Stoff mit einem hohen Wassergehalt, wie Borke und Torf oder Schlämme wie etwa Ablaugen und ähnliche angewendet werden.

Um Chemikalien zurückzugewinnen und Dampf zu erzeugen wird als Ablauge bekannte Schwarzlauge im allgemeinen in einem Rückgewinnungskessel verfeuert. Die organischen Verbindungen der Schwarzlauge werden in der Form einer Schmelze zurückgewonnen, die regeneriert werden kann, um Aufschlußlösung zu erhalten. Dabei wird aus dem Rauchgas Wärme mittels Wärmeübertragungselementen wie wassergefüllter Rohre abgeführt, in denen das Wasser durch indirekten Wärmetausch in Dampf umgewandelt wird. Der Wärmeinhalt des aus dem Ofen abgezogenen Rauchgases kann zur Konzentration der Schwarzlauge durch Eindampfung mittels indirekten Wärmetausches verwendet werden, wobei ein Produkt mit einem Trockengehalt von zirka 55 % in ein Produkt mit einem Trockengehalt von 65 bis 70 % umgewandelt wird. Dieses Verfahren ist jedoch mit Nachteilen in Hinsicht auf die Wärmewirtschaftlichkeit sowie mit Umweltproblemen behaftet.

Um die durch den direkten Kontakt zwischen Rauchgas und Schwarzlauge verursachten Nachteile zu vermeiden hat man z.B. im kanadischen Patent Nr. 917858 vorgeschlagen, die Schwarzlauge auf einen Trockengehalt von 65 bis 70 % in einem Kaskadenevaporator durch direkten Kontakt mit einem zirkulierenden Dampfstrom aufzukonzentrieren, der durch indirekten Kontakt mit dem Rauchgas aus dem Sodaofen überhitzt wird. Der Sodaofen ist der konventionellen Bauart und mit wassergefüllten Rohren ausgestattet. Die dem Kaskadenevaporator zugeführte Schwarzlauge ist in einem konventionellen System auf einen relativ hohen Trockengehalt konzentriert worden.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, sämtliche flüssigkeitgekühlten stationären Wärmetauschflächen aus dem Prozeß und der Apparatur gemäß dieser Erfindung zu eliminieren.

Es ist ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, die Entwässerung von nassem Brennstoff ohne direkten Kontakt zwischem dem nassen Brennstoff und einer Wärmetauschfläche zu ermöglichen.

Es ist ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung, das Speisewassersystem des Ofens durch Erzeugung von Dampf aus dem Wassergehalt des Brennstoffes im wesentlichen zu eliminieren.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren und eine Apparatur gemäß Anspruch 1 bzw. 11 gelöst.

Dem Verfahren und der Apparatur der vorliegenden Erfindung zufolge, wird (a) aus dem nassen Brennstoff Wasser durch direkten Kontakt zwischen dem nassen Brennstoff und überhitztem Dampf verdampft, wobei getrockneter Brennstoff und Sattdampf entstehen; (b) mindestens ein Teil des Sattdampfes durch direkten Kontakt zwischen dem Dampf und einem inerten heißen Wärmeträger überhitzt, wobei abgekühlter inerter Wärmeträger entsteht; (c) der abgekühlte inerte Wärmeträger durch direkten Kontakt zwischen dem Wärmeträger und dem durch Verbrennung des getrockneten Brennstoffes aus Schritt (a) erzeugten Gas erhitzt, und (d) der inerte erhitzte Wärmeträger als Heizmittel auf Schritt (b) verwendet.

Es ist ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, daß der während des Prozesses erzeugte Dampf dem nassem Brennstoff entstammt. Als Brennstoff kann beim erfindungsgemäßen Verfahren und Apparat jedes beliebige brennbare Material verwendet werden. Somit kommt als Brennstoff jedes beliebige brennbare Material in Frage, wie Holzabfall und Borke, Abwasserschlamm, Ölraffinerieabfälle, Schlamm aus Papier- und Zellstoffprozessen, Schlämme aus der Pharmaindustrie und natürlich kohlenstoffhaltige Stoffe wie Kohle. Der Trockengehalt des nassen Brennstoffes ist nicht wichtig, solange der Wärmeinhalt des getrockneten Brennstoffes ausreicht, dem Brennstoff Wasser zu entziehen und der Brennstoff ohne brennbares Hilfsmaterial brennt. Wenn der Wärmeinhalt des Brennstoffes dazu nicht ausreicht, das Wasser dem Brennstoff vor dessen Verbrennung zu entziehen, kann der Wärmeinhalt des Brennstoffes jedoch durch Zugabe von anderem brennbarem Material in den Ofen oder durch Anwendung von Mehrfach-Verdampfungstechnik für einen Teil der Entwässerung oder eine Kombination aus den beiden ergänzt werden. Solch eine Modifikation wird als Teil der vorliegenden Erfindung verstanden.

Das Verfahren und die Apparatur gemäß der vorliegenden Erfindung können vorteilhafterweise auch als mobile Einheit benutzt werden, die bei Bedarf zu jeder beliebigen Stelle verschoben und dort eingesetzt werden kann. Somit kann Torf mit einem Trockengehalt von rund 15 % vor Ort gewonnen und im Apparat und nach dem erfindungsgemäßen Verfahren am Gewinnungsort verfeuert werden. Dem nassem Torf wird Wasser entzogen, indem er mit überhitztem Dampf in einem Evaporator oder Kessel in direkten Kontakt gebracht wird, wobei getrockneteter Torf und Sattdampf erzeugt werden, die für den Antrieb einer Turbine zur Stromerzeugung verwendet werden können. Ein Teil des Sattdampfes wird durch direkten Kontakt mit einem heilen Wärmeträger überhitzt, was überhitzten Dampf und entsprechend abgekühlten Wärmeträger ergibt. Der abgekühlte Wärmeträger wird hiernach mit durch die Verbrennung von getrocknetem Torf erzeugten Rauchgasen aus der Verdampfungsstufe in Kontakt gebracht. Der heiße Wärmeträger wird zur Erzeugung von überhitztem Dampf aus dem Sattdampt verwendet, wie bereits erwähnt wurde.

Bei Anwendung des Verfahrens für Torf ist es entsprechend möglich, gepreßten Torf zu verwenden mit einem Trockengehalt von 12 bis 15 % ohne Vortrockung zu verwenden. Der Wärmeinhalt von Trockentorf beläuft sich auf 3500 bis 4000 Kcal/kg, was bedeutet, daß etwa 6 bis 7 kg normalen Dampfes pro Kilogramm trockenen Brennstoffes produziert werden können. Es ist somit möglich, rund 6 bis 7 kg Dampf aus ca. 7 bis 8 kg nassen Brennstoffes zu erzeugen. Ungefähr das gleiche Ergebnis wird bei der Behandlung von Ablauge erreicht.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen in Detail beschrieben, die bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung darstellen.

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines Systems zur Durchführung des erfindunsgemäßen Prozesses; und

Fig. 2 ist eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform der Apparatur und des Prozesses gemäß der vorliegenden Erfindung.

Wie aus Fig. 1 hervorgeht, wird nasser Brennstoff wie etwa Schwarzlauge durch eine Leitung 2 vorzugsweise in den oberen Teil eines senkrechten Evaporators oder Kessels 6 eingegeben. Der Brennstoff wird feinverteilt vorzugsweise gleichmäßig mit einer beliebigen geeigneten Vorrichtung wie einem Verteiler 4 verteilt. Überhitzter Dampf mit einer Temperatur von rund 400 ºC wird dann durch einen Eintritt 8 vorzugsweise im unteren Teil des möglicherweise druckbeaufschlagten Evaporators eingeführt. Mindestens ein Teil des überhitzten Dampfes kann für externe Zwecke wie etwa den Antrieb einer Turbine entnommen werden. Der Dampf durchfließt den Evaporator vorzugsweise in Gegenstrom zu und in direktem Kontakt mit dem vom Verteiler nach unten strömenden nassen Brennstoff. Weil der überhitzte Dampf in direktem Kontakt mit dem nassen Brennstoff steht, wird der Schwarzlauge Wasser durch Verdampfung abgezogen, wobei der überhitzte Dampf in Sattdampf mit einer Temperatur von rund 250 ºC und einem Druck von ungefähr 40 bar umgewandelt wird. Der Dampf enthält das aus der Schwarzlauge verdampfte Wasser. Die entwässerte Schwarzlauge wird durch den vorzugsweise im Boden des Evaporators angeordneten Austritt 10 abgelassen und durch Leitung 12 dem Ofen 14 zugeführt. Der den Evaporator 6 verlassende Dampf wird durch Leitung 20 einem vorzugsweise druckbeaufschlagten Wäscher 18 zugeführt. Der Sattdampf wird in den Wäscher 18 durch einen vorzugsweise im unteren Teil des Wäschers angeordneten Eintritt 22 eingeführt. Im Wäscher 18 wird der Sattdampf durch direkten Kontakt mit einem inerten heißen Wärmeträger mit einer Temperatur von rund 500 ºC auf eine Temperatur von rund 400 ºC überhitzt. Als Wärmeträger kann jedes beliebige Material dienen, das Wärme absorbiert und inert ist, d.h. weder mit anderen Reaktanten oder Komponenten des Prozesses reagiert noch dadurch verändert wird oder umgekehrt. Beispiele für geeignete inerte Wärmeträger sind thermisch stabile Öle, Flüssigmetalle, feste Metalle, Sand und keramische Materialien wie feuerfestes Partikelmaterial, das ohne Zersetzung oder wesentliche Strukturveränderung mindestens auf eine Temperatur von ca. 450 bis ca 500 ºC erhitzt werden kann.

Der heiße Wärmeträger wird dem Wäscher 18 durch eine Leitung 24 über einen Verteiler 26 zugeführt, der vorzugsweise im oberen Teil des Wäschers angeordnet ist. Wäscher 18, wie auch Evaporator 6 sind vorzugsweise druckbeaufschlagt. Sattdampf durchfließt den Wäscher 18 in Gegenstrom zu und in direktem Kontakt mit dem heißen Wärmeträger, der von der Verteilervorrichtung 26 nach unten fließt und dadurch vorzugsweise gleichmäßig verteilt wird. Der überhitzte Dampf wird aus dem Wäscher 18 durch einen vorzugsweise im oberen Teil des Wäschers angeordneten Austritt 28 abgezogen und dem Evaporator 6 durch eine Leitung 30 zugeführt, die den Wäscheraustritt 28 mit dem Evaporatoreintritt 8 verbindet. Der durch Wärmeübertragung auf den Sattdampf auf ca. 300 ºC abgekühlte Wärmeträger sammelt sich auf dem Boden des Wäschers 18 und wird durch den Austritt 32 im Boden desselben ausgetragen und durch eine Leitung 34 einer vorzugsweise im oberen Teil eines Rauchgaswäschers 38 angeordneten Verteilervorrichtung 36 zugeführt. Wie man erkennt, richtet sich die Konstruktion von Verteilervorrichtungen 4, 26 und 36, wie etwa Düsen oder umlaufenden Scheiben nach dem jeweiligen Brennstoff und dem im erfindungsgemäßen Prozeß verwendeten Wärmeträger. Um die Brennstoff- und Wärmeträgeroberfläche zu vermehren, werden beide Materialien vorzugsweise gleichmäßig und in feinverteilter Form durch den gesamten Reaktionsbehälter wie Evaporator 6, Wäscher 18 und Rauchgaswäscher 38 verteilt.

Das aus dem Ofen 14 kommende in den Wäscher 38 vorzugsweise in dessem unterem Teil eingeführte Rauchgas fließt in Gegenstrom zu und in direktem Kontakt mit dem Wärmeträger, der vom Verteiler 36 abwärts fließt und den Wärmeträger dabei auf eine Temperatur von rund 500 ºC erhitzt. Der heiße Wärmeträger wird dann durch einen vorzugsweise im Boden des Wäschers angeordneten Austritt 40 ausgetragen und dem Wäscher 18 durch Leitung 24 zugeführt.

Wie oben angeführt wurde, sind Wäscher 18 und Evaporator 6 vorzugsweise druckbeaufschlagt, währenddessen in Ofen 14 und Rauchgaswäscher 38 ungefähr der Atmosphärendruck herrscht. Selbstverständlich kann der Wäscher auch eine Wirbelschichtinstallation, vorzugsweise eine zirkulierende Wirbelschicht sein, wobei der Wärmeinhalt des Rauchgases in den inerten Wärmeträger in direktem Kontakt damit übergeht und wobei der heile Wärmeträger wunschgemäß aus der Wirbelschicht abgeleitet und der abgekühlte Wärmeträger ihr rückgeführt weden können.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, wird der abgekühlte Wärmeträger mit einer Temperatur von ca. 300 ºC durch den im Boden des Wäschers 18 befindlichen Austritt 32 ausgetragen und über Ventil 46 und Leitung 56 in die zirkulierende Wirbelschichtkammer 50 eingegeben. Als Fluidisierungsgas für den Wärmeträger wird vorzugsweise Rauchgas aus einem Ofen (nicht dargestellt) verwendet, das über Leitung 60 in den unteren Teil der Fluidisierungskammer 50 eingeführt wird. Wie in Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben wurde, wird der im Evaporator 6 getrocknete Brennstoff über den Austritt 10 daraus entfernt und über Ventil 48 durch Leitung 12 einem Ofen (nicht dargestellt) zugeführt. Das Rauchgas aus dem Ofen wird vorzugsweise als Fluidisierungsgas in der Wirbelschicht eingesetzt, wie beschrieben wurde. In der Wirbelschichtkammer 50 zieht der Wärmeträger dem Rauchgas Wärme ab. Der vom Rauchgas mitgeführte erhitzte Wärmeträger verläßt Kammer 50 und wird im Abscheider 52 auf bekannte Weise abgeschieden, wobei das Fluidisierungsgas durch den Austritt 62 abgezogen und der Wärmeträger durch die Leitung 64 in den unteren Teil der Kammer 50 zurückgeführt wird. Erhitzter Wärmeträger kann der zirkulierenden Wirbelschicht entnommen und über Leitung 58 dem Wäscher 18 zugeführt werden. Falls Wäscher 18 und Evaporator 6 druckbeaufschlagt sind, wird der Wärmeträger über Pumpe 54, die z.B. eine rotierende Schraubenpumpe sein kann, in den Wäscher eingeführt. Der Wärmeträger wie etwa Sand, kann auch in einer thermisch stabilen Flüssigkeit als Träger fluidisiert werden, so daß der Sand mit der Zentrifugalkraft gepumpt werden kann. Nachdem der gewünschte Druck erreicht ist, kann die Fluidisierungsflüssigkeit entfernt werden, bevor der Wärmeträger den Verteiler 26 erreicht. Die entfernte Fluidisierungsflüssigkeit wird hiernach auf die Saugseite der Pumpe 54 zurückgeführt.

Die Konstruktionselemente von Evaporator, Wäscher, Rauchgaswäscher und Wirbelschicht sind Standardtechnologie und brauchen nicht weiter besprochen zu werden.

Die Pumpen 42 und 54 zur Beförderung des heißen Wärmeträgers vom Rauchgaswäscher 38 (zirkulierende Wirbelschicht 50, 51) zum Wäscher 18 und Gebläse 44 zur Umwälzung des Dampfes sind auch des konventionellen Designs und brauchen nicht weiter beschrieben zu werden.

Selbstverständlich können andere zur Beförderung des Wärmeträgers und Brennstoffes geeignete Vorrichtungen wie Förderschnecken benutzt werden. Es leuchtet auch ein, daß der Prozeß unter atmosphärischem Druck ablaufen kann, wenn nur Wasser erzeugt werden soll. Wenn der Prozeß unter atmosphärischem Druck abläuft, werden zusätzliche Fördereinrichtungen, wie z.B. Pumpen in Leitung 12 zur Beförderung des getrockneten Brennstoffes zum Ofen 14 und in Leitung 34 zur Beförderungs des Wärmeträgers zum Rauchgaswäscher 38 benötigt.

Die Vorteile des beschriebenen Systems zur Erzeugung von Dampf und Rückgewinnung von Chemikalien aus Schwarzlauge gegenüber einem konventionellen Rückgewinnungskessel und Evaporatorsystem bestehen darin, daß (a) die Schwarzlauge auf einen Trockengehalt von bis zu 100 % konzentriert werden kann; (b) im Evaporator keine mit der Schwarzlauge in Verbindung stehende Wärmetauschflächen benötigt werden; (c) im Sodaofen keine wassergekühlten Flächen existieren; und (d) es wird kein Speisewassersystem benötigt.

Der schwerwiegendste Nachteil eines wassergekühlten Rückgewinnungskessels besteht darin, daß stets die Gefahr von Wasserleckagen gegeben ist. Eine Wasserleckage in die Schmelze führt im allgemeinen zu einer kräftigen Explosion, die die Apparatur beschädigt sowie das Betriebspersonal gefährdet. Weil der erfindungsgemäße Ofen keine Rohre aufweist, gibt es weniger Einschränkungen für die Ofenkonstruktion.

Der Ofen kann unter Nichtbeachtung der Anforderungen konstruiert werden, die ein zirkulierendes Wasser/Dampf- Wärmetauschmittel an die Konstruktionsparameter stellen kann.

Die obengenannten Vorteile des Apparats und Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung eignen sich nicht nur zur Behandlung von Schwarzlauge sondern auch für andere geeignete Brennstoffe wie Torf, Industrieabfallstoffe und Schlämme.

Während eine spezielle Ausführungsform der Erfindung dargestellt und beschrieben wurde, um die Prinzipien der Erfindung aufzuzeigen, ist es selbstverständlich, daß die Erfindung auch anderweitig angewendet werden kann, ohne von solchen Prinzipien abzuweichen. Somit kann die vorliegende Erfindung in Verbindung mit druckbeaufschlagten kombinierten Kreisläufen ohne wassergefüllte Wärmetauschflächen angewendet werden. In gewissen fällen, wenn z.B. der Wärmeträger z.B. durch einen Gasstrom im Rauchgaswäscher leicht mitgeführt wird, kann es besser sein, den Wärmeträger zu veranlassen, in der gleichen Richtung zu fließen wie das Rauchgas. Der Wärmeträger wird dabei im unteren Ende des Rauchgaswäschers eingeführt und aus dem Gas in einem Zyklonabscheider abgeschieden, der mit dem oberen Ende des Rauchgaswäschers verbunden ist. Gewünschtenfalls kann auch ein Teil des Wärmeträgers dem Rauchgaswäscher rückgeführt werden.

Um den Druck im druckbeaufschlagten Wäscher 18 zu überwinden kann der Wärmeträger aus dem Rauchgaswäscher 38 durch Leitung 24 mittels einer beliebigen Fördereinrichtung wie einer Förderschnecke eingegeben werden. Wenn eine Schmelze als Wärmeträger verwendet wird, kann eine keramische Pumpe zur Beförderung der heißen Schmelze z.B. aus einem Rückgewinnungskessel eingesetzt werden.